黃土坡臨江1#滑坡滑帶土的淋溶試驗研究

何 晨，史婷婷，曾 雯，林國華，連志鵬

(1.中國地質大學(武漢)教育部長江三峽庫區地質災害研究中心，湖北 武漢 430074；2.中國地質調查局武漢地質調查中心(中南地質科技創新中心)，湖北 武漢 430205)

水作用誘發的滑坡在滑坡災害中約占90%，降雨是滑坡最主要、最常見的誘發因素[1],降雨轉化的地下水及其與斜坡巖土體之間的水-巖相互作用易誘發滑坡[2]。水-巖(土)相互作用影響著滑坡的穩定性，引發的不良地質體發展為滑坡的現象時有發生[3]。徐則民等[4]研究認為由水-巖(土)相互作用引起的礦物結構變化雖不會直接誘發滑坡，但卻是誘發滑坡的重要基礎條件。水-巖(土)作用體系中發生的溶解、沉淀、交換等作用隨著時間的推移，會導致礦物成分和類型的變化，并表現為巖土體結構的變化，最終引發大量斜坡穩定性問題[5-8]。

我國已經成為繼歐洲、北美之后的第三大酸雨區[9]，而三峽庫區又為強酸雨區域，酸雨頻率低于80%，強酸雨頻率低于32%，酸雨頻發[10]。已有研究表明，水-巖(土)相互作用中不同pH值環境對巖(土)體物理力學性質的影響較大。如喬麗蘋等[11]研究發現，不同pH值條件下巖石的化學損傷與其礦物成分和溶液發生的化學反應速率密切相關，且反應中產生的次生礦物也對其有較大的影響；王軍等[12]研究發現，含水土體的Ca2+、K+和Na+等濃度對土體的原始黏結力和固有黏結力有明顯的減弱效應；Mohtarami等[13]研究發現，酸性溶液可導致巖石性質的不均勻性增強，從而使巖體產生裂紋；趙宇等[14]研究發現，不同浸泡時間后黏土的礦物成分和抗剪強度會發生變化，并通過模擬展現了酸雨作用下重塑土強度隨時間變化的復雜過程；顧劍云等[15]研究發現，飽和重塑土黏聚力隨酸化時間的延長逐漸衰減并趨于穩定，酸雨誘發的土體抗剪強度變化對滑坡形成可能會產生影響。

綜上可見，酸雨淋溶作用下滑坡滑帶水-巖(土)化學作用不可忽視。為此，本文以三峽庫區巴東黃土坡臨江1#崩滑堆積體為研究對象，采集巴東野外大型綜合試驗場滑坡試驗隧洞群5#支洞滑帶土為研究樣本，設計不同pH值下的淋溶試驗用來模擬降雨條件下黃土坡臨江1#滑坡滑帶土水-巖(土)化學作用的過程，深入探討滑坡滑帶土中主要礦物在不同pH值環境下發生的水文地球化學反應，從微觀角度為研究滑坡影響機制提供參考。

1 黃土坡臨江1#滑坡地質概況

黃土坡滑坡位于長江三峽中段西陵峽與神農溪口之間的過渡地帶，由臨江1#、2#崩滑堆積體、變電站滑坡、園藝場滑坡以及近期發生的小滑坡組成，其滑坡主體為臨江1#、臨江2#滑坡堆積體，見圖1。其中，臨江1#滑坡是典型的順向斜坡，其后緣高程為250～290 m，前緣直抵長江，高程為70～90 m，滑坡體中上部厚、前緣薄，因其前緣較陡、結構破壞，易受地下水的影響，故而曾發生多次崩滑[16-18]。

圖1 黃土坡滑坡平面分布示意圖Fig.1 Distribution of Huangtupo landslide in the Three Gorges,China

黃土坡臨江1#滑坡所涉及的地層主要為三疊系中統巴東組第3段(T2b3)，該地層特征為上軟下硬，物質結構成層性差，巖性以泥灰巖、泥質灰巖為主，夾泥質粉砂巖，巖體強度較低，遇水易軟化、泥化，滑坡前緣受庫水位升降的影響較大，后緣受降雨的影響較多[19]。

