酸雨对重庆武隆鸡尾山滑坡滑带页岩物理力学性质的影响

王正波，张 明，陈建军，张晨阳

(中国地质大学(武汉)工程学院，湖北 武汉 430074)

酸雨对重庆武隆鸡尾山滑坡滑带页岩物理力学性质的影响

王正波，张 明，陈建军，张晨阳

(中国地质大学(武汉)工程学院，湖北 武汉 430074)

为了研究酸雨对重庆武隆鸡尾山滑坡滑带页岩物理力学性质的影响，在鸡尾山滑坡滑源区滑面向下游延伸处取样，制成粉末和块体试样，在实验室内使用pH为3的稀盐酸溶液浸泡，测试其物质成分的变化。结果显示：页岩与稀盐酸溶液作用的过程中有较为明显的钙质出溶现象，这一反应在粉末中发生的速率更快。测试从鸡尾山滑坡坡脚流出的泉水的离子成分，结果显示相对于酸雨，泉水中钙离子浓度显著增高，进一步证实滑带在酸雨作用下钙质出溶现象较为显著。钙质页岩中方解石成分的溶出，导致滑带强度减小。

酸雨；滑带；钙质页岩；鸡尾山滑坡

滑带的强度变化对滑坡的稳定性有重要影响，是控制滑坡稳定性和活动机制的关键指标[1～2]。如大光包滑坡滑带岩体的碎裂、细粒化从物理上降低了滑带的摩阻力，使滑带抗剪能力降低，是滑坡骤然启动的原因之一[3]; 千将坪滑坡滑带的演化，使层间剪切带物理力学性质恶化，促使了滑坡的产生[4]。滑带的类型、微观结构特征、物质组分和形成机理等主导了强度变化[5]。滑带物质成分和结构的变化会改变土体的强度甚至导致滑坡的发生，酸雨是影响滑带强度的可能因素之一，酸雨与滑带进行化学反应可能会造成滑带物质成分和结构的变化进而影响滑坡的稳定性。

汤连生等[6]研究了酸性溶液(pH为3.18，2.49，3.67)对砂岩、灰岩及花岗岩的影响，结果显示3种岩石在被酸性溶液浸泡后峰值荷载有较大的衰减。赵宇等[7]研究了酸雨与三峡库区滑坡土体抗剪强度变化的关系，在实验室内用弱酸溶液浸泡伊利石、蒙脱石、高岭石3 种重塑土试件，测试不同浸泡时间后试件矿物成分和抗剪强度的变化，实验结果显示在蒙脱石重塑土试件内有黏土矿物的转化发生，并引起了试件的内摩擦角变化。

重庆武隆鸡尾山滑坡滑带为钙质页岩，长期酸雨的作用对其物理力学性质有重要影响，进而影响滑坡的稳定性。本文首先设计室内实验模拟酸雨与鸡尾山滑带之间的反应，研究酸雨作用下滑带页岩矿物成分的变化，然后取鸡尾山滑坡坡脚泉水测试其成分与原始酸雨成分比较，分析酸雨对滑带成分的改变，两者结果相互验证。

1 鸡尾山滑坡概况

鸡尾山滑坡位于重庆市武隆县铁矿乡内，发生于2009年6月5日，滑体体积约500×104m3，造成74人死亡，8人受伤[8～9]。滑坡源区位于鸡尾山山顶东侧陡崖处(图1)，陡崖高50～150 m，鸡尾山山体呈SN走向，为北东低、南西高的单面山。

