基于特征矿物的红层滑坡形成机理分析

蒋宇 赵宇

摘要：矿物成分是岩土体物理化学性质的主控因素，从矿物成分角度能更加深入地理解红层滑坡形成机理。以四川省五家坟滑坡为例，通过矿物分析、微观结构表征、强度测试等方法确定滑带土特征矿物，并从水岩相互作用角度量化分析特征矿物对滑坡形成的影响。结果表明：滑带土特征矿物为伊利石，含量高达41.9%，并且碎屑矿物散布于伊利石中，不起骨架作用;五家坟滑坡是在长期水岩相互作用下形成的，钠长石转化为伊利石，使滑带中伊利石含量增高，导致滑带土凝聚力增大而内摩擦角下降;矿物颗粒和胶结物在酸性地下水环境中发生溶蚀作用，破坏土体微观结构，导致滑带土强度显著降低;伊利石与碎屑矿物差异性膨胀使坡内土体发生崩解破坏，产生大量崩解裂隙，增强坡体安全系数对雨强的敏感性。

关 键 词：

红层滑坡; 特征矿物; 水岩相互作用; 形成机理; 伊利石; 钠长石

中图法分类号： P694

文献标志码： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.06.014

0 引 言

红层具有强度低、遇水易崩解、软化、膨胀等特殊工程地质性质，属于滑坡灾害易发高发地层。据不完全统计，三峡库区二、三期滑坡治理工程中，红层滑坡崩塌灾害点占69%[1];乔建平[2]调查了乐山66处滑坡，发现93%为红层滑坡;2011年9月，仅南江县就发生了1 162处红层滑坡[3]。这些滑坡不仅数量大，还具有群发性的特点，对人民生命财产和工程建设有极大威胁，需要高度关注。

滑坡形成机理是灾害风险评价、工程治理以及监测预警的基础，苗朝[3]、钟传贵[4]、叶尚其[5]等认为降雨渗入滑坡后缘拉裂缝，增加了坡体内的静水压力是诱发滑坡的主要因素。张群等[6]认为降雨条件下基岩界面岩土体发生软化和润滑，界面效应是滑坡发生的主要原因。舒中潘等[7]从蠕变角度研究红层滑坡形成机理，指出长期地下水渗流和上部荷载引起基覆界面的蠕变变形，当变形达到一定程度后滑坡发生。上述研究主要从物理力学角度对红层滑坡形成机理进行分析，从矿物成分角度方面研究的相对较少。

矿物成分是岩土体的物理、力学、化学性质的主控因素之一，从矿物成分角度能够更加深入地理解滑坡形成的本质。赵宇等[8-9]认为滑面上伊利石转化为膨胀性和强度更低的蒙脱石是滑带土强度降低的原因。简文星等[10]认为含蒙脱石的软弱夹层具有中等膨胀性，遇水后导致抗剪强度降低，是滑坡发生的主要因素之一。Zhang等[11]指出具有亲水性的膨胀性矿物是红层滑坡发生的关键因素，红层遇水膨胀后颗粒间的胶结结构被破坏，孔隙数量和孔径均有所增加。上述研究主要从黏土矿物的膨胀性进行分析，在矿物成分与滑坡形成机理的关系方面分析得并不全面，还有待深入研究。

本文以四川省五家坟滑坡为例，通过X射线衍射仪、扫描电镜和直剪仪，从矿物成分、微观结构、力学参数3个方面综合确定了对滑带土物理力学性质起控制作用的特征矿物。然后，从水-岩（土）相互作用角度，系统性地分析了特征矿物对于红层滑坡形成的影响。

1 五家坟滑坡概况

1.1 五家坟滑坡基本特征

五家坟滑坡位于四川省成都市高新东区丹景乡张家沟村。滑坡表面坡度约为25°～35°，纵向长约350 m，横向平均宽约150 m，主滑方向为145°，滑体厚度10～25 m，后缘错落坎高11 m，滑动距离约25 m，体积约100万m3。

基岩为白垩系下统苍溪组（K1c）细粒长石砂岩夹泥岩，岩层产状145°∠20°。上覆盖堆积层为粉质黏土。滑面为灰绿色粉砂岩与砖红色全风化泥岩的交界面，滑面可见明显擦痕。

