華南活動崩崗崩壁土體裂隙發育規律試驗研究

周紅藝, 李輝霞, 葉 奇, 吳國威

(佛山科學技術學院 空間信息與資源環境系, 廣東 佛山 528000)

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華南活動崩崗崩壁土體裂隙發育規律試驗研究

周紅藝, 李輝霞, 葉 奇, 吳國威

(佛山科學技術學院 空間信息與資源環境系, 廣東 佛山 528000)

為了研究崩壁裂隙發育對崩壁穩定性的影響，試驗采集了廣東德慶崩崗侵蝕區的崩壁不同部位土樣，對其進行脫濕作用下的裂隙發育演變規律室內試驗研究，試驗中采用烘干法模擬脫濕過程，在脫濕過程中，定時定位對土樣進行稱重、拍照，以記錄裂隙發育情況，利用ArcGIS軟件對裂隙照片進行矢量化處理，提取裂隙的各種幾何要素，進行裂隙度計算來分析裂隙發育情況。結果表明：不同部位土體裂隙發育程度達到相對穩定時的土壤含水量和時間不同，其中崩壁頂部(B1)土體最先產生裂隙和達到穩定狀態，其次是中部(B2)，最后是下部(B3)；不同崩壁土體的裂隙面積密度、長度密度和連通性指數都隨著含水率的減少而增大，達到最大值之后保持穩定，變化趨勢一致。正是由于崩壁土體裂隙的發育程度不一，在到達穩定的時間和含水量的不同，從而導致崩壁土體各部位受力不均，土體強度產生差異，從而最終導致在雨季崩壁失穩而發生崩崗。

華南花崗巖； 崩崗； 土壤裂隙； 模擬

華南花崗巖發育的紅壤風化殼是崩崗侵蝕母體，研究表明：崩崗與裂隙息息相關，裂隙成為了邊坡崩塌和直接產生重力侵蝕的重要因子，崩崗發育完全受裂隙所控制，華南花崗巖紅壤風化殼裂隙是崩崗侵蝕所特有的成因之一[1]。崩崗的侵蝕過程主要是通過崩壁的崩塌作用來完成，沒有崩壁的崩塌便沒有崩崗的演變和崩崗地形的發育，即崩壁的崩塌是整個崩崗演變過程中最活躍的部分，也是崩崗運動的物質來源[2-3]。研究認為崩壁土體裂隙發育是起不穩定性的重要原因：一方面，暴露于空氣中的崩壁土體極易失水收縮。其次，由于土體是熱的不良導體，夏季高溫季節，崩壁外層土體受熱力影響而產生膨脹收縮的程度較內部土體更大，不均勻的應力極易產生密集的破壞性裂隙[3]。在土壤裂隙方面的研究，多數研究還集中在膨脹土和農田土壤裂隙發育方面，較多學者對裂隙發育的定量化指標選擇和如何利用圖像技術進行量化進行了大量的試驗研究和探討[4-7]，最終提出較為公認的裂隙形態特征指標[8-13]：如裂隙面積密度、長度密度和裂隙分支角度為基本參數的裂隙形態特征體系，該體系可有效度量裂隙的形態及連通性，但仍需結合其他傳統數學指標進一步形象化；但是對于不同土壤類型和土體斷面層次的裂隙發育規律還缺乏比較研究，特別是對崩崗崩壁土體裂隙發育演化規律的研究至今仍鮮有報道，同時，從裂隙圖像提取裂隙信息的技術仍不甚完善。為此，筆者通過室內試驗模擬崩壁土體裂隙發育規律研究，嘗試采用GIS矢量化技術對裂隙圖像進行處理，根據提取的相關裂隙信息，對華南花崗巖崩壁土體裂隙開展演化規律進行探索，為下一步定量評價裂隙發育對風化殼穩定性、崩塌堆積量的影響，揭示崩壁邊坡失穩破壞機制，同時，也為崩崗侵蝕治理措施提供科學依據。

