十堰鄧坪滑坡變質(zhì)巖工程特性研究

邵 勇，左冬立，徐光黎，劉 維，王振華

(1.湖北省城市地質(zhì)工程院,湖北 武漢 430050； 2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢),湖北 武漢 430070)

2017年9月下旬以來(lái),十堰市連降強(qiáng)暴雨,平均降雨量達(dá)480 mm,較同期偏多3倍,是1956年氣象記錄以來(lái)的最大值。10月4日,G242國(guó)道鄧坪工業(yè)園段170多米長(zhǎng)的公路下塌將距國(guó)道下方500 m遠(yuǎn)的工業(yè)園區(qū)一幢1 500 m2的廠房掩埋。10月5日,持續(xù)強(qiáng)降雨引起十堰市鄖陽(yáng)區(qū)柳陂鎮(zhèn)福利院東側(cè)山體發(fā)生滑坡險(xiǎn)情,造成福利院擋墻平移2～3 m,地面拱起0.5～1.0 m。10月初,谷竹高速多處路段因?yàn)檫B續(xù)強(qiáng)降雨發(fā)生山體滑坡,造成交通中斷,對(duì)設(shè)置的抗滑樁及格構(gòu)護(hù)坡設(shè)施造成了破壞。

以上滑坡均是發(fā)生在十堰市片巖、板巖、千枚巖等軟變質(zhì)巖構(gòu)成的易滑地層中。如十堰鄧坪滑坡,其滑床主要為中元古界武當(dāng)山群強(qiáng)—中風(fēng)化絹云母石英片巖,滑坡中前部滑帶為絹云母石英片巖軟弱帶,滑坡后部滑帶主要成分為絹云母石英片巖風(fēng)化物。通過(guò)對(duì)其工程特性的研究,揭示類似滑坡災(zāi)害孕育及發(fā)展的規(guī)律。在9月底—10月初十堰地區(qū)集中爆發(fā)的多處滑坡地質(zhì)災(zāi)害中,均存在連續(xù)降雨的情況,因此變質(zhì)巖的水理性質(zhì)將是本研究的重點(diǎn)之一。

1 變質(zhì)巖滑坡研究現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)外對(duì)中國(guó)變質(zhì)巖地區(qū)的滑坡地質(zhì)災(zāi)害研究較少,對(duì)十堰變質(zhì)巖地區(qū)的滑坡研究更少,基于變質(zhì)巖地區(qū)滑坡工程實(shí)例的研究幾乎沒(méi)有。李志剛[1]和熊煒[2]分別對(duì)堵河流域變質(zhì)巖地質(zhì)災(zāi)害及秦巴山區(qū)軟弱變質(zhì)巖淺表層滑坡開(kāi)展了研究,王偉[3]則對(duì)貴州省黔東南江縣地區(qū)的淺變質(zhì)巖分布區(qū)地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性進(jìn)行了分區(qū),吳道榮[4]建立了閩北地區(qū)老變質(zhì)巖地區(qū)滑坡實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

變質(zhì)巖巖性較弱,存在大量的細(xì)微節(jié)理,制樣不便,針對(duì)其性質(zhì)的實(shí)驗(yàn)研究較為困難。目前開(kāi)展的研究主要包括：趙法鎖對(duì)某工程邊坡軟巖的三軸實(shí)驗(yàn)研究,于德海開(kāi)展的水對(duì)綠泥石片巖力學(xué)性質(zhì)的實(shí)驗(yàn)研究,賀匯文對(duì)秦嶺變質(zhì)巖區(qū)巖體結(jié)構(gòu)特征及公路邊坡穩(wěn)定性的研究,陳文玲對(duì)黑河水庫(kù)壩肩邊坡云母石英片巖三軸蠕變機(jī)理及蠕變模型的研究,許江坤研究了黔東南淺變質(zhì)巖邊坡變形破壞機(jī)制。

