崩岗不同土层渗透差异及其影响因素研究

张 燕，黄炎和，林金石，葛宏力，蒋芳市，朱高立，林超鹏

（福建农林大学 资源与环境学院，福州350002）

崩岗是山坡土石体受破坏而发生崩塌和受冲刷的侵蚀现象［1］，尤其在我国南方花岗岩地区发育十分普遍［2－3］。崩壁是崩岗的重要组成部分，是土体崩塌后形成的垂直陡壁，从上到下依次分为红土层、砂土层、碎屑层和球状风化层［4］，各土层在岩土特性、抗蚀、抗冲性能等方面存在较大差异［5］。吴志峰等［6］研究表明华南花岗岩风化壳不同层次岩土特性差异对崩岗的形成和发育具有重要的影响。诱发崩岗发生的因素很多［7－8］，但其内因都是在降雨作用下，崩壁土体受径流冲刷和土体吸水失稳造成的。而渗透决定了径流的多寡和水分在崩岗剖面的分布及其再分配，因此，十分有必要对崩壁不同土层的水分渗透特性进行研究。李思平［5］认为，红土层透水性差易被径流冲刷，且其吸水保水能力强容易增重崩塌，对崩岗的发生发展起着决定性的作用。魏多落［9］、林敬兰等［10］研究表明，红土层的渗透性能要好于砂土层和碎屑层，红土层的累计入渗量要远大于砂土层和碎屑层。王维勇［11］研究认为，崩岗剖面释水能力的强弱顺序为：母质层＞淋溶层＞淀积层。任兵芳等［12］对鄂东南崩岗土体特性研究表明，淋溶层渗透系数较大，淀积层渗透系数最小。

虽然已有研究开始关注崩岗不同土层的水分渗透特性，但都是基于典型层次进行分析，对过渡层的土壤渗透特性、弱透水层的位置及深度等崩岗水分研究的关键问题尚未解决，而这些层次的渗透特性对于研究崩岗发生具有重要意义。因此，为了深入研究崩壁不同深度土体渗透特征，本研究对崩壁垂直剖面不同土层进行密集采样，分析崩岗土体的渗透过程，并对垂直剖面的渗透特性及对影响不同土层渗透的主要因素进行研究，将为崩岗侵蚀发生机理提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于福建省安溪县，该县崩岗数量12 828个，占全省崩岗总数的49.28%，是南方崩岗侵蚀最为严重的区域之一，具有较好的代表性。研究区属于亚热带季风气候区，年均温16～22℃，年均降雨量1 600～2 000mm，降雨的季节分配不均匀，每年的3—6月份为梅雨季节，7—9月份受台风影响大，暴雨增多。本研究选取安溪县龙门镇洋坑村活动型崩岗为研究对象［10］，该崩岗从上到下红土层、砂土层和碎屑层发育完整，以长石类矿物为主，其次是石英和云母，土体属于花岗岩类，整个崩壁高度为32.5m。

1.2 野外选点及土壤样品的采集

在典型崩岗上选取近11m的崩壁进行采样，共采集22层土样进行相关实验。由于红土层渗透过程较为复杂［8－10］，所以对红土层加密取样，砂土层和碎屑层采取等间距取样，具体采样方法见表1。土样采集和分析都在2013年8月进行。

1.3 土体渗透特性的测定

采用“环刀法”测定土样渗透特性［13］，将环刀采回的土样进行从上到下预饱和处理。为提高实验精确度，在环刀下面放置电子天平，下渗水量直接用电子天平称重，通过重量与体积换算得到下渗水的体积。从滴下第一滴水开始计时，前两分钟每隔30s记一次重量，然后每隔1min记录一次，到30min后每隔2min记录一次，60min后每隔5min记录一次，至渗透达到稳定入渗为止。

