红层堆积体软弱夹层形成中的水-岩(土)化学作用

张 劲 松,杨 红,叶 咸,王 双 龙

(1.云南省交通规划设计研究院有限公司,云南 昆明 650011; 2.云南省数字交通重点实验室(筹),云南 昆明 650000; 3.云南省水利水电勘测设计研究院,云南 昆明 650021)

0 引 言

云南省高原中部、南部有完整成片的侏罗系-白垩系地层分布,该套地层统称为中生代红层。红层中黏土矿物含量较高,具有透水性弱、亲水性强、浸水后岩体强度软化、失水后易崩解开裂、易塑变、抗压强度低、抗风化能力弱等特点[1-4]。大理-漾濞-云龙-兰坪高速公路(大漾云兰高速公路)绝大部分段落位于红层区,路线范围发育多处红层堆积体古滑坡,古滑坡沿软弱夹层的复活给路线的选线、设计及施工都带来很大难度。软弱夹层对滑坡的发生起着控制性作用,因此对软弱夹层的形成演化及物理力学性质的研究成为红层区滑坡灾害研究的关键科学问题。

在软弱夹层的物理力学性质方面,大量学者[5-10]通过试验对不同区域内红层滑坡软弱夹层的物理力学性质及破坏模式进行了研究,也有学者[11-14]从矿物成分、连接方式及水-岩(土)化学作用影响等微观角度对红层滑坡体内软弱夹层的物理力学性质及变形破坏方式进行了研究,其研究成果为广大红层地区滑坡软弱夹层参数选取提供了理论依据。

在软弱夹层的形成演化方面,大量学者[15-21]认为红层地区软弱夹层的形成大致分为3个阶段:① 沉积环境形成砂质岩和泥岩、黏土岩、页岩等软硬互层结构;② 构造、风化等作用使得软硬互层结构中的软岩发生破坏;③ 在地下水的长期作用下软岩的状态、物理化学性质、物质成分发生变化,软岩泥化为软弱夹层。也有学者[22-23]认为由于红层中含有大量黏土矿物,导致其内部水-岩(土)化学作用强烈,在软弱夹层形成过程中起主导作用的是水-岩(土)化学作用。

前人对软弱夹层的研究多集中在工程地质特性及物理力学性质上,很少研究软弱夹层的形成过程,且研究对象多集中在基岩滑坡体内的软弱夹层,对红层堆积体内部软弱夹层的成因研究鲜有涉足。本文以大理州云龙县关平古滑坡软弱夹层为研究对象,结合地质调查、取样、地质测年、矿物成分分析、水质分析及物理力学试验,研究了红层堆积体内水-岩(土)化学作用特征、软弱夹层的成因及其物理力学性质。研究结果对认识红层堆积体内部软弱夹层成因及红层区滑坡灾害防治具有重要意义。

1 关平古滑坡及软弱夹层基本特征

关平古滑坡位于云南省大理白族自治州云龙县关平乡,大漾云兰高速公路K86+000～K87+100段右侧(见图1(a)),属于大型红层堆积体滑坡。通过走访当地居民和现场调查收集资料,关平古滑坡在施工之前近50 a内无活动痕迹。K86+000～K87+100段边坡开挖后,不断有水顺着软弱夹层沿坡面流出,当天晚上该段右侧边坡沿软弱夹层发生整体滑移,软弱夹层对关平古滑坡的稳定性起控制性作用。

图1 关平古滑坡全貌及1-1剖面图 Fig.1 Full view and 1-1 profile of Guanping ancient landslide

古滑坡区域整体呈圈椅状地形,后缘陡坎明显且基岩出露,滑坡前缘关平河附近发育有关坪河断层,受断层影响,工程区岩层呈褶皱产出,岩层倾角发生转变,前缘岩层产状235°∠34°,滑坡后缘岩层产状71°∠16°,滑坡体受第四系地层覆盖未能测得产状。古滑坡主滑方向237°,滑坡表面坡度19°～55°。整体海拔介于2 113.20～2 238.55 m,相对高差约125.35 m。古滑坡纵向长度210 m,宽1 100 m,滑坡体厚度2.5～14.7 m,滑坡体积约1.9×106m3,属于中层大型牵引式滑坡。滑坡堆积物主要为块、碎石及粉质黏土。块、碎石成分及基岩为侏罗系中统花开左组上段(J2h2)强风化泥岩、泥质粉砂岩及粉砂质泥岩,皆为红层岩土。

开挖断面、钻孔岩芯及探井揭示堆积体内部有多层连续或间断的软弱夹层滑动面,且各个软弱夹层厚薄不一。软弱夹层外观呈灰、灰白色,断面光滑,初步判断呈可塑-软塑状,且具有一定的隔水作用。最底层软弱夹层位于基岩界面之上,各软弱夹层的厚度随埋深增加而变厚。开挖断面及探井揭示在软弱夹层的层面上有水流,且流量随天气变化而变化。

