落水洞对黄土边坡物理化学性质影响的研究.docx

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落水洞对黄土边坡物理化学性质影响的研究

落水洞对黄土边坡物理化学性质影响的研究

地表水在低凹地带集中，浸泡表层黄土，使黄土崩解，并沿节理、裂隙和孔隙下渗。

这种长期进行的机械潜蚀和溶蚀作用，使低凹地段不断沉陷，最终形成落水洞。

落水洞，是黄土高原地区一种常见的独特的土壤侵蚀方式，它对流域产沙有着一定的影响。

通过对B山测区各测点所取的试样的物理性质及水理化学性质的测试，获取测区不同测点图样的基本性质，分析落水洞内土性质和形态变化的相互关系，解释落水洞内物理化学性质时空变化的原因，分析落水洞对黄土斜坡物理化学性质的影响。

并为理解黄土地区落水洞的形成提供一些基础数据，为防治水土流失提供帮助。

地表水在低凹地带集中，浸泡表层黄土，使黄土崩解，并沿节理、裂隙和孔隙下渗。

这种长期进行的机械潜蚀和溶蚀作用，使低凹地段不断沉陷，最终形成落水洞[3]。

落水洞是黄土高原地区一种常见的独特的土壤侵蚀方式，它对流域产沙有着一定的影响。

落水洞一般发育在表层具湿陷性黄土的地区，其洞壁上部由湿陷性黄土组成。

湿陷性黄土土质疏松，孔隙、裂隙发育，主要由粉粒组成，其细微颗粒遇水极易崩解并遭受潜蚀被水流带走。

黄土中含大量的可溶盐，从而发生溶蚀作用，破坏黄土的内部结构，使之变得更加松散，加大对地表水的渗透，增强渗流作用的能力和机械潜蚀。

风成马兰黄土和坡积黄土之下的老黄土，垂直节理十分发育，并具裂隙、孔隙和崩解性，当落水洞到达该土层时，会继续向下发展。

因此，落水洞的形成和发展过程的研究，能更好的防治落水洞所造成的各项灾害，对防治水土流失和缓解黄河下游的输沙量具有重要意义。

1.2意义

湿陷性黄土具有的裂隙和大孔隙，特别是垂直裂隙，是地表水、地下水渗透的通道，为潜蚀和溶蚀作用提供了优越的条件。

地表水入渗途径分3种类型:

（1）通过黄土孔隙入渗;

（2）通过黄土节理入渗;（3）通过地裂缝及落水洞灌入坡体。

垂向渗透受黄土裂隙和垂直节理控制,黄土渗透性的各项异性便是很好的证明。

地表水通过黄土孔隙入渗深度有限,而垂直节理导水则是一个裂隙渐进扩展的过程,节理导水影响深度不会偏离现场试验深度太多。

黄土高原地区地下水短缺，峁间宽缓的掌形地是可供人们开采利用水源的地带之一，而该地带落水洞也较为发育，是地下水补给的重要通道。

落水洞在滑坡、泥石流的发育过程中起着重要的作用。

在边坡顶部为黄土塬平台,由于边坡的两侧汇水面积大,易形成落水洞、冲沟,同时两侧落水洞中间下陷,然后进一步发展,形成串珠状落水洞。

沿沟边、阶地前缘和梯田陡坎分布的落水洞，能聚积地表水，增加水在土体内的渗透力，使土体含水量增加，重量加大，同时使土体强度衰减，促使坍塌发生。

冲沟内土体进入沟谷，滑坡、坍塌的发生，为湿陷性黄土地区泥石流的发生提供了固体物质。

雨季特别是大雨、暴雨后，洞内长期积有雨水，雨水长期入渗后达老黄土中的古土壤层或基岩顶面，而有些已达古土壤层或基岩顶面的黄土井，将雨水直接输入滑动带，浸泡、冲蚀、软化岩体或土体，使岩体或土体强度大大降低.积聚在黄土碟、黄土陷穴、黄土井中的水或已入渗的水，增大了土体重量，同时随着雨水的渗入，地下水位上升，产生静水、动水压力，加速滑坡发生。

