高帆 盧玉東 郭雯 張曉周

摘 要：為了定性和定量分析崩積土體微觀空隙結(jié)構(gòu)特征，以西寧市林家崖崩積土體為研究對(duì)象，對(duì)崩積斜坡坡腳、坡中和坡頂土體分別取樣進(jìn)行CT掃描，通過(guò)AVIZO三維可視化軟件對(duì)掃描結(jié)果進(jìn)行圖像處理和三維重建，并利用該軟件提取、統(tǒng)計(jì)孔隙參數(shù)。結(jié)果表明：崩積土體空隙由孔隙和裂隙構(gòu)成，形態(tài)各異且呈現(xiàn)不均勻分布。孔徑區(qū)間0.1～0.5 mm內(nèi)孔隙數(shù)目最多，坡腳、坡中和坡頂占比達(dá)到76.26%、73.11%和72.38%;孔徑區(qū)間>1.0 mm內(nèi)孔隙體積貢獻(xiàn)率最大，坡腳、坡中和坡頂分別為55.01%、55.71%和53.49%;孔喉半徑主要集中于1～2之間;迂曲度值以小于0.01為主，坡腳值相對(duì)高于其它坡位?？傮w來(lái)說(shuō)，崩積土體具有較好的滲透特性，坡腳相較于坡中和坡頂連通性和滲透性較差。利用AVIZO軟件對(duì)不同坡位崩積土體微觀空隙結(jié)構(gòu)分析，為建立崩積土體微觀滲流模型和預(yù)防土體二次滑塌提供了新思路。關(guān)鍵詞：微觀空隙;崩積土體;CT掃描;孔隙;孔喉;中圖分類號(hào)：P 642.13

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1672-9315（2020）06-01039-08

DOI：10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2020.0614開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（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

崩積土體是山體崩塌后傾覆、堆積形成的混合松散堆積體，在降水和灌溉等外力作用下極易造成二次滑動(dòng)，威脅人類生命和財(cái)產(chǎn)安全。近年來(lái)，諸多學(xué)者采用不同方法對(duì)土體坡面的失穩(wěn)因素、水力學(xué)特征和滲透特性等方面進(jìn)行了探究。蔣芳市等利用環(huán)刀法研究了不同時(shí)間段崩積體不同部位的滲透性

[1];陳松等以三峽庫(kù)區(qū)滑坡的宏觀地質(zhì)特征為基礎(chǔ)，結(jié)合室內(nèi)實(shí)驗(yàn)對(duì)崩滑堆積體的微觀結(jié)構(gòu)、物理特性等進(jìn)行了研究[2];朱高立等探究了崩積體坡面的產(chǎn)流產(chǎn)沙時(shí)空特征及其響應(yīng)關(guān)系，認(rèn)為不同坡度崩積體坡面進(jìn)行秸稈覆蓋可達(dá)到水土保持的效果[3];尚岳全等通過(guò)對(duì)滑坡坡體進(jìn)行物理模擬，得到其大孔隙的滲流系統(tǒng)，并對(duì)坡體滲透特征進(jìn)行了描述[4];許建聰?shù)韧ㄟ^(guò)探究降雨對(duì)坡體穩(wěn)定性的影響，闡明了降雨通過(guò)改變土體的抗剪切能力，造成土體的失穩(wěn)和變形[5]。由此可見，除土體物質(zhì)成分外，結(jié)構(gòu)特征是造成坡體失穩(wěn)的主要因素。土體微觀空隙特征又是描述土體結(jié)構(gòu)的重要參數(shù)之一。因此，探究崩積土體的微觀空隙特征，有助于深入了解崩積體內(nèi)水分和氣體的運(yùn)輸和貯存[6-7]，對(duì)崩積土體的斜坡穩(wěn)定性分析具有重要意義。

