干湿作用下紫色土埂坎裂隙开闭演化特征

2022-05-07陈书翔罗华进甘凤玲

中国水土保持科学 2022年2期

陈书翔，韦杰,†，罗华进，甘凤玲,

(1.重庆师范大学地理与旅游学院，401331，重庆；2.三峡库区地表过程与环境遥感重庆市重点实验室，401331，重庆)

埂坎通过分割坡长和减缓坡度等方式调控坡面径流改变水动力特性，起到理水减沙作用[1]。坡耕地埂坎有土坎、石坎和土石复合坎等多种类型，其中土坎具有修筑维护成本低及生态适应性好等优势被农民广泛采用，占比超过65%[2]。相较于无植被覆盖的土坎，有植被生长的土坎减蚀量可达79%～94%[3]，但土坎相比于耕作面其植被盖度仍然较小，对干湿季周期变化更为敏感[4]。土体经干湿循环后,因其具有膨胀收缩特性而产生埂坎裂隙[5]，埂坎发生浅层变形破坏并引起埂坎土体受力不均、强度降低[6]等问题，导致埂坎稳定性下降甚至失稳垮塌。此外，干湿循环作用下裂隙演化引起的埂坎失稳属于“渐进失稳”[7]，这与荷载超重和暴雨冲刷所引起的埂坎快速失稳情况存在较大区别。

干湿循环下土体产生的裂隙是土坎稳定性劣化的因素之一，以往研究多采用裂隙长度、宽度、面密度和面积-周长比等指标表征裂隙开裂程度[8]；裂隙网络复杂度采用分形维数[9]、裂隙节点数和区块数[10]等指标表征。裂隙开裂程度和网络形态复杂度与干湿循环次数关系密切，均随干湿循环次数增多而增大，但增幅呈逐次减小变化，其中第2次干湿循环后增幅最为明显，后期趋于平稳[11]。因含亲水矿物的土壤在干湿循环作用后其微观结构重新排列，造成不可逆损伤，引起吸湿能力下降，导致裂隙开裂程度和复杂度随作用次数增加呈先增大后趋于稳定变化[12]。

目前国内外针对埂坎紫色土在干湿循环下裂隙开闭演化规律研究较少。为揭示埂坎裂隙开闭演化规律，笔者以紫色土坡耕地土坎为研究对象，采用室内重塑土坎进行干湿循环试验，通过对比脱湿和增湿过程中裂隙强度(面密度和面积-周长比)与复杂度(形状指数和分形维数)的变化特征来揭示埂坎裂隙开闭规律，研究结果可为紫色土区埂坎建设与维护提供依据。

1 研究区概况

试验用土采于重庆市北碚区歇马镇(E 106°18′02″～106°40′57″，N 29°27′08″～30°05′08″)，区域属亚热带湿润季风气候，年均气温18.3 ℃，年均降水量1 105.4 mm。自然植被为中亚热带常绿阔叶林，地貌以浅丘为主，土壤类型为沙溪庙组紫色土，呈中性，质地为中壤或轻壤，富含钾、钙、锰、铁等矿质元素。研究区内坡耕地集中连片，是农作物生长的主要载体，主要种植作物有玉米(Zeamays)、黄豆(Glycinemax)和柑橘(Citrusreticulata)等。埂坎是研究区坡耕地重要的水土保持措施，类型以土坎为主，有少量石坎和土石混合坎。埂坎上长有节节草(Equisetumramosissimum)，狗牙根(Cynodondactylon)和马唐草(Digitariasanguinalis)等杂草。土坎坡度范围一般为40°～90°，埂宽25～40 cm，高度26～111 cm。

