蘭州及周邊地區(qū)灌溉對于黃土滑坡微結(jié)構(gòu)的變化研究

王　健，侯小強，李小強，姚正學(xué)

（1.國網(wǎng)蘭州供電公司，甘肅 蘭州 730030；2.甘肅建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅 蘭州 730050；3.甘肅省科學(xué)院地質(zhì)自然災(zāi)害防治研究所，甘肅　蘭州 730000）

蘭州及周邊地區(qū)灌溉對于黃土滑坡微結(jié)構(gòu)的變化研究

王健1，侯小強2，李小強1，姚正學(xué)3

（1.國網(wǎng)蘭州供電公司，甘肅 蘭州 730030；2.甘肅建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅 蘭州 730050；3.甘肅省科學(xué)院地質(zhì)自然災(zāi)害防治研究所，甘肅蘭州 730000）

選取具有代表性的焦家灣和九州石峽口兩處滑坡，分別對兩處滑坡坡腳和坡頂黃土進(jìn)行了粒度試驗、SEM圖像電鏡掃描、化學(xué)特征分析等實驗，分析認(rèn)為灌溉時水分子自上而下滲流過程中，黃土層中微小顆粒、可溶物也隨之下遷，形成坡頂至坡腳黃土顆粒粒度、結(jié)構(gòu)特征、可溶物含量截然不同的特征。

黃土；滑坡；微結(jié)構(gòu)

0　引言

近年來，蘭州及周邊地區(qū)滑坡越來越多，直接影響人們的生命財產(chǎn)及安全。國內(nèi)學(xué)者對黃土滑坡的研究，主要是依據(jù)蘭州及周邊地區(qū)黃土滑坡發(fā)生的地點和季節(jié)，認(rèn)為臺塬地帶集中灌溉或突發(fā)降雨等因素誘發(fā)的黃土滑坡，以滑坡滑體的巖土體組成、滑體厚度以及剪出口位置為依據(jù)研究滑坡機(jī)理［1-8］，眾多學(xué)者利用三軸、直剪或者環(huán)剪實驗，研究不同荷載、不同含水量同應(yīng)變的剪切特性［9-17］。筆者認(rèn)為每處黃土的形成過程、所處的地形、地貌等自然因素不同，決定了它們力學(xué)性質(zhì)的差異性，其實質(zhì)主要取決于黃土微結(jié)構(gòu)的差異，主要表現(xiàn)在粒度變化、顆粒微觀結(jié)構(gòu)以及遇水軟化的可溶物含量有密切關(guān)系。在諸多學(xué)者研究基礎(chǔ)上，本文選取具有代表性的焦家灣和九州石峽口兩處滑坡，分別對兩處滑坡坡腳和坡頂黃土進(jìn)行了粒度試驗、SEM圖像電鏡掃描、化學(xué)特征分析等實驗，進(jìn)一步驗證其顆粒粒度、黃土顆粒結(jié)構(gòu)特征、可溶物及黃土層位置的關(guān)系。

1　黃土粒度

土體粒度決定了土顆粒本身特征以及土體的結(jié)構(gòu)特征，顆粒大小分布呈非線性，提出研究土體粒度主要是研究不同粒徑含量、平均粒徑、孔隙率、體積表面積和質(zhì)量表面積、粒徑平均距離。這些參數(shù)決定了土顆粒密實性、黏結(jié)性、摩擦性、透水性以及搬運性。本次試驗采用中國科學(xué)院水利部成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所綜合測試與模擬中心購置馬爾文激光粒度儀（APA2000）中的濕法進(jìn)行試驗，對焦家灣和九州石峽口坡頂和坡腳兩處土樣進(jìn)行了顆粒分析。

從圖1～圖4可以看出，土樣的顆粒粒徑最小為0.03 μm，最大為120.48 μm。從顆粒粒徑的分布來看，粒徑主要分布范圍在10～50 μm。其中焦家灣粒度分析來講，0～5.0 μm細(xì)黏土顆粒粒度含量，上部7.761%，下部8.526%，兩者相差不大，5～10 μm粗黏土上部占6.214%，下部占18.18%，10～50 μm細(xì)粉土，包括粉質(zhì)黏土、粉砂、風(fēng)成黃土，焦家灣上部占60.959%，焦家灣下部占64.283%，50～100 μm粗粉土焦家灣上部占20.664%，焦家灣下部占16.241%，100～250 μm細(xì)砂粒上部占4.402%，焦家灣下部占2.995%，從比表面積來看，上部土顆粒較粗，下部土顆粒較細(xì)。其中九州石峽口粒度分析來講，0～5.0 μm細(xì)黏土顆粒粒度含量相差較大，上部含量10.758%，下部含量12.538%，5.0～10.0 μm粗黏土，其中上部占12.633%，下部占12.705%，10.0～50.0 μm細(xì)粉土上部占66.282%，下部占62.919%，50.0～100.0 μm粗粉土上部占9.097%，下部占10.054%，100～250 μm細(xì)砂粒上部占1.23%，下部占1.697%。

