水-岩化学作用对滑坡演化过程影响的研究进展

王迎东，王亚群，邢 辰

(中国电建集团北京勘测设计研究院有限公司，北京 100024)

滑坡是一种常见的边坡岩体沿着潜在的滑动面向下滑动的地质现象，是在地形地质构造、地下水、地震、气候条件等多种内外营力共同作用形成的，它严重威胁着人们的生命财产安全。其中地下水与岩土体的相互作用在滑坡孕育过程中起着举足轻重的作用，素有“无水不滑坡”之说。

水-岩相互作用这一术语是20世纪50年代苏联水文地质学家奥弗琴尼科夫提出[1]，主要包括水-岩力学、水-岩物理和水-岩化学作用。

目前专家学者的研究主要集中在水-岩物理和力学作用，尤其在渗流-力学耦合分析上，研究进展颇为显著。但随着经济发展，在各种涉及民生的工程活动中，水-岩化学作用对地质环境影响的表现越来越显著，以水利水电工程为例，随着库水位升降的周期变化，库区库岸边坡岩土体也在不断的饱和-非饱和的循环变化，加剧水-岩体的化学作用，进一步恶化了边坡体工程地质性质，此外，近些年来的酸雨效应所导致的地下水酸化，某种程度上也增加滑坡失稳的概率[2]。因此，水-岩化学作用开始逐渐引起越来越多的学者关注。

1 水-岩化学作用机理

水-岩化学作用主要是通过地下水溶解岩土体的矿物、胶结物成分，或结晶沉淀某些成分，致使岩土体孔隙、颗粒排列方式等微观结构发生变化，并最终改变岩土体的强度性能和变形特性，其类型主要包括离子交换作用，溶解与溶蚀作用，水化作用，氧化还原作用等[3- 4]。

1.1 离子交换作用

边坡岩土体中的一些粘土矿物，往往比表面积大且多附着胶体物质，易与地下水发生离子交换作用，使坡体裂隙及构造面中存在的水溶液的化学性质发生改变，致使矿物颗粒的离子发生变化，形成新的矿物，破坏岩土体的原有结构。

1.2 溶解与溶蚀作用

天然降水在入渗岩土体过程中，溶解的一些气体，如CO2、NH3、H2S等，弥补了地下水的弱酸性，对可溶性岩中会发生一些化学溶蚀作用，使岩体产生溶蚀裂隙、溶蚀空隙及溶洞等，增大了岩体的空隙率及渗透性，作用过程中还会伴随着碎屑矿物的蚀变和黏土矿物的转化，蚀变所析出的离子也会进而促进离子交换作用[5]，进一步促进水-岩化学作用。

1.3 水化作用

地下水在与边坡岩土体中的无水矿物相化合过程中，改变原有矿物的分子结构，形成新的矿物，并会引起矿物分子的体积膨胀，致使岩土体内聚力降低。众多室内试验中对岩体试件分别进行干燥和饱和状态下的抗剪试验结果已验证了该作用对岩体力学性质的影响。

1.4 氧化还原作用

在边坡岩土体环境中，随着深度的增加，岩土体裂隙孔隙之间的游离氧趋于减少，因此氧化作用随之逐渐减弱，而还原作用则逐渐增强。这种过程既改变了原岩矿物成分，又改变了地下水组分，对岩石力学性质具有正效应和负效应的双重作用[6]。

除上述几种典型作用方式外，边坡岩土体在发生溶解作用时，还会伴随难溶矿物的结晶沉淀作用，当地下水富含碳酸时，岩土体还会发生脱硅反应，形成新的次生矿物。地下水与岩土体的这些化学作用相互促进，共同改变了岩土体的结构和性质，且作用不同时期，导致强度衰减的主要因素也不同[7- 8]。

