膨脹巖裂隙發育的現場觀測及描述方法研究

王 軍，龔壁衛，張家俊，周小文，譚峰屹

（1.華南理工大學亞熱帶建筑國家重點實驗室，廣州 510640；2.長江科學院水利部巖土力學與工程重點實驗室，武漢 430010）

膨脹巖裂隙發育的現場觀測及描述方法研究

王 軍1，2，龔壁衛2，張家俊1，2，周小文1，譚峰屹2

（1.華南理工大學亞熱帶建筑國家重點實驗室，廣州 510640；2.長江科學院水利部巖土力學與工程重點實驗室，武漢 430010）

基于圖像灰度化及二值化的數值處理技術，提出了膨脹巖裂隙度的概念及定量描述方法。在南水北調中線新鄉潞王墳試驗段進行了膨脹巖裂隙觀測試驗，定量分析了膨脹巖邊坡在干濕循環中的裂隙的變化規律及其與含水率的相關關系。分析表明，膨脹巖裂隙的發育與天氣變化密切相關，隨著干濕循環的發展，裂隙的寬度和裂隙度逐漸增加，利用Matlab數字圖像處理方法得到的裂隙率可以較好地描述裂隙的發育和發展情況。

膨脹巖（土）；南水北調中線工程；Matlab；裂隙度

1 概 述

膨脹巖（土）是自然地質過程中形成的多裂隙且具有顯著脹縮性的巖體。由于膨脹巖（土）的黏土礦物成分主要為強親水性的蒙脫石或伊利石，因而具有吸水膨脹、失水收縮和反復脹縮變形的特征，加之分布于土體中的裂隙和層間結合面，使其對各種工程結構物具有嚴重的破壞作用［1］，如地基隆起、路基開裂以及邊坡失穩等。研究表明：膨脹巖（土）邊坡中的裂隙及其發展對邊坡的穩定起著關鍵性的作用［2］。大氣降雨和地表蒸發，使得膨脹巖（土）濕脹干縮，并循環往復，逐步使土體產生裂隙，而裂隙的存在又進一步為雨水的入滲和水分的蒸發提供了通道，加快了土中含水量的波動和脹縮的反復發生，導致裂隙擴大并向土的深部發展。裂隙的產生、延伸、擴展、貫通，破壞了膨脹巖（土）的結構性和整體強度，使得膨脹巖（土）滑坡常常成為難以治理的“頑疾”。

有關膨脹巖（土）裂隙的研究工作，目前主要集中在兩個方面，一些主要采用當前工程力學領域的成就（如彈性理論、斷裂力學）來分析膨脹巖（土）裂隙的分布、深度、開展和延伸度，以及裂隙及其周圍土體的強度和變形特性［3，4］，這種方法包含了一定的假定和簡化條件，成果的精度尚難以驗證。另一些少量的定量研究也只是在室內針對重塑土開展的［5－8］。由于室內試驗中裂隙的發育與現場實際情況可能有較大的差異，室內試驗未必能夠反映現場的復雜情況，已有的關于裂隙的定量描述［2，5，6］僅是假借其它的物理量來衡量裂隙度，如灰度熵［5］，分形維數［6］等，這使得對于膨脹巖（土）的裂隙特性乃至邊坡失穩機理仍沒有得到令人信服的解釋。因此，繼續就膨脹巖（土）的裂隙問題開展定量的試驗研究，尤其是采取現場試驗觀測手段取得實際的裂隙數據，具有重要的意義。為此，從2007年底開始，長江科學院等有關單位在南水北調中線工程新鄉段開展了膨脹巖邊坡破壞機理及加固方法的試驗研究，針對膨脹巖的裂隙發育規律進行了觀察、量測和分析研究。

2 裂隙率的表達方法

袁俊平［5］等利用遠距光學顯微鏡對重塑膨脹土在自然風干條件下的裂隙發展變化進行了動態的、定量的觀測，其試驗結果表明，裂隙圖像的灰度熵可以很好地表征裂隙的發育發展程度，適合作為膨脹土裂隙發育程度的度量指標。但是灰度熵實際上反映的是圖片灰度分布的均勻與離散情況，在表征裂隙發育程度上具有一定的局限性，灰度熵能否直接用作表征裂隙度的變量有待進一步研究，而且其容易受亮度和對比度的影響，精度上取決于圖像資料的后處理精度，之前的研究者對此缺乏有效的處理手段。

