砒砂岩侵蚀的物理特性试验研究.pdf

第 3 8卷第 6期 2 0 l6年 6月 人民黄河 YELI OW RI VER VO 1 38Nl1 6 -I l lJ 1 2 01 6 【 专题研究 】 砒砂岩侵蚀的物理特性试验研究 刘 慧 ， 时明立 ， 蔡 怀森 ， 伍 艳 ( 黄河水利科学研究院 水利部黄土高原水土流失过程与控制重点实验 室， 河南 郑州 4 5 0 0 0 3 ) 摘要： 砒砂岩侵蚀较为强烈， 研究其易蚀的岩性物理特性对于认识侵蚀岩性机理具有重要意义利用现场灌砂法、 粒 度分析等方法， 开展 了砒砂岩原状样密度、 微观结构和级配等物理特性试验研究 结果表明： 砒砂岩干密度为 1 3 6 1 5 8 g C E l l ， 远 小于一般砂岩的 密度 ； 砒砂岩孔 隙率 大、 透水性强 为砒砂岩 易发 生水蚀提供 了结构条件 ； 砒砂 岩黏粒含量低 ， 颗 粒粒径小于 0 5 0 0 1 1 1 11 1 的颗粒含量 高， 为砒砂 岩易发生风蚀且风化速率快提供 了几何 奈件； 砒砂岩碱性较 强 ， 为砒砂岩在 酸性 雨水环境下发生水蚀提供 了化 学条件 、因此 ， 砒砂 岩的物 理特 性是砒砂岩 易发生强烈侵蚀的 重要 内因 关键词 ：物理 性质 ；密度 ；粒径 ；p H值 ；砒砂 岩 中图分类 号 ：P 3 l3 1 文献 标志码 ： A d o i： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 0 1 3 7 9 2 0 1 6 0 6 0 0 2 我 国砒砂 岩集中分布在黄土高原北部晋 、 陕 、 蒙接 壤地 区的鄂 尔多斯高原 ， 是一 种松散岩层 ， 岩性 为砾 岩 、 砂岩及泥岩 ， 交错层理发 育， 颜 色混杂 ， 有棕红色 、 紫红色 、 黄绿色 、 白色 、 灰 白色。由于砒砂岩成岩程 度 低 、 沙粒间胶结程度差 、 结构强度低 ， 因此遇水如泥 、 遇 风成砂 ， 风蚀与水蚀现象均非常严重。砒砂岩是由固 体 、 液体和气体组成的， 其物理性 质是指三相组分的相 对含艟不同所表现的物理状态 ， 以及各相问相互作 用 所表现出来的性质。因此 ， 认识砒砂岩 的物理性 质对 研究砒砂岩的侵蚀机制具有重要意义。 关于砒砂岩化学成分和矿物组成对侵蚀机理影 响 的研究比较多 ， 而关于砒砂岩侵蚀的物理性 质研究相 对较少 ， 仅有叶浩简要分析了砒砂岩物理性质对重 力侵蚀的影响 ， 指出砒砂岩 的物理性质为重力 侵蚀 的 发育提供 了基础 ， 但没有涉 及砒砂岩侵蚀的物理特性 研究。笔者以皇甫川 I 流域二老虎沟小流域裸露砒砂岩 为研究对象 ， 通过试验研 究了砒砂岩密度 、 微观结构 、 级配和酸碱性等物理性质 ， 探讨 了砒砂岩侵蚀的物理 特性 ， 以期 为揭 示砒砂 岩侵蚀 的岩性 机理提供 基础 支撑 1 试验方法 砒砂岩空间分异特性非常显著， 不同区域砒砂 岩 的物理化学特性差异较大 ， 甚至 同一区域砒砂岩的物 理化学特性差异也很大。本次试验在同一剖面分别对 不同岩层不同颜色 的砒砂岩进行取样 ， 取样剖面见图 1 。1 号试样为白色掺少量红色 ， 2号试样 为红色 ， 3号 试样为青灰色 ， 4号试样为红色 ， 5号试样 为白色， 6号 试样 为 红 色。依 据 土 工试 验 方 法标 准( G B 8 T 5 0 1 2 3 - 1 9 9 9 ) ， 砒砂岩现场 密度测试方法 采用灌 砂 法 ； 依据 土工试验规程 ( s L 2 3 7 1 9 9 9 ) ， 砒砂岩颗粒 粒径分析采用筛分法 ， 由于砒砂岩遇水溃散 ， 冈此在试 验中对砒砂岩先进行水泡然后再筛分 。p H值依据土 壤分析方法 F H Z D Z T R O 0 2 6的规定 ， 采用电位法测定。 图 1 砒砂岩 取样 位置 2 砒砂岩密度和微观结构 岩石密度是岩石基本集 合相 ( 固相、 液相和气相) 的单位体积质量 ， 与岩石组成及岩石结构有关 ， 按岩石 含水状况不同 ， 可分 为天然 密度( 湿密度) 和干密度。 砒砂岩试样的密度测试结果见表 1 。 从试样的测试数据看 ， 各砒砂岩 试样 的干密度差 别不大 ， 其值为 1 3 6 1 5 8 g cm ， 相对较小 ， 而一般情 况下砂岩密度为 2 2 0 2 7 1 g cm 。因此 ， 砒砂岩的孔 收稿日期： 2 0 1 6 0 3 2 2 基金项 目： “ 十2 - 5 _ ” 国家科技 支撑计划项 目( 2 0 1 3 B A C O 5 B O I ) ； 河 南省创新型科技人才队伍建设工程项 目( 1 6 2 1 0 1 5 1 0 13 0 4 ) 作者简介： 刘慧( 1 9 8 l一 ) ， 女 ， 河南驻马店人， 高级工程师， 博 士 ， 研 究方向为工程材料 及水土保持 E ma il：t u z i9 5 1 1 63 ( !o n 1 隙率相对较火 ， 其结 构密实件远小于一般砂岩。