酸雨對重慶武隆雞尾山滑坡滑帶頁巖物理力學(xué)性質(zhì)的影響

王正波，張 明，陳建軍，張晨陽

(中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)工程學(xué)院，湖北 武漢 430074)

酸雨對重慶武隆雞尾山滑坡滑帶頁巖物理力學(xué)性質(zhì)的影響

王正波，張 明，陳建軍，張晨陽

(中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)工程學(xué)院，湖北 武漢 430074)

為了研究酸雨對重慶武隆雞尾山滑坡滑帶頁巖物理力學(xué)性質(zhì)的影響，在雞尾山滑坡滑源區(qū)滑面向下游延伸處取樣，制成粉末和塊體試樣，在實驗室內(nèi)使用pH為3的稀鹽酸溶液浸泡，測試其物質(zhì)成分的變化。結(jié)果顯示：頁巖與稀鹽酸溶液作用的過程中有較為明顯的鈣質(zhì)出溶現(xiàn)象，這一反應(yīng)在粉末中發(fā)生的速率更快。測試從雞尾山滑坡坡腳流出的泉水的離子成分，結(jié)果顯示相對于酸雨，泉水中鈣離子濃度顯著增高，進(jìn)一步證實滑帶在酸雨作用下鈣質(zhì)出溶現(xiàn)象較為顯著。鈣質(zhì)頁巖中方解石成分的溶出，導(dǎo)致滑帶強度減小。

酸雨；滑帶；鈣質(zhì)頁巖；雞尾山滑坡

滑帶的強度變化對滑坡的穩(wěn)定性有重要影響，是控制滑坡穩(wěn)定性和活動機(jī)制的關(guān)鍵指標(biāo)[1～2]。如大光包滑坡滑帶巖體的碎裂、細(xì)?；瘡奈锢砩辖档土嘶瑤У哪ψ枇?，使滑帶抗剪能力降低，是滑坡驟然啟動的原因之一[3]; 千將坪滑坡滑帶的演化，使層間剪切帶物理力學(xué)性質(zhì)惡化，促使了滑坡的產(chǎn)生[4]?；瑤У念愋?、微觀結(jié)構(gòu)特征、物質(zhì)組分和形成機(jī)理等主導(dǎo)了強度變化[5]?；瑤镔|(zhì)成分和結(jié)構(gòu)的變化會改變土體的強度甚至導(dǎo)致滑坡的發(fā)生，酸雨是影響滑帶強度的可能因素之一，酸雨與滑帶進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)可能會造成滑帶物質(zhì)成分和結(jié)構(gòu)的變化進(jìn)而影響滑坡的穩(wěn)定性。

湯連生等[6]研究了酸性溶液(pH為3.18，2.49，3.67)對砂巖、灰?guī)r及花崗巖的影響，結(jié)果顯示3種巖石在被酸性溶液浸泡后峰值荷載有較大的衰減。趙宇等[7]研究了酸雨與三峽庫區(qū)滑坡土體抗剪強度變化的關(guān)系，在實驗室內(nèi)用弱酸溶液浸泡伊利石、蒙脫石、高嶺石3 種重塑土試件，測試不同浸泡時間后試件礦物成分和抗剪強度的變化，實驗結(jié)果顯示在蒙脫石重塑土試件內(nèi)有黏土礦物的轉(zhuǎn)化發(fā)生，并引起了試件的內(nèi)摩擦角變化。

重慶武隆雞尾山滑坡滑帶為鈣質(zhì)頁巖，長期酸雨的作用對其物理力學(xué)性質(zhì)有重要影響，進(jìn)而影響滑坡的穩(wěn)定性。本文首先設(shè)計室內(nèi)實驗?zāi)M酸雨與雞尾山滑帶之間的反應(yīng)，研究酸雨作用下滑帶頁巖礦物成分的變化，然后取雞尾山滑坡坡腳泉水測試其成分與原始酸雨成分比較，分析酸雨對滑帶成分的改變，兩者結(jié)果相互驗證。

