夏振堯,張倫,牛鵬輝,梁永哲,胡文靜,許文年?

(1.三峽大學(xué)土木與建筑學(xué)院,443002,湖北宜昌;2.三峽大學(xué)三峽地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害與生態(tài)環(huán)境湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心,443002,湖北宜昌)

干密度初始含水率坡度對紫色土崩解特性的影響

夏振堯1,2,張倫1,牛鵬輝1,2,梁永哲1,2,胡文靜1,許文年1,2?

(1.三峽大學(xué)土木與建筑學(xué)院,443002,湖北宜昌;2.三峽大學(xué)三峽地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害與生態(tài)環(huán)境湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心,443002,湖北宜昌)

為研究干密度、初始含水率和坡度對紫色土崩解特征的影響,通過采用自制儀器對27種不同干密度、不同初始含水率和不同坡度的紫色土進(jìn)行崩解試驗,為三峽庫區(qū)消落帶靜水侵蝕導(dǎo)致的水土流失現(xiàn)象提供理論依據(jù),分別得到試樣的崩解速率與干密度、初始含水率和坡度的曲線關(guān)系。結(jié)果表明:在相同初始含水率和坡度下,隨著干密度的增加,崩解速率隨著浸泡時間增加呈現(xiàn)先增加后減小;在相同干密度和坡度下,隨著初始含水率的增加,崩解速率是隨著浸泡時間的增加呈現(xiàn)先增加后減小;相同含水率且干密度一定下,隨著坡度的增加,崩解速率隨著浸泡時間的增加呈現(xiàn)先增加而后減小。研究發(fā)現(xiàn)試樣崩解均是從底部開始崩解,且崩解區(qū)域隨浸泡時間的增長由底部逐漸延伸到頂部。

紫色土;崩解速率;坡度;初始含水率;消落帶;三峽庫區(qū)

三峽庫區(qū)消落帶是由于水庫庫容調(diào)度而引起庫區(qū)水位上下變動,使庫區(qū)兩岸土地周期性地露出水面,形成高差約為30 m的一段過渡性區(qū)域,這段過渡性區(qū)域是由水生態(tài)系統(tǒng)與陸生生態(tài)系統(tǒng)交替控制[1]。三峽庫區(qū)消落帶面積約為348.9 km2,它是水、陸生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)相交換較活躍的區(qū)域,是典型的生態(tài)脆弱區(qū)。該區(qū)域周期性的水位漲落使水土流失加劇,這對三峽庫區(qū)的生態(tài)環(huán)境和長江航運(yùn)具有相當(dāng)不利的影響[2]。土壤崩解可能是庫區(qū)消落帶水土流失的主要原因之一。紫色土是長江流域上一種具有代表性的侵蝕性土壤,紫色土的成土母巖構(gòu)造疏松,層理發(fā)育,易于風(fēng)化,并且紫色土區(qū)域大多地形起伏,降雨充足,加上開發(fā)利用中缺少相應(yīng)的水土保持措施,導(dǎo)致水土流失非常嚴(yán)重。成土母質(zhì)風(fēng)化后很快被侵蝕,使得露出地表的母質(zhì)層持續(xù)刷新,這種惡性循環(huán)使土壤發(fā)育始終處在相對幼年階段,不利于紫色土資源的可持續(xù)利用[3]。由于坡度是地貌形態(tài)特征的一個重要因子,在自然界中地貌坡度差異巨大。紫色土的崩解對庫區(qū)邊坡水土流失以及滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害的形成都具有重要影響。研究[4-5]表明,土壤崩解性能與其抗水侵蝕的能力有關(guān)。在土工試驗中土壤崩解試驗往往被稱為濕化,指土體浸泡水中之后,土體發(fā)生碎散崩潰、塌落的現(xiàn)象,這是由于水分子進(jìn)入土體試樣空隙中滲擠壓氣體,這樣引發(fā)土體試樣內(nèi)部應(yīng)力集中,至使土體試樣自身的斥力超過其吸力,進(jìn)而造成土體試樣的崩落瓦解[6]。