目前學(xué)者多采用CT掃描[8-10]，核磁共振

[11-12]、電鏡掃描[13]等方法，探究土體的微觀空隙結(jié)構(gòu)。在坡體微觀結(jié)構(gòu)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];薛喜成等利用電鏡掃描觀察滑坡原狀土和滑帶土的微觀結(jié)構(gòu)，對(duì)滑坡運(yùn)動(dòng)過(guò)程進(jìn)行反演[15];徐宗恒等利用CT技術(shù)對(duì)斜坡非飽和帶土體進(jìn)行掃描，分析得到土體孔隙度等參數(shù)隨深度的變化特征，并借助VolView 3.4可視化交互系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了大孔隙的三維可視化，為植被發(fā)育的斜坡失穩(wěn)研究提供依據(jù)[16];陳劍等利用掃描電鏡分析了滑坡面微孔隙和微裂隙的發(fā)育特征，并提出滑坡帶的力學(xué)性質(zhì)[17];鞠忻倪等通過(guò)CT掃描獲得陜北地區(qū)不同地形坡面區(qū)域土體的孔隙特征參數(shù)，揭示了不同地形和不同地層對(duì)土體孔隙參數(shù)影響顯著[18]。然而對(duì)于崩積土體的微觀孔隙和三維結(jié)構(gòu)等的探究相對(duì)較少。為此，本研究利用工業(yè)CT對(duì)西寧市林家崖的不同坡位崩積土體進(jìn)行微觀掃描，并提取微觀孔隙參數(shù)，對(duì)崩積土體微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，為進(jìn)一步探究崩積土體斜坡破壞機(jī)理提供可供參考的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

西寧市北山位于湟水河中部的河谷盆地，是青藏高原和隴西黃土高原的過(guò)渡帶。高原構(gòu)造的抬升和湟河水的下切造成河谷兩側(cè)丘陵區(qū)域形成較多的高陡斜坡，為崩塌的形成提供了臨空條件。其地形地貌以丘陵和河谷平原為主，此外，北山地區(qū)降水集中且與汛期同步，年平均降水量約為369 mm，平均蒸發(fā)量高達(dá)為1 763 mm。降水量集中和蒸發(fā)量較高對(duì)溶鹽膠結(jié)作用為主導(dǎo)的丘陵前緣高陡斜坡的穩(wěn)定性造成威脅[19]。西寧市北山區(qū)域的林家崖，經(jīng)度101°49′18″，緯度36°37′24″。

受人類活動(dòng)、坡體巖土體性質(zhì)等因素的影響，西寧北山已發(fā)生約31處崩塌災(zāi)害，林家崖積土體特征最具代表性。坡體地層以崩積物為主，主要由泥巖和石

膏巖構(gòu)成，坡體地形較陡，坡度約45°（圖1）。

1.2 樣品采集與處理

考慮取樣安全性和準(zhǔn)確性，選擇以盤山公路為依據(jù)確定3處采樣點(diǎn)，即崩積斜坡的坡腳（A）、坡中（B）和坡頂（C），如圖1所示。為保證最大程度減少對(duì)樣品的擾動(dòng)，首先使用刀和鋸切在斜坡剖面分別切割出一個(gè)10 cm×10 cm×10 cm的土體而后，將內(nèi)壁薄涂凡士林的環(huán)刀（70×52 mm）尖刃一端分別沿著事先切割出的土體向下插入。再通過(guò)下壓環(huán)刀使土樣頂端高于環(huán)刀頂端，之后用刀削去環(huán)刀周圍多余土體。最后將裝有土樣的環(huán)刀使用保鮮膜保存，以保證土樣在運(yùn)輸過(guò)程中不被損壞。

1.3 工業(yè)CT掃描

實(shí)驗(yàn)室內(nèi)將土樣從環(huán)刀中輕推出，利用工業(yè)CT（峰值電壓225 kV，最大功率320 W）對(duì)其進(jìn)行掃描[20]。CT掃描的原理是利用X射線在穿透密度不同的被測(cè)物體時(shí)，X射線的強(qiáng)度和頻率等物理量會(huì)發(fā)生改變，即同一X射線，物體密度越大，其對(duì)X射線的吸收能力就越強(qiáng)[21]。崩積土體的組分和結(jié)構(gòu)不均，因此X射線穿越土體過(guò)程中具有不同的衰減程度，將這些衰減信號(hào)通過(guò)計(jì)算機(jī)處理，將形成不同灰度值（0～255）的二維圖像。

