廖忠湞

摘 要： 本文從水巖化學作用、水土化學作用和斜坡水文化學三個方面闡述了水—巖（土）體化學作用對斜坡穩(wěn)定性影響的研究歷史和研究現(xiàn)狀。分析了當前研究取得的成果及其存在的問題，從探索水—巖（土）化學作用本質(zhì)規(guī)律的角度，提出應(yīng)加強水—巖（土）化學反應(yīng)原位監(jiān)測試驗、水—土化學作用損傷定量模型、水—土化學作用下抗剪強度參數(shù)變化機制的研究等?？紤]到水巖化學作用與巖石風化現(xiàn)象的緊密關(guān)系，提出應(yīng)加強巖石抗風化研究，降低地質(zhì)災害發(fā)生頻率。

關(guān)鍵詞： 水—巖（土）化學作用； 斜坡穩(wěn)定性； 抗剪強度； 巖石風化

1. 引言

滑坡是我國主要的地質(zhì)災害之一，具有小型為主、多點頻發(fā)、危害性大的特點。特別是江西、浙江等中南、東南部丘陵山區(qū)。據(jù)中國國土資源公報顯示，2015年，全國共發(fā)生各類地質(zhì)災害8224起，其中，滑坡5616起，所占比例高達68%?；驴赡苡山涤?、地震、火山活動、工程活動或這些因素的不同組合誘發(fā)，其中降雨是最主要、最常見的誘發(fā)因素。據(jù)統(tǒng)計，我國90%的滑坡是降雨誘發(fā)所致[1]。

自1925年太沙基提出關(guān)于降雨誘發(fā)滑坡的機制[2]以來，降雨誘發(fā)滑坡機理的研究一直是地質(zhì)災害、巖土工程界關(guān)注的熱點難點之一。而“降雨誘發(fā)滑坡”僅僅是較為直觀的說法，實際上是降雨入滲轉(zhuǎn)化為地下水及其與斜坡巖土體的復雜作用（水—巖（土）體相互作用）誘發(fā)了滑坡。對此，國內(nèi)外學者開展了大量的研究，研究內(nèi)容主要包括：水—斜坡巖（土）體相互作用機理、斜坡地質(zhì)力學和穩(wěn)定性模型、降雨誘發(fā)滑坡機理數(shù)值模擬技術(shù)等。其中，水—巖（土）體相互作用是滑坡孕育的重要基礎(chǔ)和激發(fā)因素。

根據(jù)前人的研究，可以將水與巖土體的相互作用概括為3 種，即力學作用（包括飽和滲流力學作用和非飽和滲流力學作用）、物理作用（包括潤滑、軟化、泥化作用及結(jié)合水的強化作用）和化學作用（包括離子交換、溶解、水化、水解、溶蝕及氧化—還原作用）。考慮到以往對水—巖（土）體物理及力學作用研究較多，而對水—巖（土）體化學作用研究程度仍然較低，很多問題仍不明朗，亟待探索解決，本文將對水—巖（土）體化學作用及其對斜坡穩(wěn)定性影響的研究現(xiàn)狀、存在問題和未來研究重點進行討論。

2. 國內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域研究進展

水—巖（土）體化學作用主要研究的是雨水與巖土體發(fā)生化學反應(yīng)，導致巖土體物理結(jié)構(gòu)、化學成分發(fā)生改變對巖土體力學性質(zhì)、抗剪強度和斜坡穩(wěn)定性的影響，集中于水巖化學作用、水土化學作用和斜坡水文化學方面的研究。

20世紀80年代，F(xiàn).G.Bell等[3]總結(jié)了地下水對巖石和土體性狀的影響，認為地下水是影響巖土體工程性質(zhì)的根本因素，是水加速了巖石的化學風化過程，同時指出硅酸鹽礦物（包括長石、輝石、角閃石、云母、橄欖石）的風化過程主要是水解過程。[4]等用HCL、H2S04等溶液模擬酸雨，對石灰石的腐蝕作用進行了研究，表明不同化學溶液對于石灰石具有不同的溶解規(guī)則。周翠英等[5]認為應(yīng)該重視水巖相互作用的礦物損傷和化學損傷所導致的力學損傷及變異性規(guī)律研究，提出有必要建立巖土工程化學分支。

