水-巖化學作用對滑坡演化過程影響的研究進展

王迎東，王亞群，邢 辰

(中國電建集團北京勘測設計研究院有限公司，北京 100024)

滑坡是一種常見的邊坡巖體沿著潛在的滑動面向下滑動的地質(zhì)現(xiàn)象，是在地形地質(zhì)構(gòu)造、地下水、地震、氣候條件等多種內(nèi)外營力共同作用形成的，它嚴重威脅著人們的生命財產(chǎn)安全。其中地下水與巖土體的相互作用在滑坡孕育過程中起著舉足輕重的作用，素有“無水不滑坡”之說。

水-巖相互作用這一術(shù)語是20世紀50年代蘇聯(lián)水文地質(zhì)學家奧弗琴尼科夫提出[1]，主要包括水-巖力學、水-巖物理和水-巖化學作用。

目前專家學者的研究主要集中在水-巖物理和力學作用，尤其在滲流-力學耦合分析上，研究進展頗為顯著。但隨著經(jīng)濟發(fā)展，在各種涉及民生的工程活動中，水-巖化學作用對地質(zhì)環(huán)境影響的表現(xiàn)越來越顯著，以水利水電工程為例，隨著庫水位升降的周期變化，庫區(qū)庫岸邊坡巖土體也在不斷的飽和-非飽和的循環(huán)變化，加劇水-巖體的化學作用，進一步惡化了邊坡體工程地質(zhì)性質(zhì)，此外，近些年來的酸雨效應所導致的地下水酸化，某種程度上也增加滑坡失穩(wěn)的概率[2]。因此，水-巖化學作用開始逐漸引起越來越多的學者關(guān)注。

1 水-巖化學作用機理

水-巖化學作用主要是通過地下水溶解巖土體的礦物、膠結(jié)物成分，或結(jié)晶沉淀某些成分，致使巖土體孔隙、顆粒排列方式等微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，并最終改變巖土體的強度性能和變形特性，其類型主要包括離子交換作用，溶解與溶蝕作用，水化作用，氧化還原作用等[3- 4]。

1.1 離子交換作用

邊坡巖土體中的一些粘土礦物，往往比表面積大且多附著膠體物質(zhì)，易與地下水發(fā)生離子交換作用，使坡體裂隙及構(gòu)造面中存在的水溶液的化學性質(zhì)發(fā)生改變，致使礦物顆粒的離子發(fā)生變化，形成新的礦物，破壞巖土體的原有結(jié)構(gòu)。

1.2 溶解與溶蝕作用

天然降水在入滲巖土體過程中，溶解的一些氣體，如CO2、NH3、H2S等，彌補了地下水的弱酸性，對可溶性巖中會發(fā)生一些化學溶蝕作用，使巖體產(chǎn)生溶蝕裂隙、溶蝕空隙及溶洞等，增大了巖體的空隙率及滲透性，作用過程中還會伴隨著碎屑礦物的蝕變和黏土礦物的轉(zhuǎn)化，蝕變所析出的離子也會進而促進離子交換作用[5]，進一步促進水-巖化學作用。

1.3 水化作用

地下水在與邊坡巖土體中的無水礦物相化合過程中，改變原有礦物的分子結(jié)構(gòu)，形成新的礦物，并會引起礦物分子的體積膨脹，致使巖土體內(nèi)聚力降低。眾多室內(nèi)試驗中對巖體試件分別進行干燥和飽和狀態(tài)下的抗剪試驗結(jié)果已驗證了該作用對巖體力學性質(zhì)的影響。

1.4 氧化還原作用

在邊坡巖土體環(huán)境中，隨著深度的增加，巖土體裂隙孔隙之間的游離氧趨于減少，因此氧化作用隨之逐漸減弱，而還原作用則逐漸增強。這種過程既改變了原巖礦物成分，又改變了地下水組分，對巖石力學性質(zhì)具有正效應和負效應的雙重作用[6]。

除上述幾種典型作用方式外，邊坡巖土體在發(fā)生溶解作用時，還會伴隨難溶礦物的結(jié)晶沉淀作用，當?shù)叵滤缓妓釙r，巖土體還會發(fā)生脫硅反應，形成新的次生礦物。地下水與巖土體的這些化學作用相互促進，共同改變了巖土體的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，且作用不同時期，導致強度衰減的主要因素也不同[7- 8]。

2 室內(nèi)試驗與定量化研究

近年來，不少研究學者以室內(nèi)試驗研究為基礎，探討水-巖化學作用對巖土體的力學性能影響，并已經(jīng)積累了很多關(guān)鍵成果，下面以微觀、細觀、宏觀三個尺度進行歸納總結(jié)。