2 材料与方法

2.1 土样采集及试样制备

2019年7月采样，选择规格为30×50 cm(埂宽×坎高)，坡度为85°的土坎上截取60 cm长的土坎长度，即土样的整体规格为60 cm×30 cm×50 cm(长×宽×高)，采样前去除土坎上杂草露出新鲜土壤面。然后分层(0～10、10～30和30～50 cm)采集土样并标记装袋，同时在采样点附近采集1 kg散土用于测定土壤基本物理性质(表1)，并在采样完成后对土坎进行修护。

表1 试验用土基本理化性质Tab.1 Basic physical and chemical properties of test soil

考虑野外自然环境下埂坎实际情况同时为方便室内试验，采用埂坎原状紫色土进行干湿循环试验，并对土坎结构进行合理简化。将采集的土样自然风干后使用分层轻压法依次回填至规格为60 cm×30 cm×50 cm(长×宽×高)的装置中，该装置由3个侧面(左侧面、右侧面和后侧面)和1个设有排水孔的底面组成，材质为玻璃，顶面(地埂面)和正面(坎坡面)为空(图1)。笔者同时设计3个试验埂坎作为重复，与野外采样土坎一致，3个重塑土坎坡度均设置为85°。采用3个埂坎的试验数据均值计算各指标数值。回填完毕后用气压喷壶向土坎面均匀喷水增湿，随后使用塑料薄膜覆盖土坎面静置48 h，以便埂坎土体内外达到水分平衡状态。

图1 试验土槽规格与干湿循环示意图Fig.1 Specification of test soil bin and drying and wetting alternation diagram

2.2 试验方法

脱湿试验：采用自然风干法，每隔1 d对埂坎表面拍照直至裂隙形态基本稳定，共15 d。

增湿试验：采用人工喷水法，在脱湿试验后随即使用容量为1 000 mL的气压喷壶均匀喷水至土坎面上，喷壶位置固定在距离地埂面上方和地坎面前方1 m处，以保证喷水强度一致。为确保土壤充分膨胀，每次喷水100 mL后间隔30 min再拍摄，喷水至土坎表面形成径流时停止喷水和拍摄。

试验粉煤灰混凝土的细骨料为细度模数为2.4的中细河沙，其表观密度为2 600 kg/m3；粗骨料为最大粒径20 mm的砾石，其表观密度为2 700 kg/m3；水泥为P.C 32.5复合硅酸盐水泥；混凝土所用的拌合水以及养护水均采用杭州当地自来水，密度取为1 000 kg/m3；粉煤灰(FA)和水泥的化学组分如表1所示。

1次脱湿和增湿过程为1个干湿循环周期，每个周期间隔15 d，试验进行第5次增湿试验时3个重复均出现土块剥落现象，试验未再继续进行，共获取4个有效干湿循环周期。干湿循环路径如图1b所示，每个箭头代表脱湿时间为3 d。脱湿和增湿试验拍照时，相机固定位置与增湿试验时喷壶位置一致，拍摄所用相机型号为索尼DSC-200(像素1 800万)。

2.3 图像处理

鉴于地坎和地埂裂隙开闭演化过程具有相似性，仅对地埂面上的裂隙开闭演化过程进行分析。使用Adobe Photoshop截取地埂面上20 cm×20 cm(长×宽)的裂隙典型分布区进行分析。将照片转化为灰度图像，通过调整阈值转化为黑白图片，最后使用画笔工具去除杂点，保留完整裂隙区(图2)。将处理好的图片导入lmage软件，提取裂隙面积和周长几何参数数据，保存至Excel并根据公式计算裂隙强度(面密度和面积-周长比)[8]与复杂度(形状指数和分形维数)[13]等裂隙几何特征指标。其中，强度指标表征裂隙开展与闭合程度，复杂度指标表征裂隙网络的复杂程度。

图2 试验图像处理过程Fig.2 Processing process of test images

1)面密度指典型裂隙面积与研究区面积之比。

(1)

式中：SA为裂隙面密度，%；Ai为第i条裂隙面积，cm2；A0为研究区总面积，cm2。

2)裂隙在各延伸部分的宽度差异较大，平均宽度难以准确表示裂隙形态特征，采用面积-周长比来代替平均宽度。

(2)