2 試驗方案設計

2.1 試驗目的

通過室內淋溶試驗，分析不同pH值(3、5、7)降雨條件下黃土坡臨江1#滑坡滑帶土中發生的水-巖(土)化學作用，明晰黃土坡在酸性降雨條件下發生的巖土成分變化，為后期從微觀角度分析滑坡影響機制提供參考。

2.2 試驗內容

采用網格法采集土樣，制備黃土坡臨江1#滑坡主滑帶的分層裝填土柱，設置接近實際情況的、不同的淋溶條件來模擬自然降雨條件下臨江1#滑坡主滑帶土發生的水文地球化學反應過程，并對反應過程中獲取的土樣成分進行測試分析，探討不同淋溶條件下土樣淋出液中離子濃度的變化規律和試驗后土樣的主要礦物成分及其相對含量的變化。

圖2 黃土坡滑坡組成剖面圖(據陳松等[20]修改)Fig.2 Geological section of Huangtupo landslide(adapted from the reference [20]) 1.滑帶;2.軟弱夾層;3.散裂巖;4.碎裂巖;5.塊裂巖;6.碎石土夾黏土;7.泥質灰巖;8.泥灰巖;9.灰巖;10.水位線

2.3 試驗材料

土樣的選取基于對黃土坡臨江1#滑坡體的研究，倪衛達等[21]通過對黃土坡臨江1#滑坡滑帶土的空間分布特征及測年結果進行分析，發現3#支洞所揭露的部分滑帶土與5#支洞所揭露的滑帶土形成于不同年代，而5#支洞與主洞所揭露的滑帶則屬于統一滑動面。因此，本試驗選擇5#支洞所揭露的滑帶土進行研究，可代表多范圍滑帶土的性質。

從巴東野外大型綜合試驗場滑坡試驗隧洞群5#支洞掌子面利用“網格法”從頂部到底部共采集土樣8組(見圖3)，試驗土樣分層劃分依據和巖性特征描述見表1。

圖3 黃土坡臨江1#滑坡體試驗隧洞群5#支洞 掌子面分層示意圖Fig.3 Layered diagram of 5# tunnel of Huangtupo riverslide 1# landslide mass in the test tunnel group

表1 試驗土樣分層劃分依據和巖性特征描述Table 1 Division basis and layered lithologic characteristics of the test soil samples

采集的土樣在實驗室經風干、研磨、過篩至粒徑≤2 mm，混合均勻后按質量均分為7等份，取出3份用于淋溶試驗，余下4份中1份研磨過200目篩用以測定原樣土中的礦物成分(采用X’pert MPD Pro X射線衍射儀)，3份留待后期用于淋溶試驗。

2.4 土柱制備

試驗選取高2 000 mm、外徑為50 mm的聚氯乙烯(PVC)管作為淋溶柱，將其截取成長度分別為S1=176 mm、S2=166 mm、S3=104 mm、S4=166 mm、S5=116 mm、S6=108 mm、S7=166 mm、S8=158 mm的8組(PVC淋溶柱內土層填充厚度參考實際層厚等比例縮小，綜合考慮實驗室內高度、淋溶柱比例選取縮小比例為5，淋溶柱的長度在此基礎上增加上下兩層石英砂的厚度50 mm及定水頭20 mm)，打磨內壁粗糙后用去離子水洗凈，風干后進行填充，從上而下的8根PVC淋溶柱均按照石英砂、土樣、石英砂的順序填充，每根柱子的區別在于裝填的土樣不同，并按照淋溶柱編號S1～S8與土樣編號S1～S8一一對應，即淋溶柱S1中填充S1土樣，淋溶柱S2中填充S2土樣，以此類推。淋溶試驗裝置示意圖和實物圖見圖4。

圖4 淋溶試驗裝置示意圖和實物圖Fig.4 Schematic diagram and entity diagram of leaching test device 1.馬氏瓶；2.止水夾；3.PVC淋溶柱；4.廢液桶； 5.石英砂；6.土樣；7.石英砂