微觀方面：水-巖化學作用集中體現(xiàn)在對巖土體內(nèi)部礦物成分和微觀結(jié)構(gòu)的影響。即在在水-巖系列化學作用下造巖類硅酸鹽礦物(如長石、云母等)向高嶺石、蒙脫石、伊利石等粘土礦物轉(zhuǎn)變，粘土礦物的增加顯著影響著邊坡巖土體及其潛在滑移面的力學性質(zhì)。不同礦物成分對化學溶液具不同的敏感性，礦物含量與水-巖化學作用效應之間相互促進、相互影響[9]，其中含F(xiàn)e2+或Ca2+的礦物及膠結(jié)物是水-巖化學作用效應的一些關(guān)鍵離子或物質(zhì)成分，尤其是含F(xiàn)e2+的礦物具有正反兩方面的力學效應，Ca2+的減少也會促進石膏的溶解和方解石的沉淀[10- 11]，進一步促進水巖化學作用。同時，水-巖化學作用還會破壞巖石的微觀結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生次生孔隙，地下水溶液的酸堿度越大，產(chǎn)生的次生孔隙率越高[12]，地下水流通也更為通暢，加劇粘土礦物的遷移和富集，影響巖土體的力學性質(zhì)?；趯λ?巖化學作用前后巖石孔隙率變化定量的研究，崔強等基于化學動力學理論和溶質(zhì)遷移理論，建立了對流-反應-擴散模型模擬了巖石試件水-巖化學反應前后的變化，并描述了巖石孔隙結(jié)構(gòu)的變化[13]，丁梧秀以空隙率的變化為基礎建立了巖石化學損傷變量，以此反映其化學損傷程度[14]：

(1)

式中，n(t0)—巖石t0時刻空隙率；n(t1)—化學損傷t1時刻的空隙率。

細觀方面：巖石內(nèi)部都不可避免地存在一些初始微裂紋或隱裂隙，而這些巖石缺陷即裂隙尖端往往是水-巖化學作用最活躍的地方，在受力狀態(tài)下更為顯著。巖石被化學溶液浸泡腐蝕后，由于腐蝕損傷作用使強度降低，同時裂紋尖端亦會被腐蝕[15]，較大時間尺度也會加速裂紋的擴展，產(chǎn)生新的裂紋，增大巖石的滲透性，為水-巖作用進一步提供有利條件，并降低巖體的斷裂應力[16]。研究表明：巖石應力腐蝕破裂程度存在著某種電位依賴性[17]，并受到化學環(huán)境的影響，尤其是溶液離子濃度和pH值大小的影響[18- 20]；同時，巖石的各向異性致使其破裂方式具有多樣性，水化學溶液對巖石的選擇性腐蝕則會進一步增加其非均勻性[21]。楊慧等[22]將水化腐蝕定量為等效裂紋長度，從理論上給出了水化學腐蝕下裂紋擴展的定量公式。丁梧秀等[23]將裂隙巖石的化學腐蝕等效為裂紋上應力的擴大，引入應力放大系數(shù)，建立了化學溶液作用下的斷裂準則。陳四利[24]利用CT數(shù)和圖像的變化，將砂巖受壓破裂前的損傷演化過程劃分為初始壓密、彈性微壓密、微裂隙萌生和微裂紋擴展4個階段，并基于CT數(shù)建立了化學損傷變量表達式：

(2)

式中，m0—CT機的空間分辨率；H0—巖石初始CT數(shù)；Hw—巖石孔隙水的CT數(shù)；ρ0—巖石初始密度；ρw—地下水溶液孔隙水密度。

宏觀方面：水-巖化學作用表現(xiàn)為對巖石力學性質(zhì)的劣化，且反應越劇烈、強度越高，巖石的化學損傷值愈大。隨著地下水酸性的增強和浸蝕時間的增長，巖石的凝聚力、內(nèi)摩擦角和彈性模量等力學指標被削弱的程度逐漸增大[25- 26]，有由脆性向延性轉(zhuǎn)變的趨勢[27]，且表現(xiàn)出一定的時效性[28- 29]和指數(shù)型的非線性關(guān)系[30]。劉建等[31]基于CT數(shù)，探討并采用了改進的Duncan模型來描述存在水物理化學作用效應的砂巖非線性彈性變形行為；丁梧秀[32]提出用彈性模量k來反映巖石的軟化程度，k值越小，巖石受化學溶液軟化作用越大。

