红层水岩作用特征及库岸失稳过程分析
柴 波1，殷坤龙2，简文星2，代云霞2
(1. 中国地质大学 环境学院，湖北 武汉，430074；
2. 中国地质大学 工程学院，湖北 武汉，430074)
摘 要：
摘 要：为了研究三峡库区红层岩土体水岩作用特征，分析库岸失稳的过程，通过统计获得三峡库区红层滑坡的分布规律，并通过X射线衍射对矿物进行分析，结合崩解试验观察和滑带土微观结构扫描，分析红层岩石遇水崩解、软化(泥化)和膨胀的水岩作用特性。以三峡库区典型库岸为例，分析红层水岩作用引起库岸失稳的过程。研究结果表明：富含亲水膨胀性矿物是红层岩土体具有特殊水岩作用特征的关键，红层岩石崩解首先沿缺陷发生，在干湿循环过程中不仅存在失水收缩的拉破坏，还存在吸水膨胀微裂隙尖端压应力集中引起的压剪破坏；红层滑带土在遇水膨胀前、后其矿物自身无明显变化，但矿物间连接结构被破坏，孔隙数量和孔径均有所增加，致使滑带土强度极低；巴东城区北侧库岸太矶头—旧县坪段巴东组第2段(T2b2)崩滑堆积体是互层状红层岩体差异崩解所致；红层膨胀性滑带土的抗剪强度极低，以及后缘水压力的推动作用使万州区近水平地层古滑坡群形成，古滑坡前缘堆积体具有多期活动的特点。
关键词：
中图分类号：TU443 文献标识码：A 文章编号：1672-7207(2009)04-1092-07
Analysis of water-rock interaction characteristics and bank slope failure process of red-bed
CHAI Bo1, YIN Kun-long2, JIAN Wen-xing2, DAI Yun-xia2
(1. School of Environmental Studies, China University of Geosciences, Wuhan 430074, China;
2. Engineering Faculty, China University of Geosciences, Wuhan 430074, China)
Abstract: In order to study the water-rock interaction characteristics of red-bed rock in the Three Gorges reservoir and analyze failure process of bank slope, the distribution law of red-bed slope was obtained by statistics. According to the mineral analysis by X-ray diffraction, based on the laboratory test and scanning of microstructure, the water-rock interaction characteristics of red-bed rock was analyzed. Taking the typical bank slope in the Three Gorges reservoir as an example, the failure process of bank slope caused by water-rock interaction of red-bed rock was analyzed. The results show that hydrophilic expansibility minerals in the red-bed rock is the key of special form of water-rock interaction; the disintegration occurs along with the limitation in the rock, and in the dry-wet cycle process, not only the tension failure occurs caused by water losing shrinking, but the compression and shear failure occur, which are caused by the concentration of compressive stress in the tip of water swelling micro-fissure. The mineral in the expansibility sliding soil has no obvious change after meeting water, but the combining structure between mineral are broken. The quantity of pore and their size increase, which decreases the strength of sliding soil. It is considered that the riverside slumping mass of the second segment in Badong group in the north side from Taijitou to Jiuxianping in Badong is related with different disintegratives. The low shear strength of expansibility slide soil in red-bed and pushing effect of water pressure in the back edge results in the formation of near horizontal strata slope in Wanzhou area, whose slumping mass in the front has polyphase activities.