1.4 圖像處理

由于掃描環(huán)境中存在噪聲等外界因素的影響，往往會(huì)使圖像上存在一些噪點(diǎn)。為提高分析的準(zhǔn)確度，首先利用AVIZO軟件的濾波器對(duì)圖片進(jìn)行濾波處理[22]。將坡腳、坡中和坡頂樣品的原始圖片嘗試多種濾波處理方法后，選定雙邊濾波法并取得了較好的成像效果。雙邊濾波法是一種常用的局部平滑技術(shù)，其將空間鄰近距離和像素值相似度進(jìn)行折中，同時(shí)又考慮空域信息和灰度相似性，更好的實(shí)現(xiàn)了消除圖像噪點(diǎn)和較好的保留空隙邊緣（圖2）。

其次，將上述濾波處理后的二維圖像進(jìn)行圖像分割。圖像分割的目的是為了更好的區(qū)分土體顆粒和孔隙。AVIZO軟件中圖像分割法包括閾值分割法、形態(tài)學(xué)分割法和分水嶺分割法，其中最常用的分割方法為閾值分割。閾值分割可有效區(qū)分不同灰度值的物體，其關(guān)鍵點(diǎn)為閾值的確定，這是因?yàn)楹侠淼拈撝悼商岣呖障赌Ｐ蛯?duì)實(shí)際土體空隙的真實(shí)反應(yīng)程度[23]。通常閾值分割法包括二值化分割和多閾值分割，由于本探究只需區(qū)分空隙和崩積土體，因此選用二值化分割方法。本實(shí)驗(yàn)選擇以孔隙度作為閾值，其閾值采用的孔隙度與宏觀實(shí)測(cè)孔隙度差值在10%以內(nèi)即為合理。實(shí)驗(yàn)中，采用飽和稱重法對(duì)實(shí)際孔隙度n進(jìn)行測(cè)定，可知坡腳、坡中和坡頂?shù)目紫抖确謩e為30.7%，32.1%和31.6%。最終，選取實(shí)測(cè)孔隙度作為分割閾值，小于該閾值的部分為空隙，用黑色標(biāo)記，賦值為1;大于該閾值的部分為土體，用白色標(biāo)記，賦值為0（圖3）。

1.5 三維重建和參數(shù)提取

利用AVIZO軟件將二值化后的圖片三維重建，可展現(xiàn)崩積土體的空隙三維結(jié)構(gòu)，并能獲取表征孔隙特征的相關(guān)參數(shù)。實(shí)驗(yàn)選擇以中軸線算法為依據(jù)，對(duì)不同坡位樣品的空隙進(jìn)行三維模型重建[24]。在三維重建基礎(chǔ)上，利用AVIZO軟件中的“Label Analysis”模塊對(duì)迂曲度、孔隙直徑和體積等參數(shù)進(jìn)行提取和統(tǒng)計(jì)。迂曲度是指實(shí)際流動(dòng)路徑的長(zhǎng)度（LT）和流動(dòng)路徑的起始節(jié)點(diǎn)和結(jié)束節(jié)點(diǎn)之間的直線距離（L0）比，該值無(wú)法直接提取需運(yùn)用AVIZO軟件從孔隙結(jié)構(gòu)模型中提取LT和L0值，進(jìn)而求出迂曲度。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 不同坡位崩積土體的空間分布特征

通過(guò)構(gòu)建不同坡位崩積土體的微觀空隙三維分布圖（圖4），對(duì)崩積土體的微觀空隙形態(tài)和分布特征進(jìn)行探究。從形態(tài)上看，土壤中的空隙由裂隙、條帶狀孔隙、以及圓球或橢球狀等不規(guī)則形狀的孔隙組成。其中裂隙具有較好的局部連通性，加速了土體中水分的運(yùn)移，對(duì)土體的滲透特性具有較大影響。條帶狀孔隙整體分布較為分散，但當(dāng)降雨或者地下水位上升，大量水分入滲，便可能

造成孔隙之間的連通，從而增加土體內(nèi)部水力聯(lián)系，對(duì)崩積斜坡穩(wěn)定性造成一定威脅。從分布特征上看，結(jié)合圖3和圖4可知，不同坡位土體孔裂隙均較發(fā)育，但分布各異，具有較為明顯的空間異質(zhì)性。坡腳土體樣品的孔隙主要聚集于三維數(shù)字模型的中心部位，外部孔隙大部分呈孤立存在。坡頂和坡中孔隙分布相對(duì)較均勻。