1 雞尾山滑坡概況

雞尾山滑坡位于重慶市武隆縣鐵礦鄉(xiāng)內(nèi)，發(fā)生于2009年6月5日，滑體體積約500×104m3，造成74人死亡，8人受傷[8～9]。滑坡源區(qū)位于雞尾山山頂東側(cè)陡崖處(圖1)，陡崖高50～150 m，雞尾山山體呈SN走向，為北東低、南西高的單面山。

圖1 雞尾山滑坡區(qū)出露的地層Fig.1 Strata outcropping in the Jiweishan landslide area

滑坡區(qū)巖層為單斜地層，巖層產(chǎn)狀為345°∠21°～35°，出露地層(圖1)從上至下分別為：茅口組(P1m)灰白色厚層狀微晶灰?guī)r，厚約30～50 m，其中發(fā)育有較大的溶洞和溶蝕裂隙；棲霞組上段(P1q3)礫狀灰?guī)r，層厚10～ 30 m；棲霞組中段(P1q2)黑灰色灰?guī)r夾鈣質(zhì)頁巖層，層厚20～ 90 m；棲霞組下段(P1q1)深灰色燧石灰?guī)r；梁山組(P1l)水云母黏土巖，含赤鐵礦，厚度10～14 m；韓家山組(S3hj)灰綠色粉砂質(zhì)頁巖。滑坡滑面是棲霞組上段礫狀灰?guī)r(P1q3)和中段(P1q2)鈣質(zhì)頁巖的接觸面。

巖體中發(fā)育兩組優(yōu)勢節(jié)理，一組與巖層走向近于平行，大致呈EW向；另一組與巖層走向近于直交，大致呈NS向。滑源區(qū)后緣和左側(cè)的T0和T1縫即沿這兩組節(jié)理發(fā)育而成(圖2)。

滑坡失穩(wěn)機(jī)理如下：滑坡破壞以前，T0和T1縫已經(jīng)貫通；滑面下伏的鈣質(zhì)頁巖剪切強度不斷降低，滑面上摩擦阻力不斷下降，作用在巖溶區(qū)鎖固段(圖2)的剪應(yīng)力不斷增加，當(dāng)剪應(yīng)力超過鎖固段的強度時，鎖固段被剪斷，滑體失穩(wěn)啟動。

圖2 滑源區(qū)遙感影像圖Fig.2 Remote Sensing Image of the Jiweishan landslide area

許強等[10]認(rèn)為滑坡下伏的鈣質(zhì)頁巖長期蠕變對滑坡失穩(wěn)有重要的影響。馮振等[11]認(rèn)為地下水等因素促使軟弱夾層軟化，導(dǎo)致驅(qū)動塊體下滑力增大，是導(dǎo)致鎖固段被剪斷突破而發(fā)生滑坡的重要原因。鄧茂林等[12]對雞尾山滑坡滑帶的微觀結(jié)構(gòu)和流變特性進(jìn)行了深入研究，發(fā)現(xiàn)滑帶中的炭質(zhì)泥質(zhì)飽水后泥化特征明顯，其力學(xué)性質(zhì)弱化。由此可見，滑帶軟弱層因蠕變或在水的作用下產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)和物質(zhì)成分的改變，導(dǎo)致滑帶抗剪強度降低，是影響滑坡失穩(wěn)的重要原因之一，研究滑帶軟弱層對揭示雞尾山滑坡成災(zāi)機(jī)理意義重大。

在武隆雞尾山滑坡中，由于滑體中巖溶空隙和通道、節(jié)理裂隙、拉張裂縫發(fā)育，降雨易通過這些裂隙入滲到滑面上，且由于研究區(qū)的降雨常年為酸性，對滑帶鈣質(zhì)頁巖的物理力學(xué)性質(zhì)影響較大。本文取滑帶的鈣質(zhì)頁巖模擬其與酸雨發(fā)生的反應(yīng)，研究酸雨對雞尾山滑坡滑帶頁巖物理力學(xué)性質(zhì)的影響。本次實驗所用鈣質(zhì)頁巖取自滑源區(qū)滑面向下游延伸處(圖3)。