1　試驗方案

1.1供試土體

研究區位于廣東省肇慶市德慶縣，德慶縣地處廣東省中西部，屬低緯度地區，氣候溫和，熱量豐富，雨量充沛，無霜期長，據德慶縣氣象站資料，年平均氣溫21.5℃，年平均降雨量1 516.5 mm，年平均日照時數為1 848 h。在廣東省德慶縣深涌水土保持監測站設立的定位觀測點，在現有的39個崩崗中，選定其中1個較為活躍的崩崗進行崩壁土樣采集，采集崩壁上部(B1)、中部(B2)和下部(B3)三個層次土樣。取樣地布設于德慶縣馬墟鎮的東南部深涌水土保持監測站1號攔砂壩丘陵坡地，坐標位置110°50′26″E，23°10′29″N，海拔高度132 m，植物群落主要為木荷—崗松—笀萁群落以及其他雜草，土壤類型為赤紅壤。該崩崗屬弧形崩崗，侵蝕溝2條，崩壁后壁高5 m，平均深度3 m，溝口寬1.8 m，溝道最大寬度5.2 m，崩崗面積136 m2，溝道長16 m，邊壁高3.6 m。所取樣品來至崩壁的上部(B1)、中部(B2)和下部(B3)，采用2 mm 的篩子篩掉根系和雜質。土體顆粒分析中，粒徑>2 mm 的土體顆粒用篩析法測定，≤2 mm的土體顆粒用美國Microtrac公司的S3500系列激光粒度分析儀測定(最小測試粒徑為0.02 μm)，游離氧化鐵測定采用二亞硫酸鈉—檸檬酸鈉—重碳酸鈉(DCB)法，土壤容重采用環刀法，土壤有機碳用重鉻酸鉀法測定。每個土樣重復三次，測定數據取其平均值，所得的土體理化性質見表1。

1.2試驗方案

試驗土體風干后過2 mm篩到直徑為24.1 cm的不銹鋼盆容器里面，土層原始厚度為30 mm，加水至飽和狀態。本次試驗采用低溫(80℃)烘干法模擬土體脫濕過程，烘干過程中，分別于試驗開始后1 h，2 h及以后每隔20 min將土樣取出稱重并對土樣頂面進行拍照(共歷時22 h)，含水率用電子天平測定。用有效像素為1 010萬的松下DMC-LX7數碼相機拍照，為保證裂隙圖像拍攝距離、位置以及環境的一致性，采用固定機位和光源拍攝裂隙發育情況。三個試驗土體種類均設有3個重復，測試結果取均值。為保證裂隙圖像拍攝距離、位置及環境的一致性，以保證拍攝的距離及土樣位置一致，同時拍攝時遮擋住一切外界光源，僅用日光燈進行照明，以保證拍攝環境一致。采用固定機位和光源拍攝裂隙發育情況，特別制作一個能固定相機及土樣的架子。

表1土體基本理化性質

土體層次干容重/(g·cm-3)有機質含量/(g·kg-1)游離氧化鐵/(g·kg-1)含量/%黏粒(<0.002mm)粉粒(0.05～0.002mm)砂粒(0.05～2mm)B11.587.6710.5210.5475.3914.07B21.432.1621.1614.4878.017.51B31.472.4515.766.6269.4223.96

1.3照片處理方法和測量參數[7-8]

照片處理采用專業GIS圖像處理軟件Erdas 8.7進行幾何糾正、采用ArcGIS進行數字化、拓撲，最后進行裂隙的周長、面積等的提取及分析(圖1)，并計算裂隙數字化圖形進行各裂隙面積、周長統計，并根據各形態指標值的計算公式，獲得各裂隙的形態特征指標值。

1.4測量參數[7-8]