古滑坡的复活在现代滑坡中占有相当的比例。

在湿陷性黄土地区，落水洞到处可见。

据航片判读和野外调查，古滑坡体上落水洞的发育密度和发育程度远较其它地段要高[1]。

2.材料和方法

2.1研究区概况

研究区位于A大学榆中校区B山上的一个自然坡面上，坡高48.53m；坡度0.43；平均坡角23.33°，在坡面上选取落水洞中心点A、B、C三点，以A点为基准点横向取1、2两点，纵向在AB、AC段内插AB1、AB2、AB3、AC1三点。

坡面形态及选取的测点如下图：

图2.1坡面形态及选取测点示意图

黄土剖面如图2.2所示。

在这个黄土剖面上，B位于最上部，处于上部落水洞的中心，落水洞内部平缓。

AB3位于落水洞B外的冲淤平台上，AB3点外侧有发育良好的黄土井，深度约为27m，洞口直径3.7m。

AB2、AB1、A点位于斜坡上，坡度约为32°。

AC1位于两个落水洞的相交处。

C落水洞边缘为高约为4.5m的侧壁，内部平缓，局部地下被掏空。

图2.2坡面剖面

上部位耕作层，浅黄色，粒状及团粒状结构，疏松，多孔，富含植物根孔及动物虫孔，有少量垂直裂隙，有少量球状及片状礓石散于土层中，未见CaCO3斑点、菌丝及胶膜。

为了进一步揭示落水洞对黄土斜坡物理化学性质的影响，在坡面上选取了9个测点。

（1）以A、B、C为基准点,利用洛阳铲取得0.5m、1m、1.5m、2m、2.5m、3m、3.5m、4m，4.5m，5m深度处的土样。

装袋并标记。

（2）在AC、AB上以10-15m间距钻孔AB1、AB2、AB3、AC1，取得不同深度的土样。

（3）在黄土碟外选取1、2两点，取得不同深度土样，并与A点土样性质做比较。

共取得90个样，对所取的土样进行物理化学性质的测试。

2.2物理性质

2.2.1液塑限

（1）制备试样。

可采用天然图样或风干土样制备。

采用天然土样时，剔除大于0.5mm土粒，取代表性土样约600g,拌和均匀后分成三份，制成不同含水率的土膏，使它们的圆锥入土深度分别在4~6mm、9~11mm和16~19mm，静置一段时间即可；对风干土样，取通过0.5mm筛的代表性土样约400g，分成三份，分别放入不锈钢杯中，加入不同数量的水制成3种不同含水率的试样，3种土膏的圆锥入土深度与天然含水率土样制成的土膏相同，拌和均匀后密封于保湿缸中静置24小时；