图1 鸡尾山滑坡区出露的地层Fig.1 Strata outcropping in the Jiweishan landslide area

滑坡区岩层为单斜地层，岩层产状为345°∠21°～35°，出露地层(图1)从上至下分别为：茅口组(P1m)灰白色厚层状微晶灰岩，厚约30～50 m，其中发育有较大的溶洞和溶蚀裂隙；栖霞组上段(P1q3)砾状灰岩，层厚10～ 30 m；栖霞组中段(P1q2)黑灰色灰岩夹钙质页岩层，层厚20～ 90 m；栖霞组下段(P1q1)深灰色燧石灰岩；梁山组(P1l)水云母黏土岩，含赤铁矿，厚度10～14 m；韩家山组(S3hj)灰绿色粉砂质页岩。滑坡滑面是栖霞组上段砾状灰岩(P1q3)和中段(P1q2)钙质页岩的接触面。

岩体中发育两组优势节理，一组与岩层走向近于平行，大致呈EW向；另一组与岩层走向近于直交，大致呈NS向。滑源区后缘和左侧的T0和T1缝即沿这两组节理发育而成(图2)。

滑坡失稳机理如下：滑坡破坏以前，T0和T1缝已经贯通；滑面下伏的钙质页岩剪切强度不断降低，滑面上摩擦阻力不断下降，作用在岩溶区锁固段(图2)的剪应力不断增加，当剪应力超过锁固段的强度时，锁固段被剪断，滑体失稳启动。

图2 滑源区遥感影像图Fig.2 Remote Sensing Image of the Jiweishan landslide area

许强等[10]认为滑坡下伏的钙质页岩长期蠕变对滑坡失稳有重要的影响。冯振等[11]认为地下水等因素促使软弱夹层软化，导致驱动块体下滑力增大，是导致锁固段被剪断突破而发生滑坡的重要原因。邓茂林等[12]对鸡尾山滑坡滑带的微观结构和流变特性进行了深入研究，发现滑带中的炭质泥质饱水后泥化特征明显，其力学性质弱化。由此可见，滑带软弱层因蠕变或在水的作用下产生的结构和物质成分的改变，导致滑带抗剪强度降低，是影响滑坡失稳的重要原因之一，研究滑带软弱层对揭示鸡尾山滑坡成灾机理意义重大。

在武隆鸡尾山滑坡中，由于滑体中岩溶空隙和通道、节理裂隙、拉张裂缝发育，降雨易通过这些裂隙入渗到滑面上，且由于研究区的降雨常年为酸性，对滑带钙质页岩的物理力学性质影响较大。本文取滑带的钙质页岩模拟其与酸雨发生的反应，研究酸雨对鸡尾山滑坡滑带页岩物理力学性质的影响。本次实验所用钙质页岩取自滑源区滑面向下游延伸处(图3)。

图3 鸡尾山滑带页岩和坡脚水样取样位置Fig.3 Sampling location of the shale in the slip zone and the water from the toe of the Jiweishan rock avalanche

2 研究区酸雨情况

武隆县位于重庆市东南边缘，为亚热带湿润季风气候，气候湿润，年降水量1 000～1 200 mm。重庆在20世纪80—90年代是中国受酸雨污染最严重的地区；1990—2000年，稍微有所缓和，但仍处于较严重的状态；2000 年后，重庆的酸雨又出现了逐渐加重的趋势[13～14]。武隆县环境保护局对县内的降雨进行了监测，笔者根据其网站上公布的数据，对2013—2016武隆降雨的pH进行了统计(表1)。从表1中可以看出，武隆县遭遇酸雨的频率很高，绝大多数月份都有酸性降雨发生，且部分月份所降酸雨的pH值较低。

以上分析表明武隆鸡尾山具有遭遇酸雨的条件，且频率较高，也有可能遭遇pH值较低的酸雨，实验中所模拟鸡尾山滑带页岩与酸雨的反应具有现实意义。

表1 2013～2016年重庆武隆县降雨pH监测结果Table 1 Monitoring rainfall in Wulong of Chongqing from 2013 to 2016

表2 重庆市部分地区所降酸雨的离子浓度Table 2 The ion concentration of the acid rainfall in Chongqing /(mg·L-1)

