紅層堆積體軟弱夾層形成中的水-巖(土)化學(xué)作用

張 勁 松,楊 紅,葉 咸,王 雙 龍

(1.云南省交通規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司,云南 昆明 650011; 2.云南省數(shù)字交通重點實驗室(籌),云南 昆明 650000; 3.云南省水利水電勘測設(shè)計研究院,云南 昆明 650021)

0 引 言

云南省高原中部、南部有完整成片的侏羅系-白堊系地層分布,該套地層統(tǒng)稱為中生代紅層。紅層中黏土礦物含量較高,具有透水性弱、親水性強、浸水后巖體強度軟化、失水后易崩解開裂、易塑變、抗壓強度低、抗風(fēng)化能力弱等特點[1-4]。大理-漾濞-云龍-蘭坪高速公路(大漾云蘭高速公路)絕大部分段落位于紅層區(qū),路線范圍發(fā)育多處紅層堆積體古滑坡,古滑坡沿軟弱夾層的復(fù)活給路線的選線、設(shè)計及施工都帶來很大難度。軟弱夾層對滑坡的發(fā)生起著控制性作用,因此對軟弱夾層的形成演化及物理力學(xué)性質(zhì)的研究成為紅層區(qū)滑坡災(zāi)害研究的關(guān)鍵科學(xué)問題。

在軟弱夾層的物理力學(xué)性質(zhì)方面,大量學(xué)者[5-10]通過試驗對不同區(qū)域內(nèi)紅層滑坡軟弱夾層的物理力學(xué)性質(zhì)及破壞模式進(jìn)行了研究,也有學(xué)者[11-14]從礦物成分、連接方式及水-巖(土)化學(xué)作用影響等微觀角度對紅層滑坡體內(nèi)軟弱夾層的物理力學(xué)性質(zhì)及變形破壞方式進(jìn)行了研究,其研究成果為廣大紅層地區(qū)滑坡軟弱夾層參數(shù)選取提供了理論依據(jù)。

在軟弱夾層的形成演化方面,大量學(xué)者[15-21]認(rèn)為紅層地區(qū)軟弱夾層的形成大致分為3個階段:① 沉積環(huán)境形成砂質(zhì)巖和泥巖、黏土巖、頁巖等軟硬互層結(jié)構(gòu);② 構(gòu)造、風(fēng)化等作用使得軟硬互層結(jié)構(gòu)中的軟巖發(fā)生破壞;③ 在地下水的長期作用下軟巖的狀態(tài)、物理化學(xué)性質(zhì)、物質(zhì)成分發(fā)生變化,軟巖泥化為軟弱夾層。也有學(xué)者[22-23]認(rèn)為由于紅層中含有大量黏土礦物,導(dǎo)致其內(nèi)部水-巖(土)化學(xué)作用強烈,在軟弱夾層形成過程中起主導(dǎo)作用的是水-巖(土)化學(xué)作用。

前人對軟弱夾層的研究多集中在工程地質(zhì)特性及物理力學(xué)性質(zhì)上,很少研究軟弱夾層的形成過程,且研究對象多集中在基巖滑坡體內(nèi)的軟弱夾層,對紅層堆積體內(nèi)部軟弱夾層的成因研究鮮有涉足。本文以大理州云龍縣關(guān)平古滑坡軟弱夾層為研究對象,結(jié)合地質(zhì)調(diào)查、取樣、地質(zhì)測年、礦物成分分析、水質(zhì)分析及物理力學(xué)試驗,研究了紅層堆積體內(nèi)水-巖(土)化學(xué)作用特征、軟弱夾層的成因及其物理力學(xué)性質(zhì)。研究結(jié)果對認(rèn)識紅層堆積體內(nèi)部軟弱夾層成因及紅層區(qū)滑坡災(zāi)害防治具有重要意義。

1 關(guān)平古滑坡及軟弱夾層基本特征

關(guān)平古滑坡位于云南省大理白族自治州云龍縣關(guān)平鄉(xiāng),大漾云蘭高速公路K86+000～K87+100段右側(cè)(見圖1(a)),屬于大型紅層堆積體滑坡。通過走訪當(dāng)?shù)鼐用窈同F(xiàn)場調(diào)查收集資料,關(guān)平古滑坡在施工之前近50 a內(nèi)無活動痕跡。K86+000～K87+100段邊坡開挖后,不斷有水順著軟弱夾層沿坡面流出,當(dāng)天晚上該段右側(cè)邊坡沿軟弱夾層發(fā)生整體滑移,軟弱夾層對關(guān)平古滑坡的穩(wěn)定性起控制性作用。

圖1 關(guān)平古滑坡全貌及1-1剖面圖 Fig.1 Full view and 1-1 profile of Guanping ancient landslide