1.4 土壤理化性质的测定和相关指标的确定方法

（1）土壤理化性质的测定方法。土壤容重和孔隙度采用环刀法［14］；有机质采用重铬酸钾消煮法［14］，＞0.25mm水稳性团聚体采用干筛法和湿筛法［15］。土壤质地分析方法：＞0.25mm粒径的土粒采用筛分法［14］，＜0.25mm粒径的土粒采用粒度仪分析，设备为丹东百特仪器有限公司生产的BT－9300ST激光粒度分布仪。

（2）水稳系数 K＝a／b

式中：a——大于0.25mm水稳性团聚体的百分含量；b——大于0.25mm干筛团聚体的百分含量。

（3）分形维数［16］

表1 崩岗土体采样点信息说明

2 结果与分析

2.1 崩岗土体渗透特性

2.1.1 崩岗土体不同土层渗透稳定过程 渗透是水分在重力作用下的垂直运移，土壤渗透特性是影响其水分运动和抗蚀性能的重要指标。图1—3分别是红土层、砂土层和碎屑层土体的渗透速率和时间的关系趋势图，从图中可以看出，除表层0.1m土层外，崩岗土体整体渗透性能较差。

图1 红土层渗透速率随时间变化

从图中可以看出，红土层（0～1.8m）渗透速率波动相对较大，在10～15min渗透速率相对稳定，其次为碎屑层（6.8～10.8m），在5～10min渗透速率相对稳定，砂土层的渗透过程最为平缓，且红土层的稳定渗透速率要大于砂土层和碎屑层。袁东海等［17］对鄂东南红壤水分扩散和入渗的研究也表明表土层的水分入渗要大于心土层和底土层，这说明红土层的蓄水空间要大于砂土层和碎屑层，也更容易吸水达到重量极限而产生崩塌。

图2 砂土层渗透速率随时间变化

图3 碎屑层渗透速率随时间变化

2.1.2 崩岗垂直剖面饱和导水率KS变化规律 饱和导水率KS是土壤孔隙全部充满水，在单位梯度作用下，垂直于水流方向的单位面积土壤的水流通量［18］，饱和导水率KS在数值上等同于土壤在饱和状态下的稳定渗透系数。崩壁是崩岗的重要组成部分，其饱和导水率KS变化直接影响崩壁的崩塌。图4是崩壁垂直剖面饱和导水率KS随土层深度的变化特征，可以看出，表层0.1m土层KS较大，为1.2 mm／min，KS在0.2m处陡然降低到0.43mm／min，降低了64.17%，在0.3～1.2m 土层，KS的值非常低，基本在0.10mm／min上下，到砂土层KS稍微增大，但明显小于红土0.1m处的饱和导水率，到碎屑层基本维持在0.5mm／min以下。从整个剖面来看个别点稍微异常，如7.8m处KS达到0.76mm／min，可能是因为大颗粒含量较大，石砾和砂砾含量达到了87.13%，也可能是个别土层微节理的存在，导致其饱和导水率偏大。

从崩壁土体饱和导水率KS的变化情况可以得出，表土层0.1m处入渗性能较好，但在0.1m表层以下，尤其是在20—40cm土层，土体渗透性能较差，饱和导水率KS维持在较低水平，所以这一层为弱透水层。弱透水层是指透水性相当差的岩层，没有具体的量化指标，是一个相对的概念［19］。水分进入弱透水层，很难向下入渗。弱透水层的存在可能是因为土体容重较大，水分难以下渗，加之弱透水层上部的土体在雨滴打击下，致使土体分散，细颗粒随水流向下入渗，堵塞水分进入土壤的通道。弱透水层向下，土体入渗能力增强，然后降低，最后逐渐趋于平缓。

