不同坡位崩积土体的微观空隙结构特征

高帆 卢玉东 郭雯 张晓周

摘 要：为了定性和定量分析崩积土体微观空隙结构特征，以西宁市林家崖崩积土体为研究对象，对崩积斜坡坡脚、坡中和坡顶土体分别取样进行CT扫描，通过AVIZO三维可视化软件对扫描结果进行图像处理和三维重建，并利用该软件提取、统计孔隙参数。结果表明：崩积土体空隙由孔隙和裂隙构成，形态各异且呈现不均匀分布。孔径区间0.1～0.5 mm内孔隙数目最多，坡脚、坡中和坡顶占比达到76.26%、73.11%和72.38%;孔径区间>1.0 mm内孔隙体积贡献率最大，坡脚、坡中和坡顶分别为55.01%、55.71%和53.49%;孔喉半径主要集中于1～2之间;迂曲度值以小于0.01为主，坡脚值相对高于其它坡位。总体来说，崩积土体具有较好的渗透特性，坡脚相较于坡中和坡顶连通性和滲透性较差。利用AVIZO软件对不同坡位崩积土体微观空隙结构分析，为建立崩积土体微观渗流模型和预防土体二次滑塌提供了新思路。关键词：微观空隙;崩积土体;CT扫描;孔隙;孔喉;中图分类号：P 642.13

文献标志码：A

文章编号：1672-9315（2020）06-01039-08

DOI：10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2020.0614开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Microvoid structure characteristics of colluvial soil

in different slope positions

GAO Fan1，2，LU Yu-dong1，2，GUO Wen1，2，ZHANG Xiao-zhou1，2

（1.School of Water and Environment，Changan University，Xian 710054，China;

2.Key Laboratory of Subsurface Hydrology and Ecological Effects in Arid Region Ministry of Education，

Changan University，Xian 710054，China）

Abstract：In order to qualitatively and quantitatively analyze the microscopic void structure characteristics of colluvial soil，taken the colluvial soil in Linjiaya of Xining City as the research object，sampled soil at different slope  positions of the colluvial slope by CT scanning.The visualization software performed image processing and three-dimensional reconstruction on the scan results，and extracted and counted the pore parameters.The results show that the voids of colluvial soil are composed of pores and cracks，with different shapes and uneven distribution.

The pore diameters are mosth，distrsbuted between 0.1～0.5 mm，and the proportions of the toe，middle and top of the slope reach 76.26%，73.11% and 72.38%.The pore volume contribution rate is the largest in the pore size interval 1～5 mm，and the slope foot，slope middle and slope top are 55.01%，55.71% and 53.49%，respectively.The pore throat radius is mainly less than 0.01 μm.Compared with the foot and middle of the slope，the pore throat radius distribution at the top of the slope is more scattered.The tortuosity value is mainly

concentrated between 1 and 2.In general，the colluvial soil is better in permeability，and the connectivity and permeability of the toe of the slope are poorer than those of the middle and the top of the slope.Using AVIZO software to analyze the microscopic void structure of colluvial soil at different slope positions provides a new idea for establishing the microscopic seepage model of colluvial soil and preventing the secondary landslide of soil.

Key words：microscopic void;colluvial soil;CT scanning;pores;pore throat

崩积土体是山体崩塌后倾覆、堆积形成的混合松散堆积体，在降水和灌溉等外力作用下极易造成二次滑动，威胁人类生命和财产安全。近年来，诸多学者采用不同方法对土体坡面的失稳因素、水力学特征和渗透特性等方面进行了探究。蒋芳市等利用环刀法研究了不同时间段崩积体不同部位的渗透性

[1];陈松等以三峡库区滑坡的宏观地质特征为基础，结合室内实验对崩滑堆积体的微观结构、物理特性等进行了研究[2];朱高立等探究了崩积体坡面的产流产沙时空特征及其响应关系，认为不同坡度崩积体坡面进行秸秆覆盖可达到水土保持的效果[3];尚岳全等通過对滑坡坡体进行物理模拟，得到其大孔隙的渗流系统，并对坡体渗透特征进行了描述[4];许建聪等通过探究降雨对坡体稳定性的影响，阐明了降雨通过改变土体的抗剪切能力，造成土体的失稳和变形[5]。由此可见，除土体物质成分外，结构特征是造成坡体失稳的主要因素。土体微观空隙特征又是描述土体结构的重要参数之一。因此，探究崩积土体的微观空隙特征，有助于深入了解崩积体内水分和气体的运输和贮存[6-7]，对崩积土体的斜坡稳定性分析具有重要意义。