古滑坡區(qū)域整體呈圈椅狀地形,后緣陡坎明顯且基巖出露,滑坡前緣關(guān)平河附近發(fā)育有關(guān)坪河斷層,受斷層影響,工程區(qū)巖層呈褶皺產(chǎn)出,巖層傾角發(fā)生轉(zhuǎn)變,前緣巖層產(chǎn)狀235°∠34°,滑坡后緣巖層產(chǎn)狀71°∠16°,滑坡體受第四系地層覆蓋未能測得產(chǎn)狀。古滑坡主滑方向237°,滑坡表面坡度19°～55°。整體海拔介于2 113.20～2 238.55 m,相對高差約125.35 m。古滑坡縱向長度210 m,寬1 100 m,滑坡體厚度2.5～14.7 m,滑坡體積約1.9×106m3,屬于中層大型牽引式滑坡。滑坡堆積物主要為塊、碎石及粉質(zhì)黏土。塊、碎石成分及基巖為侏羅系中統(tǒng)花開左組上段(J2h2)強風(fēng)化泥巖、泥質(zhì)粉砂巖及粉砂質(zhì)泥巖,皆為紅層巖土。

開挖斷面、鉆孔巖芯及探井揭示堆積體內(nèi)部有多層連續(xù)或間斷的軟弱夾層滑動面,且各個軟弱夾層厚薄不一。軟弱夾層外觀呈灰、灰白色,斷面光滑,初步判斷呈可塑-軟塑狀,且具有一定的隔水作用。最底層軟弱夾層位于基巖界面之上,各軟弱夾層的厚度隨埋深增加而變厚。開挖斷面及探井揭示在軟弱夾層的層面上有水流,且流量隨天氣變化而變化。

2 古滑坡及軟弱夾層形成時代

探井?dāng)嗝娼沂?從地表至基巖面堆積體其物質(zhì)成分從塊碎石土過渡到碎石土,然后過渡到軟弱夾層,粒徑逐漸變小。從探井TJ1及TJ2中取樣4組,取樣點見圖1(b),取樣時間選在陰天傍晚,且取樣位置距離剖面50 cm深度處。樣品采集后立即用塑料袋扎口封裝,然后放入黑布袋內(nèi)。其中S1和S3為滑坡堆積物(紅層堆積物),樣品局部含有軟體動物殘殼;S2和S4為軟弱夾層(滑帶土)。對樣品進(jìn)行電子自旋共振法(ESR)測試絕對年齡,結(jié)果見表1。

表1 關(guān)平古滑坡樣品絕對年齡Tab.1 Absolute age of Guanping ancient landslide sample

結(jié)合電子自旋共振法(ESR)測年結(jié)果,可以推斷關(guān)平古滑坡的形成時代距今48 500～53 000 a,而軟弱夾層形成年代距今49 600～50 100 a。從測年結(jié)果可以得出:測年資料顯示幾個樣品之間結(jié)果基本接近,且年齡數(shù)據(jù)差別較小,說明古滑坡與軟弱夾層基本上是同一時期的產(chǎn)物。

3 軟弱夾層成因探討

3.1 礦物成分分析

根據(jù)關(guān)平古滑坡堆積物及軟弱夾層絕對年齡測試結(jié)果,軟弱夾層與紅層堆積物基本在同一時期形成,而該地區(qū)在該段地質(zhì)時期內(nèi)并無大的地質(zhì)構(gòu)造作用,據(jù)此可以推測軟弱夾層的形成與紅層堆積物自身礦物在漫長地質(zhì)環(huán)境中發(fā)生風(fēng)化、溶蝕以及參與水巖化學(xué)反應(yīng)后的產(chǎn)物有關(guān),且軟弱夾層的礦物成分與紅層堆積物中的礦物有一定的聯(lián)系和相似之處。

為了查明紅層堆積物與軟弱夾層之間的礦物成分及兩者之間的相互關(guān)系,并進(jìn)一步探討軟弱夾層的成因,利用X射線衍射分析方法(儀器為DX-2700型)對紅層堆積物、滑動面和軟弱夾層的礦物組成進(jìn)行測試分析,結(jié)果見表2。

表2 礦物成分分析結(jié)果Tab.2 Analytical results of various minerals %

對比礦物成分分析結(jié)果可以得出:① 軟弱夾層的礦物組成和紅層堆積物基本一致,主要包括石英、長石、黏土礦物、云母、高嶺石等,可以認(rèn)為二者具有同源性;② 伊利石、高嶺石、蒙脫石及綠泥石等黏土礦物從紅層堆積物到軟弱夾層含量有所增加;③ 長石、云母等碎屑礦物從紅層堆積物到軟弱夾層含量有所減小;④ 軟弱夾層主要礦物為黏土礦物,含量占47.5%,在滑動面上蒙脫石含量較軟弱夾層及紅層堆積體都高,也即在滑動面上有蒙脫石富集現(xiàn)象,這與國內(nèi)外一些學(xué)者的研究結(jié)果一致[24-27]。

