常　宏　谭建民　严绍军

(①中国地质调查局武汉地质调查中心　武汉　430223) (②中国地质大学(武汉)工程学院　武汉　430074)



鄂西清江偏山滑坡群易滑地层特性*

常宏①谭建民①严绍军②

(①中国地质调查局武汉地质调查中心武汉430223) (②中国地质大学(武汉)工程学院武汉430074)

二叠系大隆组和三叠系大冶组是清江流域碳酸盐岩区的易滑地层，清江中游的偏山滑坡群即为典型实例，夹泥的大冶组泥灰岩及大隆组顶部泥岩形成了滑体下部与滑带。通过现场调查、取样和室内测试，对两者的矿物和化学成分、力学性质等进行了研究分析。结果表明：大隆组顶部泥岩含胀缩性明显的蒙脱石，黏土矿物总含量为40%～75%，泥岩泥化后强度明显降低且表现出典型蠕变特性，通过流变实验得到其长期强度指标黏聚力为23kPa，摩擦角18.1°； 大冶组下部泥灰岩含泥量较高，层间黏土矿物主要为伊利石和绿泥石，层面水平，顺层错动导致泥灰岩表面磨蚀及层间黏土矿物定向排列，特别是浸水后结构面强度降低明显形成易滑面加剧滑坡体的变形； 滑坡演化与清江发育之间具有相互促进作用，类似地质结构和水往复作用地带岸坡需特别重视。

清江偏山滑坡泥岩蠕变试验黏土矿物

0　引　言

清江是长江在鄂西山地的最大支流，流域内各时代地层出露较全，碳酸盐岩地层分布占全区72%以上，分布面积最广的是三叠系(49.24%)，其次为二叠系(19.91%)。流域内2276个滑坡中，发育于碳酸盐岩地层中的大型以上滑坡数量占总数的45.75%，体积占总数的43.67%； 含泥岩夹层的三叠系大冶组(T1d)、二叠系大隆组(P2d)是流域内较为典型的易滑地层(常宏等， 2014)。本文以偏山滑坡群为例，通过对大隆组顶部泥岩夹层、大冶组泥灰岩及夹层进行矿物学和力学等测试手段获得基础数据并探讨其工程地质特性，为碳酸盐岩区滑坡防灾减灾提供基础依据。

1　偏山滑坡群及其地质环境

偏山滑坡群位于清江中游隔河岩库区左岸，处于资丘镇西、天池河对岸。滑坡群体积近1300×104m3，在地貌上具备三期平台，形成覃家田滑坡、偏山2号和偏山1号等3个子滑坡 (图1)，三者滑动带的形成时代不同，为90.3±0.9～60.8±4.8kaB.P.， 大致相当于河流T4阶地形成时期(常宏等， 2011)。

图1　偏山滑坡群横剖面简图Fig. 1　Cross-sectional map of Pianshan landslides

该岸坡地层岩性组合包括：下部二叠系上统吴家坪组(P2w)深灰色中厚层细晶灰岩，含燧石条带及团块，构成稳定滑床； 中部为二叠系上统大隆组，为黑色薄层含碳质泥岩、黑色薄层硅质岩夹硅质泥岩碳质泥岩，大隆组与上覆大冶组呈整合接触和岩性渐变，与下伏吴家坪组呈间断沉积的似整合接触，沉积厚度一般小于10m(牛志军等， 2000)，构成主要滑带； 上部为三叠系下统大冶组灰色薄中层泥晶灰岩为主，夹中厚层状砂屑鲕粒灰岩、蠕虫状灰岩及钙质泥岩，其下段泥质含量较高(武汉地质调查中心， 2010)，构成滑坡主体，部分参与形成滑带。

滑坡群所在岸坡为柿贝箱形背斜核部急转后形成的单斜顺向结构，构造及卸荷裂隙构成滑坡后缘和继承边界，泥岩夹层先期经构造错动形成阶梯状弱面，受河流切割揭露后产生破坏。

2　大隆组顶部泥岩成分与蠕变试验

2.1矿物与化学成分

图2　大隆组取样位置及典型矿物含量分布Fig. 2　Sampling positions of top Dalong formation and amount distribution of character minerals

本次在滑坡后缘滑壁残存的大隆组地层中自下而上采集了7个样品 (图2)，编号为PS-1～PS-7，其中PS-2～PS-6为泥岩夹层样品。PS-1为下部硅质岩，强度高，形成滑床；

表1　大隆组顶部样品化学成分测试结果Table1　Chemical test results of samples of top strata of Dalong formation

样号SiO2/%Al2O3/%Fe2O3/%MgO/%CaO/%Na2O/%K2O/%TiO2/%P2O5/%MnO/%H2O/%烧失量/%PS-351.7117.367.352.53.080.733.140.581.660.313.0611.22PS-448.218.117.513.233.650.84.670.782.330.0372.1610.08PS-553.7518.425.322.642.662.813.710.851.520.0771.487.86PS-641.7112.513.321.6817.042.672.280.462.280.031.4616.1

PS-2、PS-3为黄褐色泥岩，含水量较高，部分风化成泥； PS-4为泥岩； PS-5为灰质泥岩，风化后为黄褐色，新鲜面呈黄灰色，层理发育； PS-6为灰质泥岩，深灰色，强度稍高； PS-7为灰岩，深灰色，层理发育，完整性较好，形成滑坡主体部分。从上述样品矿物定量分析测试结果 (图2)可以看出，在大隆组顶部泥岩夹层中，黏土矿物类型主要以蒙脱石、伊利石为主，含少量绿泥石和高岭土。黏土矿物的含量为40%～75%，其中具有良好膨胀性的蒙脱石含量为15%～30%。化学成分测试结果 (表1)表明，软弱夹层中SiO2/(Al2O3+Fe2O3)为1.9～2.63，Fe2O3含量较高，为3.32%～7.35%，与一般风化土体成分类似。

