鄂西清江偏山滑坡群易滑地層特性*

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(①中國地質(zhì)調(diào)查局武漢地質(zhì)調(diào)查中心　武漢　430223) (②中國地質(zhì)大學(武漢)工程學院　武漢　430074)

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鄂西清江偏山滑坡群易滑地層特性*

常宏①譚建民①嚴紹軍②

(①中國地質(zhì)調(diào)查局武漢地質(zhì)調(diào)查中心武漢430223) (②中國地質(zhì)大學(武漢)工程學院武漢430074)

二疊系大隆組和三疊系大冶組是清江流域碳酸鹽巖區(qū)的易滑地層，清江中游的偏山滑坡群即為典型實例，夾泥的大冶組泥灰?guī)r及大隆組頂部泥巖形成了滑體下部與滑帶。通過現(xiàn)場調(diào)查、取樣和室內(nèi)測試，對兩者的礦物和化學成分、力學性質(zhì)等進行了研究分析。結(jié)果表明：大隆組頂部泥巖含脹縮性明顯的蒙脫石，黏土礦物總含量為40%～75%，泥巖泥化后強度明顯降低且表現(xiàn)出典型蠕變特性，通過流變實驗得到其長期強度指標黏聚力為23kPa，摩擦角18.1°； 大冶組下部泥灰?guī)r含泥量較高，層間黏土礦物主要為伊利石和綠泥石，層面水平，順層錯動導致泥灰?guī)r表面磨蝕及層間黏土礦物定向排列，特別是浸水后結(jié)構(gòu)面強度降低明顯形成易滑面加劇滑坡體的變形； 滑坡演化與清江發(fā)育之間具有相互促進作用，類似地質(zhì)結(jié)構(gòu)和水往復作用地帶岸坡需特別重視。

清江偏山滑坡泥巖蠕變試驗黏土礦物

0　引　言

清江是長江在鄂西山地的最大支流，流域內(nèi)各時代地層出露較全，碳酸鹽巖地層分布占全區(qū)72%以上，分布面積最廣的是三疊系(49.24%)，其次為二疊系(19.91%)。流域內(nèi)2276個滑坡中，發(fā)育于碳酸鹽巖地層中的大型以上滑坡數(shù)量占總數(shù)的45.75%，體積占總數(shù)的43.67%； 含泥巖夾層的三疊系大冶組(T1d)、二疊系大隆組(P2d)是流域內(nèi)較為典型的易滑地層(常宏等， 2014)。本文以偏山滑坡群為例，通過對大隆組頂部泥巖夾層、大冶組泥灰?guī)r及夾層進行礦物學和力學等測試手段獲得基礎(chǔ)數(shù)據(jù)并探討其工程地質(zhì)特性，為碳酸鹽巖區(qū)滑坡防災減災提供基礎(chǔ)依據(jù)。

1　偏山滑坡群及其地質(zhì)環(huán)境

偏山滑坡群位于清江中游隔河巖庫區(qū)左岸，處于資丘鎮(zhèn)西、天池河對岸?；氯后w積近1300×104m3，在地貌上具備三期平臺，形成覃家田滑坡、偏山2號和偏山1號等3個子滑坡 (圖1)，三者滑動帶的形成時代不同，為90.3±0.9～60.8±4.8kaB.P.， 大致相當于河流T4階地形成時期(常宏等， 2011)。

圖1　偏山滑坡群橫剖面簡圖Fig. 1　Cross-sectional map of Pianshan landslides

該岸坡地層巖性組合包括：下部二疊系上統(tǒng)吳家坪組(P2w)深灰色中厚層細晶灰?guī)r，含燧石條帶及團塊，構(gòu)成穩(wěn)定滑床； 中部為二疊系上統(tǒng)大隆組，為黑色薄層含碳質(zhì)泥巖、黑色薄層硅質(zhì)巖夾硅質(zhì)泥巖碳質(zhì)泥巖，大隆組與上覆大冶組呈整合接觸和巖性漸變，與下伏吳家坪組呈間斷沉積的似整合接觸，沉積厚度一般小于10m(牛志軍等， 2000)，構(gòu)成主要滑帶； 上部為三疊系下統(tǒng)大冶組灰色薄中層泥晶灰?guī)r為主，夾中厚層狀砂屑鮞粒灰?guī)r、蠕蟲狀灰?guī)r及鈣質(zhì)泥巖，其下段泥質(zhì)含量較高(武漢地質(zhì)調(diào)查中心， 2010)，構(gòu)成滑坡主體，部分參與形成滑帶。

