海洋环境下珊瑚岛土层溶蚀效应及渗透性特征研究

王晓光

(山东省地质矿产勘查开发局 第四地质大队，山东 潍坊 261000)

1 概 述

近年来，受国际环境影响，我国大力开展沿海岛礁建设工程，并将其作为海洋战略的重点研究区域[1-3]。然而，海洋侵蚀环境影响对珊瑚岛的建设带来一定的威胁[4-6]。因此，研究海洋环境下珊瑚岛土层渗透溶蚀特征具有重要意义。

现有研究指出，我国沿海区域含水层介质的溶蚀效应，主要是由二氧化碳与水形成碳酸导致的侵蚀作用[6-7]。陈信升等[8]针对珊瑚地籍图钙质软泥开展了固结-渗透试验，发现钙质软泥的渗透系数约为10-6cm/s,且其渗透系数随孔隙比的增大而逐渐增大。唐健健等[9]基于深入研究了海洋环境下岛礁地下水化学特征，并指出岛礁地下水潜水面处更易发生活跃的碳酸盐矿物的溶解作用。高冉等[10]指出我国南海海域吹填岛礁建设的重要性，并深入探讨了我国南海珊瑚岛礁吹填体钙质砂地基土的动力特性。

综上所述，现有研究主要针对海洋环境下我国南海岛礁水化学特性及其影响，而缺乏对岛礁地质条件变化的试验分析。本次研究基于室内渗透试验，深入分析海洋环境下珊瑚岛土层溶蚀效应及渗透性特征。研究成果可为我国海洋岛礁建设提供一定的指导作用。

2 试 验

2.1 试样制备

本次室内试验研究所取试样为我国南海某研究区完全扰动状态的珊瑚砂。按照《土工试验方法标准》(GB/T 50123-1999)相关试验标准[11]，先将珊瑚砂试样烘干(温度为105℃，持续时间10 h)，再用标准土壤筛振筛10 min，得到珊瑚砂土体试样的颗粒密度为2.81 g/cm3。

2.2 试验方案

将上述珊瑚砂试样填充到渗透溶蚀试验设备中(图1)，其中装珊瑚砂试样的玻璃圆桶直径为10 cm、高度为20 cm。

按照预先设计的孔隙率填充珊瑚砂(孔隙度分别为57.89%、52.15%和48.32%，对应密实度为松散、中密和密实)，然后将用硫酸配置好的酸性溶液(pH=3、5、7)通入进行渗透溶蚀试验。保持上游酸性溶液的持续稳定输入，每2 h记录测压管水位差并计算土体的渗透系数。

3 试验结果分析

3.1 渗透率变化曲线

图2为不同pH值、不同密实度条件下珊瑚砂的渗透系数随侵蚀时间的变化关系。

图2 珊瑚砂土体应力-应变曲线

由图2可知，密实度对珊瑚砂试样的渗透率-侵蚀时间曲线的变化特征影响较小，而不同pH值下珊瑚砂试样则表现出明显不同的变化特征。当液体为中性时(pH=7)，珊瑚砂的渗透性基本不变，这表明液体对珊瑚砂无侵蚀效应。当侵蚀性液体呈酸性时(pH=3、5)，珊瑚砂的渗透系数呈现出明显的阶段性变化特征，可以划分为3个阶段即快速上升阶段、下降阶段和平稳阶段。在珊瑚砂渗透系数快速上升阶段，珊瑚砂土体的渗透系数随侵蚀时间呈现逐渐增大的变化趋势，且侵蚀液体的酸性越强，则渗透系数增长越快。分析认为，这是由于长时间的侵蚀导致土体内部产生大量的孔隙且变得松散，较小颗粒在液体冲刷下被带走，因此土的渗透性增强。溶液的酸性越强，则其对珊瑚砂的侵蚀性越强，则渗透系数增长速率随液体酸性增强而增大。在珊瑚砂渗透系数下降阶段和平稳阶段，土体的渗透性逐渐变弱直至趋于平稳，这是由于土体内可溶蚀成分已经被完全侵蚀，且在水压条件下土体空隙部分被小颗粒填充，因此土体的渗透小幅度下降直至趋于平稳。

3.2 密实度影响

基于不同pH值、不同密实度条件下珊瑚砂的渗透系数侵蚀时间曲线，可以得到不同试验条件下珊瑚砂的最大渗透系数和平均渗透系数增长速率，见表1。由表1可知，在相同的pH值条件下，珊瑚砂的渗透性随着土体的密实度逐渐降低，且其渗透系数增长阶段的平均增长速率也随着密实度逐渐降低。以CS-A组珊瑚砂试样为例，松散状态的土体试样最大渗透系数和平均增长速率分别为0.18 cm/s和1.56×10-6cm/s2，而密实状态下土体的渗透系数及平均增长速率相对降低55.56%。由此可见，密实度越大，则土体的渗透性越差，同时渗透溶蚀特征也变得不明显。分析认为，当土体的密实度较大时，渗透入试样的侵蚀性溶液的体积较小，因此其与土体中的可侵蚀物质的化学反应较弱。因此，侵蚀性液体对土体的溶蚀反应较弱，土体内产生的孔隙较少。同时，由于侵蚀反应较弱、孔隙较少，珊瑚砂土体内的细小颗粒流失也较少，土体内的渗透通道发育不完全。因此，当土体的密实度较大时，试样的渗透性较小；土体的密实度较小时，试样的渗透性则更大。

表1 珊瑚砂最大渗透系数及平均增长速率

3.3 pH值影响

图3为不同密实度条件下珊瑚砂土体渗透系数随侵蚀液体的酸性变化关系。由图3可知，在相同的密实度条件下，珊瑚砂的渗透性随着侵蚀液体酸性的增强而逐渐降低，且其渗透系数增长阶段的平均增长速率也随着侵蚀液体酸性的增强而逐渐降低。以密实组珊瑚砂试样为例，当pH值为3时，土体试样最大渗透系数和平均增长速率分别为0.11 cm/s和0.95×10-6cm/s2，而当pH=7时，土体的渗透系数及平均增长速率相对降低45.45%。由此可见，侵蚀液体的酸性越强，则其对珊瑚砂土体的侵蚀性越强，渗透侵蚀特征也就越明显，同时土体的渗透性也就越强。

图3 不同密实度条件下珊瑚砂土体渗透系数-pH值曲线

4 结 论

为研究海水侵蚀条件下我国南海研究区珊瑚岛地层渗透溶蚀特征，室内展开了不同密实度、pH值条件下的珊瑚砂渗透试验。主要研究结果如下：

1) 当液体为中性时(pH=7)，珊瑚砂的渗透性基本不变，这表明液体对珊瑚砂无侵蚀效应。当侵蚀性液体呈酸性时(pH=3、5)，珊瑚砂的渗透系数呈现出明显的阶段性变化特征，可以划分为3个阶段，即快速上升阶段、下降阶段和平稳阶段。

2) 在相同的pH值条件下，珊瑚砂的渗透系数和平均增长速率也随着密实度逐渐降低。侵蚀海水的酸性越强、pH值越低，则其对土体的渗透溶蚀特征越明显，珊瑚砂的渗透系数越大。