(1) 不同時刻下試樣的質量含水率(以下含水率均為質量含水率)。測量土壤含水率采用稱重法。

(2) 單條裂隙的面積Ai和長度Li。單條裂隙定義為相鄰兩節點之間的裂隙。將中心線圖和輪廓線圖導入到ArcGIS中，應用軟件的測量功能統計裂隙的長度和面積。

(3) 裂隙的節點個數Nn，連接裂隙條數Nc，單連接裂隙條數Ns和未連接裂隙條數Nu。

(4) 裂隙網絡連通性指數K[7,14]，計算公式如下：

(1)

式中：Ne——單連接裂隙的端點數；Ns——單連接裂隙條數；Nn——節點個數；Nn——節點個數；Ne——單連接裂隙的端點數；Ns——單連接裂隙條數。

(5) 裂隙面積密度PA和長度密度PL，計算公式[7,14]：

(2)

(3)

式中：PA——裂隙面積密度(%)；PL——裂隙長度密度(mm-1)；Ai——第i條裂隙的面積(mm2)；Li——第i條裂隙的長度(mm)；A0——研究區域土壤總面積(mm2)。

圖1　裂隙圖像處理過程圖

2　結果與分析

我們常能觀測的裂隙僅限于是土壤表面的二維形狀，因此，許多研究學者采用裂隙的長度和面積來表征裂隙的特征[6,10,14]。本文研究在前人研究的基礎上，擬從裂隙面積密度、裂隙長度密度和裂隙連通性指數三個方面來反映裂隙形態發育程度的指標。從我們觀察的試驗情況來看，在脫濕2 h 20 min的時候崩壁上部(B1)最先產生裂隙，其次是崩壁中部(B2)在2 h 40 min的時候有裂隙出現，崩壁下部(B3)在3 h后產生裂隙，下面分別分析各個層次土體裂隙發育和脫濕情況的關系。

2.1裂隙面積密度的發育規律

裂隙面積密度與含水率的關系如圖2所示。由圖2可以看出：崩壁不同部位土體的裂隙面積密度都隨著土體含水率的減少而逐漸變大，變化規律一致，裂隙面積密度與含水量的關系可以選用三次曲線方程擬合，其方程均達到極顯著水平，決定系數R2均在0.98以上(表2)。但是不同部位裂隙面積密度達到最大值時的土壤含水量卻不盡相同，崩壁中部(B2)土體含水量在8.2%時裂隙面積密度最先達到最大值并保持了穩定，其次是崩壁上部(B1)土體含水量在7.36%時裂隙面積達到最大值后穩定，最后是崩壁下部(B3)土體含水量在7.04%時裂隙面積達到最大值后就保持穩定,其順序是B2>B1>B3。崩壁不同部位的面積密度穩定值各不相同：中部(B2)土體的裂隙面密度最大，其次是崩壁上部(B1)，最后是崩壁下部(B3)土體，其順序是B2>B1>B3。裂隙面積密度不同部位的差異與熊東紅等[8]研究表明土體黏粒含量與裂隙發育程度存在強的正相關結論基本一致，本研究中的崩壁中部(B2)土體黏粒含量最高，其最終試驗結果的面密度是最大的。在實際情況中，由于崩壁土體上下部位含水量的不同，在上中下土層間形成一個上低下高的含水梯度，由于土體滲透特性的差異，崩壁土體很難在短時間內將含水量梯度自我平衡，所以在含水量空間梯度差異的作用下，崩壁土體會出現上部受拉，下部土體受壓的應力分布情況，當上部拉應力超過土塊抗拉強度時，裂隙便隨之產生,含水量的不同和裂隙的產生，可以影響土體的強度，從而發生不同部位土體強度的差異而發生崩崗。

圖2　裂隙面積密度與含水率關系

2.2裂隙長度密度的發育規律

裂隙長度密度和含水率的關系如圖3所示，崩壁不同部位土體的裂隙長度密度都隨著土體含水率的減少而逐漸變大，變化規律一致，裂隙長度密度與含水量都可以選用三次曲線方程擬合裂隙長度密度與含水率的關系，其方程均達到極顯著水平，決定系數R2均在0.92以上(表2)。B1在含水量為18.78%左右時，長度密度達到最大值后保持穩定，B2和B3分別在20.24%，18.06%時長度密度達到最大值后并保持穩定，之后，隨著含水量的減少，裂隙只是寬度拓寬，面積增大。從圖3中可以看出，崩壁不同部位的土體的裂隙長度最大值有所差異，從上部土體向下部土體遞減(B1>B2>B3)。說明上部土體裂隙發育程度比下部土體更充分。