滑坡群所在岸坡為柿貝箱形背斜核部急轉(zhuǎn)后形成的單斜順向結(jié)構(gòu)，構(gòu)造及卸荷裂隙構(gòu)成滑坡后緣和繼承邊界，泥巖夾層先期經(jīng)構(gòu)造錯動形成階梯狀弱面，受河流切割揭露后產(chǎn)生破壞。

2　大隆組頂部泥巖成分與蠕變試驗

2.1礦物與化學成分

圖2　大隆組取樣位置及典型礦物含量分布Fig. 2　Sampling positions of top Dalong formation and amount distribution of character minerals

本次在滑坡后緣滑壁殘存的大隆組地層中自下而上采集了7個樣品 (圖2)，編號為PS-1～PS-7，其中PS-2～PS-6為泥巖夾層樣品。PS-1為下部硅質(zhì)巖，強度高，形成滑床；

表1　大隆組頂部樣品化學成分測試結(jié)果Table1　Chemical test results of samples of top strata of Dalong formation

樣號SiO2/%Al2O3/%Fe2O3/%MgO/%CaO/%Na2O/%K2O/%TiO2/%P2O5/%MnO/%H2O/%燒失量/%PS-351.7117.367.352.53.080.733.140.581.660.313.0611.22PS-448.218.117.513.233.650.84.670.782.330.0372.1610.08PS-553.7518.425.322.642.662.813.710.851.520.0771.487.86PS-641.7112.513.321.6817.042.672.280.462.280.031.4616.1

PS-2、PS-3為黃褐色泥巖，含水量較高，部分風化成泥； PS-4為泥巖； PS-5為灰質(zhì)泥巖，風化后為黃褐色，新鮮面呈黃灰色，層理發(fā)育； PS-6為灰質(zhì)泥巖，深灰色，強度稍高； PS-7為灰?guī)r，深灰色，層理發(fā)育，完整性較好，形成滑坡主體部分。從上述樣品礦物定量分析測試結(jié)果 (圖2)可以看出，在大隆組頂部泥巖夾層中，黏土礦物類型主要以蒙脫石、伊利石為主，含少量綠泥石和高嶺土。黏土礦物的含量為40%～75%，其中具有良好膨脹性的蒙脫石含量為15%～30%。化學成分測試結(jié)果 (表1)表明，軟弱夾層中SiO2/(Al2O3+Fe2O3)為1.9～2.63，F(xiàn)e2O3含量較高，為3.32%～7.35%，與一般風化土體成分類似。

基巖滑坡直接受巖石的成分控制，而黏土礦物是易滑地層的關(guān)鍵控制因素。大隆組黏土礦物含量較高，且遠高于三峽庫區(qū)易滑地層——巴東組紫紅色泥巖(17.9%(殷躍平等， 2004))。由于黏土礦物的脹縮性及結(jié)構(gòu)上的定向性，在較大的剪切荷載作用下，在水的往返作用下，顆粒間的結(jié)構(gòu)連接力不斷降低，會導致抗剪強度和結(jié)構(gòu)強度的降低而形成滑坡(王洪興等， 2004)。

2.2流變試驗

從已有研究及現(xiàn)場調(diào)查看，滑坡在水庫蓄水后仍處于蠕動變形過程中。因此，對該泥巖夾層進行單剪流變試驗，測試其流變特性(肖樹芳等， 1991)。

為了分析原狀泥巖及破壞后(泥化)泥巖的流變特性，試驗時設(shè)計了兩種垂直固結(jié)方式。第1種采取正常固結(jié)，即樣品壓力加荷至設(shè)計荷載，待固結(jié)穩(wěn)定后開始分階段施加剪切荷載。該試驗過程用于模擬泥巖結(jié)構(gòu)破壞喪失，泥化土體的蠕變特性，基本為滑帶土體的現(xiàn)狀。第2種對樣品進行超固結(jié)至3200kPa，并保持1周時間，以此在一定程度上恢復泥巖夾層初始結(jié)構(gòu)，然后卸荷至設(shè)計垂直向壓力，待變形穩(wěn)定后進行流變試驗，該組樣品稱為預固結(jié)樣。固結(jié)過程可以看出，在400kPa以前，固結(jié)壓力形成的垂直變形非常明顯，而800kPa以后，變形量很少。正常固結(jié)和預固結(jié)下共4級壓力進行蠕變試驗，共計8個樣品，單剪時樣品設(shè)計垂向壓力分別為100kPa、200kPa、300kPa和400kPa。