易順明、徐永福［6，7］等指出，膨脹土裂隙幾何圖像的不規則程度高，結構復雜，定量描述極為困難，建議采用分形理論進行統計。對膨脹土不同尺度的裂隙，在二維平面上均構成為網絡系統，其分形是建立在一種統計分布上，可用盒維數法計算其分維值，分維值能表征裂隙發育的程度。但分維值是建立在膨脹土的土顆粒大小的分布與孔隙分布的基礎之上的，同樣，表征裂隙發育的程度不夠直觀和直接。

為此，本文提出一種結合Matlab數值圖像處理功能的圖像數值化分析方法，即將現場拍攝的常規RGB照片進行處理降噪，提高圖像數值的精度，并將此數值圖像進行裂隙骨骼化，進而將目標區域的裂隙數值化的裂隙統計方法。此方法在復雜的現場具有較強的適用性，而且Matlab圖像處理技術保證了計算裂隙度的精度，因此，該處理方法不僅能保證裂隙數值圖像的精度，而且克服了以往的研究者需要人為調整外界干擾因素的影響。另外，該處理方法直接將裂隙數值化，裂隙的發展變化直接反映在裂隙數值圖像上，通過對裂隙圖像的數值處理可以得到裂隙的發展變化。圖像數值化的實現過程如下。即原始圖像→灰度圖像→裂隙輪廓圖像→裂隙輪廓二值化圖像。

裂隙面拍照采集到的彩色圖像是RGB（Red／Green／Blue）三基色模型，不僅包含亮度信息，還包含顏色信息（圖1（a）），顏色信息包含著分析裂隙面不需要的信息，甚至是環境影響的雜質信息，需要消除這些影響，圖像就需要進一步處理。

利用Mat lab圖像處理工具，將采集到的彩色圖像轉化為灰度圖，灰度圖像只表示圖像的亮度信息而沒有顏色信息，因此，灰度圖像的每個像素點上只包含一個量化的灰度級（即灰度值），用來表示該點的亮度水平（圖1（b）），同樣的裂隙面不同的環境拍出的照片灰度值會不一樣，需要將圖像進一步處理。

將灰度圖進行邊緣檢測處理，提取出裂隙的邊緣，裂隙邊緣是以圖像的局部特征不連續的形式出現的，即是指圖像局部亮度變化最顯著的部分，邊緣檢測的基本思想是檢測圖像中的裂隙邊緣點，再按照一定的方式將邊緣點連接成輪廓（圖1（c）），這種處理方法消除了不同環境造成圖片灰度的不同的影響。

為了得到裂隙率，還需要把處理過的灰度圖像轉換為二值圖像，如圖1（d）所示。

二值圖像的像素值只有“0”和“1”兩種，非裂隙點的值為“1”，裂隙點的值為“0”。通過統計二值圖像中像素值為“0”的點的個數，除以圖像總的像素點數，即可得到該圖像的裂隙率，作為表征裂隙發育程度（裂隙度）的物理量。裂隙率的表達式為

式中：D為裂隙率；Σ0為像素值為“0”的總點數；Σ1為像素值為“1”的總點數。

以上圖像處理的方法通過在Mat lab中編制程序得以實現。

圖1 裂隙率在M at lab中的實現過程Fig.1 The processing diagram of calculating the crack rate in M at lab

3 試驗方案及方法

在南水北調中線工程新鄉段，開展了膨脹巖邊坡的現場試驗。根據取樣試驗結果，其基本的物理性質如下：天然含水率為21.4%；天然干密度為1.65 g／cm3；粒徑≥0.075 m的砂粒含量為22.3%，0.075～0.005 mm的粉粒含量為41.9%，■0.005 mm的黏粒含量為35.8%；其液限、塑限分別為54.9%和25%。X衍射試驗分析結果表明，土樣的主要黏土礦物成分為蒙／伊混合層（8%）和伊利石（14%），自由膨脹率60.4。根據國標GB112－87膨脹性分類標準，該土樣屬于弱膨脹土。