目前学者多采用CT扫描[8-10]，核磁共振

[11-12]、电镜扫描[13]等方法，探究土体的微观空隙结构。在坡体微观结构研究方面，胡霞等探究了青海湖高寒草甸不同坡位的土壤孔隙特征[14];薛喜成等利用电镜扫描观察滑坡原状土和滑带土的微观结构，对滑坡运动过程进行反演[15];徐宗恒等利用CT技术对斜坡非饱和带土体进行扫描，分析得到土体孔隙度等参数随深度的变化特征，并借助VolView 3.4可视化交互系统实现了大孔隙的三维可视化，为植被发育的斜坡失稳研究提供依据[16];陈剑等利用扫描电镜分析了滑坡面微孔隙和微裂隙的发育特征，并提出滑坡带的力学性质[17];鞠忻倪等通过CT扫描获得陕北地区不同地形坡面区域土体的孔隙特征参数，揭示了不同地形和不同地层对土体孔隙参数影响显著[18]。然而对于崩积土体的微观孔隙和三维结构等的探究相对较少。为此，本研究利用工业CT对西宁市林家崖的不同坡位崩积土体进行微观扫描，并提取微观孔隙参数，对崩积土体微观结构进行分析，为进一步探究崩积土体斜坡破坏机理提供可供参考的理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

西宁市北山位于湟水河中部的河谷盆地，是青藏高原和陇西黄土高原的过渡带。高原构造的抬升和湟河水的下切造成河谷两侧丘陵区域形成较多的高陡斜坡，为崩塌的形成提供了临空条件。其地形地貌以丘陵和河谷平原为主，此外，北山地区降水集中且与汛期同步，年平均降水量约为369 mm，平均蒸发量高达为1 763 mm。降水量集中和蒸发量较高对溶盐胶结作用为主导的丘陵前缘高陡斜坡的稳定性造成威胁[19]。西宁市北山区域的林家崖，经度101°49′18″，纬度36°37′24″。

受人类活动、坡体岩土体性质等因素的影响，西宁北山已发生约31处崩塌灾害，林家崖积土体特征最具代表性。坡体地层以崩积物为主，主要由泥岩和石

膏岩构成，坡体地形较陡，坡度约45°（图1）。

1.2 样品采集与处理

考虑取样安全性和准确性，选择以盘山公路为依据确定3处采样点，即崩积斜坡的坡脚（A）、坡中（B）和坡顶（C），如图1所示。为保证最大程度减少对样品的扰动，首先使用刀和锯切在斜坡剖面分别切割出一个10 cm×10 cm×10 cm的土体而后，将内壁薄涂凡士林的环刀（70×52 mm）尖刃一端分别沿着事先切割出的土体向下插入。再通过下压环刀使土样顶端高于环刀顶端，之后用刀削去环刀周围多余土体。最后将装有土样的环刀使用保鲜膜保存，以保证土样在运输过程中不被损坏。

1.3 工业CT扫描

实验室内将土样从环刀中轻推出，利用工业CT（峰值电压225 kV，最大功率320 W）对其进行扫描[20]。CT扫描的原理是利用X射线在穿透密度不同的被测物体时，X射线的强度和频率等物理量会发生改变，即同一X射线，物体密度越大，其对X射线的吸收能力就越强[21]。崩积土体的组分和结构不均，因此X射线穿越土体过程中具有不同的衰减程度，将这些衰减信号通过计算机处理，将形成不同灰度值（0～255）的二维图像。

1.4 图像处理

由于扫描环境中存在噪声等外界因素的影响，往往会使图像上存在一些噪点。为提高分析的准确度，首先利用AVIZO软件的滤波器对图片进行滤波处理[22]。将坡脚、坡中和坡顶样品的原始图片尝试多种滤波处理方法后，选定双边滤波法并取得了较好的成像效果。双边滤波法是一种常用的局部平滑技术，其将空间邻近距离和像素值相似度进行折中，同时又考虑空域信息和灰度相似性，更好的实现了消除图像噪点和较好的保留空隙边缘（图2）。