3 水巖化學作用對滑坡演化的影響和防治啟示

綜上所述，在水-巖化學作用下地下水可溶解邊坡巖土體中大部分造巖礦物，并形成次生粘土礦物，化學損傷亦因粘土礦物的遷移和富集開始出現(xiàn)并逐漸增大，水-巖化學作用對造巖礦物的選擇性腐蝕，破壞了巖石的結(jié)構(gòu)整體性，產(chǎn)生了次生孔隙，腐蝕并擴展其裂紋，逐漸劣化巖土體的宏觀力學強度和變形特征。

地質(zhì)災害一般都是由內(nèi)外營力耦合而成，對于斜坡巖土體而言，當其受到多次構(gòu)造運動后會形成層間剪切帶，以及大量的裂隙和宏觀結(jié)構(gòu)面[33]。巖體間剪切應力沿裂隙及結(jié)構(gòu)面等薄弱部位產(chǎn)生錯動、搓碎，并在后期外部營力的繼續(xù)作用下，使原巖結(jié)構(gòu)遭受破壞或泥化，粘土礦物的增多將導致結(jié)構(gòu)面及其兩側(cè)巖塊強度的降低，使得巖體結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)貫通的潛在滑移面或軟弱夾層，相當于切斷巖塊之間的直接聯(lián)系，促使巖體從固相介質(zhì)向松散介質(zhì)演化，也就是逐漸增強了巖體的風化程度，降低巖體的力學強度及穩(wěn)定性[34]，而地下水順著巖土節(jié)理構(gòu)造產(chǎn)生的水巖化學作用，即是化學風化的主要形式，而化學風化大幅度破壞了同層巖體的完整性，加劇了巖體力學強度的差異性[35]。

對于滑坡的演化來說，學者通常將其分為三個階段:蠕動變形階段、劇烈滑動階段和滑坡穩(wěn)定階段。在蠕動變形階段巖土體之間的裂隙會增大，坡體的滲透性也會提高，導致水-巖化學反應加劇，在較大的時間尺度上會順著某一主要結(jié)構(gòu)面或者軟弱層，產(chǎn)生大量的粘土礦物，原生的硅酸鹽礦物含量即會降低，形成富含粘土礦物的潛在滑帶或者軟弱泥化帶，其抗剪強度也會大幅度降低，極易失穩(wěn)。在我國酸雨嚴重地區(qū)，入滲斜坡的酸雨會致使地下水的侵蝕性增強，進而加劇斜坡巖體的化學損傷，破壞巖土體中原有的水巖化學場的動態(tài)平衡，更加劇水-巖反應，產(chǎn)生新的水化學損傷，從整體上加劇了斜坡巖土體的破壞，這也正是在暴雨或人類工程活動時滑坡災害頻發(fā)的原因。

水-巖化學作用的研究對于防治邊坡災害亦有借鑒意義，除了常規(guī)邊坡治理方式外，一方面，可以采用添加劑法降低地下水的侵蝕性和水-巖化學作用程度[36]，并減少工業(yè)污染廢水進入邊坡地下水循環(huán)系統(tǒng)的機會。同時，可進行化學灌漿或增加緩沖層等改善坡體條件，修復巖土體邊坡與地下水直接的化學場平衡，提高其強度。除此之外，亦可以對坡腳處地下水進行Ca2+和Fe2+等關(guān)鍵離子的動態(tài)監(jiān)測，以起到一定的預防作用。針對具體的邊坡，仍需靈活選取治理方法，降低化學損傷對邊坡的影響。

4 結(jié)語

水-巖化學作用普遍存在于各類邊坡體中，其從微觀-細觀-宏觀的角度逐漸深化坡體力學強度和變形特征的影響，對滑坡孕育有顯著的貢獻。

目前學者試驗成果為掌握水-巖化學作用在滑坡孕育中的貢獻提供了重要依據(jù)，但受室內(nèi)試驗條件(pH值、作用方式與時間、試驗對象尺度等)的限制，試驗假設與實際地質(zhì)條件之間仍存在些許差異，因此對于復雜邊坡下的水-巖化學作用及其定量化仍需開展相關(guān)研究，系統(tǒng)地考慮各影響條件下對滑坡演化的影響，在可能的情況下，應該充分考慮多條件(水-熱-力-化學)耦合作用所產(chǎn)生的影響。由于水-巖化學作用具有較強的時效性，在對滑坡進行分析評價時，不僅要分析其反應現(xiàn)狀及變化趨勢，還要弄清其發(fā)展歷史，且應考慮各部分力學強度差異性，在分析模型中加入化學損傷對整體性的影響。

水-巖化學作用研究的最終目標是其力學效應及對斜坡穩(wěn)定的影響，在滑坡災害治理工作中我們要針對具體工程，考慮抗化學風化影響的相關(guān)設計[37]，并采取一些水化學動態(tài)監(jiān)測措施，降低水-巖化學作用帶來的滑動帶強度損傷。