三峽庫區(qū)屬丘陵地段,通過紫色土形成的邊坡,是由于坡度不一致,表現(xiàn)出更多的重力侵蝕特征;同時,也由于坡度大,土壤顆粒的分散方式也不同,特別在研究坡面侵蝕時。這2方面(坡度不一致和坡度不一致引起顆粒分散方式都會影響)對侵蝕強(qiáng)度有重要影響[7]。本文利用室內(nèi)試驗,以闡明紫色土崩解速率特征與干密度、初始含水率及消落帶坡度之間的關(guān)系。

1 材料與方法

1.1 土樣及試樣制備

試驗土壤選用三峽庫區(qū)代表性紫色土。土壤采自湖北省宜昌市秭歸縣茅坪鎮(zhèn)(E 110°40＇17″,N 31° 12＇35″,海拔271 m)某橘園,去除地表層30 cm腐殖質(zhì)含量較高的土層后進(jìn)行取土,運(yùn)至三峽大學(xué)翠屏山植物繁育基地備用。采用烘干法、環(huán)刀法和電位法分別測定土壤天然含水量、土壤干密度和土壤pH值,并采用篩分法測定土樣的顆粒組成。試樣基本物理性質(zhì)指標(biāo)為表1。

表1 紫色土的基本物理性質(zhì)指標(biāo)Tab.1 Fundamental physical property indexes of purple soil

根據(jù)土樣基本物理性質(zhì),崩解實驗設(shè)定土壤干密度分別為1.30、1.35和1.40 g/cm3,初始含水率分別為8%、18%和28%,以研究土壤干密度、初始含水率對紫色土崩解特性的影響;根據(jù)三峽消落帶坡度特征[8],設(shè)置10°、20°和30°3種坡度,以研究不同坡地條件對紫色土崩解特性的影響。

參照土工實驗標(biāo)準(zhǔn)[9],實驗試樣制作前捏碎土樣中大塊土,并剔除土樣中未分解的植物根系及殘體、昆蟲尸體、石塊等雜物。將土樣置于80℃恒溫烘箱中烘干24 h,稱取土體質(zhì)量,根據(jù)實驗設(shè)計3種初始含水率,加入一定的蒸餾水后并攪拌均勻,置入恒溫恒濕箱24 h,使試樣的土體的水分均勻;取出3種含水率試樣,根據(jù)需要設(shè)定干密度,采用靜壓法制成10 cm×10 cm×10 cm的試樣。根據(jù)實驗設(shè)計,每種工況重復(fù)3次,共制作81個試樣。

1.2 崩解裝置與實驗方法

消落帶土壤崩解過程中,僅有迎水坡面與水體接觸,其他面與水體不發(fā)生直接接觸,這與土工實驗規(guī)程中濕化實驗[9]的條件不一致。本文采用自制崩解裝置,并對崩解試樣盒進(jìn)行處理,以模擬天然狀況消落帶的土壤崩解情況。如圖1所示,在崩解水槽內(nèi)底部分別置10°、20°和30°的楔形體,內(nèi)空尺寸10 cm×10 cm×10 cm的試樣盒置于楔形體之上,試樣置于試樣盒中;為防止試樣盒在實驗過程中滑動,在楔形體尖端設(shè)置防滑釘;為模擬消落帶土體與水體的接觸關(guān)系,試樣盒的四面有盒板,即土樣崩解過程中其頂面及右前面與水體接觸,其中頂面為消落帶坡面斜面,右前面為消落帶分層侵蝕后出現(xiàn)的垂直面。每組實驗完成之后,通過烘干崩解土的質(zhì)量來判斷土壤的崩解程度。

