崩崗不同土層滲透差異及其影響因素研究

張 燕，黃炎和，林金石，葛宏力，蔣芳市，朱高立，林超鵬

（福建農(nóng)林大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院，福州350002）

崩崗是山坡土石體受破壞而發(fā)生崩塌和受沖刷的侵蝕現(xiàn)象［1］，尤其在我國(guó)南方花崗巖地區(qū)發(fā)育十分普遍［2－3］。崩壁是崩崗的重要組成部分，是土體崩塌后形成的垂直陡壁，從上到下依次分為紅土層、砂土層、碎屑層和球狀風(fēng)化層［4］，各土層在巖土特性、抗蝕、抗沖性能等方面存在較大差異［5］。吳志峰等［6］研究表明華南花崗巖風(fēng)化殼不同層次巖土特性差異對(duì)崩崗的形成和發(fā)育具有重要的影響。誘發(fā)崩崗發(fā)生的因素很多［7－8］，但其內(nèi)因都是在降雨作用下，崩壁土體受徑流沖刷和土體吸水失穩(wěn)造成的。而滲透決定了徑流的多寡和水分在崩崗剖面的分布及其再分配，因此，十分有必要對(duì)崩壁不同土層的水分滲透特性進(jìn)行研究。李思平［5］認(rèn)為，紅土層透水性差易被徑流沖刷，且其吸水保水能力強(qiáng)容易增重崩塌，對(duì)崩崗的發(fā)生發(fā)展起著決定性的作用。魏多落［9］、林敬蘭等［10］研究表明，紅土層的滲透性能要好于砂土層和碎屑層，紅土層的累計(jì)入滲量要遠(yuǎn)大于砂土層和碎屑層。王維勇［11］研究認(rèn)為，崩崗剖面釋水能力的強(qiáng)弱順序?yàn)椋耗纲|(zhì)層＞淋溶層＞淀積層。任兵芳等［12］對(duì)鄂東南崩崗?fù)馏w特性研究表明，淋溶層滲透系數(shù)較大，淀積層滲透系數(shù)最小。

雖然已有研究開始關(guān)注崩崗不同土層的水分滲透特性，但都是基于典型層次進(jìn)行分析，對(duì)過(guò)渡層的土壤滲透特性、弱透水層的位置及深度等崩崗水分研究的關(guān)鍵問(wèn)題尚未解決，而這些層次的滲透特性對(duì)于研究崩崗發(fā)生具有重要意義。因此，為了深入研究崩壁不同深度土體滲透特征，本研究對(duì)崩壁垂直剖面不同土層進(jìn)行密集采樣，分析崩崗?fù)馏w的滲透過(guò)程，并對(duì)垂直剖面的滲透特性及對(duì)影響不同土層滲透的主要因素進(jìn)行研究，將為崩崗侵蝕發(fā)生機(jī)理提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于福建省安溪縣，該縣崩崗數(shù)量12 828個(gè)，占全省崩崗總數(shù)的49.28%，是南方崩崗侵蝕最為嚴(yán)重的區(qū)域之一，具有較好的代表性。研究區(qū)屬于亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，年均溫16～22℃，年均降雨量1 600～2 000mm，降雨的季節(jié)分配不均勻，每年的3—6月份為梅雨季節(jié)，7—9月份受臺(tái)風(fēng)影響大，暴雨增多。本研究選取安溪縣龍門鎮(zhèn)洋坑村活動(dòng)型崩崗為研究對(duì)象［10］，該崩崗從上到下紅土層、砂土層和碎屑層發(fā)育完整，以長(zhǎng)石類礦物為主，其次是石英和云母，土體屬于花崗巖類，整個(gè)崩壁高度為32.5m。

1.2 野外選點(diǎn)及土壤樣品的采集

在典型崩崗上選取近11m的崩壁進(jìn)行采樣，共采集22層土樣進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)。由于紅土層滲透過(guò)程較為復(fù)雜［8－10］，所以對(duì)紅土層加密取樣，砂土層和碎屑層采取等間距取樣，具體采樣方法見(jiàn)表1。土樣采集和分析都在2013年8月進(jìn)行。

1.3 土體滲透特性的測(cè)定

采用“環(huán)刀法”測(cè)定土樣滲透特性［13］，將環(huán)刀采回的土樣進(jìn)行從上到下預(yù)飽和處理。為提高實(shí)驗(yàn)精確度，在環(huán)刀下面放置電子天平，下滲水量直接用電子天平稱重，通過(guò)重量與體積換算得到下滲水的體積。從滴下第一滴水開始計(jì)時(shí)，前兩分鐘每隔30s記一次重量，然后每隔1min記錄一次，到30min后每隔2min記錄一次，60min后每隔5min記錄一次，至滲透達(dá)到穩(wěn)定入滲為止。

1.4 土壤理化性質(zhì)的測(cè)定和相關(guān)指標(biāo)的確定方法

（1）土壤理化性質(zhì)的測(cè)定方法。土壤容重和孔隙度采用環(huán)刀法［14］；有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀消煮法［14］，＞0.25mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體采用干篩法和濕篩法［15］。土壤質(zhì)地分析方法：＞0.25mm粒徑的土粒采用篩分法［14］，＜0.25mm粒徑的土粒采用粒度儀分析，設(shè)備為丹東百特儀器有限公司生產(chǎn)的BT－9300ST激光粒度分布儀。