Key words: red-bed; water-rock interaction; failure of bank slope; landslide
三峡库区内广泛分布红层滑坡，约占滑坡总数的69%，因此，对红层滑坡成因和特征进行研究具有重要意义。红层岩土体性质具有特殊的水岩作用形式，遇水易崩解、软化和膨胀，其作用形式与岩土体的矿物组成和结构密切相关[1-10]。目前，人们对于红层滑坡的形成机制研究集中在滑坡组成物质的性质及演化环境的分析2个方面[11-14]。红层岩土体遇水性质发生变化是内部结构转变的结果，有待于通过水岩作用过程的细微结构观察，进一步分析红层库岸失稳的过程。为此，本文作者在红层岩土体矿物分析的基础上，结合试验观察和微观结构扫描，揭示红层水岩作用特征，并且以典型红层岸坡失稳为例，分析水岩作用致使岸坡失稳的过程。
1 库区红层滑坡概况
三峡库区广泛分布紫红、棕红、褐红色的陆相碎屑岩，统称为“红层”，主要分布在三叠系中统、侏罗系中上统及白垩系地层中。库区内滑坡地质灾害广泛发育于红层库岸，具有密集、成群分布的特点，如：万州区的近水平滑坡群、巴东城区北岸太矶头—旧县坪段崩滑堆积体。对三峡库区三期治理、监测的崩滑灾害点进行不完全统计(图1)，所统计的423个样本中红层滑坡有294个，占总数的69.5%，以三叠系中统巴东组第2段(T2b2)和侏罗系中统上沙溪庙组(J2s)数量最多，分别占统计红层滑坡总数的18.0%和48.6%，前者分布在秭归、巴东、奉节、巫山等地，后者分布在秭归、奉节、云阳、万州等地。
图1 滑坡基岩类型饼状图
Fig.1 Cake shape of landslide bedrock types
2 红层岩土体水岩作用特征
红层岩土体的矿物成分和结构特征决定了其具有特殊的水理性质，遇水易崩解、软化(泥化)和膨胀。富含亲水性矿物是红层岩石具有特殊水岩作用形式的关键。
红层的崩解性指含亲水性黏土矿物的黏土，在浸水后因水解而导致的黏土颗粒分散、崩解、碎化的过程。岩石崩解具有双重机制，即膨胀机制和盐类溶解机制[3]。谭罗荣认为[1]，软弱岩层的泥化都有一个共同的过程，即失水—吸水—泥化或崩解。宏观结构和细观结构受到破坏的黏土岩，在失水和吸水过程中产生不均匀收缩和膨胀拉应力，当这种拉应力大于岩体的抗拉强度时，黏土发生崩解、泥化，即拉裂型。
图2所示为取自巴东城区西壤坡库岸深层监测孔内深约203 m的巴东组第2段(T2b2)粉砂质泥岩岩芯的X射线衍射矿物分析谱[15]，X射线衍射矿物分析均在中国地质大学测试中心的荷兰X’Pert PRO衍射仪 DY2198上完成，岩石富含绿泥石和伊利石，其中，伊利石具有膨胀性。
图2 巴东组二段(T2b2)X射线粉晶衍射谱
Fig.2 X-ray powder crystal diffraction pattern of T2b2
经干湿循环4次后形成的裂纹展布如图3所示。试样初始微裂隙是构造作用所致，其展布如图3(a)所示。崩解试验过程中裂纹沿2个方向扩展(图3(b))：一个方向为初始微裂隙方向，另外一个与呈微裂隙呈共轭的45?~60?方向，与压剪、张拉破坏方向一致。这说明泥岩在吸水膨胀时，在微裂隙两侧尖点形成压应力集中，发生类似裂纹压剪扩张的分支裂纹；而失水收缩时，又在微裂隙两侧尖点形成拉应力集中，裂纹沿图3(b)中①初始裂纹方向遭受拉破坏扩展，图3(b)中②所指方向是吸水膨胀时分支裂纹收缩受拉的扩展方向。裂纹由表及里逐步发展，最终形成贯通的裂纹(图3(c))。上述试验结果表明，红层崩解首先沿岩石中的缺陷发生，在干湿循环时存在膨胀压裂和收缩拉裂2种破坏形式。
(a) 崩解试验样初始微裂隙分布；(b) 崩解过程裂纹扩展；(c) 裂纹相互贯通，试样解体
图3 巴东组第2段(T2b2)粉砂质泥岩崩解试验裂纹发展过程
Fig.3 Crack development process of silty mudstone of T2b2 in disintegration test