圖1 自制崩解裝置示意圖Fig.1 Schematic drawing of self-mode disintegration device

每個試樣的崩解實驗分7次在崩解水槽中進(jìn)行。實驗開始時,準(zhǔn)備7個大小一致的崩解水槽,往崩解水槽中注水至相同水位高度,然后水槽底部放置相同的楔形體。將土壤試樣置于試樣盒中,并于圖1所示置于第1個崩解水槽的楔形體上,開始計時;浸泡1 min時,暫停計時,并將試樣盒取出置于第2個崩解水槽的楔形體上,恢復(fù)計時,浸泡至3 min時,暫停計時;將試樣盒取出置于第3個崩解水槽的楔形體上,恢復(fù)計時,浸泡至6 min時,暫停計時……;按此方法依次進(jìn)行,其中在第4、5、6、7個崩解水槽中的浸泡累計時間分別為12、18、24、30 min。實驗過程中,試樣盒的取出和放置務(wù)必保證不擾動其中的試樣。單個試樣的實驗結(jié)束后,將7個崩解水槽靜置24 h后,倒掉上層清水,并將剩下的水土放入烘干箱中烘干,進(jìn)行稱量,能得到每個時間段試樣的崩解量。

1.3 數(shù)據(jù)分析

根據(jù)實驗過程中試樣累積崩解量與崩解時間的關(guān)系,可計算土壤崩解速率

式中:v為崩解速率,g/min;Hj,Hi分別為j、i2點對應(yīng)的累積崩解量,g,;Tj,Ti分別為j、i2點對應(yīng)的崩解時間,min。

根據(jù)土壤崩解速率與崩解時間的關(guān)系,可繪制土壤崩解曲線,運(yùn)用excel軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和制圖,利用SPSS軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 試樣崩解過程

當(dāng)試樣浸水之后,試樣表面產(chǎn)生大量的氣泡,并且實驗過程中試樣表層土顆粒會迅速擴(kuò)散,這樣使得崩解水槽中的清水變得渾濁,同時觀察發(fā)現(xiàn)試樣首先從底部產(chǎn)生顆粒狀、塊狀的崩解。試樣從底部崩解慢慢延伸到頂部,且頂部表面慢慢出現(xiàn)縫隙,底部崩解的速率在加快。當(dāng)室內(nèi)土體試驗到中后期,發(fā)現(xiàn)氣泡的直徑較小但數(shù)量較密集,偶爾伴隨有大氣泡,崩解速率變得緩慢(圖2)。

試樣從底部的崩解,隨著時間的增長,底部慢慢掏空,并且試樣從底部開始延伸到頂部,崩解的區(qū)域慢慢的擴(kuò)大;開始崩解時有小顆粒掉下,慢慢轉(zhuǎn)為塊狀的掉下。試樣從底部開始崩解主要原因為底部較水位頂部深,因而底部承受的水壓比頂部大,引起底部與頂部的壓力不一致,加速底部的水分子進(jìn)入試樣的空隙,試樣底部的崩解較快,底部的崩解量比上部大。

圖2 紫色土試樣崩解過程示意圖Fig.2 Process sketch of disintegration of purple soil samples

2.2 不同干密度條件下紫色土崩解曲線

在試樣含水率相同、坡度一致的情況下,以試樣的崩解時間為橫坐標(biāo)、試樣崩解速率為縱坐標(biāo),得到3組不同干密度試樣崩解曲線(圖3)。

圖3 初始含水率18%、坡度為20°時不同干密度紫色土試樣崩解曲線Fig.3 Disintegration curves of purple soil samples with different dry densities under initial water content of 18%and slepe gradient of 20°

可見,紫色土試樣的崩解速率隨著干密度的增加而增加,試樣崩解過程可分為3個階段。OA段的加速度一直在增大,加快崩解的速率;AB段的加速度慢慢減小,隨著時間的增加加速度恒定,崩解速率為1個定值;BC段已經(jīng)是崩解實驗的后期,隨著時間的增加,崩解加速度減小,崩解速度也減小。OA段:由于試樣剛開始放入水槽中,水分子進(jìn)入到試樣空隙中,雖然開始土壤的膠結(jié)力較大,但是水分子隨著時間的增加,加快進(jìn)入土壤空隙中,并且看到一個現(xiàn)象,試樣的表面有氣泡溢出,由少變多,崩解速率由慢變快;AB:段隨著時間的增加,水分子進(jìn)入空隙的速度一定時,促成了土壤的膠結(jié)力由大變小慢慢恒定,這樣試樣的崩解速率變成恒定;BC段:由于在崩解實驗的后期,試樣土體的空隙中的水分子越來越多,這樣土體顆粒會受到水分子壓力,不利于土體的崩解,后期的崩解速率越來越小。