3.2 水質(zhì)檢測分析

地下水是水-巖(土)化學(xué)作用的重要場所,在紅層堆積物轉(zhuǎn)變?yōu)檐浫鯅A層的過程中起著非常重要的作用,包括溶蝕、淋濾、沖刷、劈裂、水解、沉淀、離子交換及水化學(xué)反應(yīng)等,因此對滑帶處地下水進(jìn)行水質(zhì)檢測對認(rèn)識水-巖(土)化學(xué)反應(yīng)具有重要意義。取滑坡后緣地表水及軟弱夾層處地下水進(jìn)行水質(zhì)檢測,結(jié)果見表3。軟弱夾層地下水水質(zhì)為Na++K+,Ca2+,SO42-,HCO3-類型。對比兩處水樣結(jié)果可得出:① 兩處水中的CO2含量有所下降,其原因是CO2參與了造巖礦物長石、云母的黏土化過程,作用的化學(xué)反應(yīng)式如下:

表3 水質(zhì)分析結(jié)果Tab.3 Analytical results of water quality mg/L

H2O+CO2+KAlSi3O8(長石)→Al4(Si4O10)(OH)8(高嶺石)+SiO2+K2CO3

骨架礦物的黏土化過程是一個消耗CO2的過程,隨著水中溶解的CO2濃度升高而反應(yīng)加速,同時伊利石在向蒙脫石轉(zhuǎn)化的過程中也需要消耗CO2。在上述反應(yīng)產(chǎn)物中有SiO2會發(fā)生脫硅作用,這使得長石、云母等造巖礦物進(jìn)一步向黏土礦物(高嶺石、蒙脫石、伊利石等)演化;② 兩處水樣對比發(fā)現(xiàn)滑帶處水中Na++K+離子含量升高,根據(jù)湯連生等[28-30]的研究,在紅層地區(qū)含CaSO4、MgSO4的地下水與含Na+的黏土礦物作用,使Na+從黏土中轉(zhuǎn)入地下水中,反應(yīng)如下:

黏土-2Na++CaSO4→Na2SO4+黏土-Ca2+

而K+離子的出現(xiàn)是因為伊利石在向蒙脫石轉(zhuǎn)化的過程釋放出來的,這兩種重要作用使得水中的Na++K+離子含量升高。

3.3 軟弱夾層成因分析

通過礦物分析結(jié)果可以得出軟弱夾層的主要礦物為黏土礦物,含量占47.5%,其次為石英(主要成分為SiO2)。結(jié)合地下水水質(zhì)檢測,軟弱夾層中石英的來源可以來自紅層堆積物本身,也可以來自長石等礦物參與水-巖(土)化學(xué)反應(yīng)的脫硅作用。軟弱夾層中黏土礦物的來源主要有兩種:紅層堆積體內(nèi)部的黏土礦物水解、轉(zhuǎn)移和長石、云母等礦物參與水-巖(土)化學(xué)反應(yīng)后生成的黏土礦物,把二者統(tǒng)稱為次生黏土礦物。軟弱夾層中次生黏土礦物的兩種主要成因分述如下。

(1) 來自紅層堆積體內(nèi)部的次生黏土礦物。礦物成分分析顯示紅層堆積體中黏土礦物含量普遍偏高,而紅層堆積體的透水性強于泥巖等基巖,在地下水的長期作用下紅層堆積體內(nèi)部的原生黏土礦物水化成次生黏土礦物,機理大致分為兩步:首先是水化學(xué)勢能差引起水的宏觀遷移,其次是離子交換作用使黏土顆粒與水的反復(fù)結(jié)合與失水,此過程往往使巖土體產(chǎn)生膨脹、軟化并且改變黏土礦物之間的連接方式,使得巖土體結(jié)構(gòu)變得更松散,最后黏土礦物成分運移到過水?dāng)嗝娌粩喔患纬纱紊ね恋V物。紅層堆積體普遍含黏土礦物較高,這為軟弱夾層的形成提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。

(2)長石、云母等礦物參與水-巖(土)化學(xué)反應(yīng)后生成的次生黏土礦物。此過程主要是長石、云母在漫長的地下水作用下參與水-巖(土)化學(xué)反應(yīng)最終黏土化的過程。雨水由于混入CO2呈弱酸性,而水質(zhì)檢測表明滑帶處地下水呈弱堿性,證明長石、云母等礦物發(fā)生水解,消耗CO2生成伊利石、蒙脫石等次生黏土礦物,而富Ca2+和富Mg2+的弱堿性水環(huán)境(pH為7.0～8.5)有利于長石、云母等礦物的黏土化。