2 室内试验与定量化研究

近年来，不少研究学者以室内试验研究为基础，探讨水-岩化学作用对岩土体的力学性能影响，并已经积累了很多关键成果，下面以微观、细观、宏观三个尺度进行归纳总结。

微观方面：水-岩化学作用集中体现在对岩土体内部矿物成分和微观结构的影响。即在在水-岩系列化学作用下造岩类硅酸盐矿物(如长石、云母等)向高岭石、蒙脱石、伊利石等粘土矿物转变，粘土矿物的增加显著影响着边坡岩土体及其潜在滑移面的力学性质。不同矿物成分对化学溶液具不同的敏感性，矿物含量与水-岩化学作用效应之间相互促进、相互影响[9]，其中含Fe2+或Ca2+的矿物及胶结物是水-岩化学作用效应的一些关键离子或物质成分，尤其是含Fe2+的矿物具有正反两方面的力学效应，Ca2+的减少也会促进石膏的溶解和方解石的沉淀[10- 11]，进一步促进水岩化学作用。同时，水-岩化学作用还会破坏岩石的微观结构，产生次生孔隙，地下水溶液的酸碱度越大，产生的次生孔隙率越高[12]，地下水流通也更为通畅，加剧粘土矿物的迁移和富集，影响岩土体的力学性质。基于对水-岩化学作用前后岩石孔隙率变化定量的研究，崔强等基于化学动力学理论和溶质迁移理论，建立了对流-反应-扩散模型模拟了岩石试件水-岩化学反应前后的变化，并描述了岩石孔隙结构的变化[13]，丁梧秀以空隙率的变化为基础建立了岩石化学损伤变量，以此反映其化学损伤程度[14]：

(1)

式中，n(t0)—岩石t0时刻空隙率；n(t1)—化学损伤t1时刻的空隙率。

细观方面：岩石内部都不可避免地存在一些初始微裂纹或隐裂隙，而这些岩石缺陷即裂隙尖端往往是水-岩化学作用最活跃的地方，在受力状态下更为显著。岩石被化学溶液浸泡腐蚀后，由于腐蚀损伤作用使强度降低，同时裂纹尖端亦会被腐蚀[15]，较大时间尺度也会加速裂纹的扩展，产生新的裂纹，增大岩石的渗透性，为水-岩作用进一步提供有利条件，并降低岩体的断裂应力[16]。研究表明：岩石应力腐蚀破裂程度存在着某种电位依赖性[17]，并受到化学环境的影响，尤其是溶液离子浓度和pH值大小的影响[18- 20]；同时，岩石的各向异性致使其破裂方式具有多样性，水化学溶液对岩石的选择性腐蚀则会进一步增加其非均匀性[21]。杨慧等[22]将水化腐蚀定量为等效裂纹长度，从理论上给出了水化学腐蚀下裂纹扩展的定量公式。丁梧秀等[23]将裂隙岩石的化学腐蚀等效为裂纹上应力的扩大，引入应力放大系数，建立了化学溶液作用下的断裂准则。陈四利[24]利用CT数和图像的变化，将砂岩受压破裂前的损伤演化过程划分为初始压密、弹性微压密、微裂隙萌生和微裂纹扩展4个阶段，并基于CT数建立了化学损伤变量表达式：

(2)

式中，m0—CT机的空间分辨率；H0—岩石初始CT数；Hw—岩石孔隙水的CT数；ρ0—岩石初始密度；ρw—地下水溶液孔隙水密度。

宏观方面：水-岩化学作用表现为对岩石力学性质的劣化，且反应越剧烈、强度越高，岩石的化学损伤值愈大。随着地下水酸性的增强和浸蚀时间的增长，岩石的凝聚力、内摩擦角和弹性模量等力学指标被削弱的程度逐渐增大[25- 26]，有由脆性向延性转变的趋势[27]，且表现出一定的时效性[28- 29]和指数型的非线性关系[30]。刘建等[31]基于CT数，探讨并采用了改进的Duncan模型来描述存在水物理化学作用效应的砂岩非线性弹性变形行为；丁梧秀[32]提出用弹性模量k来反映岩石的软化程度，k值越小，岩石受化学溶液软化作用越大。