3 试验设计

3.1 试验岩样

试验所用的页岩取自鸡尾山滑坡滑源区滑面向下游延伸处(图3)，因为是同一岩层，物质成分应当接近。在中国地质大学(武汉)材化学院材料与化学分析测试中心对所取的岩样使用X射线粉晶衍射仪(XRD) 进行了矿物成分分析，仪器产自德国Bruker AXS D8-Focus公司，型号为D8-FOCUS。

从图4中可以看出，页岩中最主要的矿物为方解石，其含量达到了62.25%；其次是黏土矿物，其含量为26.01%；石英的含量为11.74%。对黏土矿物做定向片分析(图5)，其中绝大多数的黏土矿物为滑石，含量占比达到98.73%，其余的少量黏土矿物为海泡石。从图6中可以清楚地看出页岩样品中的矿物组成和含量。

图4 滑带页岩X射线衍射谱图Fig.4 XRD patterns of the shale in the slip zone

图5 滑带页岩中黏土矿物的X射线衍射谱Fig.5 XRD patterns of the clay mineral of the shale in the slip zone

图6 滑带页岩中矿物的组成和含量Fig.6 Mineral compositions of the shale in the slip zone

3.2 试验方法和步骤

3.3 试验结果分析

(1)反应后块体和粉末发生的变化

取反应后样品中的黏土矿物做定向片进行XRD测试。从测试结果(表4)可以看出，反应后的黏土矿物仍然为滑石和海泡石，没有新的黏土矿物种类产生。滑石的分子式为Mg3Si4O10(OH)2，为硅镁矿物，由热液交代、变质作用及沉积作用形成[19]；而方解石的主要矿物成分为CaCO3，石英的主要矿物成分为SiO2，从元素守恒和实验条件来看，在本次实验条件下方解石和石英转化为滑石是不可能发生的。海泡石的分子式是Mg8Si12O30(OH)4(OH2)4(H2O)8，为热液和沉积成因；同样在本实验中方解石也不可能转化为海泡石。因此可推断出，在本次实验中，没有黏土矿物的生成。

表3 实验分组情况Table 3 Groupings of the experiment

从成因上看，海泡石会在高温高压下失去沸石水形成滑石[19]，但在本实验条件下不可能发生。从测试结果(表4)中两种矿物的含量来看，滑石在黏土矿物中的含量占绝对优势，所占比例的变化很小；因此，可以推断在本实验中海泡石和滑石之间未发生转变，即没有黏土矿物的转变发生。

表4 反应后样品中的黏土矿物种类及含量Table 4 Clay minerals composition of the samples after reaction

注：0号样品为未经浸泡的原始页岩粉末

(2)反应后溶液中离子浓度的变化

利用全谱直读电感耦合等离子发射光谱仪(ICP)对反应后溶液中的离子含量进行测试。测试在武汉理工大学材料研究与测试中心进行，所使用的仪器产自美国PerkinElmer公司，型号为Optima 4300DV，结果见表5。

表5 溶液中的离子成分及含量

Table 5 Ion concentrations of the solutions/(mg·L-1)

从表5可以看出页岩出溶的主要离子有Ca2+、Mg2+、K+、Na+，其中以Ca2+浓度的增加最为显著，尤其是在稀盐酸参与的反应中，这和预期的方解石被酸性溶液溶解相符合。从图7可以看出，无论是粉末样品还是块体样品，稀盐酸参与的反应中钙质出溶的量都大大高于用去离子水做溶液的对照组。在稀盐酸和粉末样品的反应中，在10 d之内(甚至更短)，反应几乎完全完成。而稀盐酸和块体反应的速率则相对较慢，经过10 d，反应大约完成一半；经过约100 d，其出溶的钙质的量与粉末样品相当。因此可以推测，在有酸雨发生时，酸雨会与页岩中的方解石反应，引起钙质的出溶。钙质页岩中方解石有如下两个作用：(1)连接矿物颗粒；(2)使岩石硬度增加。酸雨作用下方解石成分减少，滑带页岩颗粒之间的连接变弱，且硬度减小，抗剪强度变低，导致滑面摩擦减小。

