涉水岸坡的水土溶蝕作用機(jī)理及其試驗(yàn)研究

李慶偉，晏鄂川，楊 廣，陳 前，卓琦斐

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

自三峽庫(kù)區(qū)蓄水以來，造成庫(kù)岸斜坡的工程地質(zhì)條件惡化，在水與巖土體的相互作用下，庫(kù)區(qū)發(fā)生的一套聯(lián)系共生的災(zāi)害過程，嚴(yán)重影響著庫(kù)區(qū)環(huán)境[1]。許多學(xué)者從不同的角度對(duì)三峽庫(kù)區(qū)涉水岸坡水土作用機(jī)理進(jìn)行了深入研究，取得了豐碩的成果。如單慧媚等[2]對(duì)三峽庫(kù)區(qū)紫紅色巖土體飽水前后樣品的微觀結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)水流對(duì)松散巖土體顆粒的物理運(yùn)移、化學(xué)溶蝕和離子交換吸附作用影響著巖土體的結(jié)構(gòu)；楊廣等[3]利用數(shù)值模擬方法研究了地下水滲流對(duì)涉水岸坡巖土體結(jié)構(gòu)的影響，認(rèn)為地形改造后的岸坡穩(wěn)定性更高；湯連生等[4-5]、杜修力等[6]、Graham等[7]、李廣信[8]研究了水與巖土體化學(xué)作用的力學(xué)效應(yīng)和機(jī)理，認(rèn)為可以通過水與巖土體的化學(xué)反應(yīng)來調(diào)整土的物理力學(xué)性質(zhì)，從而改良土體；畢仁能等[9]從庫(kù)水位周期性升降條件下水土作用的角度，研究了河水對(duì)庫(kù)岸黏性土工程性質(zhì)的影響，揭示了水與巖土體物理化學(xué)作用對(duì)細(xì)粒土工程性質(zhì)影響的作用機(jī)理。但由于不同庫(kù)岸段工程地質(zhì)條件的差異，部分特殊庫(kù)岸段水與巖土體的作用機(jī)理仍沒有合理的解釋，尤其是三峽庫(kù)區(qū)含碳酸鹽巖庫(kù)岸段中涉及到的水土溶蝕作用機(jī)理。

基于以上認(rèn)識(shí)，本文在對(duì)巫山縣某涉水岸坡現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行實(shí)地調(diào)查的基礎(chǔ)上，通過分析該岸坡特有的水土溶蝕現(xiàn)象，論述了該類涉水岸坡水土溶蝕作用的機(jī)理，并通過一維土柱試驗(yàn)解釋了涉水岸坡鈣質(zhì)沉積膠結(jié)的成因，以為三峽庫(kù)區(qū)涉水岸坡水土作用機(jī)理的研究提供借鑒和參考。

1 研究區(qū)概況

本文以三峽庫(kù)區(qū)巫山縣某涉水庫(kù)坡為研究區(qū)，該區(qū)位于長(zhǎng)江與大寧河交匯處江東咀地區(qū)，平面上呈“舌狀”(見圖1)，為長(zhǎng)江與大寧河的階地，屬于構(gòu)造侵蝕、剝蝕河谷地貌，地勢(shì)表現(xiàn)為東高西低。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和鉆探資料，研究區(qū)內(nèi)地層主要為第四系人工填土層、沖洪積層、崩坡積層和三疊系下統(tǒng)嘉陵江組第四段灰?guī)r。第四系地層在整個(gè)研究區(qū)廣泛分布，巖性以粉質(zhì)黏土夾碎石為主，粉質(zhì)黏土黏性一般，受庫(kù)水位的影響，水位線以上土體呈硬塑-堅(jiān)硬狀，水位線以下土體呈可塑-硬塑狀，碎石主要成分為灰?guī)r，棱角狀，硬度稍高；基巖僅在研究區(qū)東北部神女廟外側(cè)出露，以灰?guī)r為主，中—厚層狀構(gòu)造，溶蝕裂隙發(fā)育。研究區(qū)三面環(huán)水，地表水排泄通暢不富集。