現場試驗在渠道邊坡位置開挖出一個3 m×3 m的直立剖面，裸露出邊坡垂直臨空面的裂隙作為觀測斷面，如圖2（a，b）所示。在距離觀測斷面1.5 m處，設立一固定支架，作為數碼相機定點攝錄裂隙照片的平臺（如圖2（c）所示）。同時，在觀測斷面右側，沿不同深度，每間隔0.2 m埋設ML2X含水率探頭，每天定時觀測不同深度下土體含水率的變化，如圖3所示。在斷面剛開挖后，有數條裂隙已經完全貫通整個斷面，選取其中的3條裂隙作為主裂隙，選取局部貫穿的2條裂隙作為次裂隙，對這5條裂隙分別編號，量測其長度，并沿裂隙開展方向測量不同位置的裂隙寬度。5條裂隙的形態如圖4所示。

圖2 觀測平面Fig.2 Observation ichnography

圖3 含水量探頭布置Fig.3 M oisture probe layout

圖4 裂隙分布Fig.4 Cracks distribution diagram

對于裂隙平面，每2 d定點定時拍照，記錄裂隙圖像，從2008年11月23日至2009年4月1日，直至3月份雨季到來，觀測斷面被雨水沖垮，觀測終止，共計130 d，經歷2次干濕循環。

4 試驗成果及討論

4.1 裂隙寬度的變化

1＃主裂隙位于坡面表層，產狀為鉛直向；4＃主裂隙位于坡面表層，產狀為順坡向；3＃主裂隙位于坡面深層，產狀為逆坡向。

2＃，5＃次裂隙均為1＃主裂隙的分支。

采用直尺定點測量裂隙的寬度，其中1＃，3＃，4＃主裂隙的初始寬度分別為10，7.7，10 mm；2＃，5＃次裂隙初始寬度分別為7，3 mm。主裂隙和次裂隙的寬度變化曲線分別見圖5和圖6，相應的含水率的變化如圖7所示。

圖5 觀測平面主裂隙寬度變化曲線Fig.5 M ain-cracksw idth change curve in observation plane（unit in mm）

圖6 觀測平面次裂隙寬度變化曲線Fig.6 Sub-cracksw idth change curve in observation p lane（unit in mm）

圖7 觀測平面含水率變化曲線Fig.7 Soilwater content change curve in observation p lane

4.1.1 主裂隙寬度變化

由圖5至圖7可以看出，裂隙寬度的變化實際上是隨著降雨-蒸發的循環而呈現收縮與張開的反復循環的過程。第一次降雨前，1＃裂隙的寬度由10 mm增大到14.3 mm，降雨后裂隙寬度減小到14 mm，并最終達到8.7 mm；第二次降雨后，1＃裂隙的寬度由8.7 mm增大到15.6 mm，3＃，4＃裂隙也有類似現象。由此可見，持續干燥的天氣會導致裂隙張開，寬度增大；降雨會導致裂隙寬度減小甚至閉合。對于貫穿整個裂隙面的主裂隙而言，裂隙寬度的變化相對平緩，3＃裂隙寬度甚至一度減少，這主要是由于3＃裂隙的產狀為逆坡向，降雨發生后，土體強度降低，后方土體主動位移影響使得裂隙閉合，寬度變小。1＃主裂隙產狀為順坡面，裂隙寬度的變化只受干濕循環的影響，降雨發生時，裂隙寬度變小，持續干旱，裂隙寬度持續增加。而4＃裂隙雖然與1＃裂隙一樣為順坡向裂隙，但由于其位于渠道坡面表層，降雨過后雨水下滲，導致裂隙閉合，裂隙寬度變小，其影響要大于應力的影響，故而也一度呈現寬度下降的趨勢。在本次試驗當中，經過2次的干濕循環，1＃主裂隙寬度最大達到15.6 mm。3月份的雨季到來之后導致雨水大量入滲，隨即裂隙被土充填、愈合，觀測終止，如圖8所示。

圖8 觀測終止時的裂隙平面Fig.8 Crack observation plane graph as the observation finished

4.1.2 次裂隙寬度變化

次裂隙受干濕循環影響導致的寬度變化更為明顯（圖6）。第一次降雨前后，2＃裂隙的寬度由7 mm增大到11mm，隨后裂隙寬度減小到10mm；5＃裂隙的寬度由3 mm增大到5 mm，隨后減小到4 mm。第二次降雨前后，2＃裂隙的寬度由11 mm增大到14 mm，5＃裂隙的寬度由4 mm增大到7 mm，隨后由于大雨導致裂隙被充填，裂隙閉合。次裂隙沒有貫穿整個豎向的觀測斷面，其寬度變化反映的是局部土體受外界因素影響下的土體狀態的變化，其變化的狀態與土體含水量變化基本一致。這表明，干濕循環是控制土體裂隙的最重要的因素。在本次試驗中，由于次裂隙的持續開展，最大裂隙寬度也達到14 mm，多條次裂隙的開展導致次裂隙周圍的土體發生脫落或崩解，進一步提供更多的雨水入滲通道，3月份雨季到來之后，裂隙被土充填、愈合，觀測終止。