圖3 雞尾山滑帶頁巖和坡腳水樣取樣位置Fig.3 Sampling location of the shale in the slip zone and the water from the toe of the Jiweishan rock avalanche

2 研究區(qū)酸雨情況

武隆縣位于重慶市東南邊緣，為亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候，氣候濕潤，年降水量1 000～1 200 mm。重慶在20世紀(jì)80—90年代是中國受酸雨污染最嚴(yán)重的地區(qū)；1990—2000年，稍微有所緩和，但仍處于較嚴(yán)重的狀態(tài)；2000 年后，重慶的酸雨又出現(xiàn)了逐漸加重的趨勢[13～14]。武隆縣環(huán)境保護(hù)局對縣內(nèi)的降雨進(jìn)行了監(jiān)測，筆者根據(jù)其網(wǎng)站上公布的數(shù)據(jù)，對2013—2016武隆降雨的pH進(jìn)行了統(tǒng)計(表1)。從表1中可以看出，武隆縣遭遇酸雨的頻率很高，絕大多數(shù)月份都有酸性降雨發(fā)生，且部分月份所降酸雨的pH值較低。

以上分析表明武隆雞尾山具有遭遇酸雨的條件，且頻率較高，也有可能遭遇pH值較低的酸雨，實驗中所模擬雞尾山滑帶頁巖與酸雨的反應(yīng)具有現(xiàn)實意義。

表1 2013～2016年重慶武隆縣降雨pH監(jiān)測結(jié)果Table 1 Monitoring rainfall in Wulong of Chongqing from 2013 to 2016

表2 重慶市部分地區(qū)所降酸雨的離子濃度Table 2 The ion concentration of the acid rainfall in Chongqing /(mg·L-1)

3 試驗設(shè)計

3.1 試驗巖樣

試驗所用的頁巖取自雞尾山滑坡滑源區(qū)滑面向下游延伸處(圖3)，因為是同一巖層，物質(zhì)成分應(yīng)當(dāng)接近。在中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)材化學(xué)院材料與化學(xué)分析測試中心對所取的巖樣使用X射線粉晶衍射儀(XRD) 進(jìn)行了礦物成分分析，儀器產(chǎn)自德國Bruker AXS D8-Focus公司，型號為D8-FOCUS。

從圖4中可以看出，頁巖中最主要的礦物為方解石，其含量達(dá)到了62.25%；其次是黏土礦物，其含量為26.01%；石英的含量為11.74%。對黏土礦物做定向片分析(圖5)，其中絕大多數(shù)的黏土礦物為滑石，含量占比達(dá)到98.73%，其余的少量黏土礦物為海泡石。從圖6中可以清楚地看出頁巖樣品中的礦物組成和含量。

圖4 滑帶頁巖X射線衍射譜圖Fig.4 XRD patterns of the shale in the slip zone

圖5 滑帶頁巖中黏土礦物的X射線衍射譜Fig.5 XRD patterns of the clay mineral of the shale in the slip zone

圖6 滑帶頁巖中礦物的組成和含量Fig.6 Mineral compositions of the shale in the slip zone

3.2 試驗方法和步驟

3.3 試驗結(jié)果分析

(1)反應(yīng)后塊體和粉末發(fā)生的變化

取反應(yīng)后樣品中的黏土礦物做定向片進(jìn)行XRD測試。從測試結(jié)果(表4)可以看出，反應(yīng)后的黏土礦物仍然為滑石和海泡石，沒有新的黏土礦物種類產(chǎn)生?；姆肿邮綖镸g3Si4O10(OH)2，為硅鎂礦物，由熱液交代、變質(zhì)作用及沉積作用形成[19]；而方解石的主要礦物成分為CaCO3，石英的主要礦物成分為SiO2，從元素守恒和實驗條件來看，在本次實驗條件下方解石和石英轉(zhuǎn)化為滑石是不可能發(fā)生的。海泡石的分子式是Mg8Si12O30(OH)4(OH2)4(H2O)8，為熱液和沉積成因；同樣在本實驗中方解石也不可能轉(zhuǎn)化為海泡石。因此可推斷出，在本次實驗中，沒有黏土礦物的生成。