图7 溶液中的钙离子浓度Fig.7 Calcium concentrations of the solutions

(3)鸡尾山滑坡坡脚泉水离子浓度分析

滑坡坡脚处的岩层裂隙之间有泉水流出，取水样测试其中的离子成分和含量(表6，取样位置见图3)。从表6可以看出，所取泉水中的Ca2+浓度明显高于其他离子，甚至高于本次实验中页岩粉末与稀盐酸反应后的溶液。将水样中的钙离子浓度和表2中重庆部分地区所降酸雨的钙离子浓度进行对比(图8)，可以看出：取自鸡尾山滑坡坡脚水样中的钙离子浓度明显高于酸雨中的。此结果进一步证实了鸡尾山滑坡滑带存在钙质出溶反应，导致了坡脚流出的泉水中钙离子含量增高。

鸡尾山的地下水类型主要为岩溶水和裂隙水，由大气降水补给。强降雨入渗地表时，因携带大量腐殖质成分而多呈酸性，通过岩溶管道及节理裂隙入渗侵蚀，对碳酸盐岩进行化学作用。当有酸性降雨发生时，地下水的酸化会加剧[21]，使雨水与碳酸盐的化学反应速率增高，从而加快钙质的出溶，对滑坡的稳定性不利。而长期的钙质出溶则会使滑带页岩颗粒之间的连接减弱，使其结构更加破碎，进而导致滑带抗剪强度的降低，对滑坡的稳定性不利[20]。

表6 鸡尾山滑坡坡脚泉水的离子成分和浓度Table 6 Ion concentration of the water in the toe of the Jiweishan landslide /(mg·L-1)

图8 鸡尾山坡脚水样和重庆酸雨中的钙离子浓度Fig.8 Calcium concentrations of the water in the toe of the Jiweishan landslide and the acid rain in Chongqing

4 结论

(1) 鸡尾山滑坡区降雨常年呈酸性，对鸡尾山滑坡滑带页岩的物理力学性质有显著影响。

(2)模拟实验结果和鸡尾山滑坡坡脚泉水成分证明，酸雨能加速鸡尾山滑带的钙质出溶，消耗钙质页岩中的方解石，降低页岩的硬度和矿物颗粒的黏结力，使其剪切强度降低，从而降低滑面上的阻滑力。

(3)酸雨对滑带物理力学性质的改变是鸡尾山滑坡发生的重要原因之一。

[1] 蒋秀资,文宝萍.缓慢复活型滑坡滑带土的蠕变性质与特征强度试验研究[J].岩土力学,2015,36(2):495-503. [JIANG X Z,WEN B P. Creep behavior of slip zone of reactivated slow-moving landslide and its characteristic strength[J]. Rock and Soil Mechanics, 2015,36(2)：495-503.(in Chinese)]

[2] 王洪兴,唐辉明,陈冲.滑带土黏土矿物定向性的x射线衍射及其对滑坡的作用[J].水文地质工程地质, 2004,31(增刊):79-82.[WANG H X,TANG H M,CHEN C. Study on x-ray diffraction for the orientability of clay minerals in sliding-soil[J]. Hydrogeology & Engineering Geology, 2004,31(Sup):79-82.(in Chinese)]

[3] 黄润秋,裴向军,崔圣华. 大光包滑坡滑带岩体碎裂特征及其形成机制研究[J].岩石力学与工程学报, 2016, 35(1):1-15.[HUANG R Q, PEI X J, CUI S H. Cataclastic characteristics and formation mechanism of rock mass in sliding zone of Daguangbao landslide[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2016,35(1)：1-15. (in Chinese)]

[4] 李守定,李晓,刘艳辉,等. 千将坪滑坡滑带地质演化过程研究[J]. 水文地质工程地质,2008, 35(2): 18-23.[LI S D, LI X, LIU Y H,etal. Geological evolution process of sliding zone in Qianjiangping landslide[J]. Hydrogeology & Engineering Geology, 2008,35(2):18-23. (in Chinese)]