2.3 不同初始含水率條件下紫色土崩解曲線

在試樣干密度相同、坡度一致的情況下,以試樣的崩解時間為橫坐標(biāo)、試樣崩解速率為縱坐標(biāo),得到3組不同初始含水率試樣崩解曲線(圖4)。

圖4 干密度1.35 g/cm3、坡度為20°時不同初始含水率紫色土崩解曲線Fig.4 Disintegration curves of purple soil samples with different initial water content under dry density of 1.35 g/cm3and slope gradient of 20°

可見,紫色土,試樣的崩解速率的快慢隨著初始含水率的增加而減小,到崩解最后階段,崩解速率趨于穩(wěn)定,試樣崩解過程可分為3個階段。OA段初始含水率不同,含水率越低,空隙越多,有利于水的進(jìn)入,這樣崩解的加速度加快;AB段加速度趨于穩(wěn)定這是由于隨著水與試樣的接觸面積的變?yōu)楹愣?崩解的速率達(dá)到最大;到BC段,崩解的加速度減小,崩解速度降低,這是隨著時間的增加,由于試樣最終都達(dá)到飽和的含水率,初始含水率不再是影響試樣的崩解速率。實驗過程發(fā)現(xiàn),初始含水率大,試樣崩解時間要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于初始含水量較小的試樣,崩解過程較慢。

2.4 不同坡度條件下紫色土崩解曲線

在試樣干密度、初始含水率均相同的情況下,以試樣的崩解時間為橫坐標(biāo)、試樣崩解速率為縱坐標(biāo),得到3組不同坡度條件的試樣崩解曲線(圖5)。

可見,紫色土試樣的崩解速率隨著坡度的增加而增加,整體崩解速率隨時間的變化仍為先增加后減緩的過程。

圖5 干密度1.40 g/cm3、含水率28%時不同的坡度紫色土崩解曲線Fig.5 Disintegration curves of purple soil samples with different slope gradient under dry density of 1.35 g/cm3and initial water content of 28%

當(dāng)試樣從放入水中,土樣從底部開始崩解,隨著時間的增長,底部慢慢掏空,并且試樣從底部開始延伸到頂部,崩解的區(qū)域慢慢的擴(kuò)大,由小顆粒慢慢轉(zhuǎn)變?yōu)閴K狀的掉下。

3 討論

3.1 紫色土不同干密度對崩解速率的影響

試樣干密度的大小決定其自身崩解速率快慢的主要因素,如果干密度不同,試樣的微觀空隙結(jié)構(gòu)和滲透性也不相同,從而決定了其自身崩解的快慢也不相同。土被壓密后,孔隙率減小,有一部分留在孔隙中氣體被擠出,這樣孔隙會減少,同時有些孔隙會成為封閉的孔隙,浸泡時水很難滲入,這樣滲透性也隨之減小[10]。由于試樣的體積一定,干密度較大空隙較小,這樣土壤顆粒之間的接觸更充分,在干密度增加的過程中,也加速了顆粒間形成較大的膠結(jié)力[11]。通過運(yùn)用SPSS軟件對崩解速率與土壤的干密度進(jìn)行相關(guān)性分析,結(jié)果可以得出,在水平α= 0.01,崩解速率與干密度的相關(guān)系數(shù)為0.517,崩解速率與干密度的Pearson相關(guān)性為-0.15,即在試樣含水率一定的條件下,土壤崩解速率與干密度的相關(guān)性不顯著。此結(jié)論與張曉媛等[12]對砂質(zhì)黏壤土靜水崩解速率的影響研究相似。