圖1　焦家灣上YGXS-1粒度分布

圖2　焦家灣下YGXX-1粒度分布

圖3　九州上JZHS-1粒度分布

圖4　九州下JZHX-1粒度分布

剖面自上而下，焦家灣黏土中細(xì)黏粒粒級（＜5 μm）含量及粗黏土粒級（5～10 μm）含量，增加的趨勢較為明顯，細(xì)粉級（10～50 μm）土粒級含量有相應(yīng)增加的趨勢，粉砂粒級（10～50 μm）及細(xì)砂粒級（100～250 μm）含量有相應(yīng)減小的趨勢；九州石峽口黏土中細(xì)黏粒粒級（＜5 μm）含量及粗黏土粒級（5～10 μm）含量有增加的趨勢，細(xì)粉級（10～50 μm）土粒級有相應(yīng)增加的趨勢，粉砂粒級（50～100 μm）及細(xì)砂粒級（100～250 μm）含量有相應(yīng)減小的趨勢，說明九州黃土主要集中在0～10 μm黏粒呈增加趨勢。

以上粒度級配反映了巖土性質(zhì)與顆粒表面特征相關(guān)性，特別在結(jié)合水或者吸附性方面，主要是礦物質(zhì)顆粒表面分子具有的表面能［11］。粒度越細(xì)，比表面積越大，吸附性越強，結(jié)合水能力越強；粒度越粗，比表面積越小，結(jié)合水和吸附性越弱，但粒度摩擦相應(yīng)增加，孔隙率也相應(yīng)增大。巖土材料的許多性質(zhì)都與顆粒的表面特性相關(guān)，表面積的大小不僅可以反映顆粒的大小和形狀，還可以反映黏土礦物的吸附性能等。由表1可知，焦家灣比表面積上部比下部小，說明上部粒徑比下部粒徑整體要大，自然孔隙率也較大，根據(jù)九州石峽口表面積上部比下部稍小，說明上部粒徑比下部粒徑整體稍大，孔隙率也稍大，但是效果不太明顯。由此說明，焦家灣下部（0～10 μm）黏土顆粒累計26.7%，九州石峽口累計25.24%，焦家灣結(jié)合水和吸附性比九州較強。

表1　馬爾文粒度實驗測試參數(shù)統(tǒng)計

2　顆粒微觀結(jié)構(gòu)特征

土顆粒形態(tài)主要從土體的微觀結(jié)構(gòu)分析顆粒相互咬合狀況。通常分為微膠結(jié)構(gòu)、半膠結(jié)構(gòu)、膠接結(jié)構(gòu)三種。微膠結(jié)構(gòu)主要以骨架顆粒松散堆積，以棱角、面或棱邊相互接觸，顆粒間孔隙發(fā)育，孔隙較大，顆粒表面干凈。半膠結(jié)構(gòu)以松散堆積的骨架顆粒輪廓清楚，以棱角、面或棱邊相互接觸，孔隙較小，顆粒表面微膠結(jié)。膠接結(jié)構(gòu)骨架顆粒輪廊不清楚，微細(xì)膠結(jié)物質(zhì)較多，致密。

圖5（a）所示屬于粉砂層，顆粒結(jié)構(gòu)多為支架大孔結(jié)構(gòu)，塊狀、板狀、片狀顆粒較多，顆粒分選較好，內(nèi)部有集聚物存在，部分顆粒之間存在一定的膠結(jié)，有少量黏土橋，多為鑲嵌接觸及邊-面接觸形式。圖5（b）能見塊狀顆粒，多為立方體狀及不規(guī)則狀，顆粒分選及定向性都較好，內(nèi)部集粒相對較多，部分顆粒之間呈凝-凝塊膠結(jié)，顆粒表面的硅沉淀呈條帶狀，黏粒集聚，顆粒多為穿插鑲嵌接觸及邊-面接觸形式，孔隙較小。圖5（c）所示屬于粉黏砂層，顆粒結(jié)構(gòu)多為支架大孔結(jié)構(gòu)，塊狀、片狀顆粒較多，顆粒分選較好，各種類型的聚粒較多，骨架顆粒松散堆積，以棱角或棱邊相互接觸，孔隙較大，有明顯膠結(jié)現(xiàn)象。圖5（d）所示屬于黏土層，塊狀顆粒較多，無片狀，骨架顆粒緊密堆積，以點面接觸，粒間孔隙較小，骨架顆粒輪廊不清楚，微細(xì)膠結(jié)物質(zhì)較多，鍵嵌微孔微膠結(jié)結(jié)構(gòu)。綜合上述微結(jié)構(gòu)特征描述，說明焦家灣和九州石峽口滑坡長期受到灌溉水的作用，黏性土顆粒較小，比表面積較大，結(jié)合水和水分析吸附性作用下，下滲過程中一起遷移至下層土中，形成了上層黃土微結(jié)構(gòu)多以大孔骨架結(jié)構(gòu)或者松散堆積現(xiàn)象，下層土顆粒骨架顆粒緊密堆積，鑲嵌的微孔隙結(jié)構(gòu)特征，同時表明顆粒粒徑越小，隨水分子下遷的速度越快。