對比正常固結(jié)樣(滑帶土現(xiàn)狀)和預固結(jié)樣(模擬原狀泥巖樣)的蠕變曲線 (圖3，垂向壓力為200kPa)可以看出，在低剪切應力(小于長期強度)作用下，正常固結(jié)樣品較預固結(jié)樣品每級荷載產(chǎn)生的變形量明顯偏大，當剪切應力大于長期強度，每級荷載產(chǎn)生的變形逐漸降低。預固結(jié)樣品在破壞前產(chǎn)生突然變形，具有一定的脆性破壞的特點。正常固結(jié)樣品在出現(xiàn)加速蠕變后，仍然具有一定強度。預固結(jié)樣品的強度較正常固結(jié)樣品明顯偏高。

圖3　正常固結(jié)與高壓預固結(jié)流變結(jié)果比較Fig. 3　Creep test comparison of normal consolidation and high pressure pre-consolidation

利用不同垂直壓力下蠕變試驗得到長期強度指標——黏聚力和摩擦角，正常固結(jié)樣為23kPa和18.1°，預固結(jié)樣為30kPa和22.4°。雖然預固結(jié)樣品只是部分恢復了泥巖的初始結(jié)構(gòu)，但該組樣品的長期強度較正常固結(jié)樣品仍然高1/4左右 (圖4)。大隆組頂部泥巖的強度不但受礦物成分的控制，還明顯受到巖體結(jié)構(gòu)的控制。

圖4　正常固結(jié)與預固結(jié)試驗長期強度曲線Fig. 4　Long term strength curves difference of normal consolidation and pre-consolidation

從蠕變試驗結(jié)果可以看出，在清江侵蝕下切時，順層面剪切應力不斷增加，變形較低； 持續(xù)下切當荷載超過泥巖夾層長期強度后，順層出現(xiàn)突然破壞，并導致泥巖夾層泥化、泥巖結(jié)構(gòu)喪失； 當泥巖破壞形成滑帶后，強度降低，滑坡逐漸恢復相對平緩地形，并長期處于蠕變破壞狀態(tài)。

3　大冶組泥灰?guī)r成分與結(jié)構(gòu)面性質(zhì)

3.1礦物與化學成分

本次采取的大冶組樣品中，PS-8和PS-12為單層厚度較大、巖性較單一的灰?guī)r，強度較高； PS-9和PS-13為泥灰?guī)r，PS-9泥質(zhì)含量較高； PS-11為富泥與富鈣分帶明顯條帶狀灰?guī)r； PS-10主要為泥巖，鈣質(zhì)膠結(jié)，極易軟化成泥。

從礦物測試結(jié)果 (表2)可以看出，大冶組巖石中方解石含量為67%～97%，而層間泥質(zhì)夾層方解石含量僅有21%(PS-10)，其余主要以綠泥石、伊利石為主的黏土礦物及外源石英為主。

表2　大冶組樣品礦物成分測試結(jié)果Table2　Mineral test results of samples of Daye formation

樣號綠泥石/%伊利石/%石英/%方解石/%PS-822591PS-91051570PS-1025302421PS-111051867PS-1200397PS-13551575

表3　大冶組樣品化學成分測試結(jié)果Table3　Chemical test results of samples of Daye formation

樣號SiO2/%Al2O3/%Fe2O3/%MgO/%CaO/%Na2O/%K2O/%TiO2/%P2O5/%MnO/%H2O/%燒失/%PS-1040.213.54.22.617.10.182.90.710.30.0240.8618.5PS-1119.35.62.91.537.30.451.00.250.20.0320.0831.4PS-122.42.20.46.045.70.100.30.050.10.0100.7741.6PS-1330.48.73.22.227.70.621.70.440.20.0340.2624.6