2 十堰竹山縣鄧坪滑坡變質(zhì)巖工程特性研究

本項(xiàng)目處在武當(dāng)與大巴山脈間,構(gòu)造活動(dòng)較為強(qiáng)烈,該地區(qū)的變質(zhì)巖是由造山運(yùn)動(dòng)形成的區(qū)域變質(zhì)巖。通過(guò)薄片鑒定、XRD等研究方法,揭示了變質(zhì)巖的礦物組成和顯微結(jié)構(gòu)(圖1)。對(duì)變質(zhì)巖的物理特性、力學(xué)特性、水理特性等工程特性進(jìn)行了一系列測(cè)試,為揭示類似滑坡災(zāi)害孕育及發(fā)展的規(guī)律研究奠定基礎(chǔ)。

圖1 鄧坪滑坡1-1′工程地質(zhì)縱剖面圖[5]Fig.1 1-1′ Engineering geological profile of Dengping landslide1.第四系滑坡堆積層;2.含碎石粉質(zhì)粘土;3.絹云母石英片巖;4.滑動(dòng)帶;5.中元古界片巖;6.碎石土;7.素填土;8.裂縫及編號(hào);9.耕植土;10.滑坡前緣破碎的絹云母石英片巖;11.強(qiáng)風(fēng)化帶;12.片理產(chǎn)狀;13.中風(fēng)化帶;14.鉆孔孔號(hào)。

2.1 實(shí)驗(yàn)樣品采集

實(shí)驗(yàn)用巖樣取自于湖北省十堰市西南竹山縣的鄧坪滑坡中部及上部滑坡體。取樣近100余塊,重約125 kg,巖塊大小有別,分為中風(fēng)化和強(qiáng)風(fēng)化兩組(圖2)。

圖2 變質(zhì)巖石取樣點(diǎn)位置圖Fig.2 Sampling points for metamorphic rocks

2.2 變質(zhì)巖物理性質(zhì)

2.2.1現(xiàn)場(chǎng)針貫入原位實(shí)驗(yàn)

為了在滑坡現(xiàn)場(chǎng)就能對(duì)變質(zhì)巖的巖土體物理力學(xué)性質(zhì)有較為直觀的認(rèn)識(shí),同時(shí)為了便于現(xiàn)場(chǎng)取樣時(shí)對(duì)中風(fēng)化和強(qiáng)風(fēng)化進(jìn)行篩選分類,本研究采用SH-70軟巖針貫入儀對(duì)變質(zhì)巖石進(jìn)行了原位測(cè)試,以獲得其強(qiáng)度特性(圖3)。在巖石露頭表面厚度>15 mm且表面比較平整的部位進(jìn)行,貫入方向分垂直層理方向和平行層理方向,測(cè)試環(huán)境為雨后。

圖3 針貫入儀現(xiàn)場(chǎng)原位測(cè)試Fig.3 In situ penetration test

根據(jù)公式(1)算出針貫入比(NPI值),然后通過(guò)NPI與單軸抗壓強(qiáng)度計(jì)算公式(2)換算出巖石的單軸抗壓強(qiáng)度。鄧坪滑坡變質(zhì)巖針貫入原位實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 鄧坪滑坡巖體針貫入實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)表Table 1 Statistical table of penetration test

NPI=F/D

(1)

式中：F為貫入力；D為貫入量；NPI單位是mm。

δ=0.417 83NPI0.978

(2)

式中:δ為單軸抗壓強(qiáng)度,MPa。

根據(jù)Rc與巖石堅(jiān)硬程度的對(duì)應(yīng)關(guān)系表(表2),雨后的鄧坪滑坡出露巖體為軟巖—極軟巖,垂直層理方向的抗壓強(qiáng)度在1～10 MPa之間,平行層理方向的抗壓強(qiáng)度在1 MPa左右,且垂直層理方向的抗壓強(qiáng)度浮動(dòng)范圍顯著高于平行層理方向。

表2 Rc與巖石堅(jiān)硬程度的對(duì)應(yīng)關(guān)系Table 2 Corresponding relationship between Rc and rock hardness