圖1 研究區(qū)位置圖Fig.1 Location of the study region

2 水土溶蝕作用機(jī)理分析

土由固體顆粒及粒間孔隙中的水和氣體組成，是一個(gè)三相、分散且復(fù)雜的系統(tǒng)，水在土體孔隙間儲(chǔ)存和運(yùn)移的過程中，會(huì)與土顆粒發(fā)生一系列化學(xué)作用，包括溶解與沉淀作用、交換與吸附作用、氧化還原作用以及水解與絡(luò)合作用等，產(chǎn)生物質(zhì)間的交換與轉(zhuǎn)化，對(duì)土體強(qiáng)度產(chǎn)生顯著影響，水土溶蝕作用過程見圖2。

圖2 水土溶蝕作用過程Fig.2 Process of water and soil dissolution of wading bank slopes注：A表示吸附;C表示絡(luò)合;D表示解吸;Dc表示分解;Ds表示溶解;E表示交換;Ex表示分泌;F表示施肥;H表示水解;I表示灌溉;L表示淋失;P表示降水;Pr表示沉淀;R表示徑流;Ro表示氧化還原;Up表示上升;Ut表示吸收;V表示揮發(fā)

2. 1 溶解與沉淀作用

溶解與沉淀作用可以認(rèn)為是水對(duì)物質(zhì)的作用與反作用，一般認(rèn)為溶解作用是沉淀作用的開始[10]。溶解作用是指土中一部分礦物被水溶液溶解、溶濾或水化，使離子由結(jié)晶架轉(zhuǎn)入水中的過程，其結(jié)果是巖土體失去一部分可溶性物質(zhì)，水溶液則增加了新的物質(zhì)成分。沉淀作用也叫濃縮結(jié)晶作用，是指水溶液與土中部分礦物發(fā)生濃縮、脫碳酸或混合反應(yīng)，生成難溶的沉淀物或結(jié)晶體，從而使某些離子或分子固結(jié)于土孔隙中或晶格體上。由于岸坡物質(zhì)中含有大量灰?guī)r碎塊石，水對(duì)碳酸鈣的溶解與沉淀作用十分發(fā)育，見圖3。

南斯拉夫?qū)W者伯格理(Bogli，1960)把灰?guī)r的溶蝕過程分為4個(gè)化學(xué)階段[11]。其中，第一階段是灰?guī)r在偶極水分子作用下發(fā)生溶解，其反應(yīng)式如下：

(1)

CaCO3的溶解很快，并立即達(dá)到平衡。當(dāng)水中存在解離的H+時(shí)，會(huì)打破反應(yīng)式(1)的平衡，使其向右邊進(jìn)行，促進(jìn)CaCO3的溶解，其反應(yīng)式如下：

(2)

圖3 涉水岸坡水土溶蝕現(xiàn)象Fig.3 Image of water and soil dissolution of the wading bank slopes

第二階段是原溶解在水中的CO2與水的反應(yīng)，其反應(yīng)式如下：

(3)

這兩個(gè)階段的最終反應(yīng)式如下：

(4)

第三階段是水中物理溶解的CO2的一部分轉(zhuǎn)為化學(xué)溶解，即水中部分游離的CO2與水化合生成新的碳酸，構(gòu)成一個(gè)鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，與反應(yīng)式(3)相同，不斷補(bǔ)充CaCO3溶解所消耗的H+。

第四階段是由于水與外界環(huán)境(大氣和土)中CO2含量的平衡關(guān)系被破壞，水必須從外界環(huán)境中不斷吸收CO2，以維持含量平衡。

雖然CaCO3在純水中的溶解度很低(常溫常壓下的溶解度為10～15 mg/L)，但天然地下水成分復(fù)雜，含無機(jī)酸、有機(jī)酸和鹽類等，將有助于CaCO3的溶解。