一般 I 言， 砒砂- 1 “ “ i 1 7 密实度越小 ， L 1 3 4 ,： 率越大 ， 强度越小 ， 蛔 性变形和渗透性越大 、 表 1 砒砂岩密度现场测试结果 由 该批 试样密度十 差不大 ， 微观 试验结果I I ， 结 构差异 小人 ， 此 只选取有 代表 的微观结 构 片 ( 见图 2 ) 进 分析。i ll 2 n r 以看 f I 砒砂岩孔 隙牢较 大 ， 结构松散 ， 基本没 颗粒胶结 ， 透水性较好 因此 ， 外部水分很窬易入侵剑砒砂岩 内部 ， 为砒砂岩的水蚀 创造有利的内部条件 、砒砂柑的孑 L 隙率较 人， 口 f 以容 纳较多水分， 有利于砒砂 发生水- 7 H 4 用 ， 进而改变 砒砂岩的力学强度等十 关工程性能 图 2放大 2 0 0倍 的砒砂岩微 观结构 3 砒砂 I I II I l, i l i ,1J1 个 I !- 径 【 成 砒砂 1 1 1 I ， 0 颗粒大小对砒砂 岩的 力学特性 影响 【 1月 ，粒度成 分 其抗 风化能 力和渗 透能 力紧密联 系。 、 1 5 乏 2为砒砂 试样的颗粒绀成， 可以 f f j 不同试样砒 砂岩的颗粒大小变化 小 f 没有规 徘， 总体 言砂粒 和粉粒含 较大 。 黏粒 憾卡 f I 对较小 从粒度方面分 析 ， 砒砂 的颗粒基本邢是非等粒结构 ， 此抗风化能 力较弱 ， 比较容易被侵蚀 、 时 ， 黏粒 含世较低表f fJ J 砒 眇岩的胶结程发比较低 ， 强度也会比较低。 表 2实 测 砒 砂 岩 的 颗 粒 组 成 粒径纰 f 1 i总 L rt 样的质节 1 分数 0 0 7 5 ( ) ( ) 0 5 ( ) ( ) 0 5 ll 0 1 O 0 i l lIll ( ) 0 7 5 I I I I in lll 0 3 1 7 1 2 0 9 7 0 3 3 l0 6 2 7 6 8 3 5 3 2 ( )1 3 2 9 8 2 l 2 3 5 l9 3 6 1 8 3 4 4 l6 l 5 5 【 ) 7 89 3 8 4 1 ( ) 1 4 8 6 6 1 4 2 2 8( ) 31 3 2 2 61 l 8 8 5 7 8 7 9 3 5 3 6 6 根据赵焕勋等 借H j 的土壤 粒粒 x l逑 的 关系， 可知粒径 0 2 5 0 0 5 0 0 I 1 11 1 颗粒的起 沙风速为 4 7 8 n l s ， 0 1 O 00 2 5 0 l l ll l l 颗粒 的起 沙风 速 为 4 2 5 I ll S ，0 0 7 0 0 1 O 0 n 1 颗粒 的起沙 速为 3 3 9 m s ， 小 于0 0 7 0 m m颗粒的起沙风速 为 0 3 i li s 准格尔旗 地区J x 【 力强 大 ， 每年 均 风速 大 丁 5 m s的_人数 为 1 2 7 4 t 】 ， 砒砂岩颗粒粒径小于 0 5 0 0 l n l ll的顿粒 I 总体质 的 9 1 7 9 9 7 ， 在 如此 候 条什 F， 砒砂 的风化速率较快 ， 风化物抗J x L l, J t 性较謦 4 砒砂 岩的 p H f f c -f ： f lk 砂岩含有 一定懂 的碱性瓴化物， 冈此 碱 性 ， 其实测 p H值和碱性氧化物含f 丧 3 、自然 f ， 雨水 酸性 ， p H值一股 为 5 2 6 8 ， 敞砒砂岩 降m 条件下易发生化学反应 ， 发生化 ： 他蚀。从矿物 成 分忻 砒砂岩巾长石的含量一般为 2 3 5 6 ， k 可能 酸性 介质下 发乍解聚 ， 生成孙 1 类 矿物 ， 导 致砒砂 的组成成 ) - 4 ：-I 1 7 i构发生变化 高岭石V ,s ! t -： s ,R 与长 溶解存在过渡炎系， 高岭f 适合酸性水环境 ， 碱性 条件 r 易转化为伊利 砒 眇柑e I l有 高岭 、 伊 利孑 了 、 绿泥石仃住， 说 J 砒砂岩及 I 域 内的 P H似发 尘了酸性一弱碱 一碱性的转 变 I 此 ， 环境 水的 酸性 砒砂岩 F 1 身的碱性也为砒砂 fii 的侵蚀提供 J 便 利 条什 、 表 3 砒砂 岩实测 p H值和碱性 氧化 物含量 砒砂岩的物理性质对砒砂 的f 2 蚀性 有m 影 响 砒砂岩密度小 、 孔 隙率大 、 强发较低 ， 为水蚀创造 J 内部条件 砒砂 颗粒属于非 粒结构颗粒 ， 抗风 化能力弱 ， 极易被侵蚀 ； 黏粒含量低 ， 胶结程瞍低 ， 使得砒砂 住当地风 力较大的环境 条件 卜 极易发， I 【 蚀 从矿物组成 和 p H仳 分析 ， 砒 眇柑极易发牛化学 侵蚀 闪此 ， 砒砂岩的物理特性是砒砂措发生 仪蚀 的 重要 人 】 1 人 1 参 考文 献 ： l 1 j I I 河中游陕 接壤地f =|( = 砒抄坩 力侵蚀机 支定 iI 价l D 北京 ： I I 地 质科 、 院 ， 2 0 0 4 ： 4 0 4 7 9 人 民 黄 河2 0 1 6年第 6期 2 3 赵焕勋， 金争平 乌兰察布盟土壤侵蚀的研究 J 中国水 土保持， 1 9 8 8 ( 9 ) ： 1 2 1 5 管俊芳 ， 陆琦， 