2 古滑坡及软弱夹层形成时代

探井断面揭示,从地表至基岩面堆积体其物质成分从块碎石土过渡到碎石土,然后过渡到软弱夹层,粒径逐渐变小。从探井TJ1及TJ2中取样4组,取样点见图1(b),取样时间选在阴天傍晚,且取样位置距离剖面50 cm深度处。样品采集后立即用塑料袋扎口封装,然后放入黑布袋内。其中S1和S3为滑坡堆积物(红层堆积物),样品局部含有软体动物残壳;S2和S4为软弱夹层(滑带土)。对样品进行电子自旋共振法(ESR)测试绝对年龄,结果见表1。

表1 关平古滑坡样品绝对年龄Tab.1 Absolute age of Guanping ancient landslide sample

结合电子自旋共振法(ESR)测年结果,可以推断关平古滑坡的形成时代距今48 500～53 000 a,而软弱夹层形成年代距今49 600～50 100 a。从测年结果可以得出:测年资料显示几个样品之间结果基本接近,且年龄数据差别较小,说明古滑坡与软弱夹层基本上是同一时期的产物。

3 软弱夹层成因探讨

3.1 矿物成分分析

根据关平古滑坡堆积物及软弱夹层绝对年龄测试结果,软弱夹层与红层堆积物基本在同一时期形成,而该地区在该段地质时期内并无大的地质构造作用,据此可以推测软弱夹层的形成与红层堆积物自身矿物在漫长地质环境中发生风化、溶蚀以及参与水岩化学反应后的产物有关,且软弱夹层的矿物成分与红层堆积物中的矿物有一定的联系和相似之处。

为了查明红层堆积物与软弱夹层之间的矿物成分及两者之间的相互关系,并进一步探讨软弱夹层的成因,利用X射线衍射分析方法(仪器为DX-2700型)对红层堆积物、滑动面和软弱夹层的矿物组成进行测试分析,结果见表2。

表2 矿物成分分析结果Tab.2 Analytical results of various minerals %

对比矿物成分分析结果可以得出:① 软弱夹层的矿物组成和红层堆积物基本一致,主要包括石英、长石、黏土矿物、云母、高岭石等,可以认为二者具有同源性;② 伊利石、高岭石、蒙脱石及绿泥石等黏土矿物从红层堆积物到软弱夹层含量有所增加;③ 长石、云母等碎屑矿物从红层堆积物到软弱夹层含量有所减小;④ 软弱夹层主要矿物为黏土矿物,含量占47.5%,在滑动面上蒙脱石含量较软弱夹层及红层堆积体都高,也即在滑动面上有蒙脱石富集现象,这与国内外一些学者的研究结果一致[24-27]。

3.2 水质检测分析

地下水是水-岩(土)化学作用的重要场所,在红层堆积物转变为软弱夹层的过程中起着非常重要的作用,包括溶蚀、淋滤、冲刷、劈裂、水解、沉淀、离子交换及水化学反应等,因此对滑带处地下水进行水质检测对认识水-岩(土)化学反应具有重要意义。取滑坡后缘地表水及软弱夹层处地下水进行水质检测,结果见表3。软弱夹层地下水水质为Na++K+,Ca2+,SO42-,HCO3-类型。对比两处水样结果可得出:① 两处水中的CO2含量有所下降,其原因是CO2参与了造岩矿物长石、云母的黏土化过程,作用的化学反应式如下:

表3 水质分析结果Tab.3 Analytical results of water quality mg/L

H2O+CO2+KAlSi3O8(长石)→Al4(Si4O10)(OH)8(高岭石)+SiO2+K2CO3

骨架矿物的黏土化过程是一个消耗CO2的过程,随着水中溶解的CO2浓度升高而反应加速,同时伊利石在向蒙脱石转化的过程中也需要消耗CO2。在上述反应产物中有SiO2会发生脱硅作用,这使得长石、云母等造岩矿物进一步向黏土矿物(高岭石、蒙脱石、伊利石等)演化;② 两处水样对比发现滑带处水中Na++K+离子含量升高,根据汤连生等[28-30]的研究,在红层地区含CaSO4、MgSO4的地下水与含Na+的黏土矿物作用,使Na+从黏土中转入地下水中,反应如下:

黏土-2Na++CaSO4→Na2SO4+黏土-Ca2+

而K+离子的出现是因为伊利石在向蒙脱石转化的过程释放出来的,这两种重要作用使得水中的Na++K+离子含量升高。

3.3 软弱夹层成因分析

通过矿物分析结果可以得出软弱夹层的主要矿物为黏土矿物,含量占47.5%,其次为石英(主要成分为SiO2)。结合地下水水质检测,软弱夹层中石英的来源可以来自红层堆积物本身,也可以来自长石等矿物参与水-岩(土)化学反应的脱硅作用。软弱夹层中黏土矿物的来源主要有两种:红层堆积体内部的黏土矿物水解、转移和长石、云母等矿物参与水-岩(土)化学反应后生成的黏土矿物,把二者统称为次生黏土矿物。软弱夹层中次生黏土矿物的两种主要成因分述如下。

