王曉光

(山東省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開(kāi)發(fā)局 第四地質(zhì)大隊(duì)，山東 濰坊 261000)

1 概 述

近年來(lái)，受國(guó)際環(huán)境影響，我國(guó)大力開(kāi)展沿海島礁建設(shè)工程，并將其作為海洋戰(zhàn)略的重點(diǎn)研究區(qū)域[1-3]。然而，海洋侵蝕環(huán)境影響對(duì)珊瑚島的建設(shè)帶來(lái)一定的威脅[4-6]。因此，研究海洋環(huán)境下珊瑚島土層滲透溶蝕特征具有重要意義。

現(xiàn)有研究指出，我國(guó)沿海區(qū)域含水層介質(zhì)的溶蝕效應(yīng)，主要是由二氧化碳與水形成碳酸導(dǎo)致的侵蝕作用[6-7]。陳信升等[8]針對(duì)珊瑚地籍圖鈣質(zhì)軟泥開(kāi)展了固結(jié)-滲透試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)鈣質(zhì)軟泥的滲透系數(shù)約為10-6cm/s,且其滲透系數(shù)隨孔隙比的增大而逐漸增大。唐健健等[9]基于深入研究了海洋環(huán)境下島礁地下水化學(xué)特征，并指出島礁地下水潛水面處更易發(fā)生活躍的碳酸鹽礦物的溶解作用。高冉等[10]指出我國(guó)南海海域吹填島礁建設(shè)的重要性，并深入探討了我國(guó)南海珊瑚島礁吹填體鈣質(zhì)砂地基土的動(dòng)力特性。

綜上所述，現(xiàn)有研究主要針對(duì)海洋環(huán)境下我國(guó)南海島礁水化學(xué)特性及其影響，而缺乏對(duì)島礁地質(zhì)條件變化的試驗(yàn)分析。本次研究基于室內(nèi)滲透試驗(yàn)，深入分析海洋環(huán)境下珊瑚島土層溶蝕效應(yīng)及滲透性特征。研究成果可為我國(guó)海洋島礁建設(shè)提供一定的指導(dǎo)作用。

2 試 驗(yàn)

2.1 試樣制備

本次室內(nèi)試驗(yàn)研究所取試樣為我國(guó)南海某研究區(qū)完全擾動(dòng)狀態(tài)的珊瑚砂。按照《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50123-1999)相關(guān)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)[11]，先將珊瑚砂試樣烘干(溫度為105℃，持續(xù)時(shí)間10 h)，再用標(biāo)準(zhǔn)土壤篩振篩10 min，得到珊瑚砂土體試樣的顆粒密度為2.81 g/cm3。

2.2 試驗(yàn)方案

將上述珊瑚砂試樣填充到滲透溶蝕試驗(yàn)設(shè)備中(圖1)，其中裝珊瑚砂試樣的玻璃圓桶直徑為10 cm、高度為20 cm。

按照預(yù)先設(shè)計(jì)的孔隙率填充珊瑚砂(孔隙度分別為57.89%、52.15%和48.32%，對(duì)應(yīng)密實(shí)度為松散、中密和密實(shí))，然后將用硫酸配置好的酸性溶液(pH=3、5、7)通入進(jìn)行滲透溶蝕試驗(yàn)。保持上游酸性溶液的持續(xù)穩(wěn)定輸入，每2 h記錄測(cè)壓管水位差并計(jì)算土體的滲透系數(shù)。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 滲透率變化曲線

圖2為不同pH值、不同密實(shí)度條件下珊瑚砂的滲透系數(shù)隨侵蝕時(shí)間的變化關(guān)系。

圖2 珊瑚砂土體應(yīng)力-應(yīng)變曲線

由圖2可知，密實(shí)度對(duì)珊瑚砂試樣的滲透率-侵蝕時(shí)間曲線的變化特征影響較小，而不同pH值下珊瑚砂試樣則表現(xiàn)出明顯不同的變化特征。當(dāng)液體為中性時(shí)(pH=7)，珊瑚砂的滲透性基本不變，這表明液體對(duì)珊瑚砂無(wú)侵蝕效應(yīng)。當(dāng)侵蝕性液體呈酸性時(shí)(pH=3、5)，珊瑚砂的滲透系數(shù)呈現(xiàn)出明顯的階段性變化特征，可以劃分為3個(gè)階段即快速上升階段、下降階段和平穩(wěn)階段。在珊瑚砂滲透系數(shù)快速上升階段，珊瑚砂土體的滲透系數(shù)隨侵蝕時(shí)間呈現(xiàn)逐漸增大的變化趨勢(shì)，且侵蝕液體的酸性越強(qiáng)，則滲透系數(shù)增長(zhǎng)越快。分析認(rèn)為，這是由于長(zhǎng)時(shí)間的侵蝕導(dǎo)致土體內(nèi)部產(chǎn)生大量的孔隙且變得松散，較小顆粒在液體沖刷下被帶走，因此土的滲透性增強(qiáng)。溶液的酸性越強(qiáng)，則其對(duì)珊瑚砂的侵蝕性越強(qiáng)，則滲透系數(shù)增長(zhǎng)速率隨液體酸性增強(qiáng)而增大。在珊瑚砂滲透系數(shù)下降階段和平穩(wěn)階段，土體的滲透性逐漸變?nèi)踔敝邻呌谄椒€(wěn)，這是由于土體內(nèi)可溶蝕成分已經(jīng)被完全侵蝕，且在水壓條件下土體空隙部分被小顆粒填充，因此土體的滲透小幅度下降直至趨于平穩(wěn)。

