干密度初始含水率坡度对紫色土崩解特性的影响

夏振尧,张伦,牛鹏辉,梁永哲,胡文静,许文年†

(1.三峡大学土木与建筑学院,443002,湖北宜昌;2.三峡大学三峡地区地质灾害与生态环境湖北省协同创新中心,443002,湖北宜昌)

干密度初始含水率坡度对紫色土崩解特性的影响

夏振尧1,2,张伦1,牛鹏辉1,2,梁永哲1,2,胡文静1,许文年1,2†

(1.三峡大学土木与建筑学院,443002,湖北宜昌;2.三峡大学三峡地区地质灾害与生态环境湖北省协同创新中心,443002,湖北宜昌)

为研究干密度、初始含水率和坡度对紫色土崩解特征的影响,通过采用自制仪器对27种不同干密度、不同初始含水率和不同坡度的紫色土进行崩解试验,为三峡库区消落带静水侵蚀导致的水土流失现象提供理论依据,分别得到试样的崩解速率与干密度、初始含水率和坡度的曲线关系。结果表明:在相同初始含水率和坡度下,随着干密度的增加,崩解速率随着浸泡时间增加呈现先增加后减小;在相同干密度和坡度下,随着初始含水率的增加,崩解速率是随着浸泡时间的增加呈现先增加后减小;相同含水率且干密度一定下,随着坡度的增加,崩解速率随着浸泡时间的增加呈现先增加而后减小。研究发现试样崩解均是从底部开始崩解,且崩解区域随浸泡时间的增长由底部逐渐延伸到顶部。

紫色土;崩解速率;坡度;初始含水率;消落带;三峡库区

三峡库区消落带是由于水库库容调度而引起库区水位上下变动,使库区两岸土地周期性地露出水面,形成高差约为30 m的一段过渡性区域,这段过渡性区域是由水生态系统与陆生生态系统交替控制[1]。三峡库区消落带面积约为348.9 km2,它是水、陆生态系统物质相交换较活跃的区域,是典型的生态脆弱区。该区域周期性的水位涨落使水土流失加剧,这对三峡库区的生态环境和长江航运具有相当不利的影响[2]。土壤崩解可能是库区消落带水土流失的主要原因之一。紫色土是长江流域上一种具有代表性的侵蚀性土壤,紫色土的成土母岩构造疏松,层理发育,易于风化,并且紫色土区域大多地形起伏,降雨充足,加上开发利用中缺少相应的水土保持措施,导致水土流失非常严重。成土母质风化后很快被侵蚀,使得露出地表的母质层持续刷新,这种恶性循环使土壤发育始终处在相对幼年阶段,不利于紫色土资源的可持续利用[3]。由于坡度是地貌形态特征的一个重要因子,在自然界中地貌坡度差异巨大。紫色土的崩解对库区边坡水土流失以及滑坡、泥石流等地质灾害的形成都具有重要影响。研究[4-5]表明,土壤崩解性能与其抗水侵蚀的能力有关。在土工试验中土壤崩解试验往往被称为湿化,指土体浸泡水中之后,土体发生碎散崩溃、塌落的现象,这是由于水分子进入土体试样空隙中渗挤压气体,这样引发土体试样内部应力集中,至使土体试样自身的斥力超过其吸力,进而造成土体试样的崩落瓦解[6]。

三峡库区属丘陵地段,通过紫色土形成的边坡,是由于坡度不一致,表现出更多的重力侵蚀特征;同时,也由于坡度大,土壤颗粒的分散方式也不同,特别在研究坡面侵蚀时。这2方面(坡度不一致和坡度不一致引起颗粒分散方式都会影响)对侵蚀强度有重要影响[7]。本文利用室内试验,以阐明紫色土崩解速率特征与干密度、初始含水率及消落带坡度之间的关系。

1 材料与方法

1.1 土样及试样制备

试验土壤选用三峡库区代表性紫色土。土壤采自湖北省宜昌市秭归县茅坪镇(E 110°40＇17″,N 31° 12＇35″,海拔271 m)某橘园,去除地表层30 cm腐殖质含量较高的土层后进行取土,运至三峡大学翠屏山植物繁育基地备用。采用烘干法、环刀法和电位法分别测定土壤天然含水量、土壤干密度和土壤pH值,并采用筛分法测定土样的颗粒组成。试样基本物理性质指标为表1。