（2）装土入杯。

将制备的试样调拌均匀，填入试样杯中，土中不能含有封闭气泡，填满后用刮土刀刮平表面，然后将试样杯放在联合测定仪的升降座上；

（3）润滑通电。

在圆锥仪锥尖上涂以极薄凡士林，接通电源，使电磁铁吸住圆锥仪；

（4）测读深度。

调节屏幕基线，使初始读数位于零刻度处。

调节升降座，使锥尖刚好与试样面接触，切断电源使电磁铁失磁，圆锥仪在自重下沉入试样，经5秒钟后测读圆锥下沉深度；

（5）测含水率。

取出试样杯，测定试样的含水率。

重复步骤2,3,4，测定另两个试样的圆锥下沉深度h和含水率w；

（6）在h~w图上将三点h和对应的w点画出，并把三点连成一条直线。

在直线上找到入土深度17mm对应的液限w17、10mm液限w10和2mm对应的液限wp。

2.2.2含水率

（1）取具有代表性试样，细粒土15~30g，砂类土、有机质土为50g，砂砾石为1~2kg，放入称量盒内，立即盖好盒盖，称质量。

称量时，可在天平一端放上与该称量盒等质量的砝码，移动天平游码，平衡后称量结果减去称量质量即为湿土质量。

（2）揭开盒盖，将试样和盒放入烘箱内，在温度105~110℃恒温下烘干。

烘干时间对细粒土不得少于8h，对砂类土不得少于6h。

对含有机质超过5%的土或含石膏的土，应将温度控制在60~70℃的恒温下，干燥12~15h为好。

（3）将烘干后的试样和盒取出，放入干燥器内冷却（一般只需0.5~1h即可）。

冷却后盖好盒盖，称质量，准确至0.01g。

（4）按下式计算含水率：

式中：

ω——含水率（%），计算至0.1；

M——湿土质量（g），

Ms——干土质量（g）。

2.3化学性质测试

将20g风干土样浸入100ml蒸馏水中，用电磁搅拌器搅拌1min，利用水质监测仪对土样悬浊液进行的各项数据进行测定。

可得pH,EC,TDS,ORP等。

3.结果

3.1化学性质

3.1.1落水洞中心A、B、C三点化学性质

（a）（b）（c）

图3.1A、B、C三点化学性质对比

由图3.1可知：

（1）由（a）（b）可知：

0—2m范围内，C点EC、TDS最大，2m以下，C点半和与A点变化一致。

B点所处位置最平缓，土样的水理化学性质变化较大，A点土样的物理化学性质普遍小于C点。

（2）由（c）可知，0—2m的范围内，B点pH最大，A点次之，C点最小。

2m以下相反。

3.1.2AC段基本性质

（a）（b）（c）

图3.2AC段化学性质对比

由图3.2可知;

（1）由（a）（b）可知：

0—2m的范围内，EC、TDS：

C>A>AC1;2m以下，EC、TDS:

