涉水岸坡的水土溶蚀作用机理及其试验研究

李庆伟，晏鄂川，杨 广，陈 前，卓琦斐

(中国地质大学(武汉)工程学院，湖北 武汉 430074)

自三峡库区蓄水以来，造成库岸斜坡的工程地质条件恶化，在水与岩土体的相互作用下，库区发生的一套联系共生的灾害过程，严重影响着库区环境[1]。许多学者从不同的角度对三峡库区涉水岸坡水土作用机理进行了深入研究，取得了丰硕的成果。如单慧媚等[2]对三峡库区紫红色岩土体饱水前后样品的微观结构和化学成分进行了分析，发现水流对松散岩土体颗粒的物理运移、化学溶蚀和离子交换吸附作用影响着岩土体的结构；杨广等[3]利用数值模拟方法研究了地下水渗流对涉水岸坡岩土体结构的影响，认为地形改造后的岸坡稳定性更高；汤连生等[4-5]、杜修力等[6]、Graham等[7]、李广信[8]研究了水与岩土体化学作用的力学效应和机理，认为可以通过水与岩土体的化学反应来调整土的物理力学性质，从而改良土体；毕仁能等[9]从库水位周期性升降条件下水土作用的角度，研究了河水对库岸黏性土工程性质的影响，揭示了水与岩土体物理化学作用对细粒土工程性质影响的作用机理。但由于不同库岸段工程地质条件的差异，部分特殊库岸段水与岩土体的作用机理仍没有合理的解释，尤其是三峡库区含碳酸盐岩库岸段中涉及到的水土溶蚀作用机理。

基于以上认识，本文在对巫山县某涉水岸坡现场进行实地调查的基础上，通过分析该岸坡特有的水土溶蚀现象，论述了该类涉水岸坡水土溶蚀作用的机理，并通过一维土柱试验解释了涉水岸坡钙质沉积胶结的成因，以为三峡库区涉水岸坡水土作用机理的研究提供借鉴和参考。

1 研究区概况

本文以三峡库区巫山县某涉水库坡为研究区，该区位于长江与大宁河交汇处江东咀地区，平面上呈“舌状”(见图1)，为长江与大宁河的阶地，属于构造侵蚀、剥蚀河谷地貌，地势表现为东高西低。根据现场调查和钻探资料，研究区内地层主要为第四系人工填土层、冲洪积层、崩坡积层和三叠系下统嘉陵江组第四段灰岩。第四系地层在整个研究区广泛分布，岩性以粉质黏土夹碎石为主，粉质黏土黏性一般，受库水位的影响，水位线以上土体呈硬塑-坚硬状，水位线以下土体呈可塑-硬塑状，碎石主要成分为灰岩，棱角状，硬度稍高；基岩仅在研究区东北部神女庙外侧出露，以灰岩为主，中—厚层状构造，溶蚀裂隙发育。研究区三面环水，地表水排泄通畅不富集。

图1 研究区位置图Fig.1 Location of the study region

2 水土溶蚀作用机理分析

土由固体颗粒及粒间孔隙中的水和气体组成，是一个三相、分散且复杂的系统，水在土体孔隙间储存和运移的过程中，会与土颗粒发生一系列化学作用，包括溶解与沉淀作用、交换与吸附作用、氧化还原作用以及水解与络合作用等，产生物质间的交换与转化，对土体强度产生显著影响，水土溶蚀作用过程见图2。

图2 水土溶蚀作用过程Fig.2 Process of water and soil dissolution of wading bank slopes注：A表示吸附;C表示络合;D表示解吸;Dc表示分解;Ds表示溶解;E表示交换;Ex表示分泌;F表示施肥;H表示水解;I表示灌溉;L表示淋失;P表示降水;Pr表示沉淀;R表示径流;Ro表示氧化还原;Up表示上升;Ut表示吸收;V表示挥发

2. 1 溶解与沉淀作用

溶解与沉淀作用可以认为是水对物质的作用与反作用，一般认为溶解作用是沉淀作用的开始[10]。溶解作用是指土中一部分矿物被水溶液溶解、溶滤或水化，使离子由结晶架转入水中的过程，其结果是岩土体失去一部分可溶性物质，水溶液则增加了新的物质成分。沉淀作用也叫浓缩结晶作用，是指水溶液与土中部分矿物发生浓缩、脱碳酸或混合反应，生成难溶的沉淀物或结晶体，从而使某些离子或分子固结于土孔隙中或晶格体上。由于岸坡物质中含有大量灰岩碎块石，水对碳酸钙的溶解与沉淀作用十分发育，见图3。