從化學分析結(jié)果 (表3)也可以看出，大冶組地層碳酸鹽巖主要以方解石為主，白云石含量低，CaO/MgO之比為6.6～24.9； 外源的SiO2、Al2O3含量變化較大，在沉積速度較快、以內(nèi)源化學沉積為主的灰?guī)rSiO2、Al2O3含量在5%以下，而層間緩慢沉積的泥巖夾層，其硅鋁含量可以達到53.7%，構(gòu)成了巖石的主體。因此，大冶組這種內(nèi)源化學沉積和外源堆積沉積交替發(fā)育特點是導致巖體整體強度偏低、極易順層滑移的主要原因。

3.2微觀結(jié)構(gòu)與滑移構(gòu)造

采用電鏡掃描對大冶組樣品微觀結(jié)構(gòu)進行了觀察。觀察面主要為層面表面和垂直于層面的截面。結(jié)果可以看出： ①在過水層面表面溶蝕比較嚴重，碳酸鹽流失導致結(jié)構(gòu)架空，黏土相對含量增加，有利于造成巖石的破壞變形 (圖5)； ②大冶組巖石晶體細小，雖然XRD及化學成分判定的黏土礦物含量不是很高，但卻在層面表面富集，這一分布特征有助于巖體順層滑動； ③順層滑動在層面表面留下微觀的階步，黏土礦物定向排列也比較明顯； ④另外在巖石內(nèi)部造成剪切變形，方解石顆粒出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)變形，形成“σ”構(gòu)造形態(tài) (圖6)。

圖5　樣品PS-8層面及垂直于層面斷面SEM圖Fig. 5　SEM images for the bedding surface and cross the surface of sample PS-8層面礦物略呈定向排列(左圖箭頭方向)，表面出現(xiàn)比較明顯的溶蝕現(xiàn)象。右圖為垂直于層面的斷面，礦物結(jié)構(gòu)致密，孔隙率低，顆粒大小約為0.02mm

圖6　樣品PS-9層面及垂直于層面斷面SEM圖Fig. 6　SEM images for the bedding surface and cross the surface of sample PS-9左圖為層面，層面光滑，局部有輕微溶蝕現(xiàn)象，階步輕微發(fā)育，方向為箭頭方向。在垂直層面斷面上(右圖)，在黏土礦物集中分布區(qū)，形成微觀錯動帶，方向為箭頭方向，個別方解石有拖尾現(xiàn)象

表4　層面分形計算結(jié)果Table4　Calculation results of fractal parameters of bedding surface

樣號側(cè)線斜率K相關(guān)性分維值Df平均值PS-10T-1-0.0013840.9481.0013841.001248T-2-0.0008560.9561.000856T-3-0.0015050.9681.001505PS-11T-4-0.0008890.9671.0008891.001121T-5-0.0013680.9871.001368T-6-0.0011060.9661.001106

3.3層面形態(tài)及強度研究

根據(jù)B B Mandelbrot提出的分形理論(Barton， 1977)，對大冶組典型層面表面繪制表面形態(tài)曲線，計算得到PS-10與PS-11樣品表面的分維值 (表4)，大冶組層面JRC值為2.1568和1.8588，大致為2.0左右，屬于Barton分類體系中最為光滑的一類結(jié)構(gòu)面及二類結(jié)構(gòu)面。這類結(jié)構(gòu)面主要受自身摩擦角控制，而大冶組層面富泥，因此強度較Barr公式結(jié)果更為偏低。

3.4順層剪切強度試驗

對大冶組層面進行了風干樣和飽水樣的順層剪切試驗 (圖7、圖8)。結(jié)構(gòu)面剪切強度試驗結(jié)果可以看出，大冶組泥灰?guī)r對水非常敏感，風干樣摩擦角略大于26°，而飽水樣為22°左右，強度降低非常明顯。導致這一現(xiàn)象的主要因素為層面富泥，黏土礦物對水體非常敏感，吸水起到潤滑作用。

圖7　PS-10樣層面抗剪切測試結(jié)果Fig. 7　Shear test curves of bedding surface of PS-10

圖8　PS-11樣結(jié)構(gòu)面抗剪切測試結(jié)果Fig. 8　Shear test curves of bedding surface of PS-11