表1 紫色土的基本物理性质指标Tab.1 Fundamental physical property indexes of purple soil

根据土样基本物理性质,崩解实验设定土壤干密度分别为1.30、1.35和1.40 g/cm3,初始含水率分别为8%、18%和28%,以研究土壤干密度、初始含水率对紫色土崩解特性的影响;根据三峡消落带坡度特征[8],设置10°、20°和30°3种坡度,以研究不同坡地条件对紫色土崩解特性的影响。

参照土工实验标准[9],实验试样制作前捏碎土样中大块土,并剔除土样中未分解的植物根系及残体、昆虫尸体、石块等杂物。将土样置于80℃恒温烘箱中烘干24 h,称取土体质量,根据实验设计3种初始含水率,加入一定的蒸馏水后并搅拌均匀,置入恒温恒湿箱24 h,使试样的土体的水分均匀;取出3种含水率试样,根据需要设定干密度,采用静压法制成10 cm×10 cm×10 cm的试样。根据实验设计,每种工况重复3次,共制作81个试样。

1.2 崩解装置与实验方法

消落带土壤崩解过程中,仅有迎水坡面与水体接触,其他面与水体不发生直接接触,这与土工实验规程中湿化实验[9]的条件不一致。本文采用自制崩解装置,并对崩解试样盒进行处理,以模拟天然状况消落带的土壤崩解情况。如图1所示,在崩解水槽内底部分别置10°、20°和30°的楔形体,内空尺寸10 cm×10 cm×10 cm的试样盒置于楔形体之上,试样置于试样盒中;为防止试样盒在实验过程中滑动,在楔形体尖端设置防滑钉;为模拟消落带土体与水体的接触关系,试样盒的四面有盒板,即土样崩解过程中其顶面及右前面与水体接触,其中顶面为消落带坡面斜面,右前面为消落带分层侵蚀后出现的垂直面。每组实验完成之后,通过烘干崩解土的质量来判断土壤的崩解程度。

图1 自制崩解装置示意图Fig.1 Schematic drawing of self-mode disintegration device

每个试样的崩解实验分7次在崩解水槽中进行。实验开始时,准备7个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体。将土壤试样置于试样盒中,并于图1所示置于第1个崩解水槽的楔形体上,开始计时;浸泡1 min时,暂停计时,并将试样盒取出置于第2个崩解水槽的楔形体上,恢复计时,浸泡至3 min时,暂停计时;将试样盒取出置于第3个崩解水槽的楔形体上,恢复计时,浸泡至6 min时,暂停计时……;按此方法依次进行,其中在第4、5、6、7个崩解水槽中的浸泡累计时间分别为12、18、24、30 min。实验过程中,试样盒的取出和放置务必保证不扰动其中的试样。单个试样的实验结束后,将7个崩解水槽静置24 h后,倒掉上层清水,并将剩下的水土放入烘干箱中烘干,进行称量,能得到每个时间段试样的崩解量。

1.3 数据分析

根据实验过程中试样累积崩解量与崩解时间的关系,可计算土壤崩解速率

式中:v为崩解速率,g/min;Hj,Hi分别为j、i2点对应的累积崩解量,g,;Tj,Ti分别为j、i2点对应的崩解时间,min。

根据土壤崩解速率与崩解时间的关系,可绘制土壤崩解曲线,运用excel软件对数据进行处理和制图,利用SPSS软件进行数据相关性分析。

2 结果与分析

2.1 试样崩解过程

当试样浸水之后,试样表面产生大量的气泡,并且实验过程中试样表层土颗粒会迅速扩散,这样使得崩解水槽中的清水变得浑浊,同时观察发现试样首先从底部产生颗粒状、块状的崩解。试样从底部崩解慢慢延伸到顶部,且顶部表面慢慢出现缝隙,底部崩解的速率在加快。当室内土体试验到中后期,发现气泡的直径较小但数量较密集,偶尔伴随有大气泡,崩解速率变得缓慢(图2)。

试样从底部的崩解,随着时间的增长,底部慢慢掏空,并且试样从底部开始延伸到顶部,崩解的区域慢慢的扩大;开始崩解时有小颗粒掉下,慢慢转为块状的掉下。试样从底部开始崩解主要原因为底部较水位顶部深,因而底部承受的水压比顶部大,引起底部与顶部的压力不一致,加速底部的水分子进入试样的空隙,试样底部的崩解较快,底部的崩解量比上部大。

