干湿循环对崩岗区花岗岩红壤孔隙结构的影响

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花岗岩风化壳是我国南方崩岗形成的主要物质基础。花岗岩母质发育的土壤具有粗颗粒含量较多,结构松散的特性,其中红壤层黏粒含量高,抗侵蚀性强,对崩岗砂土层、碎屑层的侵蚀发生具有保护作用。南方地区水热资源丰富,土体长期处于干湿循环的环境中,土壤颗粒与孔隙发生微观结构上的破碎与重排,而岩土体结构的变化直接影响着崩岗的发生演化。系统研究花岗岩红壤孔隙结构在干湿循环作用下的变化规律是研究其水力学行为的关键,也是揭示土壤变形失稳的基础。因此,本研究以崩岗区花岗岩发育的红壤为试验对象,通过CT扫描和土-水特征曲线的测定,分析距崩壁不同距离下花岗岩红壤的孔隙结构与分布特征;结合Hydrus-1D软件,模拟花岗岩红壤在干湿循环作用下的入渗过程;基于室内干湿循环模拟试验,进一步分析干湿循环的频度与强度对土壤孔隙结构的影响。研究结果对于揭示崩岗侵蚀机理具有重要意义。主要研究结果如下:(1)在自然降雨-蒸发条件下,以水分监测第一天的土壤质量含水率为基准点,监测期间崩壁处土壤质量含水率的变化范围为-1.8%~2.9%,距崩壁0.5m处变化范围为-0.9%~1.7%,1m处变化范围为-0.4%~0.8%,2m处变化范围为-0.3%~0.3%,2.5m处变化范围为-0.1%~0.2%,2m后含水量变化趋于稳定。CT扫描显示花岗岩红壤中>1000μm的孔隙含量随着距崩壁距离的增加而降低,其中距崩壁0m、0.5m、1m、1.5m和2m处>1000μm的孔隙含量分别为12.87%、8.19%、4.77%、4.49%和3.55%,且孔隙的成圆率从0.64增加至0.84,表明土壤大孔隙在向小孔隙转化,且规则孔隙增加。此外,崩壁0m处的土壤饱和含水率最低,为36%,随着土壤基质吸力的增加,含水率逐渐减小。通过对崩壁不同距离处花岗岩红壤土-水特征曲线的分析发现,距崩壁0m、0.5m、1m、1.5m和2m处,>57μm的当量孔隙含量分别为25.13%、19.61%、14.86%、15.12%和12.60%;而小于0.2μm的当量孔隙含量分别为14.93%、27.57%、27.06%、27.35%和32.29%。土-水特征曲线和CT扫描技术测定结果有一定差异,但是变化趋势相同,两者测定结果间呈线性相关关系(R~2=0.91)。(2)在崩岗区多年平均降雨和蒸发条件下,花岗岩红壤质量含水率的变化范围为15.02%~42.33%,其中春末、夏季、秋初变化剧烈。自然降雨过程中,土壤的初始入渗率变化剧烈,入渗速率从0.15cm/天逐渐降低,在每个季节中旬入渗速率趋于平稳状态,在0.003cm/天上下波动,进入稳渗阶段。夏季高温多雨,干湿循环剧烈,土壤入渗速度较快,土壤累积入渗量明显高于冬季低温少雨时,表明干湿循环强度与频度的改变对土壤水分入渗特性的影响较大。(3)随着干湿循环次数的增加,滞回现象减弱,到干湿循环达到10次时滞回圈面积最小,表明在十次以内水力路径对土壤持水特性的影响随着干湿循环频度的增加而减弱;土壤持水能力随着干湿循环强度和频度的增加而降低,干湿循环5次后逐渐趋于稳定。当干湿循环为1次和10次时,土壤基质吸力从1500k Pa降低至0k Pa的过程中质量含水率的变化范围分别为44.9%~13.9%和38.9%~7.8%;随着干湿循环频度和强度的增加,进气值和残余含水率也呈现出逐渐减小的趋势。未经过干湿循环处理时的土壤饱和导水率最小,仅为0.00136cm/min。随着干湿循环频度的增加,三个强度下的饱和导水率均呈逐渐增大趋势,但增加程度不同,高强度(饱和~10%)增长最快,增长率为6.970%。随着干湿循环强度的增加,土壤持水能力逐渐降低。对于饱和含水率、a、n和饱和导水率而言,干湿循环强度对土壤持水特性的影响高于干湿循环频度(p<0.05)。(4)高强度(饱和~10%)和中强度(饱和~20%)干湿循环下,干湿循环频度主要影响>57μm、3~10μm、<0.2μm的孔隙含量,孔隙占比最大且变化最剧烈,随着干湿循环频度的增加,>57μm的孔隙含量均呈先增加,至干湿循环七次后减小趋势,变化范围为34.66%~48.87%和31.05%~38.95%;低强度(饱和~30%)干湿循环下,干湿循环频度主要影响>57μm和10~15μm、<0.2μm的孔隙含量,孔隙占比最大且变化幅度最大。>57μm孔隙含量随着干湿循环频度的增加先减小,干湿循环两次后逐渐增加,变化范围为22.65%~34.69%。大孔隙(>30μm)作为土壤渗透排水的主要通道,高强度和中强度条件下呈现随干湿循环频度增加而增加,七次后减小的趋势,低强度则呈现先减小后增加趋势。干湿循环频度一定时,干湿循环强度主要影响>57μm、10~15μm、3~10μm和<0.2μm孔隙含量,孔隙占比最大且变化最剧烈,其中>57μm和10~15μm的孔隙含量均随干湿循环强度增加而降低,<0.2μm的孔隙含量随干湿循环强度增加呈现先增加后减小趋势。大孔隙(>30μm)含量均随干湿循环强度的减小而减小,其变化范围分别为22.65%~44.95%、26.00~47.55%、31.27%~48.87%和34.68%~48.17%,干湿循环强度影响明显大于频度(p<0.05)。干湿循环强度对大孔隙的贡献率为64.1%,大于干湿循环频度对大孔隙的贡献率19.4%。此外,在高强度干湿循环作用下,通过两次干湿循环即形成土壤裂隙,而在低强度条件下,五次干湿循环后形成裂隙,土壤裂隙的发育程度随着干湿循环强度和频度的增加而增大。
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