圖5　土體SEM電鏡顯示圖

3　化學(xué)特征變化

焦家灣滑坡地處黑方臺臺塬地帶邊緣，長期受農(nóng)田灌溉影響，九州石峽口地處蘭州市北塔山后側(cè)，長期受到南北兩山綠化灌溉作用。它們的共同特點就是灌溉水下滲在黃土與基巖接觸面上形成軟弱層，該處隨著灌溉水量增加，含水量也隨即增加，在坡腳附近有泉水出露。本次同樣對兩處滑坡坡腳出露泉水和灌溉水取樣進(jìn)行化學(xué)特征分析，結(jié)果見表2。

根據(jù)表2分析可知，M g2+、Ca2+、Na+、K+、H CO3-、Cl-、CO32-、SO42-等離子坡腳含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于坡頂，說明土體中各離子在灌溉水下滲過程中發(fā)生了水解、溶蝕、離子交換等一系列化學(xué)反應(yīng)，Na+、Cl-分別增加好幾百倍，說明具有很強的離子交換吸附和遷移性，Ca2+、H CO3-、SO42-含量次之，遷移性相對較弱，K+、M g2+、CO32-較弱。同時說明，下層黃土中含有的可溶性鈉鹽最多，這說明在較小顆粒下滲過程就是易溶性鹽和可溶性鹽下滲過程。

4　結(jié)語

焦家灣滑坡、九州石峽口滑坡都存著灌溉澆水，因此坡上、坡下取樣試驗分析后，發(fā)現(xiàn)在粒度變化、顆粒形態(tài)結(jié)構(gòu)以及化學(xué)特征方面變化較為顯著。

（1）在粒度分析上，利用先進(jìn)的馬爾文激光粒度儀（APA2000）中的濕法進(jìn)行試驗，發(fā)現(xiàn)坡頂黃土粒徑均大于坡腳處，這說明在灌溉過程中粒徑較小的土顆粒隨著滲水一起遷移，主要集中在0～10 μm黏土顆粒，形成下部土體顆粒平均粒徑小于坡頂。

（2）在土體微結(jié)構(gòu)方面，利用SEM圖像顯示分析，在灌溉過程中粒徑較小黏結(jié)物隨著灌溉水遷移至坡腳，以致大粒徑顆粒表面干凈，僅有少量小顆粒鑲嵌在大粒徑顆?？障吨校纬闪斯羌芏逊e松散結(jié)構(gòu)。由于小顆粒隨著灌溉水下遷，片狀在水軟化作用下分解為較小顆粒依次下遷至下部大顆粒骨架空隙或者附著在骨架顆粒表面，形成了密實堆積結(jié)構(gòu)。

（3）在化學(xué)特征方面，根據(jù)滑坡上下部各種可溶性化學(xué)離子濃度增加，說明在灌溉過程中，細(xì)顆粒土體隨著水分子下遷時也隨機(jī)下遷，且細(xì)顆粒中在水化學(xué)作用下迅速溶解，以液態(tài)或者液塑態(tài)下遷，導(dǎo)致坡體底部易溶性鹽和可溶性鹽增加。根據(jù)粒度分析結(jié)果可知，較小顆粒下滲過程就是易溶性鹽和可溶性鹽下滲過程。

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TU4

A

1009-7716（2016）09-0208-03

2016-05-17

國家電網(wǎng)甘肅電力科技項目（5227011600D9）；甘肅省建科技攻關(guān)項目（JK2016-23）；甘肅省高等學(xué)校科研項目（2013B-124）

王?。?979-），男，甘肅蘭州人，碩士，高級工程師，從事輸電線路安全技術(shù)研究工作。