图2 紫色土试样崩解过程示意图Fig.2 Process sketch of disintegration of purple soil samples

2.2 不同干密度条件下紫色土崩解曲线

在试样含水率相同、坡度一致的情况下,以试样的崩解时间为横坐标、试样崩解速率为纵坐标,得到3组不同干密度试样崩解曲线(图3)。

图3 初始含水率18%、坡度为20°时不同干密度紫色土试样崩解曲线Fig.3 Disintegration curves of purple soil samples with different dry densities under initial water content of 18%and slepe gradient of 20°

可见,紫色土试样的崩解速率随着干密度的增加而增加,试样崩解过程可分为3个阶段。OA段的加速度一直在增大,加快崩解的速率;AB段的加速度慢慢减小,随着时间的增加加速度恒定,崩解速率为1个定值;BC段已经是崩解实验的后期,随着时间的增加,崩解加速度减小,崩解速度也减小。OA段:由于试样刚开始放入水槽中,水分子进入到试样空隙中,虽然开始土壤的胶结力较大,但是水分子随着时间的增加,加快进入土壤空隙中,并且看到一个现象,试样的表面有气泡溢出,由少变多,崩解速率由慢变快;AB:段随着时间的增加,水分子进入空隙的速度一定时,促成了土壤的胶结力由大变小慢慢恒定,这样试样的崩解速率变成恒定;BC段:由于在崩解实验的后期,试样土体的空隙中的水分子越来越多,这样土体颗粒会受到水分子压力,不利于土体的崩解,后期的崩解速率越来越小。

2.3 不同初始含水率条件下紫色土崩解曲线

在试样干密度相同、坡度一致的情况下,以试样的崩解时间为横坐标、试样崩解速率为纵坐标,得到3组不同初始含水率试样崩解曲线(图4)。

图4 干密度1.35 g/cm3、坡度为20°时不同初始含水率紫色土崩解曲线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°

可见,紫色土,试样的崩解速率的快慢随着初始含水率的增加而减小,到崩解最后阶段,崩解速率趋于稳定,试样崩解过程可分为3个阶段。OA段初始含水率不同,含水率越低,空隙越多,有利于水的进入,这样崩解的加速度加快;AB段加速度趋于稳定这是由于随着水与试样的接触面积的变为恒定,崩解的速率达到最大;到BC段,崩解的加速度减小,崩解速度降低,这是随着时间的增加,由于试样最终都达到饱和的含水率,初始含水率不再是影响试样的崩解速率。实验过程发现,初始含水率大,试样崩解时间要远远大于初始含水量较小的试样,崩解过程较慢。

2.4 不同坡度条件下紫色土崩解曲线

在试样干密度、初始含水率均相同的情况下,以试样的崩解时间为横坐标、试样崩解速率为纵坐标,得到3组不同坡度条件的试样崩解曲线(图5)。

可见,紫色土试样的崩解速率随着坡度的增加而增加,整体崩解速率随时间的变化仍为先增加后减缓的过程。

图5 干密度1.40 g/cm3、含水率28%时不同的坡度紫色土崩解曲线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%

当试样从放入水中,土样从底部开始崩解,随着时间的增长,底部慢慢掏空,并且试样从底部开始延伸到顶部,崩解的区域慢慢的扩大,由小颗粒慢慢转变为块状的掉下。

3 讨论

3.1 紫色土不同干密度对崩解速率的影响

试样干密度的大小决定其自身崩解速率快慢的主要因素,如果干密度不同,试样的微观空隙结构和渗透性也不相同,从而决定了其自身崩解的快慢也不相同。土被压密后,孔隙率减小,有一部分留在孔隙中气体被挤出,这样孔隙会减少,同时有些孔隙会成为封闭的孔隙,浸泡时水很难渗入,这样渗透性也随之减小[10]。由于试样的体积一定,干密度较大空隙较小,这样土壤颗粒之间的接触更充分,在干密度增加的过程中,也加速了颗粒间形成较大的胶结力[11]。通过运用SPSS软件对崩解速率与土壤的干密度进行相关性分析,结果可以得出,在水平α= 0.01,崩解速率与干密度的相关系数为0.517,崩解速率与干密度的Pearson相关性为-0.15,即在试样含水率一定的条件下,土壤崩解速率与干密度的相关性不显著。此结论与张晓媛等[12]对砂质黏壤土静水崩解速率的影响研究相似。