3.2 不同初始含水率對崩解速率的影響

土壤初始含水率直接決定土壤顆粒膠結(jié)的狀態(tài),所以初始含水率的大小直接決定其發(fā)生崩解的關(guān)鍵因素之一。土壤顆粒間的連結(jié)的力本質(zhì)是原子、正離子和負(fù)離子之間的相互形成的連接力[13]。初始含水率影響土壤的本質(zhì)即為土壤中的原子、正離子和負(fù)離子的連接力的大小;在崩解的過程中,隨著水不斷浸潤土體表面,水分子會不斷進(jìn)入到土體內(nèi)部,這樣不斷進(jìn)入水分子與土壤中的原子、正離子和負(fù)離子相互作用,影響它們之間的連接力的大小,土體中的親水的離子會和水作用,就導(dǎo)致原來土體的原子、正離子和負(fù)離子的連接力減弱或消失。李喜安等[14]的研究表明,如果其他的條件保持一致的情況下,土壤試樣速率崩解快慢隨著初始含水率的減小而崩解速率增加。由于土體有土顆粒、氣孔、水蒸氣,隨著初始含水率的增加時,土顆粒周圍會布滿水分,這樣會把土體中的氣體壓縮并且會把氣體分隔開,形成內(nèi)部應(yīng)力的平衡,在崩解的過程中,水不容易進(jìn)入,這樣不利于試樣的崩解。

運(yùn)用SPSS軟件對崩解速率與土壤初始含水率進(jìn)行相關(guān)性分析。由分析結(jié)果可知:在水平α= 0.05,崩解速率與含水率的Pearson相關(guān)性系數(shù)為-0.406,即在土樣干密度相同的條件下,土壤崩解的速率與初始含水率在0.05水平下是相關(guān)性顯著。此結(jié)論與張曉媛等[12]對砂質(zhì)黏壤土靜水崩解速率的影響研究相似。

3.3 不同坡度對速率的影響

按照土壤侵蝕的“動力”劃分,土壤侵蝕主要劃分水力侵蝕、重力侵蝕、和風(fēng)力侵蝕3種類型。重力侵蝕主要是由于土壤和自身的重力作用下,不能繼續(xù)存在原來的位置,這樣就能夠形成分散地或成片地塌落[15]。土壤崩解是評價土壤抵抗侵蝕能力的重要參數(shù)[16]。

假如把每個土壤顆粒作為質(zhì)點,把這個質(zhì)點放在一定的坡度上,在上面可將質(zhì)點分為重力切向分力、重力垂直于斜面的分力。由于坡度越大,重力切向分力越大,重力也就越大,切向的速率也越大;坡度越小,重力切向分力越小,切向的速率也越小。坡度不同導(dǎo)致土壤顆粒受到的重力和切向分力不一致。

由于坡度不同土壤顆粒崩解速率不一致,土壤顆粒的崩解速率受到坡度的影響,坡度較小,土壤顆粒脫離母體較慢,影響后續(xù)崩解;但是達(dá)到一定的坡度之后,此時雖脫離母體較快,但土壤顆粒靜水崩解速率慢。這就是前期坡度能提高土壤顆粒崩解速率,坡度達(dá)到一定之后,崩解速率反而減小的原因所在。斜面坡度增大到一定值時,侵蝕量轉(zhuǎn)為下降趨勢,稱為“侵蝕轉(zhuǎn)折坡度”,且這與席有關(guān)于坡度影響土壤侵蝕研究中的論證觀點“黃土丘陵溝壑區(qū),侵蝕轉(zhuǎn)折坡度值大約為25°～28.5°之間”[17]基本相同。

由利用軟件對不同坡度與崩解速率相關(guān)性分析可見:在水平α=0.01,不同坡度與崩解速率的Pearson相關(guān)性系數(shù)是0.250,即在初始含水率和干密度條件一致的情況下,土壤的不同坡度與崩解速率在0.01水平下的相關(guān)性不顯著?？赡艿脑蛟谟诒緦嶒炘O(shè)置的坡度為10°、20°和30°,在實驗坡度范圍內(nèi)崩解速率與坡度的相關(guān)性不顯著。

4 結(jié)論

1)崩解速率與干密度的相關(guān)性不明顯,但是隨著干密度的增大,試樣的崩解速率先增大后減小。

2)崩解速率隨初始含水率的增加而降低。下降趨向較明顯,SPSS分析相關(guān)性較好。說明消落帶下部長期浸泡在水中,反而崩解量較少,而在消落區(qū)上下波動的區(qū)域而容易崩解。