红层膨胀性与亲水膨胀性矿物的含量有直接关系，通过X射线衍射分析，万州安乐寺滑坡滑带土矿物含量(质量分数)分别为：蒙脱石85%，伊利石5%，石英5%，长石5%(图4)；蒙脱石遇水易发生膨胀，测得自由膨胀率达87.5%~94.0%，其膨胀率和膨胀力随着垂向荷载的增加而迅速下降。通过电镜扫描膨胀前、后滑带土的微观结构，对电镜扫描照片锐化并追踪边缘获得孔隙和矿物投影边界(图5)，并统计不同放大倍数照片内孔隙及矿物投影面积(表1)。统计结果表明，膨胀后滑带土的孔隙率明显增大，孔隙所占面积为膨胀前的1.4~1.5倍，所占体积为膨胀前的1.7~2.0倍；在膨胀过程中，一方面，孔隙相互连通，单孔隙面积和体积有所增加；另一方面，又有新的孔隙形成，孔隙密度不变或略有提高；膨胀前、后矿物平均投影面积未发生明显变化。图6所示为孔隙面积分布统计结果。可见，膨胀前后孔隙面积均呈现负指数分布，膨胀后孔隙面积均值有所增加。
图4 万州J2s滑带X射线粉晶衍射谱
Fig.4 X-ray powder crystal diffraction pattern of sliding bed in J2s in Wanzhou
图5 万州J2s滑带扫描电镜微观结构
Fig.5 Microstructure of electron microscope scanning of sliding bed in J2s in Wanzhou
表1 滑带土膨胀前、后矿物及孔隙面积比较
Table 1 Comparison of mineral and area of pore in
sliding soil before and after expansibility
1—膨胀前孔隙频率；2—膨胀后孔隙频率；
3—膨胀前孔隙累计频率；4—膨胀后孔隙累计频率
图6 孔隙面积分布
Fig.6 Distributions of pore area
可见，具有膨胀性滑带土在遇水膨胀前、后其矿物自身粒径未发生明显变化，但内部结构发生改变，矿物间连接结构被破坏，孔隙数量和孔径均有所增加。从微观结构看，土体的抗剪强度来源于矿物之间的接触摩擦，由于结构的变化，单位面积内所包含的矿物含量减少，矿物之间的接触面积相对减少，接触摩擦效应降低，加之水的润滑作用，造成膨胀性滑带土具有极低的剪切强度。
上述软化、泥化、崩解和膨胀性均直接或间接地造成岩土体强度下降，诱发库岸斜坡失稳，大部分红层库岸斜坡稳定性与水岩作用紧密相关。
3 典型红层库岸失稳分析
3.1 巴东城区北侧库岸太矶头—旧县坪段
巴东城区北侧库岸太矶头—旧县坪段广泛分布三叠系巴东组第2段(T2b2)的紫红色泥质粉砂岩、钙质灰质泥岩、粉砂质泥岩地层。以互层状结构为主，岩性不均一。从地表宏观调查情况看，区内地层存在差异崩解性。在库水升降变动下，边坡内地下水循环交替强烈，边坡中易崩解岩层首先发生崩解，崩解性相对差的岩层失去支撑，易发生崩落(图7)。
(a) 原始斜坡结构；(b) 不均匀崩解过程及拉裂形成；(c) 崩塌形成
图7 巴东组第2段T2b2斜坡结构类型及破坏过程
Fig.7 Slope structure and failure process of T2b2 in the 2nd section of Badong group
表2所示为巴东组第2段地层岩性分布结果，其中，第2，3和5分段具有明显的差异崩解性。
表2 巴东组二段(T2b2)地层岩性表(据1?20万区域资料修改)
Table 2 Formation lithology of T2b2 in the 2nd section of Badong
图8所示为该段库岸内崩积物和滑坡堆积物分布结果。可以看出，崩积物和滑坡堆积物主要分布在沿江第2和第3分段具差异崩解的地层内，本文作者认为红层岸坡失稳的第1步与岩层的差异崩解性密切有关，主要分布在干、湿循环强烈的沿江地段。
3.2 万州红层近水平滑坡群
重庆市万州区是三峡库区地质灾害最集中的地区之一，沿北岸苎溪河及长江两岸广泛分布近水平大型滑坡，滑坡主要分布在侏罗系中统上沙溪庙组(J2s)地层中，属典型的近水平红层滑坡。万州区分布七大古滑坡，殷坤龙等[11-12]在综合已有研究资料的基础上，系统分析了万州红层近水平滑坡的形成机制，认为滑坡与地下水、软弱夹层密切相关；软弱夹层具有遇水膨胀和软化的特点，为滑坡形成提供了有利条件。本文作者认为万州古滑坡形成与水力活动密切相关，并且古滑坡前缘堆积体具有多期次活动特点。