式中：PA为面积-周长比，cm；P0为裂隙网络总轮廓周长，cm。

(3)

式中：FA为裂隙形状指数，量纲为1；Pi为各裂隙周长，cm；Si为各裂隙面积，cm2；S0为裂隙总面积，cm2。

4)分形维数是量度物体状态复杂度的工具，其值介于0～2之间，形态越复杂，分形维数越大。

(4)

式中：CA为分形维数，量纲为1；N为裂隙数量，条。

3 结果与分析

3.1 脱湿条件下埂坎裂隙开裂发育

随脱湿时间增加，埂坎表面土壤在土质疏松处首先开裂并扩展延伸形成主裂隙，主裂隙演化构成埂坎裂隙的基本骨架(图3)。同时次裂隙在裂隙任意方向上形成并逐渐连通主裂隙，导致裂隙网络形态变化大(图3a～e)。随脱湿时间进一步增加，土壤含水率小，裂隙网络形态变化减小(图3f～h)。

图3 脱湿下裂隙演化形态Fig.3 Image of cracks evolution under drying process

整体而言，裂隙强度(面密度和面积-周长比)与复杂度(分形维数和形状指数)均随脱湿时间增加呈现先增加后趋于平缓变化(图4)。其中，1～9 d内裂隙强度和复杂度增加较快，平均增率分别为面密度14%、面积-周长比14%、分形维数2%和形状指数25%；9～15 d内变化相对平稳，增率变幅仅为2%～8%。图4表明，裂隙强度与复杂度随脱湿时间的拟合方程决定系数均>0.95，达到显著水平。此外相关性分析结果表明，随脱湿时间变化裂隙强度与复杂度呈极显著正相关关系(面密度与分形维数和形状指数Pearson系数分别为0.973和0.997；面积-周长比与分形维数和形状指数Pearson系数分别为0.928和0.973，P值均<0.01)，说明在脱湿过程中裂隙在长宽增大的同时，裂隙条数也在不断增多并相互交织形成复杂的网络结构。

图4 脱湿下裂隙各指标随时间变化拟合曲线Fig.4 Fitting curve of crack indexes changing with time under drying process

3.2 增湿条件下埂坎裂隙闭合过程

增湿条件下裂隙闭合过程可分为3个阶段(图5)：第Ⅰ阶段(图5a～d)，长宽较小的次裂隙随喷水次数增多土壤含水率增加首先闭合，而主裂隙变化不明显；第Ⅱ阶段(图5d～h)，主裂隙长宽逐渐减小，次裂隙闭合导致裂隙交叉点断开，裂隙网络逐渐简单化；第Ⅲ阶段(图5h～j)，次裂隙完全闭合，主裂隙长宽进一步减小，但在试验结束后仍闭合不完全。

图5 0～9次增湿下裂隙闭合过程图像Fig.5 Image of cracks closure process under 0-9 wettings

裂隙强度(面密度和面积-周长比)与复杂度(分形维数和形状指数)在3个阶段依次呈递减趋势(图6)，其中，裂隙强度平均降幅表现为：Ⅰ 阶段(62%)>Ⅱ 阶段(47%)>Ⅲ 阶段(33%)，复杂度平均降幅表现为Ⅰ 阶段(52%)>Ⅱ 阶段(18%)>Ⅲ 阶段(17%)，Ⅰ 和 Ⅱ 阶段裂隙强度与复杂度差值(15%和34%)均高于 Ⅱ 和 Ⅲ 阶段差值(14%和1%)，表明埂坎土壤在增湿前期(前3次增湿)裂隙快速闭合而后期(后6次增湿)闭合速度减缓。这是因为紫色土具有缩胀特性，增湿前期土体膨胀力较大，裂隙闭合迅速引起裂隙强度和复杂度显著减小，后期因水分入渗土体饱和度达到较高水平，膨胀力大幅下降，此过程中水分入渗仅引起主裂隙长宽缓慢减小，故强度和复杂度降幅减小。整体而言，裂隙强度与复杂度平均降幅分别为87%和61%，均未达到100%，说明增湿试验结束后裂隙闭合并不完全。