2.1 水巖化學作用

水巖化學反應(yīng)影響巖體力學性質(zhì)、抗剪強度方面的試驗研究，目前成果較為豐富。[6]等通過實驗研究了去離子水、HCl、NaOH對石英的裂隙擴展速率、應(yīng)力強度因子和應(yīng)力強度系數(shù)的影響，發(fā)現(xiàn)化學成分對裂隙的擴展具有控制作用。湯連生等[7]特制了3種高礦化度的強酸性水溶液（pH分別為3.18、2.49和3.67，對應(yīng)礦化度為14.6、20.6和16.6g/L）分別與花崗巖、灰?guī)r和紅砂巖試件進行化學反應(yīng)，并對反應(yīng)后的三種巖石進行單軸抗壓試驗，結(jié)果表明，三種巖石化學損傷顯著，以在pH=7.23，礦化度17.37mg/L中浸泡48h的試驗結(jié)果為初始值，損傷值分別為25.3%、15.32%、15.02%～29.55%，且損傷速率隨時間增長而減小。喬麗萍等[8]從微觀結(jié)構(gòu)的角度研究了砂巖與不同酸堿度溶液作用后孔隙率隨時間的變化趨勢，試驗結(jié)果表明，水巖反應(yīng)后砂巖損傷特征明顯，孔隙率明顯增大，且隨時間變化呈現(xiàn)先急增后漸緩的趨勢。劉建等[9]針對干燥、飽水、蒸餾水以及不同離子濃度和不同pH值化學溶液循環(huán)流動作用的砂巖試件進行單軸壓縮試驗和CT損傷測試，發(fā)現(xiàn)砂巖的力學性質(zhì)受pH值、溶液離子濃度影響較大，兩者均可使彈性模量和峰值強度不同程度的降低。李鵬等[10]開展了不同水化學溶液環(huán)境侵蝕條件下砂巖的抗剪強度試驗，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，無論是酸性還是堿性環(huán)境，砂巖的摩擦角、黏聚力均呈現(xiàn)出隨著孔隙率增大而遞減趨勢；且隨著反應(yīng)時間的延長和酸堿強度的增大，砂巖抗剪強度參數(shù)c，?值也呈遞減趨勢。

近年來，水—巖化學作用下巖石的細微觀結(jié)構(gòu)變化和化學損傷計算模型研究也逐漸增多。陳四利等[11]對三種巖石（花崗巖、砂巖、灰?guī)r）破裂特性的化學環(huán)境侵蝕進行了探索，得出與空氣侵蝕條件相比，裂紋尖端的水或化學溶液使巖石的破裂韌度明顯地降低。分析了在化學腐蝕下巖石的細微觀破裂行為和腐蝕機理。并利用CT識別技術(shù)對化學腐蝕下的砂巖進行了三軸加載全過程的即時掃描試驗，建立了基于化學腐蝕影響和CT數(shù)的損傷變量模型。劉建等認為Duncun模型只反映了巖石的線性階段和應(yīng)變硬化階段，而不能描述巖石類介質(zhì)的初始壓密階段，因此在原有公式的基礎(chǔ)上加入了二次項，并利用改進后的Duncun模型對試驗數(shù)據(jù)進行擬合，發(fā)現(xiàn)試驗數(shù)據(jù)曲線與Duncun模型擬合度非常接近。楊慧等[12]采用礦物—水反應(yīng)的地球化學動力學模型定量分析化學腐蝕的演化，認為水化學腐蝕可定量為等效裂紋長度，并通過質(zhì)量守恒定律從理論上給出了裂紋在跡長及隙寬方向的水化腐蝕等效裂紋長度定量公式，為從微觀的角度研究水巖化學作用提供了新的思路。陳炳瑞等[13]基于水化學溶液浸泡的飽和灰?guī)r三軸壓縮試驗結(jié)果，建立了隱式進化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)本構(gòu)模型以模擬灰?guī)r在水化學溶液下應(yīng)力—應(yīng)變變化趨勢，發(fā)現(xiàn)模擬結(jié)果和試驗結(jié)果具有較好的一致性，這說明經(jīng)改進后的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)本構(gòu)模型能較好地描述巖石的力學特性變化。

2.2 水土化學作用

相較于水巖化學作用研究，當前國內(nèi)外對水土化學研究仍然偏弱。從研究角度來看，目前主要集中于土體物理結(jié)構(gòu)和土體抗剪強度兩方面研究。

土體物理結(jié)構(gòu)方面，姚彩霞[14]通過室內(nèi)試驗模擬地下水作用于土體，借助ICP、CT和電鏡，觀察不同溶液下土體各項參數(shù)的變化，結(jié)果表明土體在地下水作用下會發(fā)生化學變化，微結(jié)構(gòu)被改變。當土體物質(zhì)成分被溶蝕時，土體結(jié)構(gòu)變?nèi)?，強度降低：當吸附反?yīng)占主導時，結(jié)構(gòu)增強，強度提高。畢任能[15]等采用實驗的方法，研究了水土作用對庫岸黏性土工程性質(zhì)的影響，結(jié)果表明：河水與黏土發(fā)生作用后，土顆粒表面結(jié)合水膜變?。慌c河水離子交換作用后的土顆粒間斥力減弱，黏土顆粒由原來的分散結(jié)構(gòu)（片層結(jié)構(gòu)）變成凝聚結(jié)構(gòu)（片架結(jié)構(gòu)），而片架結(jié)構(gòu)排列的黏土礦物提高了土的剪切強度。江洎洧等[16]選取仍處于變形階段的三峽庫區(qū)黃土坡臨江滑坡部分不良地質(zhì)體為研究對象，追蹤測試各樣本的礦物類型及含量、化學組分及顆粒級配等指標，發(fā)現(xiàn)水—土化學作用對不良地質(zhì)體的形成影響很大，斜坡體黏土礦物的含量對其穩(wěn)定性具有重要的控制作用。