其次，将上述滤波处理后的二维图像进行图像分割。图像分割的目的是为了更好的区分土体颗粒和孔隙。AVIZO软件中图像分割法包括阈值分割法、形态学分割法和分水岭分割法，其中最常用的分割方法为阈值分割。阈值分割可有效区分不同灰度值的物体，其关键点为阈值的确定，这是因为合理的阈值可提高空隙模型对实际土体空隙的真实反应程度[23]。通常阈值分割法包括二值化分割和多阈值分割，由于本探究只需区分空隙和崩积土体，因此选用二值化分割方法。本实验选择以孔隙度作为阈值，其阈值采用的孔隙度与宏观实测孔隙度差值在10%以内即为合理。实验中，采用饱和称重法对实际孔隙度n进行测定，可知坡脚、坡中和坡顶的孔隙度分别为30.7%，32.1%和31.6%。最终，选取实测孔隙度作为分割阈值，小于该阈值的部分为空隙，用黑色标记，赋值为1;大于该阈值的部分为土体，用白色标记，赋值为0（图3）。

1.5 三维重建和参数提取

利用AVIZO软件将二值化后的图片三维重建，可展现崩积土体的空隙三维结构，并能获取表征孔隙特征的相关参数。实验选择以中轴线算法为依据，对不同坡位样品的空隙进行三维模型重建[24]。在三维重建基础上，利用AVIZO软件中的“Label Analysis”模块对迂曲度、孔隙直径和体积等参数进行提取和统计。迂曲度是指实际流动路径的长度（LT）和流动路径的起始节点和结束节点之间的直线距离（L0）比，该值无法直接提取需运用AVIZO软件从孔隙结构模型中提取LT和L0值，进而求出迂曲度。

2 实验结果

2.1 不同坡位崩积土体的空间分布特征

通过构建不同坡位崩积土体的微观空隙三维分布图（图4），对崩积土体的微观空隙形态和分布特征进行探究。从形态上看，土壤中的空隙由裂隙、条带状孔隙、以及圆球或椭球状等不规则形状的孔隙组成。其中裂隙具有较好的局部连通性，加速了土体中水分的运移，对土体的渗透特性具有较大影响。条带状孔隙整体分布较为分散，但当降雨或者地下水位上升，大量水分入渗，便可能

造成孔隙之间的连通，从而增加土体内部水力联系，对崩积斜坡稳定性造成一定威胁。从分布特征上看，结合图3和图4可知，不同坡位土体孔裂隙均较发育，但分布各异，具有较为明显的空间异质性。坡脚土体样品的孔隙主要聚集于三维数字模型的中心部位，外部孔隙大部分呈孤立存在。坡顶和坡中孔隙分布相对较均匀。

2.2 不同坡位崩积土体孔隙参数特征

2.2.1 不同坡位崩积土体孔隙数量和体积特征

为定量表征崩积土体的微观特征，在重建三维模型的基础上，利用AVIZO软件对孔隙体积、孔隙直径和孔喉等参数进行提取，统计结果如图所示（图5，图6）。图5为不同坡位土体微观孔隙在各孔径区段的数量分布占比;图6为不同孔径区段孔隙体积占孔隙总体积的百分比。

由图5可知，同一直径区间内坡脚、坡中和坡顶土体的孔隙数目略有差异。整体来看，土体孔隙主要集中于孔径0.1～0.5 mm区间内，坡脚、坡中和坡顶在该区间内孔隙数目占比达到76.26%，73.11%和72.38%.孔径大于1.0 mm孔隙数量较小，分别为2.16%、1.62%和2.03%.然而在孔隙体积占比方面，直径0.1～0.5 mm孔隙体积占总孔隙体积百分比为10.71%，13.75%，10.33%;小于0.1 mm占0.04%，0.10%，0.07%;>1.0 mm体积占比最大，高达55.01%、55.71%和53.49%.基于以上分析可知，孔径0.1～0.5 mm区间内孔隙数目最多，但体积比相对较小。>1.0 mm孔径区间内孔隙数目占比较小，但孔隙体积占比却较高。由此可见，>1.0 mm区间内的孔隙对该土体孔隙率具有较显著的影响。

2.2.2 不同坡位崩积土体孔喉分布特征

孔喉是孔隙间相互连接的通道。喉道相对狭窄，但对于土体中水、气运输有着至关重要的影响。王伟等研究表明，不同样品渗透率和孔隙度的差异，主要是由于样品微观孔隙结构，尤其是喉道的形状，大小及分布不同造成的[25]。因此，在微观只是对崩积土体孔喉的探究，将有助于我们深入探讨崩积土体的微观孔隙结构和渗透特性的相关关系。