AC1>C>A

（2）由（c）可知：

0—2m的范围内，C点最小，A、AC1大致相同；2m以下，pH：

A>C>AC1。

3.1.3AB段基本性质

（a）（b）（c）

图3.3AB段化学性质对比

由图3.3可知：

（1）由（a）（b）可知：

0-2m内，AB1最小，AB2最大。

且A>B。

2m以下，AB1最小，AB3最大，B>A。

（2）由（c）可知：

0-2m内，AB1的pH最大，2m以下，AB1>A>AB2>AB1>AB3。

3.1.4横向基本性质比较

（a）（b）（c）

图3.4横向化学性质对比

由图3.4可知：

（1）由（a）（b）可知：

0-2m内，A点EC、TDS最大;2m以下2>A>1。

（2）由（c）可知：

A点pH最小，1、2点pH相差不大。

3.1.5液塑限变化

（a）（b）

（c）（d）

图3.5液塑限变化

由图3.5可知：

（1）由（a）（b）可知：

0—3m内，纵向液塑限A点液塑限最大，B、C两点相差不大。

3m以下纵向液塑限相近。

（2）由（c）（d）可知，A点液塑限大于1、2两点。

3m以下纵向液塑限相近。

3.2物理性质

3.2.1液塑限

（a）（b）（c）

（d）（e）

图3.10各测点液塑限对比

由图3.10可知：

1.峰波谷交替变换趋势，并随深度的增加呈先增大后减小势，3m以下液塑限相近。

这种变化趋势受孔隙度、粘粒含量、有机质含量、抗剪强度的影响较大

2.液限变化范围在24%~35%之间，塑限变化范围在15%~28%之间，整个坡面液塑限呈波峰波谷交替变换趋势，并随深度的增加呈先增大后减小趋势。

这种变化趋势受孔隙度、粘粒含量、有机质含量、抗剪强度的影响较大。

3.液限和塑限变化规律大致相同。

3.2.2含水率

（a）（b）（c）（d）

图3.11各测点含水率对比

由图3.11可知：

含水率具有从上向下，由大变小再变大的规律。

含水率的主要变化趋势是“先降后升”，上部含水率主要受地表水（包括降雨及地表水系）的影响，下部主要受地下水影响，转折点集中在2—3m之间[2]。

4.讨论和分析

4.1含水率与化学性质之间的关系

4.1.1含水率与pH的相关性

图4.1含水率与PH相关性

由图4.1可知：

含水率与pH数据较为集中，pH变化范围在8.88—9.77之间。

其趋势线方程为y=0.0029x+9.4605.其中y为pH，x为含水率，其R2=0.0007，相关性极低。

大致为正相关，在含水率高的地方，pH也大。

4.1.2含水率与EC的相关性

图4.2含水率与EC相关性

由图4.2可知：

含水率与EC数据较为集中，EC在0.04—0.33之间。

其趋势线方程为y=-0.0034x+0.1756.其中y为EC，x为含水率，其R2=0.0046，相关性极低。

大致为负相关，在含水率高的地方，EC较小。

4.1.3含水率与TDS的相关性

图4.3含水率与TDS相关性

由图4.3可知：

含水率与pH数据较为集中，TDS变化范围在138---200ppm.之间。

其趋势线方程为y=-2.4955x+122.21.其中y为pH，x为含水率，其R2=0.0054，相关性极低。

大致为负相关，在含水率高的地方，TDS较小。

4.2化学性质之间的关系

4.2.1pH与EC的相关性

图4.4pH与EC相关性

由图4.4可知：

pH变化范围在8.88—9.77之间，EC在0.04—0.33ms/cm之间。

其趋势线方程为y=-1.0641x+9.6427.其中y为pH，x为EC，其R2=0.2288，数据集中在趋势线两侧，PH值和EC值之间不存在固定系数，相关性较低，大致呈负相关，EC较大时，pH较小。

4.2.2EC与TDS的相关性

图4.5EC与TDS相关性

由图4.5可知：

不同测点不同深度试样的EC、TDS正相关。

通过绘制趋势线发现,EC与TDS有良好的线性相关性。

根据试验数据,建立回归方程:

y=666.23x+3.7298.式中:

x为EC（ms/cm）,y为TDS（ppm）,。

可以看出,得到的回归方程的相关指数R2均大于0.9,拟合效果较为理想。

因此，测区各测点不同深度的EC与TDS成正比。

4.2.3pH与TDS的相关性

图4.6pH与TDS相关性

由图4.6可知：

pH变化范围在8.88—9.77之间，TDS在138---200ppm.之间。

其趋势线方程为y=-0.0016x+9.6449.其中y为pH，x为TDS，其R2=0.2241，数据集中在趋势线两侧，PH值和TDS值之间不存在固定系数，相关性较低，大致呈负相关，TDS较大时，pH较小。

5.结论

5.1整体参数分析

由上可知：

由于落水洞的存在，使边坡的化学性质发生一系列变化

（1）EC、TDS从高到低向下逐渐增加，落水洞中心A、B、C三点的EC、TDS小于其他各点。

局部数据有突变，这与其所在的微地形有关。

（2）pH从高到低向下逐渐减小。

落水洞中心A、B、C三点的pH大于其他各点。

（3）纵向液塑限B

两点这种变化趋势受孔隙度、粘粒含量、有机质含量、抗剪强度的影响较大。

5.2各参数之间的关系：

（1）.EC与TDS呈线性正相关。

（2）pH、EC、TDS的值在2—3m发生突变，含水率在此范围也有明显变化。

这是由于淋积层的出现，积聚从其它层淋滤的物质。

（3）含水率与pH、EC、TDS大致呈负相关，含水率较大的部位，pH、EC、TDS等值较小。

含水率较大意味着黄土空隙较大，淋滤作用较强，相应的，其pH、EC、TDS等值较小。

（4）含水率具有从上向下，由大变小再变大的规律。

（5）液塑限呈峰波谷交替变换趋势，并随深度的增加呈先增大后减小势。

这种变化趋势受孔隙度、粘粒含量、有机质含量、抗剪强度的影响较大

（6）液限变化范围在24%~35%之间，塑限变化范围在15%~28%之间，整个坡面液塑限呈波峰波谷交替变换趋势，并随深度的增加呈先增大后减小趋势。

（7）液限和塑限变化规律大致相同。