基于特征礦物的紅層滑坡形成機理分析

蔣宇 趙宇

摘要：礦物成分是巖土體物理化學(xué)性質(zhì)的主控因素，從礦物成分角度能更加深入地理解紅層滑坡形成機理。以四川省五家墳滑坡為例，通過礦物分析、微觀結(jié)構(gòu)表征、強度測試等方法確定滑帶土特征礦物，并從水巖相互作用角度量化分析特征礦物對滑坡形成的影響。結(jié)果表明：滑帶土特征礦物為伊利石，含量高達41.9%，并且碎屑礦物散布于伊利石中，不起骨架作用;五家墳滑坡是在長期水巖相互作用下形成的，鈉長石轉(zhuǎn)化為伊利石，使滑帶中伊利石含量增高，導(dǎo)致滑帶土凝聚力增大而內(nèi)摩擦角下降;礦物顆粒和膠結(jié)物在酸性地下水環(huán)境中發(fā)生溶蝕作用，破壞土體微觀結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致滑帶土強度顯著降低;伊利石與碎屑礦物差異性膨脹使坡內(nèi)土體發(fā)生崩解破壞，產(chǎn)生大量崩解裂隙，增強坡體安全系數(shù)對雨強的敏感性。

關(guān) 鍵 詞：

紅層滑坡; 特征礦物; 水巖相互作用; 形成機理; 伊利石; 鈉長石

中圖法分類號： P694

文獻標(biāo)志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.06.014

0 引 言

紅層具有強度低、遇水易崩解、軟化、膨脹等特殊工程地質(zhì)性質(zhì)，屬于滑坡災(zāi)害易發(fā)高發(fā)地層。據(jù)不完全統(tǒng)計，三峽庫區(qū)二、三期滑坡治理工程中，紅層滑坡崩塌災(zāi)害點占69%[1];喬建平[2]調(diào)查了樂山66處滑坡，發(fā)現(xiàn)93%為紅層滑坡;2011年9月，僅南江縣就發(fā)生了1 162處紅層滑坡[3]。這些滑坡不僅數(shù)量大，還具有群發(fā)性的特點，對人民生命財產(chǎn)和工程建設(shè)有極大威脅，需要高度關(guān)注。

滑坡形成機理是災(zāi)害風(fēng)險評價、工程治理以及監(jiān)測預(yù)警的基礎(chǔ)，苗朝[3]、鐘傳貴[4]、葉尚其[5]等認為降雨滲入滑坡后緣拉裂縫，增加了坡體內(nèi)的靜水壓力是誘發(fā)滑坡的主要因素。張群等[6]認為降雨條件下基巖界面巖土體發(fā)生軟化和潤滑，界面效應(yīng)是滑坡發(fā)生的主要原因。舒中潘等[7]從蠕變角度研究紅層滑坡形成機理，指出長期地下水滲流和上部荷載引起基覆界面的蠕變變形，當(dāng)變形達到一定程度后滑坡發(fā)生。上述研究主要從物理力學(xué)角度對紅層滑坡形成機理進行分析，從礦物成分角度方面研究的相對較少。

礦物成分是巖土體的物理、力學(xué)、化學(xué)性質(zhì)的主控因素之一，從礦物成分角度能夠更加深入地理解滑坡形成的本質(zhì)。趙宇等[8-9]認為滑面上伊利石轉(zhuǎn)化為膨脹性和強度更低的蒙脫石是滑帶土強度降低的原因。簡文星等[10]認為含蒙脫石的軟弱夾層具有中等膨脹性，遇水后導(dǎo)致抗剪強度降低，是滑坡發(fā)生的主要因素之一。Zhang等[11]指出具有親水性的膨脹性礦物是紅層滑坡發(fā)生的關(guān)鍵因素，紅層遇水膨脹后顆粒間的膠結(jié)結(jié)構(gòu)被破壞，孔隙數(shù)量和孔徑均有所增加。上述研究主要從黏土礦物的膨脹性進行分析，在礦物成分與滑坡形成機理的關(guān)系方面分析得并不全面，還有待深入研究。