陈林丽， 等 南华北区石炭一 二叠系砂岩和 泥岩中黏土矿物的形成与转化 J 西北地质， 2 0 0 3 ， 3 6 ( 1 )： 7 4 7 7 Ex p e r im e n t a l S t ud y o f t h e Ph y s ica l Cha r a ct e r is t ics o f t h e Pis ha S a nd s t o ne o n I t s Er o s io n LI U Hu i，S HI Mi n g li，CAI Hu a is e n，W U Ya n ( K e y L a b o r a t o r y o f S o il a n d Wa t e r L o s s P r o ce s s a n d C o n t r o l o n L o e s s P l a t e a u o f MWR， Y e l lo w R i v e r I n s t it u t e o f H y d r a u l ic R e s e a r ch ， Z h e n g z h o u 4 5 0 0 0 3 ，C h in a ) Ab s t r a ct ：P is h a s a n d s t o n e e r f 1 s io n is mo r e in t e n s e I t is g r e a t s ig n ifi ca n ce t o u n d e r s t a n d t h e e r o s io n lit h o lo g ica l me ch a n is m t h r o u g h s t u d y in g t h e e r o d ib le lit h 0 l0 P p h y s ic a l p r 0 p e r t ie s T h e P is h a s a n d s t o n e p h y s ica l p r o p e r t ie s s u ch a s t h e o ri g in a l d e n s it y ， it s mie r o s t r u ct u r e a n d g r a d ua t i0 n we I t e s t e d Th e s a n d f illin g me t h o d，g r a in s iz e a na ly s is a n d o t h e r me t ho ds we r e u s e dTh e r e s ult s s h o w t h a t t h e d e n s it y o f o ri g in a l P is h a s a n d s t o n e is in t h e r a n g e o f 1 3 6 1 5 8 g e m ，wh ich is mu ch s ma lle r t h a n t h e r o ck d e n s it y o f t h e co mmo n s a n d s t o n e T h e la r g e r p o I D s it v a n d t h e b e t t e r w a t e r p e r I 1 1 e a b ilit y a r e s t m ct u r a l b e n e fi t f o r t h e w a t e r e r o s io n o f P ls h a s a n d s t o n e T h e lo w cla y co n t e n t a n d t h e h ig h co n t e n t 0 f D a r t i cle d i a me t e r b e l o w 0 5 0 0 n n n in t h e w h o l e P i s h a s a n d s t o n e u la s s a r e g e o me t ri ca l b e n e fi t for t h e e x p o s e d s a n d s t o n e w it h a f a s t e r we a t h er j n g r a t e a n d a we a k e r wind e r o s io n r e s is t a n ceF urthe r mo r e，t h e s t r o n g a lk a li o f Pis ha s a n ds t o ne is ch e mica l b e n e fi t for t he wa t e r e I D s i o n b e ca u s e o f t h e a cid i c r a i n e n v i r o n me n t T h e r e f o r e， t h e p h y s ica l ch a r a ct e r i s t ics o f P is h a s a n d s t o n e a r e t h e i n t e r n a l r e a s o n s f o r i t s e r o s io n Ke y wo r d s ：p h y s ica l ch a r a ct e r is t ics ；d e n s it y；g r a in s iz e ；p H v a lu e ；Pis h a s a n d s t o n e 【 责任编辑翟戌亮】 一一一一一一。 