南斯拉夫学者伯格理(Bogli，1960)把灰岩的溶蚀过程分为4个化学阶段[11]。其中，第一阶段是灰岩在偶极水分子作用下发生溶解，其反应式如下：

(1)

CaCO3的溶解很快，并立即达到平衡。当水中存在解离的H+时，会打破反应式(1)的平衡，使其向右边进行，促进CaCO3的溶解，其反应式如下：

(2)

图3 涉水岸坡水土溶蚀现象Fig.3 Image of water and soil dissolution of the wading bank slopes

第二阶段是原溶解在水中的CO2与水的反应，其反应式如下：

(3)

这两个阶段的最终反应式如下：

(4)

第三阶段是水中物理溶解的CO2的一部分转为化学溶解，即水中部分游离的CO2与水化合生成新的碳酸，构成一个链式反应，与反应式(3)相同，不断补充CaCO3溶解所消耗的H+。

第四阶段是由于水与外界环境(大气和土)中CO2含量的平衡关系被破坏，水必须从外界环境中不断吸收CO2，以维持含量平衡。

虽然CaCO3在纯水中的溶解度很低(常温常压下的溶解度为10～15 mg/L)，但天然地下水成分复杂，含无机酸、有机酸和盐类等，将有助于CaCO3的溶解。

本试验分别取钻孔地下水和长江水进行水质分析，其结果见表1。

表1 地下水和长江水水质分析结果

注：表中水样为降水位期间取样进行检测分析的结果。

溶解与沉淀作用都可能导致土的物理力学性质发生变化。一般认为溶解作用能减弱土的胶结强度，从而导致土的透水性能和压缩系数提高，使土的弹塑性、压缩模量和剪切强度降低；而沉淀作用能增强土的胶结强度，从而导致土的透水能力和压缩系数降低，使土的弹塑性、压缩模量和剪切强度提高。如岸坡中的钙质沉淀胶结物，可以降低土的渗透性，提高土的强度。

2. 2 交换与吸附作用

对于黏性土岸坡，土中黏粒比表面积大，表面能大，与孔隙中的水发生离子吸附与交换作用，形成黏粒双电层，对土的物理力学性质影响较大。土颗粒表面带有负电荷，能够吸附阳离子，在一定条件下土颗粒将吸附水溶液中某些阳离子，而将其原来吸附的部分阳离子转为水溶液中的组分。离子交换与吸附过程就是土体颗粒上的离子或分子与地下水交换的过程，可表示如下：

(5)

式中:A和B表示可交换的离子或分子；a和b表示克分子数；ad表示一个吸附离子或分子。

黏粒对水中离子具有选择性吸附规律[12]，如将CaCO3组成的黏粒置于CaCl2溶液中，因溶液中的Ca2+离子与CaCO3结晶格架中的Ca2+离子一致而Cl-离子不同，故溶液中的Ca2+离子被CaCO3表面吸附，使土颗粒表面带正电，则Ca2+离子形成决定电位离子层，而溶液中多余的Cl-离子被Ca2+离子吸引形成反离子层。

不同的阳离子，其吸附于土颗粒表面的能力不同，一般认为阳离子价越高，离子半径越大，水化离子半径越小，则吸附能力就越大，但H+除外，所以按吸附能力自大而小的顺序为：H+>Fe3+>Al3+>Ca2+>Mg2+>K+>Na+。

综上分析可见，离子交换与吸附作用影响了土颗粒表面双电层的发育状况以及土颗粒的亲水性和颗粒间的湿吸力等，从而影响了土体的物理力学性质。

2. 3 氧化还原作用

在坡体地下水环境中发生的很多反应包含了气相、固相或被溶解的成分间的电子转换，形成了一种氧化还原反应。为了电子守恒，反应中一种物质的氧化作用必然伴随有另一种物质的还原作用，反之亦然。根据定义，氧化作用是失去电子，而还原作用是获得电子，也就是对应每一个氧化还原系统来说，可以写成如下的“半反应”式：

氧化态+mH++ne-=还原态

(6)

氧化还原反应的结果是改变土体原有的成分组成，可对土体的物理力学性质产生一定的影响。例如有机物含量高的淤泥或泥炭土中，在水环境下微生物的分解作用能在土中产生硫化氢(H2S)和甲烷(CH4)等气体，使土层不易因自重压密而形成高压缩的软土。