2.5 試驗過程

巴東地區降雨pH值最大值為5.57、最小值為3.60，pH值均值約為4.73[10]，因此本試驗選擇pH值=3和pH值=5的兩組酸性溶液作為淋溶液，同時設置去離子水(pH=7)作為空白對照組，3組試驗依次記為A、B、C。采用10 L馬氏瓶作為供水裝置對淋溶柱進行連續式供水，調節流量閥使淋溶速度為4 mL/min，加水時間間隔設定為每30 h一次。在試驗裝置底端對淋出液進行取樣，取樣時間間隔分別為0.5 h、1 h、2 h、3 h、4 h、5 h、6 h、12 h、24 h、48 h……，取樣時即時測定pH值和電導率。

2.6 樣品處理與測試

將試驗所取的水樣經0.45 μm微孔濾膜過濾后加HNO3進行酸化至pH值<2，置于4℃下保存，使用電感耦合等離子體發射光譜儀(Thermo iCAP 6300)測定溶液中陽離子的濃度。試驗結束后將淋溶柱拆卸取出土樣進行烘干研磨過200目篩，混合均勻后稱取10.0 g,采用X’pert MPD Pro X射線衍射儀測定試驗后土樣的礦物成分及其相對含量。

3 試驗結果與分析

3.1 土樣主要礦物成分分析

試驗前后土樣的主要礦物成分及其百分含量的XRD全巖分析結果，見圖5。

圖5 試驗前后土樣的主要礦物成分及其百分含量的XRD全巖分析結果Fig.5 Whole rock XRD analysis results of the main mineral components of soil samples before and after the test and the percentage content

由圖5可見，研究區滑帶、滑體和基巖滑床的礦物成分基本相同，主要礦物成分均以石英(SiO2)、方解石(CaCO3)、白云石[CaMg(CO3)2]、伊利石[KAl3Si3O10(OH)2]以及其他黏土礦物為主，符合碳酸鹽巖地區的基本特征；從淺層滑體到基巖滑床，雖然石英和白云石含量的變化規律不明顯，但越接近滑床方解石的含量越高、黏土礦物的含量越低。

黏土礦物通過影響結構體、結構面的強度來影響斜坡穩定性，具體表現為：黏土礦物含量越多，巖體強度越低，斜坡穩定性越差。這一現象主要與黏土礦物的形態、粒徑等有關[22-24]。朱效嘉[25]研究發現,由于高嶺石、伊利石、蒙脫石等黏土礦物親水性強，遇水易引起巖土體體積不均勻膨脹，由此引發不均勻應力在巖石內產生，導致巖石顆粒的碎裂解體。因此，本試驗各組試驗土樣中黏土礦物含量的變化具有一定的指示性意義。

將未經淋溶的原樣土與分別經強酸、弱酸、去離子水淋溶試驗后土樣的XRD全巖分析結果進行對比(圖5中礦物百分含量代表體系中各個礦物質量相對體系總質量的百分比，體系總質量由于礦物溶解等作用發生變化)，可以較清晰地看出：強酸作用后的土樣中，黏土礦物的含量明顯增加，其中以淺層滑體為甚，其增幅高達為17%，方解石和白云石的含量降低；弱酸和純水作用后的土樣中，黏土礦物的含量雖然增加，但增加量并不很多；純水中黏土礦物的含量增加不明顯，最大增幅發生在淺層滑體，為3%，弱酸變化量與純水接近。這表明pH值對研究區巖土體的主要礦物成分及其百分含量有較大的影響，具體表現為：在非堿性條件下，溶液的pH值降低，巖土體中黏土礦物的含量隨之增加，從而導致巖土體強度降低，進而使得斜坡穩定性變差。即對斜坡穩定性不利的影響程度表現為：強酸>弱酸>純水。

3.2 土樣淋出液的化學變化

3.2.1 土樣淋出液pH值的變化分析

淋溶試驗過程中，對各組試驗土樣取樣后立即對土樣淋出液的pH值進行測試，其分析測試結果見圖6。

圖6 A、B、C組試驗土樣淋出液pH值的變化趨勢圖Fig.6 Changes of pH values of leachate of the test soil samples group A,B and C with leaching time