[5] 杨天俊.边坡岩体质量分类体系介绍[J].西北水电,2004(2):8-9.[YANG T J. Introduction of slope roc kmass quality classification system[J]. Northwest Hydropower,2004(2):8-9.(in Chinese)]

[6] 汤连生,张鹏程,王思敬. 水-岩化学作用的岩石宏观力学效应的试验研究[J].岩石力学与工程学报,2002, 21(4)：526-531.[TANG L S, ZHANG P C, WANG S J. Testing study on effects of chemical action of aqueous solution on mechanical effects[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 21(4)：526-531. (in Chinese))]

[7] 赵宇,崔鹏,胡良博. 黏土抗剪强度演化与酸雨引发滑坡的关系——以三峡库区滑坡为例[J].岩石力学与工程学报,2009,28(3)：576-582.[ZHAO Y,CUI P,HU L B. Relation between evolution of clay shear strength and landslide induced by acid rain-taking landslides in three gorges reservoir area for example[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2009,28(3)：576-582.(in Chinese)]

[8] 殷跃平. 斜倾厚层山体滑坡视向滑动机制研究——以重庆武隆鸡尾山滑坡为例[J].岩石力学与工程学报, 2010,29(2)：217-226.[YIN Y P. Mechanism of apparent dip slide of inclined bedding rockslide:a case study of Jiweishan rockslide in Wulong Chongqing[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2010,29(2)：217-226. (in Chinese)]

[9] 高杨,殷跃平,邢爱国, 等.鸡尾山高速远程滑坡—碎屑流动力学特征分析[J]. 中国地质灾害与防治学报,2013,24(4):46-51.[GAO Y,YIN Y P,XING A G,etal. Jiweishan rapid and long run-out landslide-debris flow dynamic characteristics analysis [J].The Chinese Journal of Geological Hazard and Control, 2013,24(4):46-51. (in Chinese)]

[10] 许强,黄润秋,殷跃平,等.2009年“6.5”重庆武隆鸡尾山崩滑灾害基本特征与成因机制初步研究[J].工程地质学报,2009,17(4)：432-444. [XU Q, HUANG R Q, YIN Y P,etal. The Jiweishan landslide of June 5, 2009 in Wulong, Chongqing: characteristics and failure mechanism[J]. Journal of Engineering Geology, 2009, 17(4): 432-444. (in Chinese)]

[11] 冯振,殷跃平,李滨,等.重庆武隆鸡尾山滑坡视向滑动机制分析[J].岩土力学,2012,33(9):2705-2714. [FENG Z,YIN Y P, LI B,etal. Mechanism analysis of apparent dip landslide of Jiweishan in Wulong, Chongqing[J]. Rock and Soil Mechanics,2012,33(9): 2705-2714. (in Chinese)]

[12] 邓茂林, 许强, 蔡国军, 等. 重庆武隆鸡尾山岩质滑坡软弱带微观特征[J]. 工程勘察, 2012 (4): 5-10. [DENG M L, XU Q, CAI G J,etal. Micro-characteristics of weak soft zone of Jiweishan Rockslide in Wulong County, Chongqing, June 5,2009[J]. Geotechnical Investigation and Surveying,2012(4):5-11. (in Chinese)]

[13] 李灵,付琴.浅析重庆市酸雨分布特征[J]. 资源节约与环保,2014(4)：165-166.[LI L, FU Q. The analysis of distribution of acid rain in Chongqing [J]. Resource Conservation and Environmental Protection,2014(4)：165-166. (in Chinese)]