(1) 来自红层堆积体内部的次生黏土矿物。矿物成分分析显示红层堆积体中黏土矿物含量普遍偏高,而红层堆积体的透水性强于泥岩等基岩,在地下水的长期作用下红层堆积体内部的原生黏土矿物水化成次生黏土矿物,机理大致分为两步:首先是水化学势能差引起水的宏观迁移,其次是离子交换作用使黏土颗粒与水的反复结合与失水,此过程往往使岩土体产生膨胀、软化并且改变黏土矿物之间的连接方式,使得岩土体结构变得更松散,最后黏土矿物成分运移到过水断面不断富集形成次生黏土矿物。红层堆积体普遍含黏土矿物较高,这为软弱夹层的形成提供了物质基础。

(2)长石、云母等矿物参与水-岩(土)化学反应后生成的次生黏土矿物。此过程主要是长石、云母在漫长的地下水作用下参与水-岩(土)化学反应最终黏土化的过程。雨水由于混入CO2呈弱酸性,而水质检测表明滑带处地下水呈弱碱性,证明长石、云母等矿物发生水解,消耗CO2生成伊利石、蒙脱石等次生黏土矿物,而富Ca2+和富Mg2+的弱碱性水环境(pH为7.0～8.5)有利于长石、云母等矿物的黏土化。

可见软弱夹层的形成过程其实就是红层堆积体在漫长地质时期参与水-岩(土)化学反应的过程。在这个过程中红层堆积体是反应物,软弱夹层的各种矿物(黏土矿物、石英等)既是反应物也是生成物,在这个过程中参与水-岩(土)化学反应的各种矿物不断发生溶解、淋滤、水解水化作用、氧化还原作用、酸碱作用、离子交换作用,各种矿物在势能差的作用下向过水断面处富集,最终形成软弱夹层。可见在软弱夹层形成过程中水-岩(土)化学反应是主要因素。由各个软弱夹层的空间分布特征可以得出:红层堆积物堆积时间越长,参与水-岩(土)化学反应的时间就越长,形成的软弱夹层越厚(见图2),这也反映出在红层堆积体内部水-岩(土)化学反应很强烈。

图2 关平古滑坡软弱夹层Fig.2 Weak interlayers of Guanping ancient landslide

4 软弱夹层的物理力学性质

从探井中的软弱夹层(基岩界面处)取样进行物理性质及抗剪强度试验,试验步骤严格执行GB/T 50123-2019《土工试验方法标准》。

4.1 物理性质试验

根据界限含水率试验,软弱夹层样品塑性指数平均值IP=13.6,液性指数平均值IL=0.68,因此定名为可塑状粉质黏土。根据自由膨胀率试验可知,软弱夹层自由膨胀率为61%,因此此软弱夹层为中等膨胀土。软弱夹层在20°标准温度下进行变水头渗透试验,测得垂直渗透系数k=2.71×10-7m/s,相对于滑坡堆积物(碎石土)来说,它是隔水层。

4.2 抗剪强度试验

根据实际开挖情况,软弱夹层被挖开以后不断有水从中流出,因此选择饱和固结快剪来测试软弱夹层的强度参数。试验结果显示:软弱夹层凝聚力平均值为22.8 kPa,内摩擦角平均值为7.1°。

根据物理力学试验,该软弱夹层属于红层堆积体中的易滑地层。

5 结 论

本文以云龙县关平古滑坡软弱夹层为研究对象,在地质调查、勘探取样、地质测年、矿物成分分析、水质分析及力学试验等基础上研究了软弱夹层的成因及其物理力学性质。得出如下结论:

(1) 关平古滑坡为大型红层堆积体滑坡,红层堆积物由侏罗系中统花开左组上段(J2h2)强风化泥岩、泥质粉砂岩及粉砂质泥岩碎、块石组成,矿物成分分析结果显示红层堆积体含有较高的黏土矿物。

(2) 根据ESR测年结果,关平古滑坡形成于距今 48 500～53 000 a,软弱夹层形成年代距今49 600～50 100 a,两者基本上是同一时期的产物。

(3) X射线衍射分析结果显示软弱夹层与红层堆积体具有同源性,软弱夹层主要矿物为黏土矿物,含量占47.5%,在滑面上有蒙脱石富集现象。

(4) 软弱夹层地下水水质为Na++K+,Ca2+,SO42-,HCO3-类型,地下水环境呈弱碱性,有利于长石、云母等矿物的黏土化。

(5) 软弱夹层是红层堆积体发生水-岩(土)化学反应后的产物(次生黏土矿物、石英等)不断向过水断面富集形成的,在软弱夹层形成过程中水-岩(土)化学反应是主要因素,软弱夹层的厚度与红层堆积体参与水-岩(土)化学作用的时间成正比。

(6) 物理力学试验表明软弱夹层属于红层堆积体中的易滑地层。