由圖6可以看出：

(1) A、B、C 3組試驗持續時間相同，但測試數據結束時間不同，即表現為：A組(840 h)>B組(502 h)>C組(468 h)，這是由于土樣中高嶺石、伊利石、蒙脫石等黏土礦物具有親水性，即遇水膨脹，堵塞了水流通道，且按親水性程度排序為：蒙脫石>伊利石>高嶺石，B、C組試驗土樣中親水性強的蒙脫石和伊利石相對A組試驗土樣多，故而在后期A組試驗土樣尚能取到淋出液時，B、C組試驗土樣淋出液很少且難以達到滿足測試要求的量。

(2) A、B、C 3組試驗土樣淋出液pH值分別在7.4～8.4、7.5～8.4、7.8～8.4，盡管各組試驗土樣淋出液的pH值范圍略微不同，但均遵循振蕩減小的規律，且截至試驗結束時，各組試驗土樣淋出液pH值均未低于7.0，這表明在試驗淋溶條件下，試驗土樣中的各類礦物構成了一個緩沖體系。試驗初期(0～31 h)，由于土樣中所含可反應的礦物量高，反應較為劇烈，中和了進入土柱中的H+，因此土樣淋出液在試驗初期可維持相對較高的pH值；而隨著反應的進行，土樣中礦物的可反應量逐漸減小，相應的淋出液中H+含量相對增多，故土樣淋出液的pH值逐漸減小；試驗結束時，土樣淋出液的pH值仍未低于7.0或接近淋溶液pH值水平，表明在試驗環境下，淋溶液與土樣都無法達到完全反應，即淋溶液對固相的淋出能力達到了恒定狀態，反應仍在進行，但淋出強度維持相對穩定，表明短期室內試驗無法使其完全反應。

3.2.2 土樣淋出液中主要離子淋出量的變化分析

水-巖(土)反應體系中地球化學反應相關的礦物包括方解石(CaCO3)、白云石[CaMg(CO3)2]、伊利石[KAl3Si3O10(OH)2]和高嶺石[Al2Si2O5(OH)4]，經過溶解、沉淀和離子交換作用，土樣淋出液中的主要離子包括Ca2+、Mg2+、K+、Al3+。其中，高嶺石總量在原樣土中占比極少(1%)，試驗后作為伊利石的次生礦物出現，結合土樣淋出液中極低的Al3+濃度(<0.05 mg/L)可知，高嶺石的溶解作用微弱，因此本文主要分析土樣淋出液中Mg2+、Ca2+、K+等主要離子淋出量、淋出時間的變化，其結果見圖7。

圖7 不同pH值淋溶下土樣淋出液中主要離子濃度的 變化曲線Fig.7 Change curves of major ions concentration in soil leachate under different pH values with leaching time

由圖7可見，室內淋溶試驗過程中，土樣淋出液中主要離子Ca2+、Mg2+、K+濃度的變化具有以下特點：

(1) 從淋出總量來看，Ca2+、Mg2+、K+都表現出基本一致的變化規律，即在持續的淋溶作用下，Ca2+、Mg2+、K+淋出總量一直是在累積增加的；從淋出濃度變化看，試驗初期土樣淋出液中Ca2+、K+濃度迅速升高并達到峰值，隨后迅速降低并逐漸趨于平穩，期間有波動，但不超過初期最大峰值，而土樣淋出液中Mg2+在弱酸和水的淋溶作用下遵循上述規律，但在強酸作用下呈振蕩上升趨勢。