本試驗(yàn)分別取鉆孔地下水和長(zhǎng)江水進(jìn)行水質(zhì)分析，其結(jié)果見表1。

表1 地下水和長(zhǎng)江水水質(zhì)分析結(jié)果

注：表中水樣為降水位期間取樣進(jìn)行檢測(cè)分析的結(jié)果。

溶解與沉淀作用都可能導(dǎo)致土的物理力學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化。一般認(rèn)為溶解作用能減弱土的膠結(jié)強(qiáng)度，從而導(dǎo)致土的透水性能和壓縮系數(shù)提高，使土的彈塑性、壓縮模量和剪切強(qiáng)度降低；而沉淀作用能增強(qiáng)土的膠結(jié)強(qiáng)度，從而導(dǎo)致土的透水能力和壓縮系數(shù)降低，使土的彈塑性、壓縮模量和剪切強(qiáng)度提高。如岸坡中的鈣質(zhì)沉淀膠結(jié)物，可以降低土的滲透性，提高土的強(qiáng)度。

2. 2 交換與吸附作用

對(duì)于黏性土岸坡，土中黏粒比表面積大，表面能大，與孔隙中的水發(fā)生離子吸附與交換作用，形成黏粒雙電層，對(duì)土的物理力學(xué)性質(zhì)影響較大。土顆粒表面帶有負(fù)電荷，能夠吸附陽(yáng)離子，在一定條件下土顆粒將吸附水溶液中某些陽(yáng)離子，而將其原來吸附的部分陽(yáng)離子轉(zhuǎn)為水溶液中的組分。離子交換與吸附過程就是土體顆粒上的離子或分子與地下水交換的過程，可表示如下：

(5)

式中:A和B表示可交換的離子或分子；a和b表示克分子數(shù)；ad表示一個(gè)吸附離子或分子。

黏粒對(duì)水中離子具有選擇性吸附規(guī)律[12]，如將CaCO3組成的黏粒置于CaCl2溶液中，因溶液中的Ca2+離子與CaCO3結(jié)晶格架中的Ca2+離子一致而Cl-離子不同，故溶液中的Ca2+離子被CaCO3表面吸附，使土顆粒表面帶正電，則Ca2+離子形成決定電位離子層，而溶液中多余的Cl-離子被Ca2+離子吸引形成反離子層。

不同的陽(yáng)離子，其吸附于土顆粒表面的能力不同，一般認(rèn)為陽(yáng)離子價(jià)越高，離子半徑越大，水化離子半徑越小，則吸附能力就越大，但H+除外，所以按吸附能力自大而小的順序?yàn)椋篐+>Fe3+>Al3+>Ca2+>Mg2+>K+>Na+。

綜上分析可見，離子交換與吸附作用影響了土顆粒表面雙電層的發(fā)育狀況以及土顆粒的親水性和顆粒間的濕吸力等，從而影響了土體的物理力學(xué)性質(zhì)。

2. 3 氧化還原作用

在坡體地下水環(huán)境中發(fā)生的很多反應(yīng)包含了氣相、固相或被溶解的成分間的電子轉(zhuǎn)換，形成了一種氧化還原反應(yīng)。為了電子守恒，反應(yīng)中一種物質(zhì)的氧化作用必然伴隨有另一種物質(zhì)的還原作用，反之亦然。根據(jù)定義，氧化作用是失去電子，而還原作用是獲得電子，也就是對(duì)應(yīng)每一個(gè)氧化還原系統(tǒng)來說，可以寫成如下的“半反應(yīng)”式：

氧化態(tài)+mH++ne-=還原態(tài)

(6)

氧化還原反應(yīng)的結(jié)果是改變土體原有的成分組成，可對(duì)土體的物理力學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生一定的影響。例如有機(jī)物含量高的淤泥或泥炭土中，在水環(huán)境下微生物的分解作用能在土中產(chǎn)生硫化氫(H2S)和甲烷(CH4)等氣體，使土層不易因自重壓密而形成高壓縮的軟土。

2. 4 水解與絡(luò)合作用

水解反應(yīng)是地下水溶液中的水合物或水合離子失去質(zhì)子的過程，其反應(yīng)式如下：

(7)

絡(luò)合反應(yīng)是金屬離子與配位體(電子給予體)以配位鍵方式結(jié)合的過程，其反應(yīng)式如下：

(8)

