兰州及周边地区灌溉对于黄土滑坡微结构的变化研究

王　健，侯小强，李小强，姚正学

（1.国网兰州供电公司，甘肃 兰州 730030；2.甘肃建筑职业技术学院，甘肃 兰州 730050；3.甘肃省科学院地质自然灾害防治研究所，甘肃　兰州 730000）

兰州及周边地区灌溉对于黄土滑坡微结构的变化研究

王健1，侯小强2，李小强1，姚正学3

（1.国网兰州供电公司，甘肃 兰州 730030；2.甘肃建筑职业技术学院，甘肃 兰州 730050；3.甘肃省科学院地质自然灾害防治研究所，甘肃兰州 730000）

选取具有代表性的焦家湾和九州石峡口两处滑坡，分别对两处滑坡坡脚和坡顶黄土进行了粒度试验、SEM图像电镜扫描、化学特征分析等实验，分析认为灌溉时水分子自上而下渗流过程中，黄土层中微小颗粒、可溶物也随之下迁，形成坡顶至坡脚黄土颗粒粒度、结构特征、可溶物含量截然不同的特征。

黄土；滑坡；微结构

0　引言

近年来，兰州及周边地区滑坡越来越多，直接影响人们的生命财产及安全。国内学者对黄土滑坡的研究，主要是依据兰州及周边地区黄土滑坡发生的地点和季节，认为台塬地带集中灌溉或突发降雨等因素诱发的黄土滑坡，以滑坡滑体的岩土体组成、滑体厚度以及剪出口位置为依据研究滑坡机理［1-8］，众多学者利用三轴、直剪或者环剪实验，研究不同荷载、不同含水量同应变的剪切特性［9-17］。笔者认为每处黄土的形成过程、所处的地形、地貌等自然因素不同，决定了它们力学性质的差异性，其实质主要取决于黄土微结构的差异，主要表现在粒度变化、颗粒微观结构以及遇水软化的可溶物含量有密切关系。在诸多学者研究基础上，本文选取具有代表性的焦家湾和九州石峡口两处滑坡，分别对两处滑坡坡脚和坡顶黄土进行了粒度试验、SEM图像电镜扫描、化学特征分析等实验，进一步验证其颗粒粒度、黄土颗粒结构特征、可溶物及黄土层位置的关系。

1　黄土粒度

土体粒度决定了土颗粒本身特征以及土体的结构特征，颗粒大小分布呈非线性，提出研究土体粒度主要是研究不同粒径含量、平均粒径、孔隙率、体积表面积和质量表面积、粒径平均距离。这些参数决定了土颗粒密实性、黏结性、摩擦性、透水性以及搬运性。本次试验采用中国科学院水利部成都山地灾害与环境研究所综合测试与模拟中心购置马尔文激光粒度仪（APA2000）中的湿法进行试验，对焦家湾和九州石峡口坡顶和坡脚两处土样进行了颗粒分析。

从图1～图4可以看出，土样的颗粒粒径最小为0.03 μm，最大为120.48 μm。从颗粒粒径的分布来看，粒径主要分布范围在10～50 μm。其中焦家湾粒度分析来讲，0～5.0 μm细黏土颗粒粒度含量，上部7.761%，下部8.526%，两者相差不大，5～10 μm粗黏土上部占6.214%，下部占18.18%，10～50 μm细粉土，包括粉质黏土、粉砂、风成黄土，焦家湾上部占60.959%，焦家湾下部占64.283%，50～100 μm粗粉土焦家湾上部占20.664%，焦家湾下部占16.241%，100～250 μm细砂粒上部占4.402%，焦家湾下部占2.995%，从比表面积来看，上部土颗粒较粗，下部土颗粒较细。其中九州石峡口粒度分析来讲，0～5.0 μm细黏土颗粒粒度含量相差较大，上部含量10.758%，下部含量12.538%，5.0～10.0 μm粗黏土，其中上部占12.633%，下部占12.705%，10.0～50.0 μm细粉土上部占66.282%，下部占62.919%，50.0～100.0 μm粗粉土上部占9.097%，下部占10.054%，100～250 μm细砂粒上部占1.23%，下部占1.697%。

图1　焦家湾上YGXS-1粒度分布

图2　焦家湾下YGXX-1粒度分布

图3　九州上JZHS-1粒度分布

图4　九州下JZHX-1粒度分布

剖面自上而下，焦家湾黏土中细黏粒粒级（＜5 μm）含量及粗黏土粒级（5～10 μm）含量，增加的趋势较为明显，细粉级（10～50 μm）土粒级含量有相应增加的趋势，粉砂粒级（10～50 μm）及细砂粒级（100～250 μm）含量有相应减小的趋势；九州石峡口黏土中细黏粒粒级（＜5 μm）含量及粗黏土粒级（5～10 μm）含量有增加的趋势，细粉级（10～50 μm）土粒级有相应增加的趋势，粉砂粒级（50～100 μm）及细砂粒级（100～250 μm）含量有相应减小的趋势，说明九州黄土主要集中在0～10 μm黏粒呈增加趋势。

以上粒度级配反映了岩土性质与颗粒表面特征相关性，特别在结合水或者吸附性方面，主要是矿物质颗粒表面分子具有的表面能［11］。粒度越细，比表面积越大，吸附性越强，结合水能力越强；粒度越粗，比表面积越小，结合水和吸附性越弱，但粒度摩擦相应增加，孔隙率也相应增大。岩土材料的许多性质都与颗粒的表面特性相关，表面积的大小不仅可以反映颗粒的大小和形状，还可以反映黏土矿物的吸附性能等。由表1可知，焦家湾比表面积上部比下部小，说明上部粒径比下部粒径整体要大，自然孔隙率也较大，根据九州石峡口表面积上部比下部稍小，说明上部粒径比下部粒径整体稍大，孔隙率也稍大，但是效果不太明显。由此说明，焦家湾下部（0～10 μm）黏土颗粒累计26.7%，九州石峡口累计25.24%，焦家湾结合水和吸附性比九州较强。