表2試土體的裂隙形態發育與含水量的回歸方程

崩壁土體指標(Y)R2系數值回歸方程顯著性概率值面積密度R2=0.9930y=-0.0003x3+0.028x2-0.1876x+0.3727<0.0001崩壁上部(B1)長度密度R2=0.9488y=-4E-07x3-8E-05x2+0.0096x-0.0423<0.0001連通性指數R2=0.9544y=9E-06x3-0.0015x2+0.077x-0.2927<0.0001面積密度R2=0.9840y=-0.0005x3+0.0482x2-0.6302x+2.3146<0.0001崩壁中部(B2)長度密度R2=0.9685y=6E-07x3-0.0002x2+0.0109x-0.0431<0.0001連通性指數R2=0.9520y=2E-06x3-0.0008x2+0.0592x-0.2615<0.0001面積密度R2=0.9903y=-0.0003x3+0.028x2-0.252x+0.6662<0.0001崩壁下部(B3)長度密度R2=0.9269y=2E-06x3-0.0002x2+0.0119x-0.0491<0.0001連通性指數R2=0.9583y=-2E-06x3-0.0003x2+0.0441x-0.2107<0.0001

注：X代表水分含量(%)，Y代表裂隙發育指標(%)。

圖3　裂縫長度密度與含水率關系

2.3連通性指數與含水率關系

從圖4可以看出，崩壁不同部位土體的裂隙連通性指數都隨著含水率的減少而逐漸變大，變化規律一致，裂隙連通性指數與含水量都可以選用三次曲線方程擬合，其方程均達到極顯著水平，決定系數R2均在0.95以上(表2)。崩壁上部土體B1從一開始出現裂隙之后連通性指數迅速增大，在含水率為20.24%左右達到最大值并且穩定。中部土體B2試樣出現裂隙后連通性指數增長較快，在16.74%左右達到最大值并且穩定，下部土體B3試樣出現裂隙后連通性指數增長較慢,在12.68%左右達到最大值并且穩定。裂隙連通性指數反映了試樣裂隙網絡的形成過程，B1試樣的裂隙網絡形成時間較短，而后隨著含水率的減少而較快達到穩定，其裂隙網絡不變，只是裂隙寬度的增加，B3裂隙網絡形成時間較長。對于B1，由裂隙所切割而成的區塊比較完整，即裂隙之間形成的網絡連通性較好，穩定時其值為0.942，而B3被裂隙切割而成的塊區則比較破碎，存在比較多的單連接裂隙，裂隙之間形成的網絡連通性較差，穩定時其值為0.843。在連通性指數達到穩定時裂隙網絡已基本形成，由此可看出連通性指數能夠反映不同部位類型裂隙發育的特點，這樣說明上部土體相對下部土體來說更容易形成裂隙。因此，在崩崗治理中更要注意上部土體的植被覆蓋，保持其含水量的相對穩定來減少裂隙發育，從而降低崩崗發生的可能。