可見軟弱夾層的形成過程其實就是紅層堆積體在漫長地質(zhì)時期參與水-巖(土)化學(xué)反應(yīng)的過程。在這個過程中紅層堆積體是反應(yīng)物,軟弱夾層的各種礦物(黏土礦物、石英等)既是反應(yīng)物也是生成物,在這個過程中參與水-巖(土)化學(xué)反應(yīng)的各種礦物不斷發(fā)生溶解、淋濾、水解水化作用、氧化還原作用、酸堿作用、離子交換作用,各種礦物在勢能差的作用下向過水?dāng)嗝嫣幐患?最終形成軟弱夾層?？梢娫谲浫鯅A層形成過程中水-巖(土)化學(xué)反應(yīng)是主要因素。由各個軟弱夾層的空間分布特征可以得出:紅層堆積物堆積時間越長,參與水-巖(土)化學(xué)反應(yīng)的時間就越長,形成的軟弱夾層越厚(見圖2),這也反映出在紅層堆積體內(nèi)部水-巖(土)化學(xué)反應(yīng)很強烈。

圖2 關(guān)平古滑坡軟弱夾層Fig.2 Weak interlayers of Guanping ancient landslide

4 軟弱夾層的物理力學(xué)性質(zhì)

從探井中的軟弱夾層(基巖界面處)取樣進(jìn)行物理性質(zhì)及抗剪強度試驗,試驗步驟嚴(yán)格執(zhí)行GB/T 50123-2019《土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》。

4.1 物理性質(zhì)試驗

根據(jù)界限含水率試驗,軟弱夾層樣品塑性指數(shù)平均值IP=13.6,液性指數(shù)平均值IL=0.68,因此定名為可塑狀粉質(zhì)黏土。根據(jù)自由膨脹率試驗可知,軟弱夾層自由膨脹率為61%,因此此軟弱夾層為中等膨脹土。軟弱夾層在20°標(biāo)準(zhǔn)溫度下進(jìn)行變水頭滲透試驗,測得垂直滲透系數(shù)k=2.71×10-7m/s,相對于滑坡堆積物(碎石土)來說,它是隔水層。

4.2 抗剪強度試驗

根據(jù)實際開挖情況,軟弱夾層被挖開以后不斷有水從中流出,因此選擇飽和固結(jié)快剪來測試軟弱夾層的強度參數(shù)。試驗結(jié)果顯示:軟弱夾層凝聚力平均值為22.8 kPa,內(nèi)摩擦角平均值為7.1°。

根據(jù)物理力學(xué)試驗,該軟弱夾層屬于紅層堆積體中的易滑地層。

5 結(jié) 論

本文以云龍縣關(guān)平古滑坡軟弱夾層為研究對象,在地質(zhì)調(diào)查、勘探取樣、地質(zhì)測年、礦物成分分析、水質(zhì)分析及力學(xué)試驗等基礎(chǔ)上研究了軟弱夾層的成因及其物理力學(xué)性質(zhì)。得出如下結(jié)論:

(1) 關(guān)平古滑坡為大型紅層堆積體滑坡,紅層堆積物由侏羅系中統(tǒng)花開左組上段(J2h2)強風(fēng)化泥巖、泥質(zhì)粉砂巖及粉砂質(zhì)泥巖碎、塊石組成,礦物成分分析結(jié)果顯示紅層堆積體含有較高的黏土礦物。

(2) 根據(jù)ESR測年結(jié)果,關(guān)平古滑坡形成于距今 48 500～53 000 a,軟弱夾層形成年代距今49 600～50 100 a,兩者基本上是同一時期的產(chǎn)物。

(3) X射線衍射分析結(jié)果顯示軟弱夾層與紅層堆積體具有同源性,軟弱夾層主要礦物為黏土礦物,含量占47.5%,在滑面上有蒙脫石富集現(xiàn)象。

(4) 軟弱夾層地下水水質(zhì)為Na++K+,Ca2+,SO42-,HCO3-類型,地下水環(huán)境呈弱堿性,有利于長石、云母等礦物的黏土化。

(5) 軟弱夾層是紅層堆積體發(fā)生水-巖(土)化學(xué)反應(yīng)后的產(chǎn)物(次生黏土礦物、石英等)不斷向過水?dāng)嗝娓患纬傻?在軟弱夾層形成過程中水-巖(土)化學(xué)反應(yīng)是主要因素,軟弱夾層的厚度與紅層堆積體參與水-巖(土)化學(xué)作用的時間成正比。

(6) 物理力學(xué)試驗表明軟弱夾層屬于紅層堆積體中的易滑地層。