本文以四川省五家墳滑坡為例，通過X射線衍射儀、掃描電鏡和直剪儀，從礦物成分、微觀結(jié)構(gòu)、力學(xué)參數(shù)3個方面綜合確定了對滑帶土物理力學(xué)性質(zhì)起控制作用的特征礦物。然后，從水-巖（土）相互作用角度，系統(tǒng)性地分析了特征礦物對于紅層滑坡形成的影響。

1 五家墳滑坡概況

1.1 五家墳滑坡基本特征

五家墳滑坡位于四川省成都市高新東區(qū)丹景鄉(xiāng)張家溝村?；卤砻嫫露燃s為25°～35°，縱向長約350 m，橫向平均寬約150 m，主滑方向為145°，滑體厚度10～25 m，后緣錯落坎高11 m，滑動距離約25 m，體積約100萬m3。

基巖為白堊系下統(tǒng)蒼溪組（K1c）細粒長石砂巖夾泥巖，巖層產(chǎn)狀145°∠20°。上覆蓋堆積層為粉質(zhì)黏土?；鏋榛揖G色粉砂巖與磚紅色全風(fēng)化泥巖的交界面，滑面可見明顯擦痕。

1.2 五家墳滑坡降雨特征

降雨是滑坡形成的主要因素之一，90%以上的滑坡均與降雨有關(guān)[12]。成都屬亞熱帶季風(fēng)氣候，年平均降雨量為1 000 mm左右。據(jù)中國天氣網(wǎng)降雨數(shù)據(jù)統(tǒng)計[13]（見圖2），成都2009～2018年間降雨主要集中在5～9月，其中7月降雨最多，降雨量高達304 mm。年氣候總體上呈冬春少雨，夏秋多雨的特征。豐沛的降雨和顯著的季節(jié)性差異，為滑坡中的水-巖（土）相互作用（如水解作用、崩解作用）提供了有利條件。

五家墳滑坡發(fā)生于2019年8月8日，據(jù)調(diào)查，滑坡發(fā)生前曾發(fā)生連續(xù)14 d降雨，并且7月降雨天數(shù)達23 d。這表明滑坡發(fā)生前有大量雨水轉(zhuǎn)化為地下水，一方面大大增加了坡體自重;另一方面對滑帶土產(chǎn)生潤滑作用，致使其強度降低，進而導(dǎo)致了滑坡的啟動。

2 特征礦物分析

特征礦物是指對巖土體的工程地質(zhì)性質(zhì)，如強度，具有特殊意義的礦物。本文在滑坡后緣暴露滑面處采集滑帶土樣品，對滑帶土的礦物組成、微觀結(jié)構(gòu)和強度特征3個方面進行分析，綜合確定對滑帶土起控制性作用的特征礦物。

2.1 滑帶土礦物成分分析

采用X射線衍射儀對滑帶土的礦物組成進行半定量分析。結(jié)果顯示：該滑帶土由兩類礦物組成，一類是碎屑礦物，包含石英（40.4%）、赤鐵礦（6.0%）、方解石（5.7%）、鈉長石（4.5%）;另一類是黏土礦物，包含伊利石（41.9%）、蒙脫石（1.5%）以及微量蛭石（見圖3）。

Mitchell[14]指出如果土體中黏土超過固體物質(zhì)總量的1/3，其他顆粒將被黏土包裹，顆粒之間不直接接觸，此時土體的物理力學(xué)特性由黏土控制。五家墳滑坡滑帶土中黏土礦物含量高達43.4%，且主要為伊利石，據(jù)此推斷伊利石對該土樣的物理力學(xué)性質(zhì)起控制性作用，是該滑帶土的特征礦物。

2.2 滑帶土微觀結(jié)構(gòu)分析

采用掃描電鏡對滑帶土的微觀結(jié)構(gòu)進行表征，從圖4可知，不同礦物顆粒由于形狀和原子系數(shù)不同，呈現(xiàn)出一定的灰度值差異，其中較為明亮的顆粒為碎屑礦物，顏色較深的部分為黏土基質(zhì)，黑色部分為孔隙。碎屑礦物分散鑲嵌于黏土基質(zhì)中，并未起到土體骨架的作用。