3)崩解速率隨坡度的增大而增大。這是試樣在水槽中的上下的壓力不一致,會導(dǎo)致試樣從底部開始崩解;同時最主要的是由于坡度越大,試樣的土顆粒更容易脫離母體,這樣能夠加速試樣的崩解速率,隨著時間的增加,試樣的崩解區(qū)域變得越來越大,隨著崩解區(qū)域的增大,會加快形成滑坡、泥石流的形成。

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Effects of dry density,initial water content,and slope gradient on the disintegration characteristics of purple soil

XIA Zhenyao1,2,ZHANG Lun1,NIU Penghui1,2,LIANG Yongzhe1,2,HU Wenjing1,XU Wennian1,2
(1.College of Civil Engineering&Architecture,China Three Gorges University,443002,Yichang,Hubei,China;2.Collaborative Innovation Center for Geo-hazards and Eco-environment in Three Gorges Area of Hubei Province,China Three Gorges University,443002,Yichang,Hubei,China)

[Background]Reservoir water fluctuation and the change of hydrogeological conditions lead to the destruction of coastal vegetation and the exposure of ground.The soil has been eroded severely under the influence of precipitation,periodic fluctuation of reservoir water level and surge,which brought significant influence on the local economy and environment.There will be the annual of 30m in water level due to the completion of the Three Gorges Reservoir,thus there will be a water-level-fluctuation zone.In order to provide a reliable theoretical basis for the soil erosion control in the water-levelfluctuation zone of the Three Gorges Reservoir,this paper focuses on the effects of dry density,initial water content and slope gradient on the disintegration characteristics of purple soil.[Methods]Through the study of the relative fields to disintegration test,the self-made disintegration tank was used.The 10 degrees,20 degrees and 30 degrees of wedge were placed in the bottom of tank respectively.The sample case with the inner dimensions of 10 cm×10 cm×10 cm was placed on the wedge.In order to prevent the specimen from sliding during the experiment,naps were arranged at the tip of the wedge.There were 27 kinds of purple soil in different initial water contents,dry densities and slope gradients by self-made instrument,which respectively provided the curve relationships among disintegration rate and dry density, ___initial water content,and slope gradient.[Results]The results showed that under the same initial watercontent and slope gradient,with the increase of dry density,the disintegration rates increased in the first and then decreased with the increase of immersion time.Under the same dry density and slope gradient, with the increase of initial water content,the disintegration rates increased first and then decreased with the increase of immersion time.Under the same initial water content and dry density,with the increase of slope gradient,the disintegration rates increased first and then decreased with the increase of immersion time.[Conclusions]By researching the experiment process,the disintegration region is always from the bottom of the sample,and then slowly extends to the top with the increase of immersion time.The research offers a foundation for the exploration of the disintegration mechanism in the water-levelfluctuation zone of the Three Gorges Reservoir.It provides theoretical basis for the protection and control of the water-level-fluctuation zone in the Three Gorges Reservoir.The research is also instructive,and provides technological support for the sustainable development of the environment,economy and society and the sustainable utilization in the Three Gorges Reservoir.

purple soil;the disintegration rate;slope gradient;initial water content;water-levelflutuation zone;the Three Gorges Reservoir

TU411

:A

:2096-2673(2017)01-0121-07

10.16843/j.sswc.2017.01.015

2016- 06- 05

2017- 02- 05

項目名稱:長江水利委員會長江科學(xué)院開放研究基金資助項目“三峽庫區(qū)植物根系增強(qiáng)紫色土抗水侵蝕效應(yīng)與機(jī)理研究”(CKWV2015208KY)

夏振堯(1981—),男,博士,教授。主要研究方向:邊坡生態(tài)防護(hù)。E-mail:xzy-yc@126.com

?通信作者簡介:許文年(1960—),男,博士,教授。主要研究方向:邊坡生態(tài)防護(hù)。E-mail:xwn@ctgu.edu.cn