落水洞对黄土边坡物理化学性质影响的研究.docx

1、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

2、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，

3、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

4、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

5、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

6、、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

7、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

8、水率的土膏，使它们的圆锥入土深度分别在46mm、911mm和1619mm，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

9、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hw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1530g，砂类土、有机质土为50g，砂砾石为12kg，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

10、盒盖，将试样和盒放入烘箱内，在温度105110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6070的恒温下，干燥1215h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0.51h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： 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.

11、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3.1 A、B、C三点化学性质对比由图3.1可知：（1）由（a）（b）可知：02m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，02m的范围内，B点pH最大，A点次之，C点最小。2m以下相反。3.1.2 AC段基本性质 （a） （b） （c）图3.2 AC段化学性质对比由图3.2可知;（1）由（a）（b）可知：02m的范围内，EC、TDS：CAAC1;2m以下，EC、TDS:AC1CA（2）由

12、（c）可知：02m的范围内，C点最小，A、AC1大致相同；2m以下，pH：ACAC1。3.1.3 AB段基本性质 （a） （b） （c）图3.3 AB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AB。2m以下，AB1最小，AB3最大，BA。（2）由（c）可知：0-2m内，AB1的pH最大，2m以下，AB1AAB2AB1AB3。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2A1。（2）由（c）可知：A点pH最小，1、2点pH相差不

13、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：03m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%

14、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23m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

15、变化范围在8.889.77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0.040.33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138-200

16、ppm.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4.2.1 pH与EC的相关性图4.4 pH与EC相关性由图4.4可知：pH变化范围在8.889.77之间，EC在0.040.33ms/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4.5 EC与TDS相关性由图

17、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。4.2.3 pH与TDS的相关性图4.6 pH与TDS相关性由图4.6可知：pH变化范围在8.889.77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

18、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BCA，A点液塑限小于1、2。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23m发生

19、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。