十堰鄧坪滑坡變質巖工程特性研究

邵 勇，左冬立，徐光黎，劉 維，王振華

(1.湖北省城市地質工程院,湖北 武漢 430050； 2.中國地質大學(武漢),湖北 武漢 430070)

2017年9月下旬以來,十堰市連降強暴雨,平均降雨量達480 mm,較同期偏多3倍,是1956年氣象記錄以來的最大值。10月4日,G242國道鄧坪工業園段170多米長的公路下塌將距國道下方500 m遠的工業園區一幢1 500 m2的廠房掩埋。10月5日,持續強降雨引起十堰市鄖陽區柳陂鎮福利院東側山體發生滑坡險情,造成福利院擋墻平移2～3 m,地面拱起0.5～1.0 m。10月初,谷竹高速多處路段因為連續強降雨發生山體滑坡,造成交通中斷,對設置的抗滑樁及格構護坡設施造成了破壞。

以上滑坡均是發生在十堰市片巖、板巖、千枚巖等軟變質巖構成的易滑地層中。如十堰鄧坪滑坡,其滑床主要為中元古界武當山群強—中風化絹云母石英片巖,滑坡中前部滑帶為絹云母石英片巖軟弱帶,滑坡后部滑帶主要成分為絹云母石英片巖風化物。通過對其工程特性的研究,揭示類似滑坡災害孕育及發展的規律。在9月底—10月初十堰地區集中爆發的多處滑坡地質災害中,均存在連續降雨的情況,因此變質巖的水理性質將是本研究的重點之一。

1 變質巖滑坡研究現狀

國內外對中國變質巖地區的滑坡地質災害研究較少,對十堰變質巖地區的滑坡研究更少,基于變質巖地區滑坡工程實例的研究幾乎沒有。李志剛[1]和熊煒[2]分別對堵河流域變質巖地質災害及秦巴山區軟弱變質巖淺表層滑坡開展了研究,王偉[3]則對貴州省黔東南江縣地區的淺變質巖分布區地質災害易發性進行了分區,吳道榮[4]建立了閩北地區老變質巖地區滑坡實時遠程監測網絡系統。

變質巖巖性較弱,存在大量的細微節理,制樣不便,針對其性質的實驗研究較為困難。目前開展的研究主要包括：趙法鎖對某工程邊坡軟巖的三軸實驗研究,于德海開展的水對綠泥石片巖力學性質的實驗研究,賀匯文對秦嶺變質巖區巖體結構特征及公路邊坡穩定性的研究,陳文玲對黑河水庫壩肩邊坡云母石英片巖三軸蠕變機理及蠕變模型的研究,許江坤研究了黔東南淺變質巖邊坡變形破壞機制。

2 十堰竹山縣鄧坪滑坡變質巖工程特性研究

本項目處在武當與大巴山脈間,構造活動較為強烈,該地區的變質巖是由造山運動形成的區域變質巖。通過薄片鑒定、XRD等研究方法,揭示了變質巖的礦物組成和顯微結構(圖1)。對變質巖的物理特性、力學特性、水理特性等工程特性進行了一系列測試,為揭示類似滑坡災害孕育及發展的規律研究奠定基礎。

圖1 鄧坪滑坡1-1′工程地質縱剖面圖[5]Fig.1 1-1′ Engineering geological profile of Dengping landslide1.第四系滑坡堆積層;2.含碎石粉質粘土;3.絹云母石英片巖;4.滑動帶;5.中元古界片巖;6.碎石土;7.素填土;8.裂縫及編號;9.耕植土;10.滑坡前緣破碎的絹云母石英片巖;11.強風化帶;12.片理產狀;13.中風化帶;14.鉆孔孔號。

2.1 實驗樣品采集

實驗用巖樣取自于湖北省十堰市西南竹山縣的鄧坪滑坡中部及上部滑坡體。取樣近100余塊,重約125 kg,巖塊大小有別,分為中風化和強風化兩組(圖2)。

圖2 變質巖石取樣點位置圖Fig.2 Sampling points for metamorphic rocks

2.2 變質巖物理性質

2.2.1現場針貫入原位實驗

為了在滑坡現場就能對變質巖的巖土體物理力學性質有較為直觀的認識,同時為了便于現場取樣時對中風化和強風化進行篩選分類,本研究采用SH-70軟巖針貫入儀對變質巖石進行了原位測試,以獲得其強度特性(圖3)。在巖石露頭表面厚度>15 mm且表面比較平整的部位進行,貫入方向分垂直層理方向和平行層理方向,測試環境為雨后。