滑帶土剪切破壞涉及土顆粒的滑動、旋轉(zhuǎn)和破碎等變形和破壞過程，顆粒間所呈現(xiàn)抵抗變形的阻力即為土體摩擦強度。由于滑帶土中碎屑礦物不承擔(dān)土體骨架作用，摩擦強度主要由黏土基質(zhì)提供?；麦w發(fā)生變形時，黏土基質(zhì)中的微觀孔隙遭受破壞，伊利石等顆粒經(jīng)歷滑動、定向重排列等變形過程，逐漸貫通形成破裂面。因此，主要由伊利石構(gòu)成的黏土基質(zhì)控制著滑帶土的變形性質(zhì)。

2.3 滑帶土強度特征分析

滑坡發(fā)生前有長歷時降雨，因此本文選擇飽和固結(jié)快剪試驗來測定滑帶土的強度參數(shù)，試驗步驟參照GB/T 50123-2019《土工試驗方法標(biāo)準》進行。結(jié)果顯示，凝聚力為36.6 kPa，內(nèi)摩擦角為2.7°，可見凝聚力處于較高水平，而內(nèi)摩擦角處于極低水平。

凝聚力與顆粒-水-電之間的相互作用有關(guān)，涉及靜電引力、范德華力、顆粒間膠結(jié)、接觸點化合價鍵以及表觀凝聚力[15]。伊利石為扁平狀黏土礦物，其表面帶負電，側(cè)緣帶正電，這樣的晶體性質(zhì)使得滑帶土中顆粒-水-電之間的相互作用較強，宏觀表現(xiàn)為凝聚力高。內(nèi)摩擦角主要與顆粒間的滑動摩擦和咬合摩擦有關(guān)[15]。伊利石的粒徑小、比表面積大且吸水性強，這使得黏土基質(zhì)中顆粒間的滑動摩擦阻力和咬合摩擦阻力很低，宏觀表現(xiàn)為內(nèi)摩擦角很低。

綜上所述，從礦物成分特征、微觀結(jié)構(gòu)特征以及強度特征可以確定，該滑帶土樣品的特征礦物為伊利石，對滑帶土物理力學(xué)性質(zhì)起控制性作用。

3 特征礦物對紅層滑坡形成的影響

水-巖（土）相互作用是五家墳滑坡下滑力增大、抗滑力減小的關(guān)鍵因素，它包括化學(xué)作用（水解、溶蝕等）和物理力學(xué)作用（崩解、軟化等）兩方面。滑坡土體中存在穩(wěn)定性較差的鈉長石、溶解性較高的方解石以及膨脹性強的伊利石等礦物，為坡體內(nèi)的水解作用、溶蝕作用和崩解作用等提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。本節(jié)基于上述3種作用展開論述，定量分析了特征礦物對五家墳滑坡形成的影響。

3.1 水解作用

在五家墳滑坡中，鈉長石可以水解轉(zhuǎn)化為伊利石。轉(zhuǎn)化形成的伊利石在地下水的作用下，不斷向滑帶處富集，進而導(dǎo)致滑帶中伊利石含量逐漸增高。許多研究也證明了滑帶相較于坡內(nèi)其他部位，黏土礦物含量更高[16-17]。

伊利石含量與滑帶土強度緊密相關(guān)，本文向滑帶土中分別添加伊利石和石英，改變土體中伊利石的含量，然后測定其飽和固結(jié)快剪強度。結(jié)果顯示（見圖5）：土體凝聚力隨伊利石含量增加而顯著增大，55%含量土樣相較于20%含量土樣，凝聚力增大了6.2倍;而土體內(nèi)摩擦角隨伊利石含量增加而減小，55%含量土樣相較于20%含量土樣，減小了3.6倍。該規(guī)律與靳杭森[18]的研究結(jié)果一致。