式中：A表示金屬離子；B表示分子或離子。

3 涉水岸坡鈣質(zhì)沉積膠結(jié)成因的土柱試驗(yàn)

3. 1 鈣質(zhì)沉積膠結(jié)的成因分析

基于上述對(duì)涉水岸坡水土溶蝕現(xiàn)象的機(jī)理分析可知，其中鈣質(zhì)沉積膠結(jié)對(duì)岸坡的變形破壞模式和穩(wěn)定性起著至關(guān)重要的作用。因此，本文基于野外實(shí)地調(diào)查，從地質(zhì)角度來分析涉水岸坡水土溶蝕現(xiàn)象的發(fā)育過程。

3.1.1 涉水岸坡水土溶蝕現(xiàn)象的發(fā)育分布特征

研究區(qū)涉水岸坡庫(kù)岸段范圍內(nèi)共發(fā)育4類水土溶蝕現(xiàn)象，即鈣質(zhì)薄膜、鈣質(zhì)條帶、鈣質(zhì)團(tuán)塊和鈣質(zhì)膠結(jié)層(見圖3)。其中，鈣質(zhì)薄膜發(fā)育于土和碎塊石的表層，致密且??；鈣質(zhì)團(tuán)塊膠結(jié)在一起形成鈣質(zhì)膠結(jié)層，表面被鈣質(zhì)薄膜覆蓋，在長(zhǎng)江一側(cè)庫(kù)岸段廣泛發(fā)育，垂向上具有成層性(見圖4)，層間一般發(fā)育有鈣質(zhì)條帶。

涉水岸坡鈣質(zhì)膠結(jié)層和鈣質(zhì)薄膜的平面分布，見圖5。

由圖5可見，研究區(qū)涉水岸坡水土溶蝕作用具有明顯的南北差異性，且兩側(cè)岸坡東北段和沖溝內(nèi)均不發(fā)育水土溶蝕現(xiàn)象，其原因包括兩個(gè)方面：一與岸坡豐富的物源堆積歷史關(guān)系密切。涉水岸坡為長(zhǎng)江的三級(jí)階地，為侵蝕堆積形成，并經(jīng)歷多期次的崩坡堆積，土層厚度較大，特別是舌狀岸坡中前部部位，粉質(zhì)黏土層和碎塊石土層最大厚度超80 m，據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，南岸碎石含量明顯高于北岸；二是與兩岸地表水體作用的差異性有關(guān)。北側(cè)岸坡附近大寧河河水流速急劇降低，泥沙淤積現(xiàn)象顯著，南側(cè)岸坡則處于長(zhǎng)江凹岸段，地表水的沖刷作用強(qiáng)烈，更有利于溶蝕作用的發(fā)育。

3.1.2 涉水岸坡形成演化的地質(zhì)過程分析

通過分析研究區(qū)涉水岸坡所處的地質(zhì)環(huán)境和區(qū)域發(fā)展演化規(guī)律，根據(jù)自然歷史分析法，可將涉水岸坡的形成分為以下三個(gè)階段(見圖6)：

圖6 涉水岸坡形成演化示意圖Fig.6 Schematic diagram of the evolution of wading bank slopes

(1) Ⅲ級(jí)階地形成期：因地殼抬升，長(zhǎng)江河谷下切，形成現(xiàn)今的長(zhǎng)江Ⅲ級(jí)階地。在此期間，受構(gòu)造運(yùn)動(dòng)影響，褶皺作用發(fā)育，基巖破碎形成平行于河谷方向的陡崖，并開始發(fā)育卸荷裂隙，見圖6(a)。

(2) 崩塌風(fēng)化堆積期：當(dāng)節(jié)理裂隙互相切割，巖體產(chǎn)生變形破壞，崩塌堆積于階地之上；隨著地殼多期次間歇性抬升，階地上部巖體發(fā)生溯源性崩塌，并覆蓋在之前已風(fēng)化劇烈的崩積物之上，表現(xiàn)為土層和碎石層的互層堆積。該階段由于降雨和地下水的作用，水土溶蝕現(xiàn)象開始發(fā)育，見圖6(b)。