(2) 受淋溶液pH值的影響，土樣中不同離子因其物化性質的差異性表現出不同的淋出規律：Ca2+在不同pH值條件下的最大淋出濃度均出現在0～31 h之間，隨著pH值的減小，最大淋出速率逐漸增大[1.8 mg/(L·h)→3.8 mg/(L·h)→4.9 mg/(L·h)]，淋出總量也相應增加(3.22 g→5.21 g→14.34 g)；K+的最大淋出速率隨pH值的變化較小，表現為隨著pH值的減小，最大淋出速率分別為0.33 mg/(L·h)→0.35 mg/(L·h)→0.33 mg/(L·h)，但淋出總量變化明顯(0.22 g→0.58 g→0.63 g)；Mg2+在去離子水和弱酸條件下，最大淋出速率分別為0.16 mg/(L·h)→0.41 mg/(L·h)，淋出總量分別為0.26 g→0.61 g，在強酸作用下，初期于58 h時達到峰值后迅速降低，隨后呈振蕩上升趨勢。

總體而言，改變淋溶液的酸性條件對土樣淋出液中Mg2+的影響最大，不僅改變了其最大淋出速率、淋出總量，更是改變了其作用趨勢，由純水、弱酸條件下的先增多后減少趨勢轉變為振蕩上升趨勢；對土樣淋出液中Ca2+的影響主要體現在淋出峰值和淋出總量上，強酸條件下無論是淋出峰值還是淋出總量均遠大于弱酸和純水，但整體作用趨勢基本一致，都是先增大后減小；對土樣淋出液中K+的影響相對較小，其作用趨勢基本一致，相較于Ca2+，強酸作用雖仍大于弱酸和去離子水，但差距相對較小。

3.3 水-巖(土)體系中可能發生的地球化學反應

根據黃土坡滑坡的水文地質條件并結合室內試驗數據分析結果和前人的研究，總結該淋溶試驗水-巖(土)體系中可能發生的地球化學反應包括：碳酸鹽巖、硅酸鹽巖和黏土礦物的溶解-沉淀作用以及離子交換作用，具體反應式見表2。

3.3.1 碳酸鹽巖的溶解-沉淀作用

鈣質膠結物的溶解對土體穩定性的影響主要表現在兩個方面：一方面，這種溶解作用使得土體成分流失、孔隙增大、土體顆粒之間的聯結力降低，由原來的較致密結構轉變為較疏松結構，從而使得巖土體強度降低，不利于土體穩定性[27-29]；另一方面，鈣質膠結物的減少，會使該淋溶試驗水-巖(土)體系中黏土礦物的含量相對增加，前文中已提到黏土礦物含量越多，巖土體強度越低，斜坡穩定性越差。由此可見，pH值可以通過影響該淋溶試驗水-巖(土)體系中鈣質膠結物(方解石、白云石)的含量來影響斜坡的穩定性，具體表現為：隨著pH值的減小，鈣質膠結物的溶解量增加，對土體穩定性的不利影響程度加深。

3.3.2 黏土礦物間的反應

黏土礦物具有高度的親水性和膨脹性[30]，表現為遇水后迅速吸水膨脹，但這種膨脹具有不均勻性，會導致巖石內部產生不均勻應力，致使巖石顆粒碎裂解體，因此該淋溶試驗水-巖(土)體系中黏土礦物含量高不利于滑坡穩定性。水是化學反應的介質，由于該體系為開放體系，因此純水條件下，由于CO2的存在，體系呈弱酸性。在酸性條件下，伊利石中的K+被H+取代發生脫鉀反應，反應生成穩定性較強的高嶺石，其反應式如下：

2KAl3Si3O10(OH)2+2H++3H2O→3Al2Si2O5(OH)4(高嶺石)+2K+

(1)

由此反應式可對生成的高嶺石和K+的質量進行計算。假設伊利石的反應量為a，那么反應生成高嶺石的量b即可采用下式計算：

(2)

生成K+的量c可采用下式計算：

(3)

高嶺石的生成量和K+的生成量應滿足b/c=129/13的比例關系。根據A、B、C 3組試驗前后土樣的主要礦物成分及其百分含量XRD全巖分析結果，可分別計算反應前后土樣的質量，可計算得到：bA=3.13 g，cA=0.63 g，bB=2.89 g，cB=0.58 g，bC=1.09 g，cC=0.22 g，其不滿足b/c=129/13的比例關系。因此，根據測試及計算結果并結合前人對水-巖(土)體系中可能發生的地球化學反應的分析，說明體系中還發生了離子交換作用。