2.2.2變質(zhì)巖基本物理性質(zhì)

對(duì)該滑坡體變質(zhì)巖進(jìn)行了基本的常規(guī)物理性質(zhì)實(shí)驗(yàn),結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 變質(zhì)巖基本物理性質(zhì)表Table 3 Basic physical properties of metamorphic rocks

巖石塊體密度天然條件下為2.62～2.65 g/cm3,干燥后為2.60～2.63 g/cm3,飽水時(shí)為2.64～2.69 g/cm3,顆粒密度2.71～2.74 g/cm3。總體來(lái)說(shuō),該變質(zhì)巖試樣的孔隙度較大,為3.82%～4.24%。樣品含水量在1.08%～1.17%之間。根據(jù)下文中的變質(zhì)巖顯微結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)結(jié)果,認(rèn)為孔隙度大的主要原因是巖石內(nèi)部層理中存在大量微裂縫隙。

2.3 變質(zhì)巖微觀性質(zhì)研究

2.3.1薄片鑒定實(shí)驗(yàn)

通過(guò)對(duì)鄧坪滑坡變質(zhì)巖的薄片鑒定,表明該滑坡體變質(zhì)巖中大部分含有伊利石/云母、綠泥石、長(zhǎng)石、石英等礦物,含量較高的有伊利石/云母、綠泥石。它們?cè)趲r石里呈定向排列,層狀結(jié)構(gòu)明顯,板片結(jié)構(gòu)極為發(fā)育。礦物之間以泥質(zhì)膠結(jié)為主,層間附著力低。另外,不同變質(zhì)程度的巖石中的礦物組成和含量差異很大,且分布不勻,產(chǎn)生較大巖性差異。

圖4 鄧坪滑坡絹云母石英片巖顯微照片F(xiàn)ig.4 Microscopic photos of Sericite quartz schist in Dengping landslide

2.3.2XRD實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)選取了中、強(qiáng)風(fēng)化巖樣分別進(jìn)行了XRD實(shí)驗(yàn),測(cè)試其全巖礦物組成,結(jié)果見(jiàn)表4、圖5及圖6。

表4 X射線粉晶衍射實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果Table 4 Analysis results of X-ray powder diffraction test

圖5 中風(fēng)化巖樣衍射波譜圖Fig.5 Diffraction spectrum of medium weathered rock samples

圖6 強(qiáng)風(fēng)化巖樣衍射波譜圖Fig.6 Diffraction spectrum of strongly weathered rock samples

測(cè)試結(jié)果表明,該滑坡體強(qiáng)風(fēng)化變質(zhì)巖中礦物含量最高的是伊利石/云母(云母和伊利石衍射光譜重疊,將其合并),中風(fēng)化變質(zhì)巖中礦物成分含量最高的是綠泥石,符合絹云母片巖的形成規(guī)律,即在表生作用下,長(zhǎng)石綠泥石化,斜長(zhǎng)石絹云母化。此三類礦物對(duì)變質(zhì)巖的各項(xiàng)工程特性均有決定性的影響。

2.4 變質(zhì)巖力學(xué)性質(zhì)研究

為了初步確定變質(zhì)巖的力學(xué)性質(zhì),對(duì)在鄧坪滑坡現(xiàn)場(chǎng)采集的巖塊進(jìn)行點(diǎn)荷載實(shí)驗(yàn),得到點(diǎn)荷載強(qiáng)度指數(shù),并換算出抗壓強(qiáng)度。并根據(jù)其在風(fēng)干和飽水狀態(tài)下分別測(cè)得的垂直板理和平行板理方向的抗壓強(qiáng)度,計(jì)算出變質(zhì)巖的各向異性指數(shù)和軟化系數(shù),以此判斷變質(zhì)巖垂直板理和平行板理的力學(xué)性質(zhì)差異,以及其與巖石風(fēng)化程度和含水程度之間的關(guān)系。