（2）水穩(wěn)系數(shù) K＝a／b

式中：a——大于0.25mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體的百分含量；b——大于0.25mm干篩團(tuán)聚體的百分含量。

（3）分形維數(shù)［16］

表1 崩崗?fù)馏w采樣點(diǎn)信息說(shuō)明

2 結(jié)果與分析

2.1 崩崗?fù)馏w滲透特性

2.1.1 崩崗?fù)馏w不同土層滲透穩(wěn)定過(guò)程 滲透是水分在重力作用下的垂直運(yùn)移，土壤滲透特性是影響其水分運(yùn)動(dòng)和抗蝕性能的重要指標(biāo)。圖1—3分別是紅土層、砂土層和碎屑層土體的滲透速率和時(shí)間的關(guān)系趨勢(shì)圖，從圖中可以看出，除表層0.1m土層外，崩崗?fù)馏w整體滲透性能較差。

圖1 紅土層滲透速率隨時(shí)間變化

從圖中可以看出，紅土層（0～1.8m）滲透速率波動(dòng)相對(duì)較大，在10～15min滲透速率相對(duì)穩(wěn)定，其次為碎屑層（6.8～10.8m），在5～10min滲透速率相對(duì)穩(wěn)定，砂土層的滲透過(guò)程最為平緩，且紅土層的穩(wěn)定滲透速率要大于砂土層和碎屑層。袁東海等［17］對(duì)鄂東南紅壤水分?jǐn)U散和入滲的研究也表明表土層的水分入滲要大于心土層和底土層，這說(shuō)明紅土層的蓄水空間要大于砂土層和碎屑層，也更容易吸水達(dá)到重量極限而產(chǎn)生崩塌。

圖2 砂土層滲透速率隨時(shí)間變化

圖3 碎屑層滲透速率隨時(shí)間變化

2.1.2 崩崗垂直剖面飽和導(dǎo)水率KS變化規(guī)律 飽和導(dǎo)水率KS是土壤孔隙全部充滿水，在單位梯度作用下，垂直于水流方向的單位面積土壤的水流通量［18］，飽和導(dǎo)水率KS在數(shù)值上等同于土壤在飽和狀態(tài)下的穩(wěn)定滲透系數(shù)。崩壁是崩崗的重要組成部分，其飽和導(dǎo)水率KS變化直接影響崩壁的崩塌。圖4是崩壁垂直剖面飽和導(dǎo)水率KS隨土層深度的變化特征，可以看出，表層0.1m土層KS較大，為1.2 mm／min，KS在0.2m處陡然降低到0.43mm／min，降低了64.17%，在0.3～1.2m 土層，KS的值非常低，基本在0.10mm／min上下，到砂土層KS稍微增大，但明顯小于紅土0.1m處的飽和導(dǎo)水率，到碎屑層基本維持在0.5mm／min以下。從整個(gè)剖面來(lái)看個(gè)別點(diǎn)稍微異常，如7.8m處KS達(dá)到0.76mm／min，可能是因?yàn)榇箢w粒含量較大，石礫和砂礫含量達(dá)到了87.13%，也可能是個(gè)別土層微節(jié)理的存在，導(dǎo)致其飽和導(dǎo)水率偏大。

從崩壁土體飽和導(dǎo)水率KS的變化情況可以得出，表土層0.1m處入滲性能較好，但在0.1m表層以下，尤其是在20—40cm土層，土體滲透性能較差，飽和導(dǎo)水率KS維持在較低水平，所以這一層為弱透水層。弱透水層是指透水性相當(dāng)差的巖層，沒(méi)有具體的量化指標(biāo)，是一個(gè)相對(duì)的概念［19］。水分進(jìn)入弱透水層，很難向下入滲。弱透水層的存在可能是因?yàn)橥馏w容重較大，水分難以下滲，加之弱透水層上部的土體在雨滴打擊下，致使土體分散，細(xì)顆粒隨水流向下入滲，堵塞水分進(jìn)入土壤的通道。弱透水層向下，土體入滲能力增強(qiáng)，然后降低，最后逐漸趨于平緩。

圖4 飽和導(dǎo)水率KS隨土層深度的變化

2.1.3 崩崗垂直剖面飽和導(dǎo)水率KS對(duì)崩壁崩塌的影響 在一定的降雨入滲條件下，表層水分滲透性能優(yōu)于弱透水層，導(dǎo)致表層土體不斷遭到?jīng)_刷剝蝕，隨著入滲時(shí)間的延長(zhǎng)，水分由不透水層向下入滲進(jìn)入砂土層，由于砂土層的飽和導(dǎo)水率KS大于弱透水層和碎屑層，所以水分由砂土層向碎屑層縱向運(yùn)移受阻，開始側(cè)向運(yùn)移，產(chǎn)生側(cè)向的應(yīng)力，這樣在弱透水層和碎屑層之間，形成了潛在的崩塌體。一旦側(cè)向應(yīng)力大于土體的抗剪強(qiáng)度，潛在崩塌體就會(huì)沿著斷裂面產(chǎn)生崩塌。此時(shí)，崩塌體上部的弱透水層形成臨空面，在持續(xù)小型降雨條件下，臨空面不斷吸水增重，導(dǎo)致土體質(zhì)量增大，如果超過(guò)土體承載極限，就會(huì)發(fā)生坍塌。