圖4　連通性指數與含水率關系

3　結 論

通過試驗表明，華南花崗巖風化殼土體在脫濕過程中容易產生裂隙，崩壁不同部位土體裂隙發育的程度不盡相同，崩壁裂隙的發育使得崩壁土體完整性受到破壞，不同部位土體裂隙發育程度的差異使得崩壁土體的強度特征會發生變化，從而使得崩壁土體各個方向受力不均而極易發生崩塌。不同崩壁土體的裂隙面積密度、長度密度和連通性指數都隨著含水率的減少而增大，達到最大值之后保持穩定，變化趨勢一致。裂隙面積密度、長度密度和連通性指數與含水率的三次曲線擬合方程均達到極顯著水平，決定系數均大于0.92。不同部位土體的變化程度有所不同，其規律共同說明上部土體B1更容易產生裂隙，而且裂隙發育的程度比下部土體更為充分，在長度密度和連通性指數方面均是上部土體最大。這說明在華南花崗巖土體崩崗治理過程中更需要考慮到上部土體的植被恢復才能有效防止崩崗的發生。不同部位土樣(崩壁頂部B1，崩壁中部B2，崩壁下部B3)的裂隙面積密度隨著含水率的減少而增大，不同部位的土體在達到裂隙面積穩定的時間和含水量是不同的，分別在含水量為18.78%，20.24%，18.06%左右達到最大值后保持穩定；長度密度和連通性指數也都是隨著含水率的減少而增大，崩壁不同部位(頂部B1，中部B2和下部B3)試樣的連通性指數隨著含水率的減小而增大，分別在含水率為20.24%，16.78%和12.68%左右達到最大值并且穩定，最大值分別為0.942，0.892，0.843，反映了崩壁不同部位下土體干縮裂隙網絡的形成過程和連通性的實際情況。以上結果說明不同部位土樣的裂隙發育情況是有所不同的，正是由于不同部位的開裂情況不同，裂隙度影響了土體的強度特性，最終導致崩壁的坍塌而發生崩崗，下一步應研究裂隙發育程度對崩壁土體強度的定量影響。

本研究重點探討了土體水分不斷衰減條件下，崩壁不同部位土體的裂隙形態發育變化，限于條件，對不斷增大的裂隙面積對土體水分蒸發散失的速率和土體強度的影響沒有深入探討；隨裂隙發育深度的增加，其裂隙內表面積不斷增大，導致土體整個蒸發面積的增大，必然對土體水分蒸發的速率和土體強度產生影響，如何量化土體裂隙發育深度以及其對土體強度的影響，有待下一步深入揭示；裂隙發育受土體巖土性質的影響，下一步應分析巖土性質對崩壁裂隙發育的影響；今后還應采集穩定型崩崗崩壁土體進行對比試驗，分析穩定型和活動型崩壁裂隙發育的差異及其對土體滲透性能和強度特性的影響。

崩壁裂隙的存在一方面破壞了土體的整體性，引起土體整體強度的降低；另一方面增大了土體的滲透性，為雨水入滲和水分蒸發提供了良好的通道，使得氣候對土體的影響深度進一步向土體內部發展。在降雨入滲條件下，流水迅速滲入土體內部，引起孔隙水壓力上升，基質吸力減小，土體強度下降，崩壁自重增加，兼之崩壁下部洞穴的存在，崩壁失穩加劇，最終導致崩壁上部土體崩墜或滑入溝底，并在以后的降雨中，被徑流帶走。至此，溝岸后退完成了一個輪回。但是關于崩壁裂隙發育是如何影響土體的滲透性和強度？裂隙發育程度對崩壁的穩定性和崩壁侵蝕量的定量關系如何？等等這一系列問題都還沒有看到新的研究進展，而這些問題恰恰是揭示崩崗發生機理的重要數據和參數。因此，筆者認為從崩壁土體裂隙發育程度入手，研究崩壁土體的裂隙發育及其對滲透特性、土體強度的影響和機理，定量評價裂隙發育對崩壁穩定性、崩塌堆積量的影響，是今后研究崩崗侵蝕機理的一個重要方向。

[1]周紅藝,李輝霞.華南花崗巖風化殼裂隙發育對崩崗侵蝕的影響[J].江蘇農業科學,2014,42(10):352-354.

[2]李思平.崩崗形成的巖土特性及其防治對策的研究[J].水土保持學報,1992,6(3):29-35.

[3]吳志峰,王繼增.華南花崗巖風化殼巖土特性與崩崗侵蝕關系[J].水土保持學報,2000,14(2):31-35.