抗壓強(qiáng)度σc=22.82Is0.75

(3)

抗拉強(qiáng)度σt=KIs

(4)

式中：K取0.86～0.96。

點(diǎn)荷載實(shí)驗(yàn)巖樣取自鄧坪滑坡散落的較為完整的具有一定長(zhǎng)、寬、厚度的巖塊,分別在天然和飽和條件下對(duì)巖樣進(jìn)行了點(diǎn)荷載實(shí)驗(yàn)。本次實(shí)驗(yàn)對(duì)于滑坡區(qū)區(qū)絹云母石英片巖中風(fēng)化垂直/平行片里各10個(gè)樣,共20個(gè),強(qiáng)風(fēng)化也同樣取20個(gè)樣,并對(duì)于巖樣在風(fēng)干狀態(tài)和飽和狀態(tài)分別進(jìn)行點(diǎn)荷載實(shí)驗(yàn),巖樣合計(jì)80個(gè)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5。

根據(jù)表2,中風(fēng)化絹云母石英片巖屬于較軟巖,強(qiáng)風(fēng)化絹云母石英片巖屬于軟巖。絹云母石英片層理發(fā)育,在垂直和平行層理方向表現(xiàn)出各向異性,兩個(gè)方向的抗壓強(qiáng)度比值即為各向異性指數(shù)。從表5中可以看出,中風(fēng)化片巖的各向異性指數(shù)為1.47,強(qiáng)風(fēng)化片巖的為1.54,各向異性明顯。

表5 絹云母石英片巖各向異性及軟化性統(tǒng)計(jì)表Table 5 Anisotropy and softening of sericite quartz schist

根據(jù)公式(4),絹云母石英片巖的抗拉強(qiáng)度集中在0.1～1.2 MPa之間,所以無(wú)論垂直或平行層理方向,其抗拉能力均較弱,且裂紋表面光滑,可判斷層理面的抗剪能力也較低,易發(fā)生剪切破壞。

絹云母石英片巖的軟化系數(shù)(飽和抗壓強(qiáng)度與干抗壓強(qiáng)度之比)為0.68～0.94,可見(jiàn)水對(duì)變質(zhì)巖強(qiáng)度的影響較為明顯。

2.5 巖石水理性質(zhì)實(shí)驗(yàn)

2.5.1膨脹性實(shí)驗(yàn)

通過(guò)2.3變質(zhì)巖微觀性質(zhì)研究結(jié)果可知,鄧坪滑坡體變質(zhì)巖含伊利石、綠泥石等粘土礦物,因此需要測(cè)定其遇水后的膨脹率。制成Φ50 mm×50 mm的中風(fēng)化絹云母石英片巖標(biāo)準(zhǔn)試件開(kāi)展自由膨脹率實(shí)驗(yàn),計(jì)算公式如下：

VH=ΔH/H

(5)

VD=ΔD/D

(6)

式中：VH為軸向膨脹率；VD為徑向膨脹率；ΔH為試樣軸向變形值；ΔD為試樣徑向變形值；H為原始試件高度；D為原始試件直徑。

從表6可知,中風(fēng)化絹云母石英片巖具有一定的膨脹性,且VH遠(yuǎn)大于VD,即垂直層理方向的膨脹性要大于平行層理方向,膨脹性在不同的層理方向差異顯著。變質(zhì)巖遇水后,水很容易沿層理面進(jìn)入巖石內(nèi)部,引起層理面間的伊利石、云母、綠泥石等粘土礦物含水率上升,礦物晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生膨脹和隆起,產(chǎn)生變形。由于在垂向上,粘土礦物與水之間缺乏連接通道,因此在平行層理方向上的膨脹變形要小的多。

表6 巖樣①、②自由膨脹率統(tǒng)計(jì)表Table 6 Free expansion rate of rock samples

2.5.2耐崩解性實(shí)驗(yàn)

