沙质土壤中的水分淹没模式与裂缝导电性变化之间的关联：来自物理模型试验的见解

《Journal of Hydro-environment Research》：Water flooding patterns combined with fissure conductivity transition in sandy soil: insights from physical model tests

残余裂缝在砂土中的水分迁移规律及数学模型修正研究。采用物理模型试验系统，揭示了0.6-0.8mm临界粒径范围下裂缝导水率与孔隙填充的动态关系，建立了考虑坡面倾角影响的裂缝主导砂土水分运动模型，为边坡稳定预测和灌溉调控提供理论支撑。

　　
裂隙性砂土渗流特性与水力传导机理研究

研究背景与科学问题
裂隙性砂土作为特殊地质介质，其裂隙发育特征直接影响区域水文循环和工程稳定性。自然界中裂隙的形成主要源于构造运动、风化作用、干湿循环及地下开采活动（高剑等，2024），这类裂隙在砂质土中虽不如黏土或岩体普遍，但在华南地区 weathered granite 砂土中表现尤为显著（东辉等，2024）。这类裂隙具有方向性连续性强、空间展布稳定等特征，与常规干燥收缩裂隙存在本质区别，其渗流通道特性直接影响边坡稳定性与灌溉效率。

现有研究主要聚焦于裂隙发育机制与渗流模式的关系。在裂隙成因方面，学者们已证实裂隙形成与基质渗透性存在显著关联（Wang等，2022；Xiang等，2025），这种关联性在砂质土中尤为突出。渗流机理研究方面，现有成果多集中于岩体裂隙（Mathias等，2005；Salve，2005）和黏性土干燥裂隙（Dong等，2024），对砂质土裂隙系统的渗流规律仍缺乏系统性研究。特别值得注意的是，砂质土裂隙与常规裂隙介质存在本质差异：其基质渗透性远高于岩体和黏土，这导致传统裂隙渗流理论（如跨裂隙流动理论）可能存在适用性偏差（Nimmo，2021）。

实验体系与方法创新
本研究构建了具有创新性的三维渗流实验系统（图3），通过控制裂隙几何参数（长度0.3-5m，埋深0.1-1m，倾角15°-75°），实现了对裂隙-基质水力耦合作用的多维度研究。实验材料采用华南地区典型的 weathered granite 砂土（GRS），其颗粒级配符合USCS标准（表1），渗透系数达8.7×10?3 cm/s，显著高于常规黏性土。这种高渗透性基质为研究裂隙主导渗流提供了天然实验场。

关键发现与理论突破
1. 颗粒级配阈值效应
实验揭示了砂质土裂隙发育存在临界粒径阈值（0.6-0.8mm）。当颗粒均匀度指数Cu>3.5时，裂隙系统呈现定向延展特征（Dong等，2024）；当Cu<2.5时，裂隙仅发育于局部薄弱带（An等，2023）。这一发现修正了传统"粗颗粒优先裂隙化"理论，揭示了均匀砂体中裂隙自组织形成的动力学机制。

2. 裂隙导水能力非线性特征
通过水力传导实验发现，裂隙导水能力存在明显的尺寸效应。当裂隙长度L<300mm时，导水能力与裂隙倾角的余弦函数成正比；当L>500mm时，导水能力受裂隙空间连通性的影响显著增强（Xu等，2023）。这种非线性关系为建立裂隙导水能力评价模型提供了新依据。

3. 坡面渗流分带规律
在模拟降雨实验中，首次系统揭示了裂隙性砂土坡面渗流的三层分带特征（图17a）：
- 表层（0-0.3m）：裂隙主导区，渗透系数达15cm/s
- 中层（0.3-0.6m）：过渡带，出现"裂隙-孔隙"交替渗流
- 基底（>0.6m）：基质主导区，渗透系数降至0.8cm/s

这种分带特征导致湿锋推进存在显著方向性偏移，实测显示湿锋深度较理论预测值偏大42%-68%（Zhang等，2021）。

4. 导水能力转换临界条件
提出"裂隙导水能力转换临界条件"理论，当裂隙长度L与基质渗透系数Km满足L≥2.5Km·tanθ时（θ为裂隙倾角），裂隙将主导渗流过程；反之，渗流呈现基质-裂隙协同作用特征（Gao等，2024）。该理论成功解释了南岭地区砂土裂隙渗流与降雨入渗的非线性响应关系。

工程应用价值
研究成果为砂土边坡稳定性评估提供了新的量化指标：通过建立裂隙密度-渗透系数-降雨强度的耦合模型（公式略），可预测边坡湿润锋面推进速度。在农业灌溉方面，揭示了裂隙系统对灌溉效率的影响规律，当裂隙密度>0.5条/m2时，灌溉水量利用率下降37%-52%，据此提出了"裂隙屏蔽区"灌溉优化策略。

研究局限性
当前研究主要基于室内模型试验，外推至实际工程存在局限性。建议后续结合InSAR监测和分布式光纤传感技术，建立裂隙渗流的三维动态监测系统。此外，对裂隙与根系系统的相互作用机制仍需深入研究。

学术贡献
本研究在以下方面取得突破性进展：
1. 揭示砂质土裂隙发育的粒径阈值效应（0.6-0.8mm）
2. 建立裂隙导水能力的非线性转换模型
3. 提出坡面渗流的三层分带理论
4. 开发重力修正的裂隙倾角量化方法（θ'=θ·sinα+γ·cosα，α为坡面倾角，γ为重力修正系数）

研究展望
未来工作将重点放在以下方向：
1. 裂隙-孔隙协同渗流机理研究
2. 矿物成分对裂隙稳定性的影响
3. 多尺度耦合渗流模型构建
4. 人工智能驱动的裂隙动态预测系统开发

该研究为解决砂质土边坡渗流稳定性问题提供了新的理论工具，对华南地区风电基础工程、高速公路边坡防护等具有直接指导意义。研究过程中获得国家自然科学基金（42272304）和湖南省教改项目（22C0046）资助，研究团队已形成3项国家发明专利（ZL2023XXXXXX.X等）。