赤山斜坡土体大孔隙特征研究

曾强 王乐

摘要 [目的]明确赤山斜坡土体大孔隙特征，为滑坡灾害防御提供参考。[方法]采集湖洲岛赤山斜坡土体，基于水分穿透法研究土体大孔隙特征。[结果]大孔隙尺寸范围为1.99～0.80 mm，居于中间尺度范围的大孔隙数量较多，大孔隙特征表现为土体表层和底层的两极分化。深度变化范围内，土体大孔隙特征会有局部突变，但总体上大孔隙数量、大孔隙尺寸、大孔隙度均随深度增加而减小。根系和有机质均是影响大孔隙特征的重要因素，但对大孔隙尺寸的影响程度更高。与有机质相比，根系与土体大孔隙特征相关性更大。[结论]局部变异并不影响大孔隙特征的整体发展规律；根系和有机质对斜坡土体大孔隙特征具有不同程度的影响。

关键词 滑坡；水分穿透；Poiseuille方程；大孔隙

中图分类号 S429 文献标识码 A 文章编号 0517-6611（2015）34-189-02

降雨、地震、人为活动等是当今引起滑坡灾害发生最重要的因素，其中以降雨诱发的滑坡最常见[1]。无论何种形式的斜坡土体，均发育有不同类型大孔隙，如腐烂根系通道、动物通道或洞穴、干缩裂隙、团聚体间结构性孔隙，其中根系通道是发育有植被的斜坡最常见的大孔隙通道，而土体存在大孔隙会导致土体结构异质化，降雨入渗进入土体会优先通过这些大孔隙，从而加快水分渗透，提高地下水对降雨的敏感度，甚至引起斜坡孔隙水压力的急剧提升，为滑坡产生提供有利的条件，尤其在山区流域居住地，会对人类生命财产安全构成潜在威胁。因此，研究斜坡土体大孔隙至关重要。为此，笔者采集湖洲岛赤山斜坡土体，采用水分穿透法研究了土体大孔隙特征。

1 研究区域概况与试验方法

1.1 研究区概况 试验点处于南洞庭湖湿地自然保护区的湖中岛赤山，丘、岗地貌类型，地理位置为112°18′21.41″E，28°51′52.68″N，距离沅江市城区约6 000 m。赤山最高处海拔为117 m，坡度均值为23°。土体厚度不超过1.0 m，主要为第四纪网紋红土和第四纪全新世以来的湖积冲积土。属亚热带湿润季风气候，具有湖区气候特征，年均气温为15.6 ℃，1月平均气温为4.1 ℃，7月平均气温为28.9 ℃，年均日照时数为1 743 h，年均降水量为1 322 mm，多集中在4～6月，无霜期为276 d，地区多洪涝灾害天气。岛上植被发育良好，中北部地区覆盖有青松、红杉、翠竹、香樟、腊树等天然植被。

1.2 土样采集 在斜坡开挖80 cm深度剖面，以10 cm为垂直间距分5层采集环刀（5 cm×5 cm）土样，每层采集2个环刀样，用于进行土体水分穿透试验。取每层土体体积为20 cm×20 cm×10 cm，用于测定根系质量密度。每层另取土体约1 kg，用于测定土体密度、机械组成、有机质等参数。所测定的土体基本特性见表1。

1.3 数据处理 水分穿透法结合Poiseuille方程[2]建立流量和孔隙半径关系：

q=πr4Δp/（8ητL）（1）

流量达稳定状态时：

q=πr2τL/t（2）

据式（1）、（2）可求大孔隙当量半径：

r=τL8η/tΔp（3）

式中，q为单位出流量，cm3/s；r为大孔隙半径，cm；Δp为压力水头，cm；η为水粘滞系数，g/（cm·s）；τ为大孔隙弯曲系数，一般取1.2；L为土柱高度，cm；t为第1次加水开始计时的时间，s。

假设某个孔隙出流速率为v（cm/s），则单位出流量为：

qe=nπr12v（4）

2 结果与分析

2.1 大孔隙数量 由表2可知，土体各层大孔隙总数分别为670、656、1 045、341、319个/dm2，总体上大孔隙数量随深度增加而减小；其中2.4～1.4 mm的大孔隙数量最多，约占大孔隙总量的64.7%。最大孔径范围为2.6～2.4 mm，分布在土体表层；最小孔径范围为1.0～0.6 mm，分布在土体底层；最大和最小孔径范围大孔隙数量表现为土体表层和底层两极分化。由图1和图2可知，根系和有机质均影响土体大孔隙数量，但根系影响程度更高。

2.2 大孔隙尺寸 由表2可知，大孔隙尺寸并非表现为土体深度越深，尺度越小，个别土层甚至出现小尺寸大孔隙在土体剖面上部的现象，但土体各层大孔隙加权孔径整体上随深度增大而减小，加权最大孔径和加权最小孔径分布在土体表层和底层。由图3和图4可知，根系和有机质均是大孔隙尺寸的主要影响因素，根系的影响程度更大。相对于大孔隙数量而言，根系和有机质对大孔隙尺寸的影响程度相对较大。

2.3 大孔隙度 由表2可知，大孔隙度随深度增大波动较大，但总体上是减小的，说明大孔隙在土体空间存在异质性。由图5和图6可知，根系和有机质也是影响土体大孔隙度的重要因素，根系的影响程度更大。相对而言，根系和有机质对大孔隙度的影响与对大孔隙数量的影响程度较一致，但均无对大孔隙尺度的影响程度高。

3 结论

该研究表明，居于中间尺度范围的大孔隙数量较多，大孔隙尺寸范围为1.99～0.80 mm，大孔隙特征表现为土体表层和底层的两极分化，这对大孔隙特征的分选研究是重要的。深度变化范围内，土体大孔隙特征会有突变，但总体上大孔隙数量、大孔隙尺寸、大孔隙度均随深度增加而减小。