2. 4 水解与络合作用

水解反应是地下水溶液中的水合物或水合离子失去质子的过程，其反应式如下：

(7)

络合反应是金属离子与配位体(电子给予体)以配位键方式结合的过程，其反应式如下：

(8)

式中：A表示金属离子；B表示分子或离子。

3 涉水岸坡钙质沉积胶结成因的土柱试验

3. 1 钙质沉积胶结的成因分析

基于上述对涉水岸坡水土溶蚀现象的机理分析可知，其中钙质沉积胶结对岸坡的变形破坏模式和稳定性起着至关重要的作用。因此，本文基于野外实地调查，从地质角度来分析涉水岸坡水土溶蚀现象的发育过程。

3.1.1 涉水岸坡水土溶蚀现象的发育分布特征

研究区涉水岸坡库岸段范围内共发育4类水土溶蚀现象，即钙质薄膜、钙质条带、钙质团块和钙质胶结层(见图3)。其中，钙质薄膜发育于土和碎块石的表层，致密且薄；钙质团块胶结在一起形成钙质胶结层，表面被钙质薄膜覆盖，在长江一侧库岸段广泛发育，垂向上具有成层性(见图4)，层间一般发育有钙质条带。

涉水岸坡钙质胶结层和钙质薄膜的平面分布，见图5。

由图5可见，研究区涉水岸坡水土溶蚀作用具有明显的南北差异性，且两侧岸坡东北段和冲沟内均不发育水土溶蚀现象，其原因包括两个方面：一与岸坡丰富的物源堆积历史关系密切。涉水岸坡为长江的三级阶地，为侵蚀堆积形成，并经历多期次的崩坡堆积，土层厚度较大，特别是舌状岸坡中前部部位，粉质黏土层和碎块石土层最大厚度超80 m，据现场调查发现，南岸碎石含量明显高于北岸；二是与两岸地表水体作用的差异性有关。北侧岸坡附近大宁河河水流速急剧降低，泥沙淤积现象显著，南侧岸坡则处于长江凹岸段，地表水的冲刷作用强烈，更有利于溶蚀作用的发育。

3.1.2 涉水岸坡形成演化的地质过程分析

通过分析研究区涉水岸坡所处的地质环境和区域发展演化规律，根据自然历史分析法，可将涉水岸坡的形成分为以下三个阶段(见图6)：

图6 涉水岸坡形成演化示意图Fig.6 Schematic diagram of the evolution of wading bank slopes

(1) Ⅲ级阶地形成期：因地壳抬升，长江河谷下切，形成现今的长江Ⅲ级阶地。在此期间，受构造运动影响，褶皱作用发育，基岩破碎形成平行于河谷方向的陡崖，并开始发育卸荷裂隙，见图6(a)。

(2) 崩塌风化堆积期：当节理裂隙互相切割，岩体产生变形破坏，崩塌堆积于阶地之上；随着地壳多期次间歇性抬升，阶地上部岩体发生溯源性崩塌，并覆盖在之前已风化剧烈的崩积物之上，表现为土层和碎石层的互层堆积。该阶段由于降雨和地下水的作用，水土溶蚀现象开始发育，见图6(b)。

(3) 三峡工程运行期：三峡工程建成后，岸坡堆积物不断经历周期性的库水位升降作用，水土溶蚀发育强烈；富含CaCO3的地下水在运动过程中，由于渗透性的突变，CaCO3在黏土层和碎石层交界面上富集，碎石之间的孔隙被CaCO3充填，形成整体层状的钙质胶结层；黏土层中的裂隙作为地下水运移的通道，也被钙质胶结物充填，形成钙质条带。该阶段由于长江对岸坡的冲刷作用，南侧岸坡塌岸明显，土体松散，地下水作用强烈，溶蚀现象更明显；而大宁河的堆积作用，使得北侧岸坡土体完整性更好，见图6(c)。

涉水岸坡中含有大量的灰岩碎块石，并形成了粗细互层的堆积结构，在地下水的作用下，CaCO3经溶解沉淀析出后，在土层表面形成钙质薄膜，充填在土体裂隙中形成钙质条带，在碎石层胶结形成钙质团块和钙质胶结层。