表3 實驗分組情況Table 3 Groupings of the experiment

從成因上看，海泡石會在高溫高壓下失去沸石水形成滑石[19]，但在本實驗條件下不可能發(fā)生。從測試結(jié)果(表4)中兩種礦物的含量來看，滑石在黏土礦物中的含量占絕對優(yōu)勢，所占比例的變化很??；因此，可以推斷在本實驗中海泡石和滑石之間未發(fā)生轉(zhuǎn)變，即沒有黏土礦物的轉(zhuǎn)變發(fā)生。

表4 反應(yīng)后樣品中的黏土礦物種類及含量Table 4 Clay minerals composition of the samples after reaction

注：0號樣品為未經(jīng)浸泡的原始頁巖粉末

(2)反應(yīng)后溶液中離子濃度的變化

利用全譜直讀電感耦合等離子發(fā)射光譜儀(ICP)對反應(yīng)后溶液中的離子含量進(jìn)行測試。測試在武漢理工大學(xué)材料研究與測試中心進(jìn)行，所使用的儀器產(chǎn)自美國PerkinElmer公司，型號為Optima 4300DV，結(jié)果見表5。

表5 溶液中的離子成分及含量

Table 5 Ion concentrations of the solutions/(mg·L-1)

從表5可以看出頁巖出溶的主要離子有Ca2+、Mg2+、K+、Na+，其中以Ca2+濃度的增加最為顯著，尤其是在稀鹽酸參與的反應(yīng)中，這和預(yù)期的方解石被酸性溶液溶解相符合。從圖7可以看出，無論是粉末樣品還是塊體樣品，稀鹽酸參與的反應(yīng)中鈣質(zhì)出溶的量都大大高于用去離子水做溶液的對照組。在稀鹽酸和粉末樣品的反應(yīng)中，在10 d之內(nèi)(甚至更短)，反應(yīng)幾乎完全完成。而稀鹽酸和塊體反應(yīng)的速率則相對較慢，經(jīng)過10 d，反應(yīng)大約完成一半；經(jīng)過約100 d，其出溶的鈣質(zhì)的量與粉末樣品相當(dāng)。因此可以推測，在有酸雨發(fā)生時，酸雨會與頁巖中的方解石反應(yīng)，引起鈣質(zhì)的出溶。鈣質(zhì)頁巖中方解石有如下兩個作用：(1)連接礦物顆粒；(2)使巖石硬度增加。酸雨作用下方解石成分減少，滑帶頁巖顆粒之間的連接變?nèi)?，且硬度減小，抗剪強度變低，導(dǎo)致滑面摩擦減小。

圖7 溶液中的鈣離子濃度Fig.7 Calcium concentrations of the solutions

(3)雞尾山滑坡坡腳泉水離子濃度分析

滑坡坡腳處的巖層裂隙之間有泉水流出，取水樣測試其中的離子成分和含量(表6，取樣位置見圖3)。從表6可以看出，所取泉水中的Ca2+濃度明顯高于其他離子，甚至高于本次實驗中頁巖粉末與稀鹽酸反應(yīng)后的溶液。將水樣中的鈣離子濃度和表2中重慶部分地區(qū)所降酸雨的鈣離子濃度進(jìn)行對比(圖8)，可以看出：取自雞尾山滑坡坡腳水樣中的鈣離子濃度明顯高于酸雨中的。此結(jié)果進(jìn)一步證實了雞尾山滑坡滑帶存在鈣質(zhì)出溶反應(yīng)，導(dǎo)致了坡腳流出的泉水中鈣離子含量增高。