图6 增湿下裂隙闭合过程阶段划分Fig.6 Stage division of crack closure process under wetting process

3.3 干湿循环下埂坎裂隙演化

干湿循环次数对埂坎裂隙网络形态变化存在影响(图7)，第1次干湿循环后，裂隙网络未形成(图7a)；第2次干湿循环后，主裂隙演化初步形成裂隙网络(图7b)；第3，4次循环过程中裂隙沿第2次干湿循环时土体开裂处再次演化主裂隙并有次裂隙形成，主次裂隙相互交织形成复杂网络(图7c、d)。

图7 各干湿循环后裂隙形态图片Fig.7 Cracks morphology images after each drying and wetting alternation

裂隙强度(面密度和面积-周长比)与复杂度(分形维数和形状指数)均值整体上随干湿循环次数增多而增大(图8)。第4次干湿循环后的面密度、面积-周长比、分形维数和形状指数均值分别为第1次的3.6、2.9、1.3和5.6倍。脱湿条件下9～15 d内裂隙强度和复杂度变幅较小，此过程中裂隙强度与复杂度的变异系数统计结果(表2)表明，整体上裂隙强度与复杂度变异系数均随干湿循环次数增加而增大，其中前2次作用之间差异最大，随后差异逐次减小，说明随干湿循环对裂隙演化的影响存在累加效应，但影响逐次减少。由表3可知，前3次干湿循环强度与复杂度均存在显著差异(P<0.05)，第3、4次干湿循环除形状指数外，面密度、面积-周长比和分形维数均差异不显著(P>0.05)。此外，本试验研究在进行第5次增湿试验时，地坎浅层被裂隙分割的土块发生剥落现象，因此干湿循环试验结束。综上，裂隙的开展程度和网络形态复杂度与干湿循环次数呈正比关系，第2次干湿循环影响最大，随后影响逐次减小，说明每次的干湿循环对裂隙开闭演化的影响并不相互独立，即除首次干湿循环外，每一次干湿循环对裂隙演化的影响都是在前一次循环影响的基础上继续施加，但施加影响的程度逐次减小，当影响累积到一定程度时，笔者在第5次增湿过程中水分通过裂隙入渗进一步软化土体，最终导致埂坎土块出现局部剥落。

图8 干湿循环下裂隙演化形态特征Fig.8 Evolution morphological characteristics of cracks under drying and wetting alternation

表2 裂隙稳定指标变异系数统计Tab.2 Statistics of variation coefficient of crack stability indexes

表3 不同干湿循环裂隙稳定指标差异显著性分析Tab.3 Significance analysis of the difference in cracks stability indexes during drying and wetting alternation