圖3 針貫入儀現場原位測試Fig.3 In situ penetration test

根據公式(1)算出針貫入比(NPI值),然后通過NPI與單軸抗壓強度計算公式(2)換算出巖石的單軸抗壓強度。鄧坪滑坡變質巖針貫入原位實驗結果見表1。

表1 鄧坪滑坡巖體針貫入實驗統計表Table 1 Statistical table of penetration test

NPI=F/D

(1)

式中：F為貫入力；D為貫入量；NPI單位是mm。

δ=0.417 83NPI0.978

(2)

式中:δ為單軸抗壓強度,MPa。

根據Rc與巖石堅硬程度的對應關系表(表2),雨后的鄧坪滑坡出露巖體為軟巖—極軟巖,垂直層理方向的抗壓強度在1～10 MPa之間,平行層理方向的抗壓強度在1 MPa左右,且垂直層理方向的抗壓強度浮動范圍顯著高于平行層理方向。

表2 Rc與巖石堅硬程度的對應關系Table 2 Corresponding relationship between Rc and rock hardness

2.2.2變質巖基本物理性質

對該滑坡體變質巖進行了基本的常規物理性質實驗,結果見表3。

表3 變質巖基本物理性質表Table 3 Basic physical properties of metamorphic rocks

巖石塊體密度天然條件下為2.62～2.65 g/cm3,干燥后為2.60～2.63 g/cm3,飽水時為2.64～2.69 g/cm3,顆粒密度2.71～2.74 g/cm3。總體來說,該變質巖試樣的孔隙度較大,為3.82%～4.24%。樣品含水量在1.08%～1.17%之間。根據下文中的變質巖顯微結構實驗結果,認為孔隙度大的主要原因是巖石內部層理中存在大量微裂縫隙。

2.3 變質巖微觀性質研究

2.3.1薄片鑒定實驗

通過對鄧坪滑坡變質巖的薄片鑒定,表明該滑坡體變質巖中大部分含有伊利石/云母、綠泥石、長石、石英等礦物,含量較高的有伊利石/云母、綠泥石。它們在巖石里呈定向排列,層狀結構明顯,板片結構極為發育。礦物之間以泥質膠結為主,層間附著力低。另外,不同變質程度的巖石中的礦物組成和含量差異很大,且分布不勻,產生較大巖性差異。

圖4 鄧坪滑坡絹云母石英片巖顯微照片Fig.4 Microscopic photos of Sericite quartz schist in Dengping landslide

2.3.2XRD實驗

實驗選取了中、強風化巖樣分別進行了XRD實驗,測試其全巖礦物組成,結果見表4、圖5及圖6。

表4 X射線粉晶衍射實驗分析結果Table 4 Analysis results of X-ray powder diffraction test

圖5 中風化巖樣衍射波譜圖Fig.5 Diffraction spectrum of medium weathered rock samples

圖6 強風化巖樣衍射波譜圖Fig.6 Diffraction spectrum of strongly weathered rock samples

測試結果表明,該滑坡體強風化變質巖中礦物含量最高的是伊利石/云母(云母和伊利石衍射光譜重疊,將其合并),中風化變質巖中礦物成分含量最高的是綠泥石,符合絹云母片巖的形成規律,即在表生作用下,長石綠泥石化,斜長石絹云母化。此三類礦物對變質巖的各項工程特性均有決定性的影響。

2.4 變質巖力學性質研究

為了初步確定變質巖的力學性質,對在鄧坪滑坡現場采集的巖塊進行點荷載實驗,得到點荷載強度指數,并換算出抗壓強度。并根據其在風干和飽水狀態下分別測得的垂直板理和平行板理方向的抗壓強度,計算出變質巖的各向異性指數和軟化系數,以此判斷變質巖垂直板理和平行板理的力學性質差異,以及其與巖石風化程度和含水程度之間的關系。

抗壓強度σc=22.82Is0.75

(3)

抗拉強度σt=KIs

(4)

式中：K取0.86～0.96。

點荷載實驗巖樣取自鄧坪滑坡散落的較為完整的具有一定長、寬、厚度的巖塊,分別在天然和飽和條件下對巖樣進行了點荷載實驗。本次實驗對于滑坡區區絹云母石英片巖中風化垂直/平行片里各10個樣,共20個,強風化也同樣取20個樣,并對于巖樣在風干狀態和飽和狀態分別進行點荷載實驗,巖樣合計80個。實驗結果見表5。

根據表2,中風化絹云母石英片巖屬于較軟巖,強風化絹云母石英片巖屬于軟巖。絹云母石英片層理發育,在垂直和平行層理方向表現出各向異性,兩個方向的抗壓強度比值即為各向異性指數。從表5中可以看出,中風化片巖的各向異性指數為1.47,強風化片巖的為1.54,各向異性明顯。