1.2 五家坟滑坡降雨特征

降雨是滑坡形成的主要因素之一，90%以上的滑坡均与降雨有关[12]。成都属亚热带季风气候，年平均降雨量为1 000 mm左右。据中国天气网降雨数据统计[13]（见图2），成都2009～2018年间降雨主要集中在5～9月，其中7月降雨最多，降雨量高达304 mm。年气候总体上呈冬春少雨，夏秋多雨的特征。丰沛的降雨和显著的季节性差异，为滑坡中的水-岩（土）相互作用（如水解作用、崩解作用）提供了有利条件。

五家坟滑坡发生于2019年8月8日，据调查，滑坡发生前曾发生连续14 d降雨，并且7月降雨天数达23 d。这表明滑坡发生前有大量雨水转化为地下水，一方面大大增加了坡体自重;另一方面对滑带土产生润滑作用，致使其强度降低，进而导致了滑坡的启动。

2 特征矿物分析

特征矿物是指对岩土体的工程地质性质，如强度，具有特殊意义的矿物。本文在滑坡后缘暴露滑面处采集滑带土样品，对滑带土的矿物组成、微观结构和强度特征3个方面进行分析，综合确定对滑带土起控制性作用的特征矿物。

2.1 滑带土矿物成分分析

采用X射线衍射仪对滑带土的矿物组成进行半定量分析。结果显示：该滑带土由两类矿物组成，一类是碎屑矿物，包含石英（40.4%）、赤铁矿（6.0%）、方解石（5.7%）、钠长石（4.5%）;另一类是黏土矿物，包含伊利石（41.9%）、蒙脱石（1.5%）以及微量蛭石（见图3）。

Mitchell[14]指出如果土体中黏土超过固体物质总量的1/3，其他颗粒将被黏土包裹，颗粒之间不直接接触，此时土体的物理力学特性由黏土控制。五家坟滑坡滑带土中黏土矿物含量高达43.4%，且主要为伊利石，据此推断伊利石对该土样的物理力学性质起控制性作用，是该滑带土的特征矿物。

2.2 滑带土微觀结构分析

采用扫描电镜对滑带土的微观结构进行表征，从图4可知，不同矿物颗粒由于形状和原子系数不同，呈现出一定的灰度值差异，其中较为明亮的颗粒为碎屑矿物，颜色较深的部分为黏土基质，黑色部分为孔隙。碎屑矿物分散镶嵌于黏土基质中，并未起到土体骨架的作用。

滑带土剪切破坏涉及土颗粒的滑动、旋转和破碎等变形和破坏过程，颗粒间所呈现抵抗变形的阻力即为土体摩擦强度。由于滑带土中碎屑矿物不承担土体骨架作用，摩擦强度主要由黏土基质提供。滑坡体发生变形时，黏土基质中的微观孔隙遭受破坏，伊利石等颗粒经历滑动、定向重排列等变形过程，逐渐贯通形成破裂面。因此，主要由伊利石构成的黏土基质控制着滑带土的变形性质。

2.3 滑带土强度特征分析

滑坡发生前有长历时降雨，因此本文选择饱和固结快剪试验来测定滑带土的强度参数，试验步骤参照GB/T 50123-2019《土工试验方法标准》进行。结果显示，凝聚力为36.6 kPa，内摩擦角为2.7°，可见凝聚力处于较高水平，而内摩擦角处于极低水平。

凝聚力与颗粒-水-电之间的相互作用有关，涉及静电引力、范德华力、颗粒间胶结、接触点化合价键以及表观凝聚力[15]。伊利石为扁平状黏土矿物，其表面带负电，侧缘带正电，这样的晶体性质使得滑带土中颗粒-水-电之间的相互作用较强，宏观表现为凝聚力高。内摩擦角主要与颗粒间的滑动摩擦和咬合摩擦有关[15]。伊利石的粒径小、比表面积大且吸水性强，这使得黏土基质中颗粒间的滑动摩擦阻力和咬合摩擦阻力很低，宏观表现为内摩擦角很低。

综上所述，从矿物成分特征、微观结构特征以及强度特征可以确定，该滑带土样品的特征矿物为伊利石，对滑带土物理力学性质起控制性作用。

3 特征矿物对红层滑坡形成的影响

水-岩（土）相互作用是五家坟滑坡下滑力增大、抗滑力减小的关键因素，它包括化学作用（水解、溶蚀等）和物理力学作用（崩解、软化等）两方面。滑坡土体中存在稳定性较差的钠长石、溶解性较高的方解石以及膨胀性强的伊利石等矿物，为坡体内的水解作用、溶蚀作用和崩解作用等提供了物质基础。本节基于上述3种作用展开论述，定量分析了特征矿物对五家坟滑坡形成的影響。