離子交換作用是指溶液中一種離子吸附到固體表面上時，固體表面另一種同性離子發生解吸并釋放出其所占據的表面空間[26]，這種作用主要發生在具有固定電荷的固體礦物表面。蒙脫石、伊利石等黏土礦物易通過類質同象交換在其表面形成負電荷，當pH值較低時，H+成為主要的被吸附離子，同時將K+置換出來；隨著pH值升高，H+濃度降低，主要的吸附質就變成了水溶液中的其他陽離子。在淋溶過程中，由于土樣中礦物的溶解，淋出液中陽離子含量增加，礦物中的K+易被高價的Ca2+和Mg2+置換出來，這種置換作用加速了礦物的溶解，不利于土體穩定性。在強酸的作用下，溶液中H+含量高，且因礦物大量溶解使得淋出液中的陽離子含量高，這些現象導致上述置換作用加強，礦物溶解量增大，不利于土體穩定性。因此，對土體穩定性不利程度表現為：強酸>弱酸>去離子水。

3.3.3 碳酸鹽巖與黏土礦物的共同作用

由上述分析可知，黏土礦物間的反應生成了強度高于伊利石和蒙脫石的高嶺石，但這種強度在此體系中只相對于伊利石和蒙脫石而言。總體來說，該體系中3種淋溶條件下碳酸鹽巖的溶解量(43.40 g→15.56 g→9.11 g)均大于高嶺石的生成量(3.13 g→2.89 g→1.09 g)，這說明在酸性條件下由于碳酸鹽巖的溶解對土體穩定性帶來的不利影響占土體穩定性影響因素的主導地位，且黏土礦物在巖土體中占比的增加，不利于土體穩定性。隨著pH值的減小，碳酸鹽巖溶解量增加，黏土礦物在巖土體中的占比增加，這種由于黏土礦物溶解帶來的不利影響將也隨之增加。由此可見，酸性條件不利于土體的穩定性。

4 結 論

本文選取長江三峽庫區黃土坡臨江1#滑坡主滑帶土為研究對象，通過設計不同pH值酸性溶液土柱淋溶試驗，分析黃土坡臨江1#滑坡主滑帶土中主要元素在不同pH值條件下的溶出特征和釋放規律，并探討了該滑坡滑帶土在淋溶過程中發生的主要水文地球化學反應，得出以下結論：

(1) 3組試驗土樣淋出液的pH值均呈振蕩下降趨勢，但截至淋溶試驗結束時均呈弱堿性，說明該淋溶試驗水-巖(土)體系中發生了中和反應，但反應并未完全進行。

(2) 在不同pH值淋溶條件下，土樣中主要離子Ca2+、Mg2+、K+等在去離子水和弱酸條件下表現出類似的淋出規律，即試驗前期土樣中Ca2+、Mg2+、K+的淋出濃度迅速達到峰值，隨后迅速降低并逐漸趨于平穩；在強酸作用下土樣中Ca2+、Mg2+、K+主要離子的變化規律基本一致，但達到峰值的時間及最大峰值不同，其中土樣中Mg2+在前期淋出濃度出現最大值后迅速降低，后期呈振蕩上升趨勢，但土樣中Ca2+、Mg2+、K+淋出總量總體表現為：強酸>弱酸>去離子水，說明該體系受pH值的影響較大。

(3) 該淋溶試驗水-巖(土)體系發生的主要地球化學反應包括方解石、白云石等碳酸鹽巖以及伊利石、蒙脫石等黏土礦物的溶解-沉淀作用和離子交換作用。其中，碳酸鹽巖的溶解會使土體由原來的較致密結構轉變為較疏松結構，而黏土礦物則由于其親水性和膨脹性使得體系中巖石內部產生不均勻應力，致使巖石顆粒碎裂解體，這兩者的共同作用使土體穩定性變差。在酸性條件下，H+的存在促進了對土體穩定性影響較大的碳酸鹽巖的溶解，且增加了對土體穩定性不利的黏土礦物在巖土體中的占比，因此酸性條件不利于土體穩定性，且酸性越強對土體穩定越不利。