(3) 三峽工程運(yùn)行期：三峽工程建成后，岸坡堆積物不斷經(jīng)歷周期性的庫(kù)水位升降作用，水土溶蝕發(fā)育強(qiáng)烈；富含CaCO3的地下水在運(yùn)動(dòng)過程中，由于滲透性的突變，CaCO3在黏土層和碎石層交界面上富集，碎石之間的孔隙被CaCO3充填，形成整體層狀的鈣質(zhì)膠結(jié)層；黏土層中的裂隙作為地下水運(yùn)移的通道，也被鈣質(zhì)膠結(jié)物充填，形成鈣質(zhì)條帶。該階段由于長(zhǎng)江對(duì)岸坡的沖刷作用，南側(cè)岸坡塌岸明顯，土體松散，地下水作用強(qiáng)烈，溶蝕現(xiàn)象更明顯；而大寧河的堆積作用，使得北側(cè)岸坡土體完整性更好，見圖6(c)。

涉水岸坡中含有大量的灰?guī)r碎塊石，并形成了粗細(xì)互層的堆積結(jié)構(gòu)，在地下水的作用下，CaCO3經(jīng)溶解沉淀析出后，在土層表面形成鈣質(zhì)薄膜，充填在土體裂隙中形成鈣質(zhì)條帶，在碎石層膠結(jié)形成鈣質(zhì)團(tuán)塊和鈣質(zhì)膠結(jié)層。

3. 2 土樁試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

為了定性研究巖溶地下水在粗細(xì)互層狀介質(zhì)中運(yùn)移時(shí)的鈣質(zhì)沉積膠結(jié)特征，本文設(shè)計(jì)了一維土柱試驗(yàn)。層狀土柱基于岸坡坡體物質(zhì)及結(jié)構(gòu)特征，由兩種介質(zhì)組成，分別為粉質(zhì)黏土夾碎石和碎石，其中粉質(zhì)黏土夾碎石取自江東咀岸坡，碎石成分為灰?guī)r，粒徑為0.5～2.0 cm。

3.2.1 試驗(yàn)裝置

土樁試驗(yàn)裝置由自主設(shè)計(jì)完成，其示意圖和實(shí)物圖見圖7。該試驗(yàn)裝置包括儲(chǔ)水盒、增壓水泵、供水口、有機(jī)玻璃柱和水管，裝置主體為有機(jī)玻璃柱，高50 cm，直徑20 cm，壁厚0.5 cm；供水口底部鉆有16個(gè)直徑為3 mm的進(jìn)水孔，側(cè)壁開孔出水以控制水頭，并配備同尺寸水量調(diào)節(jié)圓板；有機(jī)玻璃柱底部鉆有32個(gè)直徑為8 mm的排水孔。

圖7 土柱試驗(yàn)裝置示意圖和實(shí)物圖Fig.7 Schematic diagram and picture of the soil column test equipment

3.2.2 試驗(yàn)過程

填裝土柱前，需要在有機(jī)玻璃柱邊壁上涂抹凡士林防止邊壁流，底部鋪上3～5 cm厚的卵石和細(xì)紗網(wǎng)作為反濾層；土樁裝填過程中，介質(zhì)分4層松鋪填裝，從下到上依次為12 cm厚的粉質(zhì)黏土夾碎石層、3 cm厚的碎石層、12 cm厚的粉質(zhì)黏土夾碎石層、3 cm厚的碎石層(見圖7)，層間采用細(xì)目鐵絲網(wǎng)隔開，方便裝取樣；土樁裝填完畢后，在土柱表面鋪一層礫石層，防止表層碎石受到?jīng)_刷擾動(dòng)。

3. 3 試驗(yàn)現(xiàn)象分析

在由土樁上部開始向土樣供水時(shí)，由于進(jìn)水量大于入滲量，第一層粉質(zhì)黏土夾碎石上部已形成一定高度的水柱，土層濕潤(rùn)鋒開始向下部運(yùn)移。初始階段，土層濕潤(rùn)鋒的運(yùn)移速率較快，當(dāng)其貫穿上部土層進(jìn)入中部碎石層后，底部土層上部沒有明顯的臨時(shí)水位出現(xiàn)，土層濕潤(rùn)鋒立即向下部土層運(yùn)移，但運(yùn)移速率較慢，見圖8。