[4]張家俊,龔壁衛,胡波,等.干濕循環作用下膨脹土裂隙演化規律試驗研究[J].巖土力學,2011,32(9):2729-2734.

[5]易順民,黎志恒,張延中.膨脹土裂隙結構的分形特征及其意義[J].巖土工程學報,1999,21(3):38-42.

[6]袁俊平,殷宗澤,包承綱.膨脹土裂隙的量化手段與度量指標研究[J].長江科學院院報，2003,20(6):27-30.

[7]張展羽,朱文淵,朱成立,等.農田土壤表面干縮裂縫的隨機分布統計特征[J].農業工程學報,2013,29(16):119-124.

[8]熊東紅,楊丹,李佳佳,等.元謀干熱河谷區退化坡地土壤裂隙形態發育的影響因子[J].農業工程學報,2013,29(1):102-108.

[9]唐朝生,施斌,劉春,等.影響黏性土表面干縮裂縫結構形態的因素及定量分析[J].水利學報,2007,38(10):1186-1193.

[10]Xiong Donghong, Lu Xiaoning, Xian Jishen, et al. Selection of judging indicators for surface morphology of soil crack under different development degrees in Yuanmou arid-hot valley region[J]. Wuhan University Journal of Natural Sciences,2008,13(3):363-368.

[11]Vogel H J, Hoffmann H, Roth K. Studies of crack dynamics in clay soil: I. Experimental methods, results, and morphological quantification [J]. Geoderma,2005,125(3/4):203-211.

[12]Young I M, Crawford J W. The analysis of fracture profiles of soil using fractal geometry[J]. Australian Journal of Soil Research,1992,30(3):291-295.

[13]Baer J U, Kent T F, Anderson S H. Image analysis and fractal geometry to characterize soil desiccation cracks[J]. Geoderma,2009,154(1/2):153-163.

[14]劉春,王寶軍,施斌,等.基于數字圖像識別的巖土體裂隙形態參數分析方法[J].巖土工程學報,2008,30(9):1383-1388.

Simulation of Morphological Development of Soil Cracks in the Collapsing Hill Region of Southern China

ZHOU Hongyi, LI Huixia, YE Qi, WU Guowei

(DepartmentofSpatialInformationandResourcesorEnvironment,FoshanUniversity,Foshan,Guangdong528000,China)

The collapsing hill is a specific form of soil erosion in the granite red soil region of South China，especially in Guangdong Province．It is one of the most important indications of serious soil erosion. We reported regular changes on surface morphology of soil cracks with decreasing water in three different parts of soil body, the top of collapsing wall (B1), the middle of collapsing wall (B2), the bottom of collapsing wall (B3) through simulation experiments. In this study, we took overhead photos of the sample frame using a digital camera. The images were further processed by ArcGIS to quantificationally analyze the statistical law of crack morphology. Meanwhile, a dynamic description method based on normal distribution was proposed to depict the morphology of shrinkage cracks on soil surface. It showed that crack area density, length density, and connectivity index all increased with decrease of moisture content and remained stable after reaching their maximums, but the time to reach their maximums and the soil moisture after reaching their maximums varied in different parts of soil body. Cracks were first developed in B1speciment, and then in B2, and finally in B3, and the same order was found in reaching their stability. Crack area density of B1specimen was the biggest compared with those of B2and B3specimen throughout the drying process. The difference in crack development, the time to reach stability, and soil moisture content will result in uneven load-carrying in different parts of soil body in collapsing wall, and finally result in collapsing hill in rainy season.

granite red soil region of Southern China; collapsing hill; soil cracks; simulation experiment

2015-09-07

2015-09-15

國家自然科學基金“華南花崗巖紅壤區崩壁裂隙發育對崩壁穩定性的影響”(41371041);國家自然科學基金青年項目(41401108);教育部人文社會科學研究規劃基金(13YJAZH041)

周紅藝(1977—),男,湖北利川人,博士,副教授,主要從事土壤侵蝕研究。E-mail:zhouhyfs@163.com

S152.7

A

1005-3409(2016)01-0338-05