4.2 觀測斷面裂隙的定量化描述

根據上述有關裂隙率的定義，將觀測斷面裂隙率與時間的關系描述如圖9。由圖7、圖9可以看出，裂隙率的變化趨勢與含水量變化基本是一致的，含水量的持續降低（2008年11月至2009年1月）會導致土體裂隙持續開展和發育，裂隙率不斷增加。同時，裂隙在初期發展較明顯，后期有所減緩（2009年1月至2月）。干濕循環會導致裂隙率呈現階梯性的增加，第一次干濕循環，裂隙率峰值增加到0.08，其峰值是起初始值的2倍；第二次干濕循環（2009年2月至4月），裂隙率在此基礎上持續增加，其峰值達到其初始值的3倍。直至3月份雨季到來之后，裂隙被填充，裂隙閉合，試驗終止。

圖9 裂隙率隨時間變化曲線Fig.9 Duration curve of crack rate

由上述分析，本文提出的利用Mat lab數字圖像處理方法得到的裂隙率的變化很好地描述了裂隙的發展變化情況，一次干濕循環導致裂隙率增加，在對裂隙的觀測上表現為裂隙條數的增多和裂隙寬度的增大，反復干濕循環導致裂隙率持續緩慢增加，裂隙的寬度持續增大。裂隙率實際上反映的是裂隙分割土體強度的一個有效指標，裂隙率越大，土體被裂隙分割的強度越高。裂隙率對于描述裂隙的發展程度是十分有效的，合理地解釋了裂隙隨著氣候變化（干濕循環）而發育和發展。觀測終止時的裂隙面，如圖8所示，土體破碎十分劇烈，已經呈現類沙土似的淺層滑坡。

5 結論及建議

（1）膨脹巖（土）裂隙的發育程度可以用裂隙度較好地描述，裂隙度可以通過將彩色圖像灰度化和二值化計算得到。

（2）膨脹巖（土）裂隙的發育與天氣變化密切相關，隨著干濕循環的發展，裂隙的寬度和裂隙度逐漸增加，加劇了雨水入滲和蒸發的程度，進一步促進裂隙的發育和膨脹巖（土）結構破壞。

（3）利用Matlab數字圖像處理方法得到的裂隙率可以很好地描述裂隙的發育和發展情況，裂隙度增加，裂隙分隔土體的程度增加，土體完整性降低，粘聚力減小，土體強度降低，邊坡滑坡呈現類沙土的淺層滑坡。

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（編輯：王 慰）

Field Observation and Description M ethod of Cracks Development on Expansive Rock

WANG Jun1，GONG Bi-wei2，ZHANG Jia-jun1，ZHOU Xiao-wen1，TAN Feng-yi2
（1.State Key Laboratory of Subtropical Building Science，South China University of Technology，Guangzhou 510640，China；2.Key Laboratory of Geotechnical Mechanics＆Engineering of MWR，Yangtze River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China）

On the basis of numerical processing technology of image grayscale and binarization，the concepts of crack rate and calculation method on expansive rock are presented.The dry-wet cycle testswere carried out in situ at Luwangfen test section of South-to-North Water Transfer Project Central Route，the tests focused on the observations of development changes in cracks and soilmoisture changes.According to the results in the tests，the variation law of crack width on expansive rock slope and its relationship with moisture content during the dry-wet cycle testwere quantitatively analyzed，also the variation law of crack ratio was investigated.The development of crack on expansion rock is closely related to changes in theweather，and with the developmentofwet and dry cycles，the width of cracks and crack ratio will gradually increase.By using the Mat lab digital image processingmethod，the crack ratio can be used to effectively describe the growth and development of cracks on expansive rock.

expansive rock（soil）；South-to-North Water Transfer Project Central Route；Mat lab；crack ratio

TU455

A

1001－5485（2010）09－0074－05

2009-11-24

水利部巖土重點實驗室開放基金項目（G07－02；G07－15）

王 軍（1983-），男，湖北荊州人，碩士研究生，主要從事特殊土方面的研究，（電話）13476807917（電子信箱）wangjun_ust＠qq.com。