4 讨论

4.1 脱湿与增湿下埂坎裂隙的开闭演化比较

埂坎土壤在脱湿前期(1～9 d)，埂坎浅层土体较深层土体对外部环境的干湿变化响应更为剧烈，其水分耗散率高于深层土体，导致基质吸力增大后引起土表受拉而土体内部受压，当拉应力大于土体抗拉强度时，在土颗粒连接薄弱处首先开裂。裂隙开展又为水分耗散提供通道，水分通过裂隙耗散后引起土体收缩量进一步增大，主裂隙在长宽增大的同时次裂隙演化，主次裂隙相互连通形成裂隙网络分割浅层土体，最终导致裂隙强度与复杂度的快速增长。脱湿后期(>9～15 d)，裂隙将浅层土体分割成许多小土块，埂坎表面破碎化程度高，此时土体含水量较低，基质吸力增大也不再引起土体进一步收缩开裂，裂隙强度与复杂度增长均趋于稳定。骆赵刚等[14]对膨胀土干湿循环研究结果表明，脱湿下裂隙先快速演化后演化减缓趋稳，与本研究结果一致。此外，本研究中脱湿条件下裂隙演化形态特征整体呈现先快速增大后趋于稳定变化，无峰值。而叶万军等[15]认为，随含水率降低，裂隙演化形态特征呈先迅速增加后逐渐下降并趋稳变化，存在一个明显峰值。原因可能是本研究试验所用的埂坎紫色土为未经过筛处理的原状土，土体中含有的植物根系及其分泌物等对土体强度起到一定增强作用，从而增加了土体抗拉强度[16]，且原状紫色土中蒙脱石和伊利石亲水性黏土矿物含量分别为13%和12%[5]，说明其湿胀干缩能力较强，裂隙在快速开展后将趋于稳定。

笔者发现增湿过程中裂隙强度和复杂度在短时间内迅速降低，表明裂隙闭合是一个短暂而剧烈的过程。这可能因为试验前期土壤较强的吸湿力使土体快速膨胀土块面积增大，与土块共边界的裂隙随之迅速闭合，导致裂隙强度和复杂度显著减小。增湿后期土壤含水率增加吸湿能力下降，此过程中次裂隙已完全闭合，水分入渗仅引起主裂隙长宽减小，从而裂隙强度与复杂度变化幅度减小。

4.2 脱湿与增湿下埂坎裂隙开闭的可逆性

笔者设置单次干湿循环试验中脱湿时间为15 d，然后随即进行增湿试验，裂隙强度和复杂度在试验完成后的平均降幅分别为87%和61%。这是因为脱湿试验之前土颗粒以边-面形式排列，颗粒之间距离与夹角均较大。在进行脱湿时，土颗粒夹角随水分耗散逐渐减小，排列向面-面接触形式逐渐过渡，宏观上表现为土体收缩开裂，裂隙长宽不断增加并相互连通形成复杂网络，裂隙强度和复杂度增长，脱湿后的埂坎再次进行增湿时，长宽较小的次裂隙完全闭合，而主裂隙因土体膨胀力下降而闭合不完全。以上研究表明，存在各向异性的土壤在脱湿过程中土颗粒间排列方式发生变化，此种结构变化在一定程度上是不可逆的，无法通过增湿完全复原，导致裂隙开闭演化具有不可逆的性质。

4.3 干湿循环对埂坎裂隙演化的影响

笔者试验表明，裂隙网络形态在第2次干湿循环后趋于稳定。可认为在多次干湿循环后土体内部出现不可逆转的累积损伤，土颗粒重新排列分布引起土体强度下降，在第2次干湿循环时裂隙网络基本成形，虽然增湿后大部分裂隙闭合但开裂处强度依然较低。随后几次交替时裂隙主要沿上次开裂方向继续发育并有次裂隙发育，整体上网络形态相似性较大[11]。

笔者发现干湿循环次数对裂隙发育强度和复杂度存在影响，第2次干湿循环影响最大，随后影响逐次减小。原因可能是裂隙演化与土壤基质吸力存在相关性，随干湿循环次数的增多基质吸力逐渐减小，首次干湿循环时由于土体结构完整，基质吸力对脱湿和增湿过程响应剧烈，裂隙强度与复杂度指标变幅较大，之后循环土体出现累积损伤基质吸力下降，变幅减小。

此外，干湿循环引起的裂隙发育不仅表现在裂隙长度和宽度上的增减，还有深度方向上的演化，即裂隙发育具有三维空间性。本研究由于试验条件限制，仅在二维层面上通过对裂隙长度和宽度的统计并计算裂隙几何特征指标进行探讨分析，今后需进一步开展干湿循环下紫色土埂坎裂隙发育长度、宽度和深度的综合研究。