[14] 何泽能.重庆市酸雨分布特征[J].气象科技,2008,36(6): 706-711.[HE Z N. Distribution of acid rain in Chongqing [J]. Meteorological Science and Technology, 2008,36(6): 706-711. (in Chinese)][15] 冯宗炜.重庆酸雨对陆地生态系统的影响和控制对策——中日酸雨合作研究总结[J].环境科学进展, 1998, 6(5):1-8.[FENG Z W. Impacts and control strategies of acid deposition on terrestrial ecosystems in Chongqing area, China: overviews of the cooperative study between Japan and China[J].Advances in Environmental Science, 1998,6(5):1-8. (in Chinese)]

[16] 廖正军,唐亮.重庆市酸雨成因及控制对策[J].环境保护科学,2000,26(8)：1-5.[LIAO Z J, TANG L. Causes and countermeasures of acid rain in Chongqing[J]. Environmental Protection Science, 2000,26(8)：1-5. (in Chinese)]

[17] 唐晓芬,王云琦,王玉杰,等. 重庆酸雨区缙云山典型林分冠层酸雨淋洗特征[J]. 林业科学研究, 2013, 26(5): 548-553.[TANG X F, WANG Y Q, WANG Y J,etal. Canopy leaching characteristics of typical forests during acid rain at Jinyun Mountains, Chongqing[J]. Forest Research, 2013,26(5): 548-553. (in Chinese)]

[18] APPELO C A J,POSTMA D. Geochemistry,groundwater and pollution[M]. Rotterdam：A A Balkema,1999.

[19] 任磊夫.黏土矿物与黏土岩[M].北京：地质出版社,1992.[REN L F. Clay minerals and clay rocks[M]. Beijing: Geological Press,1992. (in Chinese)]

[20] WEN B P. Mineral compositions and elements concentrations as indicators for the role of groundwater in the development of landslide slip zones: a case study of large-scale landslides in the Three Gorges Area in China[J]. Earth science frontiers, 2007, 14(6): 98-106.

[21] 曾云松,罗祥康,黄德辉.试论重庆酸雨对地下水水质变异的影响[J]. 中国地质灾害与防治学报,1995, 6(3):43-48.[ZENG Y S,LUO X K,HUANG D H. Trial discussion on the influence of acid rain on variation of ground-water quality in Chongqing[J].The Chinese Journal of Geological Hazard and Control, 1995, 6(3):43-48. (in Chinese)]

责任编辑：汪美华

Effects of acid rain on mechanical properties of the shale in the slip zoneof Jiweishan landslide in Wulong of Chongqing

WANG Zhengbo，ZHANG Ming，CHEN Jianjun，ZHANG Chenyang

(FacultyofEngineering,ChinaUniversityofGeosciences,Wuhan,Hubei430074,China)

The effects of acid rain on mechanical properties of the shale in the slip zone of Jiweishan landslide in Wulong of Chongqing are investigated in this article. Shale samples were taken from the extending downstream of the slip zone of the Jiweishan rock avalanche, and were made into powder and block before immersed in the solution. In laboratory, calcareous shale in the slip zone of the Jiweishan landslide was subjected to acid water immersion where pH is 3, and was tested for changes in their compositions. The experimental results show that the calcareous exsolution was observed in the acid solution with shale immersed, and the velocity of the shale powder was faster. The ion components of the water from the toe of the Jiweishan landslide were tested, and the results show that Ca2+concentration was obviously higher than that of the acid rain, indicating that the calcareous exsolution was faster under the circumstance with acid rain. The exsolution of calcite from the calcareous shale may lead to the decrease in the strength of the slip zone.

acid rain; slip zone; calcareou shale; Jiweishan landslide

2016-07-19;

2016-09-23

国家自然科学基金项目(41472264)

王正波(1991-)，男，硕士，主要从事滑坡地质灾害领域的科研工作。E-mail：wzbcug@126.com

张明(1981-)，男，副教授，主要从事滑坡地质灾害领域的科研和教学工作。E-mail：zhangming 8157@126.com

10.16030/j.cnki.issn.1000-3665.2017.03.17

P642.22

A

1000-3665(2017)03-0113-06