3.2 密實(shí)度影響

基于不同pH值、不同密實(shí)度條件下珊瑚砂的滲透系數(shù)侵蝕時(shí)間曲線，可以得到不同試驗(yàn)條件下珊瑚砂的最大滲透系數(shù)和平均滲透系數(shù)增長(zhǎng)速率，見(jiàn)表1。由表1可知，在相同的pH值條件下，珊瑚砂的滲透性隨著土體的密實(shí)度逐漸降低，且其滲透系數(shù)增長(zhǎng)階段的平均增長(zhǎng)速率也隨著密實(shí)度逐漸降低。以CS-A組珊瑚砂試樣為例，松散狀態(tài)的土體試樣最大滲透系數(shù)和平均增長(zhǎng)速率分別為0.18 cm/s和1.56×10-6cm/s2，而密實(shí)狀態(tài)下土體的滲透系數(shù)及平均增長(zhǎng)速率相對(duì)降低55.56%。由此可見(jiàn)，密實(shí)度越大，則土體的滲透性越差，同時(shí)滲透溶蝕特征也變得不明顯。分析認(rèn)為，當(dāng)土體的密實(shí)度較大時(shí)，滲透入試樣的侵蝕性溶液的體積較小，因此其與土體中的可侵蝕物質(zhì)的化學(xué)反應(yīng)較弱。因此，侵蝕性液體對(duì)土體的溶蝕反應(yīng)較弱，土體內(nèi)產(chǎn)生的孔隙較少。同時(shí)，由于侵蝕反應(yīng)較弱、孔隙較少，珊瑚砂土體內(nèi)的細(xì)小顆粒流失也較少，土體內(nèi)的滲透通道發(fā)育不完全。因此，當(dāng)土體的密實(shí)度較大時(shí)，試樣的滲透性較小；土體的密實(shí)度較小時(shí)，試樣的滲透性則更大。

表1 珊瑚砂最大滲透系數(shù)及平均增長(zhǎng)速率

3.3 pH值影響

圖3為不同密實(shí)度條件下珊瑚砂土體滲透系數(shù)隨侵蝕液體的酸性變化關(guān)系。由圖3可知，在相同的密實(shí)度條件下，珊瑚砂的滲透性隨著侵蝕液體酸性的增強(qiáng)而逐漸降低，且其滲透系數(shù)增長(zhǎng)階段的平均增長(zhǎng)速率也隨著侵蝕液體酸性的增強(qiáng)而逐漸降低。以密實(shí)組珊瑚砂試樣為例，當(dāng)pH值為3時(shí)，土體試樣最大滲透系數(shù)和平均增長(zhǎng)速率分別為0.11 cm/s和0.95×10-6cm/s2，而當(dāng)pH=7時(shí)，土體的滲透系數(shù)及平均增長(zhǎng)速率相對(duì)降低45.45%。由此可見(jiàn)，侵蝕液體的酸性越強(qiáng)，則其對(duì)珊瑚砂土體的侵蝕性越強(qiáng)，滲透侵蝕特征也就越明顯，同時(shí)土體的滲透性也就越強(qiáng)。

圖3 不同密實(shí)度條件下珊瑚砂土體滲透系數(shù)-pH值曲線

4 結(jié) 論

為研究海水侵蝕條件下我國(guó)南海研究區(qū)珊瑚島地層滲透溶蝕特征，室內(nèi)展開(kāi)了不同密實(shí)度、pH值條件下的珊瑚砂滲透試驗(yàn)。主要研究結(jié)果如下：

1) 當(dāng)液體為中性時(shí)(pH=7)，珊瑚砂的滲透性基本不變，這表明液體對(duì)珊瑚砂無(wú)侵蝕效應(yīng)。當(dāng)侵蝕性液體呈酸性時(shí)(pH=3、5)，珊瑚砂的滲透系數(shù)呈現(xiàn)出明顯的階段性變化特征，可以劃分為3個(gè)階段，即快速上升階段、下降階段和平穩(wěn)階段。

2) 在相同的pH值條件下，珊瑚砂的滲透系數(shù)和平均增長(zhǎng)速率也隨著密實(shí)度逐漸降低。侵蝕海水的酸性越強(qiáng)、pH值越低，則其對(duì)土體的滲透溶蝕特征越明顯，珊瑚砂的滲透系數(shù)越大。