3.2 不同初始含水率对崩解速率的影响

土壤初始含水率直接决定土壤颗粒胶结的状态,所以初始含水率的大小直接决定其发生崩解的关键因素之一。土壤颗粒间的连结的力本质是原子、正离子和负离子之间的相互形成的连接力[13]。初始含水率影响土壤的本质即为土壤中的原子、正离子和负离子的连接力的大小;在崩解的过程中,随着水不断浸润土体表面,水分子会不断进入到土体内部,这样不断进入水分子与土壤中的原子、正离子和负离子相互作用,影响它们之间的连接力的大小,土体中的亲水的离子会和水作用,就导致原来土体的原子、正离子和负离子的连接力减弱或消失。李喜安等[14]的研究表明,如果其他的条件保持一致的情况下,土壤试样速率崩解快慢随着初始含水率的减小而崩解速率增加。由于土体有土颗粒、气孔、水蒸气,随着初始含水率的增加时,土颗粒周围会布满水分,这样会把土体中的气体压缩并且会把气体分隔开,形成内部应力的平衡,在崩解的过程中,水不容易进入,这样不利于试样的崩解。

运用SPSS软件对崩解速率与土壤初始含水率进行相关性分析。由分析结果可知:在水平α= 0.05,崩解速率与含水率的Pearson相关性系数为-0.406,即在土样干密度相同的条件下,土壤崩解的速率与初始含水率在0.05水平下是相关性显著。此结论与张晓媛等[12]对砂质黏壤土静水崩解速率的影响研究相似。

3.3 不同坡度对速率的影响

按照土壤侵蚀的“动力”划分,土壤侵蚀主要划分水力侵蚀、重力侵蚀、和风力侵蚀3种类型。重力侵蚀主要是由于土壤和自身的重力作用下,不能继续存在原来的位置,这样就能够形成分散地或成片地塌落[15]。土壤崩解是评价土壤抵抗侵蚀能力的重要参数[16]。

假如把每个土壤颗粒作为质点,把这个质点放在一定的坡度上,在上面可将质点分为重力切向分力、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。坡度不同导致土壤颗粒受到的重力和切向分力不一致。

由于坡度不同土壤颗粒崩解速率不一致,土壤颗粒的崩解速率受到坡度的影响,坡度较小,土壤颗粒脱离母体较慢,影响后续崩解;但是达到一定的坡度之后,此时虽脱离母体较快,但土壤颗粒静水崩解速率慢。这就是前期坡度能提高土壤颗粒崩解速率,坡度达到一定之后,崩解速率反而减小的原因所在。斜面坡度增大到一定值时,侵蚀量转为下降趋势,称为“侵蚀转折坡度”,且这与席有关于坡度影响土壤侵蚀研究中的论证观点“黄土丘陵沟壑区,侵蚀转折坡度值大约为25°～28.5°之间”[17]基本相同。

由利用软件对不同坡度与崩解速率相关性分析可见:在水平α=0.01,不同坡度与崩解速率的Pearson相关性系数是0.250,即在初始含水率和干密度条件一致的情况下,土壤的不同坡度与崩解速率在0.01水平下的相关性不显著。可能的原因在于本实验设置的坡度为10°、20°和30°,在实验坡度范围内崩解速率与坡度的相关性不显著。

4 结论

1)崩解速率与干密度的相关性不明显,但是随着干密度的增大,试样的崩解速率先增大后减小。

2)崩解速率随初始含水率的增加而降低。下降趋向较明显,SPSS分析相关性较好。说明消落带下部长期浸泡在水中,反而崩解量较少,而在消落区上下波动的区域而容易崩解。

3)崩解速率随坡度的增大而增大。这是试样在水槽中的上下的压力不一致,会导致试样从底部开始崩解;同时最主要的是由于坡度越大,试样的土颗粒更容易脱离母体,这样能够加速试样的崩解速率,随着时间的增加,试样的崩解区域变得越来越大,随着崩解区域的增大,会加快形成滑坡、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

项目名称:长江水利委员会长江科学院开放研究基金资助项目“三峡库区植物根系增强紫色土抗水侵蚀效应与机理研究”(CKWV2015208KY)

夏振尧(1981—),男,博士,教授。主要研究方向:边坡生态防护。E-mail:xzy-yc@126.com

†通信作者简介:许文年(1960—),男,博士,教授。主要研究方向:边坡生态防护。E-mail:xwn@ctgu.edu.cn