孔喉数量与孔隙数量之比通常可反映土体微观孔隙的连通程度。软件提取得坡顶的孔隙总数量430 436个，孔喉数量为1 054 568个，比值为2.45，坡中孔隙总数为601 595个，孔喉总数为2 141 678个，比值为3.65;坡脚孔隙总数为399 475个，孔喉总数为427 438个，比值为1.07.坡脚的比值相对较小，表明坡顶孔隙相较于坡脚和坡中存在更多孤立的孔隙，孔隙之间具有较小的连通性。此外，不同坡位的比值均大于1，即不同孔隙之间有多条喉道，孔隙之间相互贯通，从而形成较大的水力联系。从表1中可看出，整体上随着喉道半径的增加，孔喉数目呈逐渐递减的趋势。孔喉半径主要小于0.10 mm，坡脚和坡中在该半径区间内数目占比为79.73%和84.03%，坡顶为60.49%.

2.2.3 不同坡位崩积土体微观迂曲度探究

迂曲度常被用做反应渗流通道的曲折程度，也是表征土体输运性质的重要参数。本探究中使用迂曲度对孔喉的曲折程度进行表征，也间接表明了土壤的渗透性质。对不同坡位土体孔喉迂曲度进行计算和统计，结果如图7所示。结果表明，孔喉数目随着迂曲度的增加呈现逐渐减少的趋势。迂曲度越大，孔喉弯曲程度高，渗透性便越差;迂曲度越小，孔喉的弯曲程度弱，孔隙流通性便较好，渗透性相应也较高。由图7可知，迂曲度1～2区间内孔喉数目最多，坡脚、坡中和坡顶百分比高达97.74%、97.81%和97.60%.因此，研究区内崩积土的微观孔隙整体上迂曲度值偏小，即孔喉弯曲程度较弱，孔隙阻力较小，具有較好的渗透性。此外，图7中坡脚迂曲度高于坡顶和坡中，即坡脚具有较小的渗透性。

3 讨 论

崩积土体的渗透性主要取决于空隙的几何结构、连通性和复杂程度，因此可采用迂曲度、孔隙体积、孔隙直径和孔隙度等参数进行表征。本文结合迂曲度和孔隙直径等参数，探究崩积土体的微观结构，发现不同坡位具有以下特点。

1）不同坡位孔隙直径和体积占比无明显差异。

2）不同坡位孔隙连通性：坡脚<坡顶<坡中。

3）坡脚迂曲度相对较高，坡脚相对具有较差的连通性和渗透性。

崩积土体岩性不连续且变形性高，在风化作用影响下，坡顶和坡中崩积土体中的细质颗粒被带走，充填于坡脚骨架中。在土体强烈的挤压作用下，坡脚土体相较于坡中和坡顶较密实。

了解崩积土体渗透特性是构建渗流模型的前提，目前通常通过室外地质调查和室内模拟实验，构建坡体内部的渗流模型，其渗透特性的分析通常是从宏观角度以达西定律为基础。由图2和图3可知，崩积土体的孔裂隙形状各异且分布不均匀，因此以达西定律为基础并不能较准确的了解其渗流特性。反之，从微观空隙角度对崩积斜坡渗流特性进行分析，构建崩积土体微观渗流模型，对于分析、评价崩积土体斜坡的稳定性具有重要的意义。但本探究中不同坡位特征规律不是特别明晰，有赖于后续对同一坡位进行多组平行试验，丰富该区域的微观空隙特征探究。

4 结 论

1）依据三维空隙分布模型，崩积土体中裂隙和孔隙并存，坡脚空隙主要集中于样品中心，坡顶和坡中整体上呈不均匀分散。裂隙和条带状大孔隙连通性较好，是导致坡体不稳定的主要因素。

2）依据孔隙特性定量表征结果，孔隙直径>1 mm孔隙数目较少，体积占比却远高于其它区间孔隙。由此可见，该区间内的孔隙是崩积土体失稳时微观结构发生变化的主体，对崩积土体失稳具有较大贡献。

3）孔喉是有效评价土体渗透特性的重要参数，研究区内孔喉半径大部分小于0.01 μm.迂曲度主要集中于1～2区间，坡体具有较好的渗透特性。坡脚迂曲度高于坡中和坡顶，孔隙阻力大，渗透性较差。

4）CT扫描和三维重建崩积土体空隙结构有助于了解土体微观结构特征和渗透特性，为进一步构建崩积土体微观渗流模型提供重要依据。

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