為了解伊利石含量和土體強度參數(shù)的定量關(guān)系，采用matlab中內(nèi)置的Exponential函數(shù)對實測強度參數(shù)進行擬合。凝聚力和內(nèi)摩擦角的擬合結(jié)果分別為

c=-11840e0.0776x+11850e0.07759x（1）

φ=-181100e0.01229x+181200e0.0.01229x（2）

相關(guān)系數(shù)分別為0.925和0.975，表明參數(shù)擬合曲線與實測值的相關(guān)度較高。

滑坡在演化過程中需要經(jīng)歷初始變形階段、等速變形階段和加速變形階段，而其中加速變形階段可以細分為加速變形初始階段、加速變形中期階段和加速變形驟增階段[19]。這表明在滑坡發(fā)生前的漫長演化過程中，滑帶已經(jīng)歷一定變形，此時滑帶土已越過峰值強度階段，向殘余強度過渡。該階段中內(nèi)摩擦角對滑帶土變形影響更大，水解作用會引起滑帶土伊利石含量增加，進而導(dǎo)致滑帶土內(nèi)摩擦角降低，加快滑坡從初始變形到滑坡啟動的進程。

3.2 溶蝕作用

成都雨水pH均值為6.32，呈弱酸性[20]，在滲入坡體時還會溶入表層土中的CO2和植物酸，導(dǎo)致pH值進一步降低。在這樣的酸性水環(huán)境中，五家墳滑坡會發(fā)生較強的溶蝕作用。

為了解溶蝕作用對紅層土體強度的影響，將兩組成都龍泉山區(qū)紅層土體分別在自來水（pH=7.5）、HCl溶液（pH=4.0）和NaOH溶液（pH=10.0）中浸泡45 d，然后測定其抗剪強度[21]。結(jié)果顯示：與自來水溶液相比，酸堿溶液中土體溶蝕作用更強，土樣的強度參數(shù)下降更多。浸泡于HCl溶液和NaOH溶液中的1號土樣相較于浸泡于自來水中的土樣，凝聚力分別降低了28.6%和52.4%，內(nèi)摩擦角分別降低了17.0%和6.4%。而2號土樣的凝聚力分別降低了35.5%和19.4%，內(nèi)摩擦角分別降低了7.4%和14.8%（見表1）。

溶蝕作用導(dǎo)致土體強度降低的本質(zhì)原因是礦物顆粒和膠結(jié)物的溶蝕引起土體微觀結(jié)構(gòu)改變，由致密向松散破碎轉(zhuǎn)換。例如：段誠仕等[22]發(fā)現(xiàn)90 d的溶蝕作用使土顆粒平均粒徑由1.97 μm降低至1.32 μm，而平均孔徑由1.47 μm增大至2.31 μm。顆粒形狀在溶蝕作用下也會發(fā)生改變，由鋸齒狀或不規(guī)則狀向圓滑狀轉(zhuǎn)化，引起巖土體的內(nèi)摩擦角減小，導(dǎo)致其力學(xué)強度降低[23]。此外，節(jié)理裂隙區(qū)的溶蝕作用還將促進裂紋的擴展和貫通，有利于滑動面的形成。

3.3 崩解作用

伊利石是典型膨脹型礦物，而碎屑礦物的膨脹性較低甚至不膨脹。這樣的膨脹差異性將使土體具有較強的崩解性。研究區(qū)具有充足的雨水且冬春少雨，夏秋多雨，這意味這五家墳滑坡在形成過程中，坡內(nèi)土體經(jīng)歷了長期的吸水-失水循環(huán)過程，發(fā)生了強烈的崩解破壞。

為了解五家墳滑坡土體的崩解特征，將風(fēng)干后的滑坡側(cè)緣土樣置于燒杯中，用自來水浸沒，觀察其崩解過程（見圖6）。結(jié)果顯示：土樣初遇水時，大量粉末從塊體中崩射而出，并且有大量氣泡持續(xù)冒出;隨著崩解作用的進行，土塊邊緣有少量小塊崩落，頂面發(fā)育大量崩解裂縫，同時土體沿層理方向發(fā)生解離。

基于上述觀察，可以確定五家墳滑坡土體崩解特征為：① 粉末狀顆粒崩射;② 崩解物鱗片狀剝落;③ 層狀解離。水快速進入土體孔隙中，會使孔隙氣壓縮，當(dāng)孔隙氣壓力超過粉末顆粒間的吸引力時，便會將土顆粒推出土體，同時逸散出大量氣泡[24]。在吸水過程中，黏土礦物顆粒（如伊利石）與碎屑礦物顆粒（如石英）不均勻地膨脹，進而產(chǎn)生不均勻應(yīng)力，弱化顆粒間的連接，進而使土塊發(fā)生剝落和層狀解離[11，25]。