雞尾山的地下水類型主要為巖溶水和裂隙水，由大氣降水補給。強降雨入滲地表時，因攜帶大量腐殖質(zhì)成分而多呈酸性，通過巖溶管道及節(jié)理裂隙入滲侵蝕，對碳酸鹽巖進(jìn)行化學(xué)作用。當(dāng)有酸性降雨發(fā)生時，地下水的酸化會加劇[21]，使雨水與碳酸鹽的化學(xué)反應(yīng)速率增高，從而加快鈣質(zhì)的出溶，對滑坡的穩(wěn)定性不利。而長期的鈣質(zhì)出溶則會使滑帶頁巖顆粒之間的連接減弱，使其結(jié)構(gòu)更加破碎，進(jìn)而導(dǎo)致滑帶抗剪強度的降低，對滑坡的穩(wěn)定性不利[20]。

表6 雞尾山滑坡坡腳泉水的離子成分和濃度Table 6 Ion concentration of the water in the toe of the Jiweishan landslide /(mg·L-1)

圖8 雞尾山坡腳水樣和重慶酸雨中的鈣離子濃度Fig.8 Calcium concentrations of the water in the toe of the Jiweishan landslide and the acid rain in Chongqing

4 結(jié)論

(1) 雞尾山滑坡區(qū)降雨常年呈酸性，對雞尾山滑坡滑帶頁巖的物理力學(xué)性質(zhì)有顯著影響。

(2)模擬實驗結(jié)果和雞尾山滑坡坡腳泉水成分證明，酸雨能加速雞尾山滑帶的鈣質(zhì)出溶，消耗鈣質(zhì)頁巖中的方解石，降低頁巖的硬度和礦物顆粒的黏結(jié)力，使其剪切強度降低，從而降低滑面上的阻滑力。

(3)酸雨對滑帶物理力學(xué)性質(zhì)的改變是雞尾山滑坡發(fā)生的重要原因之一。

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責(zé)任編輯：汪美華

Effects of acid rain on mechanical properties of the shale in the slip zoneof Jiweishan landslide in Wulong of Chongqing

WANG Zhengbo，ZHANG Ming，CHEN Jianjun，ZHANG Chenyang

(FacultyofEngineering,ChinaUniversityofGeosciences,Wuhan,Hubei430074,China)

The effects of acid rain on mechanical properties of the shale in the slip zone of Jiweishan landslide in Wulong of Chongqing are investigated in this article. Shale samples were taken from the extending downstream of the slip zone of the Jiweishan rock avalanche, and were made into powder and block before immersed in the solution. In laboratory, calcareous shale in the slip zone of the Jiweishan landslide was subjected to acid water immersion where pH is 3, and was tested for changes in their compositions. The experimental results show that the calcareous exsolution was observed in the acid solution with shale immersed, and the velocity of the shale powder was faster. The ion components of the water from the toe of the Jiweishan landslide were tested, and the results show that Ca2+concentration was obviously higher than that of the acid rain, indicating that the calcareous exsolution was faster under the circumstance with acid rain. The exsolution of calcite from the calcareous shale may lead to the decrease in the strength of the slip zone.

acid rain; slip zone; calcareou shale; Jiweishan landslide

2016-07-19;

2016-09-23

國家自然科學(xué)基金項目(41472264)

王正波(1991-)，男，碩士，主要從事滑坡地質(zhì)災(zāi)害領(lǐng)域的科研工作。E-mail：wzbcug@126.com

張明(1981-)，男，副教授，主要從事滑坡地質(zhì)災(zāi)害領(lǐng)域的科研和教學(xué)工作。E-mail：zhangming 8157@126.com

10.16030/j.cnki.issn.1000-3665.2017.03.17

P642.22

A

1000-3665(2017)03-0113-06