表1　马尔文粒度实验测试参数统计

2　颗粒微观结构特征

土颗粒形态主要从土体的微观结构分析颗粒相互咬合状况。通常分为微胶结构、半胶结构、胶接结构三种。微胶结构主要以骨架颗粒松散堆积，以棱角、面或棱边相互接触，颗粒间孔隙发育，孔隙较大，颗粒表面干净。半胶结构以松散堆积的骨架颗粒轮廓清楚，以棱角、面或棱边相互接触，孔隙较小，颗粒表面微胶结。胶接结构骨架颗粒轮廊不清楚，微细胶结物质较多，致密。

图5（a）所示属于粉砂层，颗粒结构多为支架大孔结构，块状、板状、片状颗粒较多，颗粒分选较好，内部有集聚物存在，部分颗粒之间存在一定的胶结，有少量黏土桥，多为镶嵌接触及边-面接触形式。图5（b）能见块状颗粒，多为立方体状及不规则状，颗粒分选及定向性都较好，内部集粒相对较多，部分颗粒之间呈凝-凝块胶结，颗粒表面的硅沉淀呈条带状，黏粒集聚，颗粒多为穿插镶嵌接触及边-面接触形式，孔隙较小。图5（c）所示属于粉黏砂层，颗粒结构多为支架大孔结构，块状、片状颗粒较多，颗粒分选较好，各种类型的聚粒较多，骨架颗粒松散堆积，以棱角或棱边相互接触，孔隙较大，有明显胶结现象。图5（d）所示属于黏土层，块状颗粒较多，无片状，骨架颗粒紧密堆积，以点面接触，粒间孔隙较小，骨架颗粒轮廊不清楚，微细胶结物质较多，键嵌微孔微胶结结构。综合上述微结构特征描述，说明焦家湾和九州石峡口滑坡长期受到灌溉水的作用，黏性土颗粒较小，比表面积较大，结合水和水分析吸附性作用下，下渗过程中一起迁移至下层土中，形成了上层黄土微结构多以大孔骨架结构或者松散堆积现象，下层土颗粒骨架颗粒紧密堆积，镶嵌的微孔隙结构特征，同时表明颗粒粒径越小，随水分子下迁的速度越快。

图5　土体SEM电镜显示图

3　化学特征变化

焦家湾滑坡地处黑方台台塬地带边缘，长期受农田灌溉影响，九州石峡口地处兰州市北塔山后侧，长期受到南北两山绿化灌溉作用。它们的共同特点就是灌溉水下渗在黄土与基岩接触面上形成软弱层，该处随着灌溉水量增加，含水量也随即增加，在坡脚附近有泉水出露。本次同样对两处滑坡坡脚出露泉水和灌溉水取样进行化学特征分析，结果见表2。

根据表2分析可知，M g2+、Ca2+、Na+、K+、H CO3-、Cl-、CO32-、SO42-等离子坡脚含量远远大于坡顶，说明土体中各离子在灌溉水下渗过程中发生了水解、溶蚀、离子交换等一系列化学反应，Na+、Cl-分别增加好几百倍，说明具有很强的离子交换吸附和迁移性，Ca2+、H CO3-、SO42-含量次之，迁移性相对较弱，K+、M g2+、CO32-较弱。同时说明，下层黄土中含有的可溶性钠盐最多，这说明在较小颗粒下渗过程就是易溶性盐和可溶性盐下渗过程。

4　结语

焦家湾滑坡、九州石峡口滑坡都存着灌溉浇水，因此坡上、坡下取样试验分析后，发现在粒度变化、颗粒形态结构以及化学特征方面变化较为显著。

（1）在粒度分析上，利用先进的马尔文激光粒度仪（APA2000）中的湿法进行试验，发现坡顶黄土粒径均大于坡脚处，这说明在灌溉过程中粒径较小的土颗粒随着渗水一起迁移，主要集中在0～10 μm黏土颗粒，形成下部土体颗粒平均粒径小于坡顶。

（2）在土体微结构方面，利用SEM图像显示分析，在灌溉过程中粒径较小黏结物随着灌溉水迁移至坡脚，以致大粒径颗粒表面干净，仅有少量小颗粒镶嵌在大粒径颗粒空隙中，形成了骨架堆积松散结构。由于小颗粒随着灌溉水下迁，片状在水软化作用下分解为较小颗粒依次下迁至下部大颗粒骨架空隙或者附着在骨架颗粒表面，形成了密实堆积结构。

（3）在化学特征方面，根据滑坡上下部各种可溶性化学离子浓度增加，说明在灌溉过程中，细颗粒土体随着水分子下迁时也随机下迁，且细颗粒中在水化学作用下迅速溶解，以液态或者液塑态下迁，导致坡体底部易溶性盐和可溶性盐增加。根据粒度分析结果可知，较小颗粒下渗过程就是易溶性盐和可溶性盐下渗过程。

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TU4

A

1009-7716（2016）09-0208-03

2016-05-17

国家电网甘肃电力科技项目（5227011600D9）；甘肃省建科技攻关项目（JK2016-23）；甘肃省高等学校科研项目（2013B-124）

王健（1979-），男，甘肃兰州人，硕士，高级工程师，从事输电线路安全技术研究工作。