2.2 不同坡位崩積土體孔隙參數(shù)特征

2.2.1 不同坡位崩積土體孔隙數(shù)量和體積特征

為定量表征崩積土體的微觀特征，在重建三維模型的基礎(chǔ)上，利用AVIZO軟件對(duì)孔隙體積、孔隙直徑和孔喉等參數(shù)進(jìn)行提取，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖所示（圖5，圖6）。圖5為不同坡位土體微觀孔隙在各孔徑區(qū)段的數(shù)量分布占比;圖6為不同孔徑區(qū)段孔隙體積占孔隙總體積的百分比。

由圖5可知，同一直徑區(qū)間內(nèi)坡腳、坡中和坡頂土體的孔隙數(shù)目略有差異。整體來(lái)看，土體孔隙主要集中于孔徑0.1～0.5 mm區(qū)間內(nèi)，坡腳、坡中和坡頂在該區(qū)間內(nèi)孔隙數(shù)目占比達(dá)到76.26%，73.11%和72.38%.孔徑大于1.0 mm孔隙數(shù)量較小，分別為2.16%、1.62%和2.03%.然而在孔隙體積占比方面，直徑0.1～0.5 mm孔隙體積占總孔隙體積百分比為10.71%，13.75%，10.33%;小于0.1 mm占0.04%，0.10%，0.07%;>1.0 mm體積占比最大，高達(dá)55.01%、55.71%和53.49%.基于以上分析可知，孔徑0.1～0.5 mm區(qū)間內(nèi)孔隙數(shù)目最多，但體積比相對(duì)較小。>1.0 mm孔徑區(qū)間內(nèi)孔隙數(shù)目占比較小，但孔隙體積占比卻較高。由此可見，>1.0 mm區(qū)間內(nèi)的孔隙對(duì)該土體孔隙率具有較顯著的影響。

2.2.2 不同坡位崩積土體孔喉分布特征

孔喉是孔隙間相互連接的通道。喉道相對(duì)狹窄，但對(duì)于土體中水、氣運(yùn)輸有著至關(guān)重要的影響。王偉等研究表明，不同樣品滲透率和孔隙度的差異，主要是由于樣品微觀孔隙結(jié)構(gòu)，尤其是喉道的形狀，大小及分布不同造成的[25]。因此，在微觀只是對(duì)崩積土體孔喉的探究，將有助于我們深入探討崩積土體的微觀孔隙結(jié)構(gòu)和滲透特性的相關(guān)關(guān)系。

孔喉數(shù)量與孔隙數(shù)量之比通?？煞从惩馏w微觀孔隙的連通程度。軟件提取得坡頂?shù)目紫犊倲?shù)量430 436個(gè)，孔喉數(shù)量為1 054 568個(gè)，比值為2.45，坡中孔隙總數(shù)為601 595個(gè)，孔喉總數(shù)為2 141 678個(gè)，比值為3.65;坡腳孔隙總數(shù)為399 475個(gè)，孔喉總數(shù)為427 438個(gè)，比值為1.07.坡腳的比值相對(duì)較小，表明坡頂孔隙相較于坡腳和坡中存在更多孤立的孔隙，孔隙之間具有較小的連通性。此外，不同坡位的比值均大于1，即不同孔隙之間有多條喉道，孔隙之間相互貫通，從而形成較大的水力聯(lián)系。從表1中可看出，整體上隨著喉道半徑的增加，孔喉數(shù)目呈逐漸遞減的趨勢(shì)。孔喉半徑主要小于0.10 mm，坡腳和坡中在該半徑區(qū)間內(nèi)數(shù)目占比為79.73%和84.03%，坡頂為60.49%.