3 水岩化学作用对滑坡演化的影响和防治启示

综上所述，在水-岩化学作用下地下水可溶解边坡岩土体中大部分造岩矿物，并形成次生粘土矿物，化学损伤亦因粘土矿物的迁移和富集开始出现并逐渐增大，水-岩化学作用对造岩矿物的选择性腐蚀，破坏了岩石的结构整体性，产生了次生孔隙，腐蚀并扩展其裂纹，逐渐劣化岩土体的宏观力学强度和变形特征。

地质灾害一般都是由内外营力耦合而成，对于斜坡岩土体而言，当其受到多次构造运动后会形成层间剪切带，以及大量的裂隙和宏观结构面[33]。岩体间剪切应力沿裂隙及结构面等薄弱部位产生错动、搓碎，并在后期外部营力的继续作用下，使原岩结构遭受破坏或泥化，粘土矿物的增多将导致结构面及其两侧岩块强度的降低，使得岩体结构中出现贯通的潜在滑移面或软弱夹层，相当于切断岩块之间的直接联系，促使岩体从固相介质向松散介质演化，也就是逐渐增强了岩体的风化程度，降低岩体的力学强度及稳定性[34]，而地下水顺着岩土节理构造产生的水岩化学作用，即是化学风化的主要形式，而化学风化大幅度破坏了同层岩体的完整性，加剧了岩体力学强度的差异性[35]。

对于滑坡的演化来说，学者通常将其分为三个阶段:蠕动变形阶段、剧烈滑动阶段和滑坡稳定阶段。在蠕动变形阶段岩土体之间的裂隙会增大，坡体的渗透性也会提高，导致水-岩化学反应加剧，在较大的时间尺度上会顺着某一主要结构面或者软弱层，产生大量的粘土矿物，原生的硅酸盐矿物含量即会降低，形成富含粘土矿物的潜在滑带或者软弱泥化带，其抗剪强度也会大幅度降低，极易失稳。在我国酸雨严重地区，入渗斜坡的酸雨会致使地下水的侵蚀性增强，进而加剧斜坡岩体的化学损伤，破坏岩土体中原有的水岩化学场的动态平衡，更加剧水-岩反应，产生新的水化学损伤，从整体上加剧了斜坡岩土体的破坏，这也正是在暴雨或人类工程活动时滑坡灾害频发的原因。

水-岩化学作用的研究对于防治边坡灾害亦有借鉴意义，除了常规边坡治理方式外，一方面，可以采用添加剂法降低地下水的侵蚀性和水-岩化学作用程度[36]，并减少工业污染废水进入边坡地下水循环系统的机会。同时，可进行化学灌浆或增加缓冲层等改善坡体条件，修复岩土体边坡与地下水直接的化学场平衡，提高其强度。除此之外，亦可以对坡脚处地下水进行Ca2+和Fe2+等关键离子的动态监测，以起到一定的预防作用。针对具体的边坡，仍需灵活选取治理方法，降低化学损伤对边坡的影响。

4 结语

水-岩化学作用普遍存在于各类边坡体中，其从微观-细观-宏观的角度逐渐深化坡体力学强度和变形特征的影响，对滑坡孕育有显著的贡献。

目前学者试验成果为掌握水-岩化学作用在滑坡孕育中的贡献提供了重要依据，但受室内试验条件(pH值、作用方式与时间、试验对象尺度等)的限制，试验假设与实际地质条件之间仍存在些许差异，因此对于复杂边坡下的水-岩化学作用及其定量化仍需开展相关研究，系统地考虑各影响条件下对滑坡演化的影响，在可能的情况下，应该充分考虑多条件(水-热-力-化学)耦合作用所产生的影响。由于水-岩化学作用具有较强的时效性，在对滑坡进行分析评价时，不仅要分析其反应现状及变化趋势，还要弄清其发展历史，且应考虑各部分力学强度差异性，在分析模型中加入化学损伤对整体性的影响。

水-岩化学作用研究的最终目标是其力学效应及对斜坡稳定的影响，在滑坡灾害治理工作中我们要针对具体工程，考虑抗化学风化影响的相关设计[37]，并采取一些水化学动态监测措施，降低水-岩化学作用带来的滑动带强度损伤。