赤山斜坡土體大孔隙特征研究

曾強 王樂

摘要 [目的]明確赤山斜坡土體大孔隙特征，為滑坡災害防御提供參考。[方法]采集湖洲島赤山斜坡土體，基于水分穿透法研究土體大孔隙特征。[結果]大孔隙尺寸范圍為1.99～0.80 mm，居于中間尺度范圍的大孔隙數量較多，大孔隙特征表現為土體表層和底層的兩極分化。深度變化范圍內，土體大孔隙特征會有局部突變，但總體上大孔隙數量、大孔隙尺寸、大孔隙度均隨深度增加而減小。根系和有機質均是影響大孔隙特征的重要因素，但對大孔隙尺寸的影響程度更高。與有機質相比，根系與土體大孔隙特征相關性更大。[結論]局部變異并不影響大孔隙特征的整體發展規律；根系和有機質對斜坡土體大孔隙特征具有不同程度的影響。

關鍵詞 滑坡；水分穿透；Poiseuille方程；大孔隙

中圖分類號 S429 文獻標識碼 A 文章編號 0517-6611（2015）34-189-02

降雨、地震、人為活動等是當今引起滑坡災害發生最重要的因素，其中以降雨誘發的滑坡最常見[1]。無論何種形式的斜坡土體，均發育有不同類型大孔隙，如腐爛根系通道、動物通道或洞穴、干縮裂隙、團聚體間結構性孔隙，其中根系通道是發育有植被的斜坡最常見的大孔隙通道，而土體存在大孔隙會導致土體結構異質化，降雨入滲進入土體會優先通過這些大孔隙，從而加快水分滲透，提高地下水對降雨的敏感度，甚至引起斜坡孔隙水壓力的急劇提升，為滑坡產生提供有利的條件，尤其在山區流域居住地，會對人類生命財產安全構成潛在威脅。因此，研究斜坡土體大孔隙至關重要。為此，筆者采集湖洲島赤山斜坡土體，采用水分穿透法研究了土體大孔隙特征。

1 研究區域概況與試驗方法

1.1 研究區概況 試驗點處于南洞庭湖濕地自然保護區的湖中島赤山，丘、崗地貌類型，地理位置為112°18′21.41″E，28°51′52.68″N，距離沅江市城區約6 000 m。赤山最高處海拔為117 m，坡度均值為23°。土體厚度不超過1.0 m，主要為第四紀網紋紅土和第四紀全新世以來的湖積沖積土。屬亞熱帶濕潤季風氣候，具有湖區氣候特征，年均氣溫為15.6 ℃，1月平均氣溫為4.1 ℃，7月平均氣溫為28.9 ℃，年均日照時數為1 743 h，年均降水量為1 322 mm，多集中在4～6月，無霜期為276 d，地區多洪澇災害天氣。島上植被發育良好，中北部地區覆蓋有青松、紅杉、翠竹、香樟、臘樹等天然植被。

1.2 土樣采集 在斜坡開挖80 cm深度剖面，以10 cm為垂直間距分5層采集環刀（5 cm×5 cm）土樣，每層采集2個環刀樣，用于進行土體水分穿透試驗。取每層土體體積為20 cm×20 cm×10 cm，用于測定根系質量密度。每層另取土體約1 kg，用于測定土體密度、機械組成、有機質等參數。所測定的土體基本特性見表1。

1.3 數據處理 水分穿透法結合Poiseuille方程[2]建立流量和孔隙半徑關系：

q=πr4Δp/（8ητL）（1）

流量達穩定狀態時：

q=πr2τL/t（2）

據式（1）、（2）可求大孔隙當量半徑：

r=τL8η/tΔp（3）

式中，q為單位出流量，cm3/s；r為大孔隙半徑，cm；Δp為壓力水頭，cm；η為水粘滯系數，g/（cm·s）；τ為大孔隙彎曲系數，一般取1.2；L為土柱高度，cm；t為第1次加水開始計時的時間，s。

假設某個孔隙出流速率為v（cm/s），則單位出流量為：

qe=nπr12v（4）

2 結果與分析

2.1 大孔隙數量 由表2可知，土體各層大孔隙總數分別為670、656、1 045、341、319個/dm2，總體上大孔隙數量隨深度增加而減小；其中2.4～1.4 mm的大孔隙數量最多，約占大孔隙總量的64.7%。最大孔徑范圍為2.6～2.4 mm，分布在土體表層；最小孔徑范圍為1.0～0.6 mm，分布在土體底層；最大和最小孔徑范圍大孔隙數量表現為土體表層和底層兩極分化。由圖1和圖2可知，根系和有機質均影響土體大孔隙數量，但根系影響程度更高。

2.2 大孔隙尺寸 由表2可知，大孔隙尺寸并非表現為土體深度越深，尺度越小，個別土層甚至出現小尺寸大孔隙在土體剖面上部的現象，但土體各層大孔隙加權孔徑整體上隨深度增大而減小，加權最大孔徑和加權最小孔徑分布在土體表層和底層。由圖3和圖4可知，根系和有機質均是大孔隙尺寸的主要影響因素，根系的影響程度更大。相對于大孔隙數量而言，根系和有機質對大孔隙尺寸的影響程度相對較大。

2.3 大孔隙度 由表2可知，大孔隙度隨深度增大波動較大，但總體上是減小的，說明大孔隙在土體空間存在異質性。由圖5和圖6可知，根系和有機質也是影響土體大孔隙度的重要因素，根系的影響程度更大。相對而言，根系和有機質對大孔隙度的影響與對大孔隙數量的影響程度較一致，但均無對大孔隙尺度的影響程度高。

3 結論

該研究表明，居于中間尺度范圍的大孔隙數量較多，大孔隙尺寸范圍為1.99～0.80 mm，大孔隙特征表現為土體表層和底層的兩極分化，這對大孔隙特征的分選研究是重要的。深度變化范圍內，土體大孔隙特征會有突變，但總體上大孔隙數量、大孔隙尺寸、大孔隙度均隨深度增加而減小。