3. 2 土桩试验方案设计

为了定性研究岩溶地下水在粗细互层状介质中运移时的钙质沉积胶结特征，本文设计了一维土柱试验。层状土柱基于岸坡坡体物质及结构特征，由两种介质组成，分别为粉质黏土夹碎石和碎石，其中粉质黏土夹碎石取自江东咀岸坡，碎石成分为灰岩，粒径为0.5～2.0 cm。

3.2.1 试验装置

土桩试验装置由自主设计完成，其示意图和实物图见图7。该试验装置包括储水盒、增压水泵、供水口、有机玻璃柱和水管，装置主体为有机玻璃柱，高50 cm，直径20 cm，壁厚0.5 cm；供水口底部钻有16个直径为3 mm的进水孔，侧壁开孔出水以控制水头，并配备同尺寸水量调节圆板；有机玻璃柱底部钻有32个直径为8 mm的排水孔。

图7 土柱试验装置示意图和实物图Fig.7 Schematic diagram and picture of the soil column test equipment

3.2.2 试验过程

填装土柱前，需要在有机玻璃柱边壁上涂抹凡士林防止边壁流，底部铺上3～5 cm厚的卵石和细纱网作为反滤层；土桩装填过程中，介质分4层松铺填装，从下到上依次为12 cm厚的粉质黏土夹碎石层、3 cm厚的碎石层、12 cm厚的粉质黏土夹碎石层、3 cm厚的碎石层(见图7)，层间采用细目铁丝网隔开，方便装取样；土桩装填完毕后，在土柱表面铺一层砾石层，防止表层碎石受到冲刷扰动。

3. 3 试验现象分析

在由土桩上部开始向土样供水时，由于进水量大于入渗量，第一层粉质黏土夹碎石上部已形成一定高度的水柱，土层湿润锋开始向下部运移。初始阶段，土层湿润锋的运移速率较快，当其贯穿上部土层进入中部碎石层后，底部土层上部没有明显的临时水位出现，土层湿润锋立即向下部土层运移，但运移速率较慢，见图8。

图8 土层湿润锋的运移过程Fig.8 Movement of soil wetting front注：图中红线表示湿润锋的位置

图9 钙质沉积现象Fig.9 Appearance of calcareous sedimentary cementation

3. 4 讨论

本次土桩试验旨在通过观察试验现象，分析岩溶地下水在粗细互层状介质中运移时的钙质沉积胶结特征，并对涉水岸坡水土溶蚀现象进行合理解释。在涉水岸坡岩溶发育过程中，岩溶地下水中的钙质主要来源于碎石中的CaCO3，显然这种对碎石的溶蚀作用更有利于钙质胶结的形成。而钙质的沉积胶结过程缓慢，本次试验由于时间的限制性，钙质仅出现沉积特征，只在上部碎石层与粉质黏土夹碎石层交界面上有微弱的胶结现象。本试验过程中，未考虑黏性土对溶质的吸附性及沉积的钙质对土层渗透性的影响，这些内容将在后续的研究中加以完善。

4 结 论

本文以巫山县某涉水岸坡为例，对涉水岸坡水土溶蚀作用的机理进行了系统论述，并针对涉水岸坡特殊的水土溶蚀现象，通过一维土桩试验模拟现场岸坡环境，对涉水岸坡钙质沉积胶结的成因进行了研究，得出以下结论：

(1) 涉水岸坡水土溶蚀作用包括溶解与沉淀作用、交换与吸附作用、氧化还原作用和水解与络合作用，这些作用往往协同进行、相互影响。对于江东咀库岸段斜坡，上述水土溶蚀作用普遍存在，对岸坡岩土体强度产生了显著的影响。

(2) 江东咀岸坡物质中含有大量的灰岩碎块石，岩溶地下水对CaCO3的溶解与沉淀作用十分发育，表现出4类水土溶蚀现象。当岩溶地下水中的CaCO3沉淀析出后，在土层表面形成钙质薄膜，在土体裂隙中充填形成钙质条带，在碎石层胶结形成团块和钙质胶结层。这些水土溶蚀现象的发育程度在两岸有所不同，长江一侧岸坡(南侧)较大宁河一侧(北侧)分布广泛，且垂向上具有成层性。

(3) 江东咀岸坡的形成大致可分为三个阶段，即Ⅲ级阶地形成期、崩塌风化堆积期和三峡工程运行期。其中，在崩塌风化堆积期，形成了岸坡土层和碎石层的互层堆积结构，并在降雨和地下水的作用下开始发育水土溶蚀作用；至三峡工程运行期，在周期性的库水位升降的作用下，水土溶蚀现象更加强烈。