土的抗剪強度方面，趙宇等[17]在研究土的力學—化學現(xiàn)象時，將侏羅紀巖石風化土置于自來水、PH=4的HCl溶液和PH=10的NaOH溶液中浸泡45d后進行飽和快剪試驗，結(jié)果表明，與自來水環(huán)境下相比，HCl溶液和NaOH溶液環(huán)境都導致了土的抗剪強度指標的降低，且降低幅度較大。等[18]研究了氯化鈉和氯化鈣對風化泥巖殘余抗剪強度的影響，發(fā)現(xiàn)孔隙水中離子濃度高會嚴重削弱土體殘余抗剪強度。王洋等[19]研究了水化學作用下殘積紅黏土力學性質(zhì)的變化情況，發(fā)現(xiàn)酸性溶液使紅黏土強度變大，堿性溶液使紅黏土強度降低。張明等[20]采用原位推剪試驗求取堆積體天然狀態(tài)下和與庫水反應(yīng)后的力學參數(shù)c，?值，發(fā)現(xiàn)水浸泡一天后c，?值均出現(xiàn)大幅度減小。等[21]以蘭州兩個滑坡附近的紅色風化泥巖為樣本，分別用黃河水、地下水和去離子水浸泡至飽和，經(jīng)測試發(fā)現(xiàn)樣本殘余抗剪強度和殘余內(nèi)摩擦角分別降低了65%和62%以上，并認為這與泥巖中可溶鹽的浸出，削弱黏土顆粒間的作用力有關(guān)。

2.3 斜坡水文化學問題

王磊等[22]在研究云貴高原鐵路紅層邊坡時發(fā)現(xiàn)，從地表到地下25.7m，二氧化硅和氧化鋁的含量占比逐漸減小，分別減少了18.14%和14.78%，氧化鈣和氧化鈉含量占比則分別增加了17.17%和0.31%，這表明水巖化學作用對化學成分的遷移作用是顯著的。[23]研究了日本新近紀火山巖中的五個不同滑動歷史的古滑坡，發(fā)現(xiàn)凝灰?guī)r滑面含有較多的蒙脫石，且從坡頂?shù)狡履_其含量逐漸增大，而這些蒙脫石的形成主要是由于沿滑面向下運動、富含HCO3—的地下水與滑帶介質(zhì)之間發(fā)生了大規(guī)模離子交換。[24]等利用同位素和水文地球化學的方法對法國兩個高山滑坡中地下水運動進行調(diào)查，數(shù)值模擬結(jié)果表明，兩個滑坡均存在表層上層滯水和坡腳深部潛水兩類含水區(qū)，對高山斜坡泉水的化學監(jiān)測表明，表層上層滯水中SO42-含量與斜坡運動速率具有良好的相關(guān)性，斜坡運動速度越快SO42-含量越低。這說明離子在雨水作用下存在運移作用，運移過程不同可能導致離子含量分布的變化。周平根等[25]在研究寶塔滑坡地下水物理化學場時，發(fā)現(xiàn)地下水和降雨、地表水水質(zhì)相似，且存在局部地段K+、Na+含量較高的現(xiàn)象，這說明可能存在離子的交換作用。

綜上所述，國內(nèi)外學者較為全面地研究了水—巖（土）體化學反應(yīng)及其對斜坡穩(wěn)定性的影響，這為解釋降雨條件下斜坡巖（土）體發(fā)生滑動現(xiàn)象提供了依據(jù)。但仍存在較為明顯的不足，如在研究化學成分運移、變化過程時，雖然得到一些化學成分運移、離子發(fā)生交換的證據(jù)，但沒有給出發(fā)生這些現(xiàn)象的地下水運移過程及其控制因素；在研究水化學環(huán)境對斜坡巖土體力學性質(zhì)的影響時，營造的水化學環(huán)境、試驗材料和試驗反應(yīng)時間與現(xiàn)實斜坡相差巨大，不能真實反應(yīng)斜坡巖土體內(nèi)發(fā)生的水—巖（土）化學作用過程，進而對其應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系無法真實描述，這就影響了其在滑坡地質(zhì)災害誘發(fā)機理研究方面的應(yīng)用；在研究水—巖化學作用定量計算模型時，其研究的方法較基礎(chǔ)，模型的設(shè)計較簡單，雖然在與試驗結(jié)果進行擬合時表現(xiàn)出較高的一致性，但若將其應(yīng)用于復雜的地球化學環(huán)境中，結(jié)果就無法預估了。