3.1 水解作用

在五家坟滑坡中，钠长石可以水解转化为伊利石。转化形成的伊利石在地下水的作用下，不断向滑带处富集，进而导致滑带中伊利石含量逐渐增高。许多研究也证明了滑带相较于坡内其他部位，黏土矿物含量更高[16-17]。

伊利石含量与滑带土强度紧密相关，本文向滑带土中分别添加伊利石和石英，改变土体中伊利石的含量，然后测定其饱和固结快剪强度。结果显示（见图5）：土体凝聚力随伊利石含量增加而显著增大，55%含量土样相较于20%含量土样，凝聚力增大了6.2倍;而土体内摩擦角随伊利石含量增加而减小，55%含量土样相较于20%含量土样，减小了3.6倍。该规律与靳杭森[18]的研究结果一致。

为了解伊利石含量和土体强度参数的定量关系，采用matlab中内置的Exponential函数对实测强度参数进行拟合。凝聚力和内摩擦角的拟合结果分别为

c=-11840e0.0776x+11850e0.07759x（1）

φ=-181100e0.01229x+181200e0.0.01229x（2）

相关系数分别为0.925和0.975，表明参数拟合曲线与实测值的相关度较高。

滑坡在演化过程中需要经历初始变形阶段、等速变形阶段和加速变形阶段，而其中加速变形阶段可以细分为加速变形初始阶段、加速变形中期阶段和加速变形骤增阶段[19]。这表明在滑坡发生前的漫长演化过程中，滑带已经历一定变形，此时滑带土已越过峰值强度阶段，向残余强度过渡。该阶段中内摩擦角对滑带土变形影响更大，水解作用会引起滑带土伊利石含量增加，进而导致滑带土内摩擦角降低，加快滑坡从初始变形到滑坡启动的进程。

3.2 溶蚀作用

成都雨水pH均值为6.32，呈弱酸性[20]，在渗入坡体时还会溶入表层土中的CO2和植物酸，导致pH值进一步降低。在这样的酸性水环境中，五家坟滑坡会发生较强的溶蚀作用。

为了解溶蚀作用对红层土体强度的影响，将两组成都龙泉山区红层土体分别在自来水（pH=7.5）、HCl溶液（pH=4.0）和NaOH溶液（pH=10.0）中浸泡45 d，然后测定其抗剪强度[21]。结果显示：与自来水溶液相比，酸碱溶液中土体溶蚀作用更强，土样的强度参数下降更多。浸泡于HCl溶液和NaOH溶液中的1号土样相较于浸泡于自来水中的土样，凝聚力分别降低了28.6%和52.4%，内摩擦角分别降低了17.0%和6.4%。而2号土样的凝聚力分别降低了35.5%和19.4%，内摩擦角分别降低了7.4%和14.8%（见表1）。

溶蚀作用导致土体强度降低的本质原因是矿物颗粒和胶结物的溶蚀引起土体微观结构改变，由致密向松散破碎转换。例如：段诚仕等[22]发现90 d的溶蚀作用使土颗粒平均粒径由1.97 μm降低至1.32 μm，而平均孔径由1.47 μm增大至2.31 μm。颗粒形状在溶蚀作用下也会发生改变，由锯齿状或不规则状向圆滑状转化，引起岩土体的内摩擦角减小，导致其力学强度降低[23]。此外，节理裂隙区的溶蚀作用还将促进裂纹的扩展和贯通，有利于滑动面的形成。

3.3 崩解作用

伊利石是典型膨胀型矿物，而碎屑矿物的膨胀性较低甚至不膨胀。这样的膨胀差异性将使土体具有较强的崩解性。研究区具有充足的雨水且冬春少雨，夏秋多雨，这意味这五家坟滑坡在形成过程中，坡内土体经历了长期的吸水-失水循环过程，发生了强烈的崩解破坏。

为了解五家坟滑坡土体的崩解特征，将风干后的滑坡侧缘土样置于烧杯中，用自来水浸没，观察其崩解过程（见图6）。结果显示：土样初遇水时，大量粉末从块体中崩射而出，并且有大量气泡持续冒出;随着崩解作用的进行，土块边缘有少量小块崩落，顶面发育大量崩解裂缝，同时土体沿层理方向发生解离。