2.2.3 不同坡位崩積土體微觀迂曲度探究

迂曲度常被用做反應(yīng)滲流通道的曲折程度，也是表征土體輸運(yùn)性質(zhì)的重要參數(shù)。本探究中使用迂曲度對(duì)孔喉的曲折程度進(jìn)行表征，也間接表明了土壤的滲透性質(zhì)。對(duì)不同坡位土體孔喉迂曲度進(jìn)行計(jì)算和統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如圖7所示。結(jié)果表明，孔喉數(shù)目隨著迂曲度的增加呈現(xiàn)逐漸減少的趨勢(shì)。迂曲度越大，孔喉彎曲程度高，滲透性便越差;迂曲度越小，孔喉的彎曲程度弱，孔隙流通性便較好，滲透性相應(yīng)也較高。由圖7可知，迂曲度1～2區(qū)間內(nèi)孔喉數(shù)目最多，坡腳、坡中和坡頂百分比高達(dá)97.74%、97.81%和97.60%.因此，研究區(qū)內(nèi)崩積土的微觀孔隙整體上迂曲度值偏小，即孔喉彎曲程度較弱，孔隙阻力較小，具有較好的滲透性。此外，圖7中坡腳迂曲度高于坡頂和坡中，即坡腳具有較小的滲透性。

3 討 論

崩積土體的滲透性主要取決于空隙的幾何結(jié)構(gòu)、連通性和復(fù)雜程度，因此可采用迂曲度、孔隙體積、孔隙直徑和孔隙度等參數(shù)進(jìn)行表征。本文結(jié)合迂曲度和孔隙直徑等參數(shù)，探究崩積土體的微觀結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)不同坡位具有以下特點(diǎn)。

1）不同坡位孔隙直徑和體積占比無(wú)明顯差異。

2）不同坡位孔隙連通性：坡腳<坡頂<坡中。

3）坡腳迂曲度相對(duì)較高，坡腳相對(duì)具有較差的連通性和滲透性。

崩積土體巖性不連續(xù)且變形性高，在風(fēng)化作用影響下，坡頂和坡中崩積土體中的細(xì)質(zhì)顆粒被帶走，充填于坡腳骨架中。在土體強(qiáng)烈的擠壓作用下，坡腳土體相較于坡中和坡頂較密實(shí)。

了解崩積土體滲透特性是構(gòu)建滲流模型的前提，目前通常通過(guò)室外地質(zhì)調(diào)查和室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)，構(gòu)建坡體內(nèi)部的滲流模型，其滲透特性的分析通常是從宏觀角度以達(dá)西定律為基礎(chǔ)。由圖2和圖3可知，崩積土體的孔裂隙形狀各異且分布不均勻，因此以達(dá)西定律為基礎(chǔ)并不能較準(zhǔn)確的了解其滲流特性。反之，從微觀空隙角度對(duì)崩積斜坡滲流特性進(jìn)行分析，構(gòu)建崩積土體微觀滲流模型，對(duì)于分析、評(píng)價(jià)崩積土體斜坡的穩(wěn)定性具有重要的意義。但本探究中不同坡位特征規(guī)律不是特別明晰，有賴于后續(xù)對(duì)同一坡位進(jìn)行多組平行試驗(yàn)，豐富該區(qū)域的微觀空隙特征探究。

4 結(jié) 論

1）依據(jù)三維空隙分布模型，崩積土體中裂隙和孔隙并存，坡腳空隙主要集中于樣品中心，坡頂和坡中整體上呈不均勻分散。裂隙和條帶狀大孔隙連通性較好，是導(dǎo)致坡體不穩(wěn)定的主要因素。

2）依據(jù)孔隙特性定量表征結(jié)果，孔隙直徑>1 mm孔隙數(shù)目較少，體積占比卻遠(yuǎn)高于其它區(qū)間孔隙。由此可見，該區(qū)間內(nèi)的孔隙是崩積土體失穩(wěn)時(shí)微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生變化的主體，對(duì)崩積土體失穩(wěn)具有較大貢獻(xiàn)。

3）孔喉是有效評(píng)價(jià)土體滲透特性的重要參數(shù)，研究區(qū)內(nèi)孔喉半徑大部分小于0.01 μm.迂曲度主要集中于1～2區(qū)間，坡體具有較好的滲透特性。坡腳迂曲度高于坡中和坡頂，孔隙阻力大，滲透性較差。

4）CT掃描和三維重建崩積土體空隙結(jié)構(gòu)有助于了解土體微觀結(jié)構(gòu)特征和滲透特性，為進(jìn)一步構(gòu)建崩積土體微觀滲流模型提供重要依據(jù)。

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