圖8 土層濕潤(rùn)鋒的運(yùn)移過程Fig.8 Movement of soil wetting front注：圖中紅線表示濕潤(rùn)鋒的位置

圖9 鈣質(zhì)沉積現(xiàn)象Fig.9 Appearance of calcareous sedimentary cementation

3. 4 討論

本次土樁試驗(yàn)旨在通過觀察試驗(yàn)現(xiàn)象，分析巖溶地下水在粗細(xì)互層狀介質(zhì)中運(yùn)移時(shí)的鈣質(zhì)沉積膠結(jié)特征，并對(duì)涉水岸坡水土溶蝕現(xiàn)象進(jìn)行合理解釋。在涉水岸坡巖溶發(fā)育過程中，巖溶地下水中的鈣質(zhì)主要來源于碎石中的CaCO3，顯然這種對(duì)碎石的溶蝕作用更有利于鈣質(zhì)膠結(jié)的形成。而鈣質(zhì)的沉積膠結(jié)過程緩慢，本次試驗(yàn)由于時(shí)間的限制性，鈣質(zhì)僅出現(xiàn)沉積特征，只在上部碎石層與粉質(zhì)黏土夾碎石層交界面上有微弱的膠結(jié)現(xiàn)象。本試驗(yàn)過程中，未考慮黏性土對(duì)溶質(zhì)的吸附性及沉積的鈣質(zhì)對(duì)土層滲透性的影響，這些內(nèi)容將在后續(xù)的研究中加以完善。

4 結(jié) 論

本文以巫山縣某涉水岸坡為例，對(duì)涉水岸坡水土溶蝕作用的機(jī)理進(jìn)行了系統(tǒng)論述，并針對(duì)涉水岸坡特殊的水土溶蝕現(xiàn)象，通過一維土樁試驗(yàn)?zāi)M現(xiàn)場(chǎng)岸坡環(huán)境，對(duì)涉水岸坡鈣質(zhì)沉積膠結(jié)的成因進(jìn)行了研究，得出以下結(jié)論：

(1) 涉水岸坡水土溶蝕作用包括溶解與沉淀作用、交換與吸附作用、氧化還原作用和水解與絡(luò)合作用，這些作用往往協(xié)同進(jìn)行、相互影響。對(duì)于江東咀庫(kù)岸段斜坡，上述水土溶蝕作用普遍存在，對(duì)岸坡巖土體強(qiáng)度產(chǎn)生了顯著的影響。

(2) 江東咀岸坡物質(zhì)中含有大量的灰?guī)r碎塊石，巖溶地下水對(duì)CaCO3的溶解與沉淀作用十分發(fā)育，表現(xiàn)出4類水土溶蝕現(xiàn)象。當(dāng)巖溶地下水中的CaCO3沉淀析出后，在土層表面形成鈣質(zhì)薄膜，在土體裂隙中充填形成鈣質(zhì)條帶，在碎石層膠結(jié)形成團(tuán)塊和鈣質(zhì)膠結(jié)層。這些水土溶蝕現(xiàn)象的發(fā)育程度在兩岸有所不同，長(zhǎng)江一側(cè)岸坡(南側(cè))較大寧河一側(cè)(北側(cè))分布廣泛，且垂向上具有成層性。

(3) 江東咀岸坡的形成大致可分為三個(gè)階段，即Ⅲ級(jí)階地形成期、崩塌風(fēng)化堆積期和三峽工程運(yùn)行期。其中，在崩塌風(fēng)化堆積期，形成了岸坡土層和碎石層的互層堆積結(jié)構(gòu)，并在降雨和地下水的作用下開始發(fā)育水土溶蝕作用；至三峽工程運(yùn)行期，在周期性的庫(kù)水位升降的作用下，水土溶蝕現(xiàn)象更加強(qiáng)烈。