對(duì)不同風(fēng)化程度(強(qiáng)風(fēng)化、中風(fēng)化)的絹云母石英片巖開(kāi)展了耐崩解性測(cè)試,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表7所示。

表7 崩解性實(shí)驗(yàn)結(jié)果表Table 7 Disintegration test results

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知,不同風(fēng)化程度的絹云母石英片巖的耐崩解性差異較大。根據(jù)甘布爾崩解耐久性分類表(表8),中風(fēng)化絹云母石英片巖的耐崩解性為中高等級(jí),強(qiáng)風(fēng)化巖則為低等級(jí)。

表8 甘布爾崩解耐久性分類表Table 8 Ganbull disintegration durability classification

根據(jù)前文所述的該變質(zhì)巖礦物顆粒膠結(jié)方式、膠結(jié)物種類、層理結(jié)構(gòu)形式等內(nèi)容,在周期性的干濕交替作用下,必然會(huì)導(dǎo)致絹云母石英片巖層理面間粘聚力弱化,使巖石逐步軟化崩解,且?guī)r石風(fēng)化程度越高,耐崩解性越差。

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)十堰鄧坪滑坡變質(zhì)巖的微觀特性、物理特性、力學(xué)特性和水理特性研究,得出了該滑坡變質(zhì)巖中風(fēng)化和強(qiáng)風(fēng)化全巖礦物及含量,主要為伊利石/云母、綠泥石等粘土礦物,均占全巖礦物含量90%以上。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)針貫入和點(diǎn)荷載實(shí)驗(yàn)確定其屬于軟巖—較軟巖。飽水狀態(tài)下垂直片理面方向抗壓強(qiáng)度為<16.2 MPa,板理面之間的抗拉強(qiáng)度<1 MPa。飽水狀態(tài)下平行片理面方向的抗壓強(qiáng)度<10 MPa,抗拉強(qiáng)度為0.1 MPa左右。各向異性指數(shù)為1.5左右,具有明顯的各向異性特征,隨著風(fēng)化程度的加劇,各向異性也愈加明顯。絹云母石英片巖軟化系數(shù)為0.64～0.72,且隨著風(fēng)化程度加劇而增大。垂直板理面方向的膨脹率為0.32～0.79,有一定的膨脹性,且垂直板理面方向的膨脹性遠(yuǎn)超過(guò)平行板理方向。耐崩解能力一般(56%～88%),板理面易吸水、開(kāi)裂。

對(duì)于鄧坪典型變質(zhì)巖切層滑動(dòng)滑坡,其滑體物質(zhì)下層為遇水極易軟化的強(qiáng)風(fēng)化絹云母石英片巖?；潞缶壸冃纹茐漠a(chǎn)生的裂縫與滑帶直接相連形成貫通通道,降水可直接沿后緣裂縫進(jìn)入滑帶,使滑帶土層在地下水作用下軟化。滑體物質(zhì)從后緣到中部土層由薄變厚,到滑坡前緣逐漸變成絹云母石英片巖基巖,且強(qiáng)風(fēng)化絹云母石英片巖由于地下水的作用軟化后其抗剪強(qiáng)度大大降低,最終導(dǎo)致滑坡從前緣剪出。

基于變質(zhì)巖區(qū)滑坡巖土體的工程地質(zhì)特性,針對(duì)此類滑坡,應(yīng)著重采取以下防治措施：①建立地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)報(bào)預(yù)警業(yè)務(wù)流程,及時(shí)發(fā)布災(zāi)害預(yù)警信息；②汛期加強(qiáng)滑坡體及地下水監(jiān)測(cè),防汛與滑坡防治同步開(kāi)展；③為潛在滑坡災(zāi)害體建立完善的截排水體系,防止外圍地表水進(jìn)入滑坡區(qū)；④建設(shè)坡面生態(tài)防護(hù)工程,減少降雨及地表水下滲；⑤嚴(yán)禁各類工程建設(shè)活動(dòng)隨意切破；⑥削方減載改善邊坡的穩(wěn)定性。