海洋環境下珊瑚島土層溶蝕效應及滲透性特征研究

2022-03-01 07:06:48王曉光

水利科技與經濟 2022年2期

王曉光

(山東省地質礦產勘查開發局第四地質大隊，山東濰坊 261000)

1 概述

近年來，受國際環境影響，我國大力開展沿海島礁建設工程，并將其作為海洋戰略的重點研究區域[1-3]。然而，海洋侵蝕環境影響對珊瑚島的建設帶來一定的威脅[4-6]。因此，研究海洋環境下珊瑚島土層滲透溶蝕特征具有重要意義。

現有研究指出，我國沿海區域含水層介質的溶蝕效應，主要是由二氧化碳與水形成碳酸導致的侵蝕作用[6-7]。陳信升等[8]針對珊瑚地籍圖鈣質軟泥開展了固結-滲透試驗，發現鈣質軟泥的滲透系數約為10-6cm/s,且其滲透系數隨孔隙比的增大而逐漸增大。唐健健等[9]基于深入研究了海洋環境下島礁地下水化學特征，并指出島礁地下水潛水面處更易發生活躍的碳酸鹽礦物的溶解作用。高冉等[10]指出我國南海海域吹填島礁建設的重要性，并深入探討了我國南海珊瑚島礁吹填體鈣質砂地基土的動力特性。

綜上所述，現有研究主要針對海洋環境下我國南海島礁水化學特性及其影響，而缺乏對島礁地質條件變化的試驗分析。本次研究基于室內滲透試驗，深入分析海洋環境下珊瑚島土層溶蝕效應及滲透性特征。研究成果可為我國海洋島礁建設提供一定的指導作用。

2 試驗

2.1 試樣制備

本次室內試驗研究所取試樣為我國南海某研究區完全擾動狀態的珊瑚砂。按照《土工試驗方法標準》(GB/T 50123-1999)相關試驗標準[11]，先將珊瑚砂試樣烘干(溫度為105℃，持續時間10 h)，再用標準土壤篩振篩10 min，得到珊瑚砂土體試樣的顆粒密度為2.81 g/cm3。

2.2 試驗方案

將上述珊瑚砂試樣填充到滲透溶蝕試驗設備中(圖1)，其中裝珊瑚砂試樣的玻璃圓桶直徑為10 cm、高度為20 cm。

按照預先設計的孔隙率填充珊瑚砂(孔隙度分別為57.89%、52.15%和48.32%，對應密實度為松散、中密和密實)，然后將用硫酸配置好的酸性溶液(pH=3、5、7)通入進行滲透溶蝕試驗。保持上游酸性溶液的持續穩定輸入，每2 h記錄測壓管水位差并計算土體的滲透系數。

3 試驗結果分析

3.1 滲透率變化曲線

圖2為不同pH值、不同密實度條件下珊瑚砂的滲透系數隨侵蝕時間的變化關系。

圖2 珊瑚砂土體應力-應變曲線

由圖2可知，密實度對珊瑚砂試樣的滲透率-侵蝕時間曲線的變化特征影響較小，而不同pH值下珊瑚砂試樣則表現出明顯不同的變化特征。當液體為中性時(pH=7)，珊瑚砂的滲透性基本不變，這表明液體對珊瑚砂無侵蝕效應。當侵蝕性液體呈酸性時(pH=3、5)，珊瑚砂的滲透系數呈現出明顯的階段性變化特征，可以劃分為3個階段即快速上升階段、下降階段和平穩階段。在珊瑚砂滲透系數快速上升階段，珊瑚砂土體的滲透系數隨侵蝕時間呈現逐漸增大的變化趨勢，且侵蝕液體的酸性越強，則滲透系數增長越快。分析認為，這是由于長時間的侵蝕導致土體內部產生大量的孔隙且變得松散，較小顆粒在液體沖刷下被帶走，因此土的滲透性增強。溶液的酸性越強，則其對珊瑚砂的侵蝕性越強，則滲透系數增長速率隨液體酸性增強而增大。在珊瑚砂滲透系數下降階段和平穩階段，土體的滲透性逐漸變弱直至趨于平穩，這是由于土體內可溶蝕成分已經被完全侵蝕，且在水壓條件下土體空隙部分被小顆粒填充，因此土體的滲透小幅度下降直至趨于平穩。

3.2 密實度影響

基于不同pH值、不同密實度條件下珊瑚砂的滲透系數侵蝕時間曲線，可以得到不同試驗條件下珊瑚砂的最大滲透系數和平均滲透系數增長速率，見表1。由表1可知，在相同的pH值條件下，珊瑚砂的滲透性隨著土體的密實度逐漸降低，且其滲透系數增長階段的平均增長速率也隨著密實度逐漸降低。以CS-A組珊瑚砂試樣為例，松散狀態的土體試樣最大滲透系數和平均增長速率分別為0.18 cm/s和1.56×10-6cm/s2，而密實狀態下土體的滲透系數及平均增長速率相對降低55.56%。由此可見，密實度越大，則土體的滲透性越差，同時滲透溶蝕特征也變得不明顯。分析認為，當土體的密實度較大時，滲透入試樣的侵蝕性溶液的體積較小，因此其與土體中的可侵蝕物質的化學反應較弱。因此，侵蝕性液體對土體的溶蝕反應較弱，土體內產生的孔隙較少。同時，由于侵蝕反應較弱、孔隙較少，珊瑚砂土體內的細小顆粒流失也較少，土體內的滲透通道發育不完全。因此，當土體的密實度較大時，試樣的滲透性較小；土體的密實度較小時，試樣的滲透性則更大。

表1 珊瑚砂最大滲透系數及平均增長速率

3.3 pH值影響

圖3為不同密實度條件下珊瑚砂土體滲透系數隨侵蝕液體的酸性變化關系。由圖3可知，在相同的密實度條件下，珊瑚砂的滲透性隨著侵蝕液體酸性的增強而逐漸降低，且其滲透系數增長階段的平均增長速率也隨著侵蝕液體酸性的增強而逐漸降低。以密實組珊瑚砂試樣為例，當pH值為3時，土體試樣最大滲透系數和平均增長速率分別為0.11 cm/s和0.95×10-6cm/s2，而當pH=7時，土體的滲透系數及平均增長速率相對降低45.45%。由此可見，侵蝕液體的酸性越強，則其對珊瑚砂土體的侵蝕性越強，滲透侵蝕特征也就越明顯，同時土體的滲透性也就越強。