表5 絹云母石英片巖各向異性及軟化性統計表Table 5 Anisotropy and softening of sericite quartz schist

根據公式(4),絹云母石英片巖的抗拉強度集中在0.1～1.2 MPa之間,所以無論垂直或平行層理方向,其抗拉能力均較弱,且裂紋表面光滑,可判斷層理面的抗剪能力也較低,易發生剪切破壞。

絹云母石英片巖的軟化系數(飽和抗壓強度與干抗壓強度之比)為0.68～0.94,可見水對變質巖強度的影響較為明顯。

2.5 巖石水理性質實驗

2.5.1膨脹性實驗

通過2.3變質巖微觀性質研究結果可知,鄧坪滑坡體變質巖含伊利石、綠泥石等粘土礦物,因此需要測定其遇水后的膨脹率。制成Φ50 mm×50 mm的中風化絹云母石英片巖標準試件開展自由膨脹率實驗,計算公式如下：

VH=ΔH/H

(5)

VD=ΔD/D

(6)

式中：VH為軸向膨脹率；VD為徑向膨脹率；ΔH為試樣軸向變形值；ΔD為試樣徑向變形值；H為原始試件高度；D為原始試件直徑。

從表6可知,中風化絹云母石英片巖具有一定的膨脹性,且VH遠大于VD,即垂直層理方向的膨脹性要大于平行層理方向,膨脹性在不同的層理方向差異顯著。變質巖遇水后,水很容易沿層理面進入巖石內部,引起層理面間的伊利石、云母、綠泥石等粘土礦物含水率上升,礦物晶體結構發生膨脹和隆起,產生變形。由于在垂向上,粘土礦物與水之間缺乏連接通道,因此在平行層理方向上的膨脹變形要小的多。

表6 巖樣①、②自由膨脹率統計表Table 6 Free expansion rate of rock samples

2.5.2耐崩解性實驗

對不同風化程度(強風化、中風化)的絹云母石英片巖開展了耐崩解性測試,實驗結果如表7所示。

表7 崩解性實驗結果表Table 7 Disintegration test results

根據實驗結果可知,不同風化程度的絹云母石英片巖的耐崩解性差異較大。根據甘布爾崩解耐久性分類表(表8),中風化絹云母石英片巖的耐崩解性為中高等級,強風化巖則為低等級。

表8 甘布爾崩解耐久性分類表Table 8 Ganbull disintegration durability classification

根據前文所述的該變質巖礦物顆粒膠結方式、膠結物種類、層理結構形式等內容,在周期性的干濕交替作用下,必然會導致絹云母石英片巖層理面間粘聚力弱化,使巖石逐步軟化崩解,且巖石風化程度越高,耐崩解性越差。

3 結論

通過對十堰鄧坪滑坡變質巖的微觀特性、物理特性、力學特性和水理特性研究,得出了該滑坡變質巖中風化和強風化全巖礦物及含量,主要為伊利石/云母、綠泥石等粘土礦物,均占全巖礦物含量90%以上。通過現場針貫入和點荷載實驗確定其屬于軟巖—較軟巖。飽水狀態下垂直片理面方向抗壓強度為<16.2 MPa,板理面之間的抗拉強度<1 MPa。飽水狀態下平行片理面方向的抗壓強度<10 MPa,抗拉強度為0.1 MPa左右。各向異性指數為1.5左右,具有明顯的各向異性特征,隨著風化程度的加劇,各向異性也愈加明顯。絹云母石英片巖軟化系數為0.64～0.72,且隨著風化程度加劇而增大。垂直板理面方向的膨脹率為0.32～0.79,有一定的膨脹性,且垂直板理面方向的膨脹性遠超過平行板理方向。耐崩解能力一般(56%～88%),板理面易吸水、開裂。

對于鄧坪典型變質巖切層滑動滑坡,其滑體物質下層為遇水極易軟化的強風化絹云母石英片巖。滑坡后緣變形破壞產生的裂縫與滑帶直接相連形成貫通通道,降水可直接沿后緣裂縫進入滑帶,使滑帶土層在地下水作用下軟化。滑體物質從后緣到中部土層由薄變厚,到滑坡前緣逐漸變成絹云母石英片巖基巖,且強風化絹云母石英片巖由于地下水的作用軟化后其抗剪強度大大降低,最終導致滑坡從前緣剪出。

基于變質巖區滑坡巖土體的工程地質特性,針對此類滑坡,應著重采取以下防治措施：①建立地質災害氣象預報預警業務流程,及時發布災害預警信息；②汛期加強滑坡體及地下水監測,防汛與滑坡防治同步開展；③為潛在滑坡災害體建立完善的截排水體系,防止外圍地表水進入滑坡區；④建設坡面生態防護工程,減少降雨及地表水下滲；⑤嚴禁各類工程建設活動隨意切破；⑥削方減載改善邊坡的穩定性。