图4 饱和导水率KS随土层深度的变化

2.1.3 崩岗垂直剖面饱和导水率KS对崩壁崩塌的影响 在一定的降雨入渗条件下，表层水分渗透性能优于弱透水层，导致表层土体不断遭到冲刷剥蚀，随着入渗时间的延长，水分由不透水层向下入渗进入砂土层，由于砂土层的饱和导水率KS大于弱透水层和碎屑层，所以水分由砂土层向碎屑层纵向运移受阻，开始侧向运移，产生侧向的应力，这样在弱透水层和碎屑层之间，形成了潜在的崩塌体。一旦侧向应力大于土体的抗剪强度，潜在崩塌体就会沿着断裂面产生崩塌。此时，崩塌体上部的弱透水层形成临空面，在持续小型降雨条件下，临空面不断吸水增重，导致土体质量增大，如果超过土体承载极限，就会发生坍塌。

林敬兰等［10］在研究崩岗的渗透特性时指出，砂土层的位置可能存在弱透水层，阮伏水［20］在崩岗沟侵蚀机理探讨时认为抗侵蚀能力较弱的砂土层是导致花岗岩崩岗侵蚀特别严重的重要原因，通过对崩壁垂直剖面密集采样，得出崩岗的发生发展是因为弱透水层和软弱砂土层存在的缘故。在表层0.1m以下的红土层存在弱透水层，弱透水层的存在使水分向下运移的通道被堵，在大暴雨情况下，降雨量大于水分渗透速率，地表径流增大，表土很容易被冲刷，崩岗侵蚀的概率增大。加上软弱砂土层的存在，在梅雨期间夹杂高强度的暴雨，更容易发生崩岗侵蚀危害。

2.2 崩壁土体渗透影响因素研究

渗透是水分进入土壤的初级过程，土壤理化性质对其具有重要影响。选取容重、有机质含量、分形维数、＞0.25mm水稳性团聚体含量、水稳系数、石砾含量、砂砾含量、粉粒含量、黏粒含量、总孔隙度、毛管孔隙度和非毛管孔隙度为指标对渗透影响因素进行研究，各指标土体性质的统计特征值见表2。

表2 崩壁土体性质统计特征值

将容重、有机质、分形维数、＞0.25mm水稳性团聚体含量、水稳系数、石砾、砂砾、粉粒、黏粒、总孔隙度、毛管孔隙度和非毛管孔隙度分别设为X1，X2，X3，X4，X5，X6，X7，X8，X9，X10，X11，X12，稳定渗透系数为Y，考虑到红土层弱透水层占整个红土层层次的2／3和其特殊性，在分析不同土层渗透影响因素时，红土层分析弱透水层0.2～1.2m、砂土层2.3～5.8m、碎屑层6.8～10.8m，通过对不同土壤指标因子和稳定渗透系数进行逐步回归分析，定量研究各因子对崩岗渗透性能影响的相对重要性。进行回归方程分析时，采用回归系数的调整系数和回归方程每增加一个因素时回归系数的改变量为判定各因子对渗透性能影响程度的指标。通过对弱透水层、砂土层和碎屑层渗透影响因素和饱和导水率KS进行回归分析，三个层次的回归模型分别为：

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

Y砂土层＝0.777 X9－0.294

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

表3 不同土层渗透影响因素回归方程判定系数输出结果

3 结论

对崩壁土体的渗透性能研究表明：总体上崩壁土体渗透性能较差，且红土层渗透性能优于砂土层和碎屑层，在表层0.1m以下存在弱透水层，弱透水层的厚度大约1m。分别对影响弱透水层、砂土层和碎屑层渗透的主要因子进行回归分析，三个土层主要渗透影响因子不同，且同一因子对不同土层的影响程度也存在差异。影响弱透水层渗透的主要因子是容重和土壤颗粒分布情况，二者能解释拟合回归方程的97.6%，影响砂土层渗透的主要因子是黏粒含量，能解释拟合回归方程的66.3%，影响碎屑层渗透的主要因子是颗粒分布情况，能解释拟合回归方程的99.4%。

本研究选取完整的崩壁垂直剖面对不同土层的渗透特征和影响渗透的因素进行研究，为进一步认识崩壁土体的水分特征提供了一定参考。但在崩岗剖面水分的分布和运移规律方面，有待进一步探讨。

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