豐沛的降雨和顯著的季節(jié)性差異為崩解作用的發(fā)生提供了環(huán)境條件，而較高含量的伊利石又為崩解作用提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。強烈的崩解作用會使滑坡體內(nèi)發(fā)育大量的崩解裂隙，這將為地下水滲入提供滲流通道、改善滲流路徑，促進水-巖（土）相互作用的進行。崩解裂隙的存在還會增強坡體安全系數(shù)對雨強的敏感性，裂隙越大、越深，在降雨條件下坡體安全系數(shù)下降越快[26]。

水解作用、溶蝕作用和崩解作用在五家墳滑坡形成過程中發(fā)揮著重要作用。除此之外，其他水-巖（土）相互作用類型對滑坡演化和啟動中也具有重大影響，例如滑坡啟動前大量雨水轉(zhuǎn)化為地下水，導(dǎo)致地下水位快速升高，一方面顯著增加了坡體的自重;另一方面在坡體內(nèi)產(chǎn)生較高的靜水壓力，促進滑坡的發(fā)生。總而言之，五家墳滑坡是在長期水-巖（土）相互作用下形成的。

4 結(jié) 論

（1） 五家墳滑坡滑帶土中礦物成分由碎屑礦物（石英、赤鐵礦、方解石、鈉長石）和黏土礦物（伊利石、蒙脫石、蛭石）組成，其中伊利石含量高達41.9%，為該滑帶土的特征礦物。

（2） 滑帶土的微觀結(jié)構(gòu)中，碎屑礦物分散鑲嵌于黏土基質(zhì)中，并未起土體骨架作用，土體破壞發(fā)生在黏土基質(zhì)中。

（3） 鈉長石水解轉(zhuǎn)化為伊利石，并在地下水作用下向滑帶處富集，使得滑帶土中伊利石含量不斷增加。伊利石含量與土體內(nèi)摩擦角呈負相關(guān)，加快滑坡從初始變形到滑坡啟動的進程。

（4） 礦物顆粒和膠結(jié)物在弱酸性的水環(huán)境中會發(fā)生強烈的溶蝕作用，土顆粒粒徑減小而土體孔隙增大，微觀結(jié)構(gòu)由致密向松散破碎轉(zhuǎn)換，致使滑帶土強度顯著降低。

（5） 較多的伊利石和豐沛的降雨補給使五家墳滑坡發(fā)生較強的崩解作用，其崩解特征為粉末狀顆粒崩射、崩解物鱗片狀剝落和層狀解離。崩解作用使滑坡體內(nèi)發(fā)育大量的崩解裂隙，這既會為地下水提供滲流通道，又會增強坡體安全系數(shù)對雨強的敏感性。

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（編輯：劉 媛）

Analysis on formation mechanism of red-stratum landslide based on characteristic mineral

JIANG Yu1，2，ZHAO Yu1

（1.Institute of Mountain Hazards and Environment，Chinese Academy of Science，Chengdu 610041，China; 2.University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China）

Abstract：

The mineral composition is the main controlling factor for the physical and chemical properties of rock and soil mass，which is helpful to further understand the formation mechanism of red-stratum landslide.Taking the Wujiafen landslide in Sichuan Province as an example，the characteristic minerals of slip zone soil are determined by mineral analysis，micro-structure characterization and strength test.And the influence of characteristic minerals on the formation of the landslide is analyzed quantitatively from the perspective of water-rock interaction.The results show that illite is the characteristic mineral of slip zone soil with content up to 41.9%.Clastic minerals are scattered in illite，not playing a skeleton role.The Wujiafen landslide is formed under the long-term water-rock interaction.The transformation of albite into illite increases the content of illite in the slip zone，which leads to the increase of cohesion and the decrease of the internal friction angle of the slip zone soil.Mineral particles and cementation dissolve in the acid underground water environment，destroying the soil micro-structure and reducing the strength of the sliding zone soil.The differential expansion of illite and clastic minerals causes the disintegration and failure of the soil in the slope and develops a large number of disintegrated fissures，which enhances the sensitivity of slope safety coefficient to rainfall intensity.

Key words：

red-stratum landslide;characteristic minerals;water-rock interaction;formation mechanism;illite;albite