基于上述观察，可以确定五家坟滑坡土体崩解特征为：① 粉末状颗粒崩射;② 崩解物鳞片状剥落;③ 层状解离。水快速进入土体孔隙中，会使孔隙气压缩，当孔隙气压力超过粉末颗粒间的吸引力时，便会将土颗粒推出土体，同时逸散出大量气泡[24]。在吸水过程中，黏土矿物颗粒（如伊利石）与碎屑矿物颗粒（如石英）不均匀地膨胀，进而产生不均匀应力，弱化颗粒间的连接，进而使土块发生剥落和层状解离[11，25]。

丰沛的降雨和显著的季节性差异为崩解作用的发生提供了环境条件，而较高含量的伊利石又为崩解作用提供了物质基础。强烈的崩解作用会使滑坡体内发育大量的崩解裂隙，这将为地下水渗入提供渗流通道、改善渗流路径，促进水-岩（土）相互作用的进行。崩解裂隙的存在还会增强坡体安全系数对雨强的敏感性，裂隙越大、越深，在降雨条件下坡体安全系数下降越快[26]。

水解作用、溶蚀作用和崩解作用在五家坟滑坡形成过程中发挥着重要作用。除此之外，其他水-岩（土）相互作用类型对滑坡演化和启动中也具有重大影响，例如滑坡启动前大量雨水转化为地下水，导致地下水位快速升高，一方面显著增加了坡体的自重;另一方面在坡体内产生较高的静水压力，促进滑坡的发生。总而言之，五家坟滑坡是在长期水-岩（土）相互作用下形成的。

4 结 论

（1） 五家坟滑坡滑带土中矿物成分由碎屑矿物（石英、赤铁矿、方解石、钠长石）和黏土矿物（伊利石、蒙脱石、蛭石）组成，其中伊利石含量高达41.9%，为该滑带土的特征矿物。

（2） 滑带土的微观结构中，碎屑矿物分散镶嵌于黏土基质中，并未起土体骨架作用，土体破坏发生在黏土基质中。

（3） 钠长石水解转化为伊利石，并在地下水作用下向滑带处富集，使得滑带土中伊利石含量不断增加。伊利石含量与土体内摩擦角呈负相关，加快滑坡从初始变形到滑坡启动的进程。

（4） 矿物颗粒和胶结物在弱酸性的水环境中会发生强烈的溶蚀作用，土颗粒粒径减小而土体孔隙增大，微观结构由致密向松散破碎转换，致使滑带土强度显著降低。

（5） 较多的伊利石和丰沛的降雨补给使五家坟滑坡发生较强的崩解作用，其崩解特征为粉末状颗粒崩射、崩解物鳞片状剥落和层状解离。崩解作用使滑坡体内发育大量的崩解裂隙，這既会为地下水提供渗流通道，又会增强坡体安全系数对雨强的敏感性。

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（编辑：刘 媛）

Analysis on formation mechanism of red-stratum landslide based on characteristic mineral

JIANG Yu1，2，ZHAO Yu1

（1.Institute of Mountain Hazards and Environment，Chinese Academy of Science，Chengdu 610041，China; 2.University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China）

Abstract：

The mineral composition is the main controlling factor for the physical and chemical properties of rock and soil mass，which is helpful to further understand the formation mechanism of red-stratum landslide.Taking the Wujiafen landslide in Sichuan Province as an example，the characteristic minerals of slip zone soil are determined by mineral analysis，micro-structure characterization and strength test.And the influence of characteristic minerals on the formation of the landslide is analyzed quantitatively from the perspective of water-rock interaction.The results show that illite is the characteristic mineral of slip zone soil with content up to 41.9%.Clastic minerals are scattered in illite，not playing a skeleton role.The Wujiafen landslide is formed under the long-term water-rock interaction.The transformation of albite into illite increases the content of illite in the slip zone，which leads to the increase of cohesion and the decrease of the internal friction angle of the slip zone soil.Mineral particles and cementation dissolve in the acid underground water environment，destroying the soil micro-structure and reducing the strength of the sliding zone soil.The differential expansion of illite and clastic minerals causes the disintegration and failure of the soil in the slope and develops a large number of disintegrated fissures，which enhances the sensitivity of slope safety coefficient to rainfall intensity.

Key words：

red-stratum landslide;characteristic minerals;water-rock interaction;formation mechanism;illite;albite