3. 進一步研究展望

水—巖（土）化學作用對斜坡不良地質(zhì)體的孕育以至于斜坡失穩(wěn)具有重要控制作用。絕大多數(shù)滑坡的發(fā)生最初均是由于斜坡巖土體物理結(jié)構(gòu)、力學性能發(fā)生了變化，而這往往都是由于受到水—巖（土）化學作用的影響。所以我們有必要加大對水—巖（土）化學作用及其對斜坡穩(wěn)定性影響的研究。目前，國內(nèi)外學者在水—巖（土）化學反應(yīng)導致巖土體的力學性質(zhì)、微觀結(jié)構(gòu)及化學成分的變化方面的影響研究較多，但是對于其形成過程及形成機制方面仍然存在很多疑問，需進一步分析探討。

3.1 加強水—巖（土）化學反應(yīng)原位監(jiān)測試驗研究

目前國內(nèi)外學者的研究多為室內(nèi)試驗研究，而這無法模擬天然斜坡巖土體內(nèi)水—巖（土）化學反應(yīng)，也就無法真實描述反應(yīng)的時間、過程、節(jié)點等核心因素。因此有必要加大原位監(jiān)測試驗研究，這可能要花費更多的時間和精力，但這是值得的，這樣更能真實反映水—巖（土）化學作用規(guī)律，為解釋斜坡失穩(wěn)問題提供有力支撐。

3.2 加強水—土化學作用損傷定量模型研究

水—巖化學作用損傷模型研究目前已經(jīng)有一些成果，但關(guān)于水—土化學作用損傷模型的研究目前還比較少，事實上，我國大多數(shù)滑坡為降雨誘發(fā)的淺層土質(zhì)滑坡，而其與水—土化學作用聯(lián)系更為緊密。且化學損傷定量模型對于描述巖土體力學性質(zhì)、物理結(jié)構(gòu)等因子的變化具有重要支撐作用，因此有必要加大水—土化學作用損傷定量模型研究，從微觀角度為研究滑坡地質(zhì)災害提供理論基礎(chǔ)。

3.3 水—土化學作用下抗剪強度參數(shù)變化機制研究

如上文所述，國內(nèi)外學者對于水—土化學反應(yīng)導致的抗剪強度參數(shù)變化趨勢已經(jīng)明確，如趙宇等學者通過試驗證明水—土化學反應(yīng)會降低土體的黏聚力和內(nèi)摩擦角，但目前對于其變化過程、變化機制的研究很少。如果能通過試驗和理論研究清晰地描述出土體抗剪強度參數(shù)的變化過程，列出相關(guān)數(shù)學表達式，那就能夠為滑坡的預測和防治提供一個定量的理論方法。

3.4 巖土體抗風化研究

事實上，我們已經(jīng)明確水—巖（土）物理、化學作用會對巖土體造成損傷，特別是當前面臨全球氣候變暖和酸雨逐漸增多趨勢，損傷也將相應(yīng)加重，這對滑坡等地質(zhì)災害的發(fā)生是有利的。而巖土體的風化實質(zhì)上也就是在物理、化學作用下對巖土體造成的損傷。因此我們有必要在水—巖（土）化學作用相關(guān)理論的基礎(chǔ)上，從宏觀到微觀，全面地展開巖土體抗風化研究，這對降低地質(zhì)災害發(fā)生頻率、延緩斜坡失穩(wěn)、預測預防地質(zhì)災害具有重要意義。

4. 結(jié)語

水—巖（土）化學作用研究經(jīng)過幾十年的發(fā)展，目前已經(jīng)取得了一些重要成果，從宏觀到微觀，包括水—巖（土）化學反應(yīng)室內(nèi)試驗研究、水—巖化學作用下巖石微觀結(jié)構(gòu)變化研究和化學損傷定量計算模型研究等。這些成果揭示了水—巖（土）化學作用的一些規(guī)律，也從不同的角度給滑坡等地質(zhì)災害研究提供了理論根據(jù)。雖然這些成果存在一些缺陷，其實用性也需進一步考證，但仍然是可喜的，因為研究本身就是一個去偽存真的過程。作為研究人員，我們在考究這些成果的時候應(yīng)充分吸取前人的研究精髓，站在他們的肩膀上，不斷拓寬思維，在求“真”的道路上越走越遠，為水—巖（土）化學作用及其對斜坡穩(wěn)定性的影響研究做出自己的貢獻。

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