。 - - _+- 一-一- -一 - - _ _- _ - -* - -一 - ( 上接第 7页) M a n a g e me nt Te ch no lo g y a nd De mo ns t r a t io n Ef f e ct o n Two Dime ns io n a l C0 nf ig u r a t i0 n in Pis ha S a n ds t o ne Ar e a Y A O We n y i ，S H I Min g li ， Wu Z h ir e n ， WA N G L i j i u ， Y A N G C a iq ia n ( 1 K e y L a b o r a t o r y o f S o i l a n d Wa t e r L o s s P r o ce s s a n d C o n t r o l o n L o e s s P la t e a u o f MWR， Y e llo w R i v e r I n s t i t u t e o f H y d r a u li c R e s e a r ch ， Z h e n g z h o u 4 5 0 0 0 3 ， C h i n a ； 2 S o u t h e a s t U n i v e r s i t y ， N a n j i n g 2 1 0 0 9 6 ， C h i n a ； 3 J i a n g s u U n iv e r s i t y ， Z h e n j i a n g 2 1 2 0 1 3 ， C h i n a ； 4 D a l ia n U n iv e r s i t y o f T e ch n o lo g y ， D a l ia n 1 1 6 0 2 4 ，C h in a ) Ab s t r a ct ：T h e lo s s o f s o il a n d wa t e r is v e ry s e v e r e b e ca u s e t h e s it e co n d it io n is b a d in P is h a s a n d s t o n e a r e a T h e ch a r a ct e r s o f h ig h p o r o s it y， in e r t a d h e s iv e a n d e a s y t o co lla p s e ma k e t h e co n v e n t io n a l p la n t a n d e n g in e e ri n g me a s u r e s h a r d ly t o h e ca r r ie d o u t B a s e d o n t h e is s u e s， t h e me t h o d o f mo difi e d wa r pin g d a ms，a n t i e r o s io n a n d g r o wt h pr o mo t ing we r e s t u die d，t h e co mp r e he ns iv e ma n a g e me n t mo d e wa s e s t a b lis he d a n d t h e k e y t e chn o lo g y wa s ca r r ie d o ut in t h e d e mo ns t r a t io n r e s e a r chTh e r e s e a r ch s h o ws t h a t t h e s o il a nd wa t e r co ns e r v a t io n ma t e r ia ls e ng in e e r ing b io lo g ica l me a s u r e s a n d s lo p e ch a n ne lin g s y s t e m comp r e h e ns iv e ma na g e me n t mo d e a r e b a s e d o n t h e s o il a nd wa t e r lo s s la w o f t h e Pis ha s a n ds t o ne a r e a，t h e mea s ur e s ha s t he r e ma r ka ble r e s