林敬蘭等［10］在研究崩崗的滲透特性時(shí)指出，砂土層的位置可能存在弱透水層，阮伏水［20］在崩崗溝侵蝕機(jī)理探討時(shí)認(rèn)為抗侵蝕能力較弱的砂土層是導(dǎo)致花崗巖崩崗侵蝕特別嚴(yán)重的重要原因，通過(guò)對(duì)崩壁垂直剖面密集采樣，得出崩崗的發(fā)生發(fā)展是因?yàn)槿跬杆畬雍蛙浫跎巴翆哟嬖诘木壒?。在表?.1m以下的紅土層存在弱透水層，弱透水層的存在使水分向下運(yùn)移的通道被堵，在大暴雨情況下，降雨量大于水分滲透速率，地表徑流增大，表土很容易被沖刷，崩崗侵蝕的概率增大。加上軟弱砂土層的存在，在梅雨期間夾雜高強(qiáng)度的暴雨，更容易發(fā)生崩崗侵蝕危害。

2.2 崩壁土體滲透影響因素研究

滲透是水分進(jìn)入土壤的初級(jí)過(guò)程，土壤理化性質(zhì)對(duì)其具有重要影響。選取容重、有機(jī)質(zhì)含量、分形維數(shù)、＞0.25mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量、水穩(wěn)系數(shù)、石礫含量、砂礫含量、粉粒含量、黏粒含量、總孔隙度、毛管孔隙度和非毛管孔隙度為指標(biāo)對(duì)滲透影響因素進(jìn)行研究，各指標(biāo)土體性質(zhì)的統(tǒng)計(jì)特征值見(jiàn)表2。

表2 崩壁土體性質(zhì)統(tǒng)計(jì)特征值

將容重、有機(jī)質(zhì)、分形維數(shù)、＞0.25mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量、水穩(wěn)系數(shù)、石礫、砂礫、粉粒、黏粒、總孔隙度、毛管孔隙度和非毛管孔隙度分別設(shè)為X1，X2，X3，X4，X5，X6，X7，X8，X9，X10，X11，X12，穩(wěn)定滲透系數(shù)為Y，考慮到紅土層弱透水層占整個(gè)紅土層層次的2／3和其特殊性，在分析不同土層滲透影響因素時(shí)，紅土層分析弱透水層0.2～1.2m、砂土層2.3～5.8m、碎屑層6.8～10.8m，通過(guò)對(duì)不同土壤指標(biāo)因子和穩(wěn)定滲透系數(shù)進(jìn)行逐步回歸分析，定量研究各因子對(duì)崩崗滲透性能影響的相對(duì)重要性。進(jìn)行回歸方程分析時(shí)，采用回歸系數(shù)的調(diào)整系數(shù)和回歸方程每增加一個(gè)因素時(shí)回歸系數(shù)的改變量為判定各因子對(duì)滲透性能影響程度的指標(biāo)。通過(guò)對(duì)弱透水層、砂土層和碎屑層滲透影響因素和飽和導(dǎo)水率KS進(jìn)行回歸分析，三個(gè)層次的回歸模型分別為：

Y弱透水層＝4.854 X1＋1.095 X3＋0.12 X12－9.689

Y砂土層＝0.777 X9－0.294

Y碎屑層＝0.144 X1－19.097 X3－0.037 X9＋1.808

表3 不同土層滲透影響因素回歸方程判定系數(shù)輸出結(jié)果

3 結(jié)論

對(duì)崩壁土體的滲透性能研究表明：總體上崩壁土體滲透性能較差，且紅土層滲透性能優(yōu)于砂土層和碎屑層，在表層0.1m以下存在弱透水層，弱透水層的厚度大約1m。分別對(duì)影響弱透水層、砂土層和碎屑層滲透的主要因子進(jìn)行回歸分析，三個(gè)土層主要滲透影響因子不同，且同一因子對(duì)不同土層的影響程度也存在差異。影響弱透水層滲透的主要因子是容重和土壤顆粒分布情況，二者能解釋擬合回歸方程的97.6%，影響砂土層滲透的主要因子是黏粒含量，能解釋擬合回歸方程的66.3%，影響碎屑層滲透的主要因子是顆粒分布情況，能解釋擬合回歸方程的99.4%。

本研究選取完整的崩壁垂直剖面對(duì)不同土層的滲透特征和影響滲透的因素進(jìn)行研究，為進(jìn)一步認(rèn)識(shí)崩壁土體的水分特征提供了一定參考。但在崩崗剖面水分的分布和運(yùn)移規(guī)律方面，有待進(jìn)一步探討。

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