3.2.1 古滑坡成因分析
万州城区地层以近水平状泥岩、砂岩互层结构为主。图9中七大古滑坡滑面分布高程与长江IV 级阶地的高程一致，说明古滑坡形成时期和IV阶地形成时期一致，且处于全球气候暖期，侵蚀基准面稳定，降雨相对集中。泥岩中亲水膨胀性矿物含量丰富，长期浸泡软化，逐渐蜕变为具有膨胀性和极低强度的软弱夹层。暖期丰富的降雨在岸坡后缘裂缝内形成静水压力，发生平推式的滑动。
3.2.2 堆积体基座平台成因
万州古滑坡前缘松散堆积体基座形态多呈阶梯状，普遍存在2~3级平台，图9所示为堆积体底面平台分布高程。最高平台和古滑坡滑面高程一致，对应古滑坡的滑动阶段。可见，其他平台分布高程分别为170~180，150~160和135~145 m，分布于长江阶地高程范围内。经分析认为，万州红层的互层结构在水位变动带易崩解，形成崩塌堆积物，在崩塌堆积的同时存在河流沉积，形成了与阶地高程对应的混杂松散堆积体基座平台。
1—三叠系上统嘉陵江组；2—三叠系中统巴东组第1段；3—巴东组第2段；4—巴东组第3段；5—第4系滑坡堆积物；6—第4系崩坡积物；7—巴东组第2段分段号；8—官渡口向斜
图8 巴东城区北侧库岸巴东组第2段(T2b2)岩性和崩滑堆积体分布图
Fig.8 Distribution diagram of collapse-slide congeries and lithology of T2b2 at the north bank of Badong county
图9 万州区滑坡分布与河流阶地的关系
Fig.9 Relationship between landslide distribution and river terraces in Wanzhou region
3.2.3 堆积体滑动模式
松散堆积体具有多级滑动模式，这可以从滑坡前缘高程及松散堆积体物质结构得以证明。图5中滑坡前缘高程多分布在现代河床常水位和洪水位之间，说明现代期内松散堆积体还发生过滑动。另外，殷坤龙等[11]分析了万州几个典型堆积体的物质结构特征，发现堆积体中存在多级滑动面，例如安乐寺滑坡堆积体覆盖在河流冲积卵砾石层之上。这些均表明万州古滑坡前缘松散堆积体经历了多期滑动。
4 结 论
a. 三峡库区广泛分布红层滑坡，统计的423个滑坡分布在红层中的有294个，占总数的69.5%，以三叠系中统巴东组第2段(T2b2)和侏罗系中统上沙溪庙组(J2s)数量最多，分别占红层滑坡总数的18.0%和48.6%。
b. 红层岩土体具有特殊的水岩作用形式，遇水易崩解、软化(泥化)和膨胀性与岩石的亲水矿物含量和微裂隙结构有关。巴东城区T2b2粉砂质泥岩中富含绿泥石和伊利石，万州J2s滑带土富含蒙脱石，均具有亲水膨胀性矿物。红层崩解首先沿岩石中的缺陷发生，在干湿循环过程中，不仅存在失水收缩的拉破坏，还存在吸水膨胀的压应力集中引起的压剪破坏。具膨胀性滑带土在遇水膨胀前后其矿物自身未发生明显变化，但内部结构发生改变，矿物间连接结构被打破，孔隙数量和孔径均有所增加，致使滑带土强度极低，孔隙面积呈负指数分布。
c. 巴东城区北侧库岸太矶头—旧县坪段巴东组第2段(T2b2)崩滑堆积体与岩体的差异崩解性密切相关；万州区近水平地层古滑坡形成与河谷间歇性下切所形成的水文环境活动密切相关，古滑坡前缘堆积体具有多期活动的特点。
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收稿日期：2008-10-15；修回日期：2009-01-20
基金项目：国家自然科学基金资助项目(40672187)；湖北省自然科学基金计划青年杰出人才项目(2006ABB030)
通信作者： 柴 波(1981-)，男，内蒙古赤峰人，讲师，从事岩土工程及环境地质研究；电话：027-62274855；E-mail: chai1998@126.com