清江侵蝕下切后，高出江面的巖體形成卸荷作用，由于大冶組自身強度較低，卸荷作用導致巖體順層錯動，并形成垂直向的拉張裂隙，進而導致水體入滲而巖體長期飽水使強度進一步衰減。但較之于大隆組泥巖夾層而言，其強度相對要高，特別是泥巖分布受限于層面結(jié)構(gòu)，可能在大冶組層面內(nèi)部形成局部弱的自鎖段。

4　結(jié)　論

偏山滑坡群的形成受大隆組泥巖及大冶組泥灰?guī)r(夾層)控制非常明顯，兩者也是清江流域碳酸鹽巖區(qū)的主要易滑地層。大隆組頂部泥巖為二疊系頂部標志層，該層黏土礦物類型主要以蒙脫石、伊利石為主，含少量綠泥石和高嶺土，含量為40%～75%。大冶組下部的泥巖夾層與大隆組頂部泥巖黏土礦物成分有顯著差異，蒙脫石的含量極低，主要為膨脹性較低的伊利石、綠泥石為主。大隆組泥巖往往構(gòu)成滑帶，其強度較低且具有顯著的蠕變特征，其泥化后強度降低明顯，長期強度指標黏聚力為23kPa、摩擦角為18.1°。大冶組層面夾泥，具順層剪切跡象，構(gòu)成了滑體破壞的主要軟弱結(jié)構(gòu)面； 層面JRC值大致在2.0左右，結(jié)構(gòu)面起伏小，面光滑； 層面剪切強度較低，且對水非常敏感，飽水后摩擦角數(shù)值降低顯著。

偏山滑坡群的形成過程應是：褶皺層間剪切-清江下切卸荷-大冶組巖體(滑體)錯動破碎撕裂-江水揭露大隆組-大隆組泥巖(滑帶)軟化泥化-大冶組巖體因重力作用次第下滑，滑坡規(guī)模大且延續(xù)時間長形成堵江，因此也影響了清江河道演化的方向。從滑坡預測和防治角度，應特別重視碳酸鹽巖區(qū)類似偏山滑坡群的地質(zhì)結(jié)構(gòu)，及具有降雨和地表水入滲蒸發(fā)、地下水升降、枯洪(水庫)水位變動等反復作用的岸坡地段。

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FEATURES OF SLIPPERY STRATA FOR PIANSHAN LANDSLIDES IN QINGJIANG RIVER CATCHMENT OF WESTERN HUBEI PROVINCE

CHANG Hong①TAN Jianmin①YAN Shaojun②

(①WuhanCenterofChinaGeologicalSurvey，Wuhan430223) (②EngineeringFaculty，ChinaUniversityofGeoscience，Wuhan430074)

The Dalong formation of Permain and the Daye formation of Triassic are the main slippery strata in Qingjiang River catchment of western Hubei province. Pianshan landslide is a typical example. Its lower part is composed of thin-bed limestone of Daye formation. Its slide belt is formed with mudstone or shale of the top of Dalong formation. Depending on field investigation， sampling and mechanical tests in laboratory， following results on the mineral and chemical compositions and mechanical properties are obtained for the two formation materials. The main clay mineral in the mudstone is montmorillonite with good swelling and shrinkage character. The content of clay minerals is 40%～75%.The strength of the mudstone decreases obviously after argillization， companying with typical creep deformation. For long term strength properties， the cohesion is 23kPa and the internal friction angle is 18.1°，which are achieved with rheological tests. The amount of clay minerals in the thin bed limestone is high. The main components are illite and chlorite and the bedding surfaces are very smooth. The surfaces are abraded and the clay is oriented between the layers due to the bedding slipping deformation. The strength of interlayers decreases obviously and forms the slide surface inside the landslide body when the layers are saturated. There are good mutual effect and acceleration between the landslide evolution and Qingjiang River development. The similar geological structure and water reciprocating strip should be taken seriously．

Qingjiang， Pianshan landslide， Mudstone， Creep test， Clay mineral

10.13544/j.cnki.jeg.2016.01.004

2014-10-14;

2015-09-28.

中國地質(zhì)調(diào)查“清江流域地質(zhì)災害詳細調(diào)查成果集成項目(編號： 1212011140009)”資助.

常宏(1975-)，男，教授級高級工程師，從事水工環(huán)地質(zhì)調(diào)查研究. Email: chhxtx@126.com

P642.22

A