基岩滑坡直接受岩石的成分控制，而黏土矿物是易滑地层的关键控制因素。大隆组黏土矿物含量较高，且远高于三峡库区易滑地层——巴东组紫红色泥岩(17.9%(殷跃平等， 2004))。由于黏土矿物的胀缩性及结构上的定向性，在较大的剪切荷载作用下，在水的往返作用下，颗粒间的结构连接力不断降低，会导致抗剪强度和结构强度的降低而形成滑坡(王洪兴等， 2004)。

2.2流变试验

从已有研究及现场调查看，滑坡在水库蓄水后仍处于蠕动变形过程中。因此，对该泥岩夹层进行单剪流变试验，测试其流变特性(肖树芳等， 1991)。

为了分析原状泥岩及破坏后(泥化)泥岩的流变特性，试验时设计了两种垂直固结方式。第1种采取正常固结，即样品压力加荷至设计荷载，待固结稳定后开始分阶段施加剪切荷载。该试验过程用于模拟泥岩结构破坏丧失，泥化土体的蠕变特性，基本为滑带土体的现状。第2种对样品进行超固结至3200kPa，并保持1周时间，以此在一定程度上恢复泥岩夹层初始结构，然后卸荷至设计垂直向压力，待变形稳定后进行流变试验，该组样品称为预固结样。固结过程可以看出，在400kPa以前，固结压力形成的垂直变形非常明显，而800kPa以后，变形量很少。正常固结和预固结下共4级压力进行蠕变试验，共计8个样品，单剪时样品设计垂向压力分别为100kPa、200kPa、300kPa和400kPa。

对比正常固结样(滑带土现状)和预固结样(模拟原状泥岩样)的蠕变曲线 (图3，垂向压力为200kPa)可以看出，在低剪切应力(小于长期强度)作用下，正常固结样品较预固结样品每级荷载产生的变形量明显偏大，当剪切应力大于长期强度，每级荷载产生的变形逐渐降低。预固结样品在破坏前产生突然变形，具有一定的脆性破坏的特点。正常固结样品在出现加速蠕变后，仍然具有一定强度。预固结样品的强度较正常固结样品明显偏高。

图3　正常固结与高压预固结流变结果比较Fig. 3　Creep test comparison of normal consolidation and high pressure pre-consolidation

利用不同垂直压力下蠕变试验得到长期强度指标——黏聚力和摩擦角，正常固结样为23kPa和18.1°，预固结样为30kPa和22.4°。虽然预固结样品只是部分恢复了泥岩的初始结构，但该组样品的长期强度较正常固结样品仍然高1/4左右 (图4)。大隆组顶部泥岩的强度不但受矿物成分的控制，还明显受到岩体结构的控制。

图4　正常固结与预固结试验长期强度曲线Fig. 4　Long term strength curves difference of normal consolidation and pre-consolidation

从蠕变试验结果可以看出，在清江侵蚀下切时，顺层面剪切应力不断增加，变形较低； 持续下切当荷载超过泥岩夹层长期强度后，顺层出现突然破坏，并导致泥岩夹层泥化、泥岩结构丧失； 当泥岩破坏形成滑带后，强度降低，滑坡逐渐恢复相对平缓地形，并长期处于蠕变破坏状态。

3　大冶组泥灰岩成分与结构面性质

3.1矿物与化学成分

本次采取的大冶组样品中，PS-8和PS-12为单层厚度较大、岩性较单一的灰岩，强度较高； PS-9和PS-13为泥灰岩，PS-9泥质含量较高； PS-11为富泥与富钙分带明显条带状灰岩； PS-10主要为泥岩，钙质胶结，极易软化成泥。

从矿物测试结果 (表2)可以看出，大冶组岩石中方解石含量为67%～97%，而层间泥质夹层方解石含量仅有21%(PS-10)，其余主要以绿泥石、伊利石为主的黏土矿物及外源石英为主。

表2　大冶组样品矿物成分测试结果Table2　Mineral test results of samples of Daye formation

样号绿泥石/%伊利石/%石英/%方解石/%PS-822591PS-91051570PS-1025302421PS-111051867PS-1200397PS-13551575

表3　大冶组样品化学成分测试结果Table3　Chemical test results of samples of Daye formation

样号SiO2/%Al2O3/%Fe2O3/%MgO/%CaO/%Na2O/%K2O/%TiO2/%P2O5/%MnO/%H2O/%烧失/%PS-1040.213.54.22.617.10.182.90.710.30.0240.8618.5PS-1119.35.62.91.537.30.451.00.250.20.0320.0831.4PS-122.42.20.46.045.70.100.30.050.10.0100.7741.6PS-1330.48.73.22.227.70.621.70.440.20.0340.2624.6

从化学分析结果 (表3)也可以看出，大冶组地层碳酸盐岩主要以方解石为主，白云石含量低，CaO/MgO之比为6.6～24.9； 外源的SiO2、Al2O3含量变化较大，在沉积速度较快、以内源化学沉积为主的灰岩SiO2、Al2O3含量在5%以下，而层间缓慢沉积的泥岩夹层，其硅铝含量可以达到53.7%，构成了岩石的主体。因此，大冶组这种内源化学沉积和外源堆积沉积交替发育特点是导致岩体整体强度偏低、极易顺层滑移的主要原因。

3.2微观结构与滑移构造

采用电镜扫描对大冶组样品微观结构进行了观察。观察面主要为层面表面和垂直于层面的截面。结果可以看出： ①在过水层面表面溶蚀比较严重，碳酸盐流失导致结构架空，黏土相对含量增加，有利于造成岩石的破坏变形 (图5)； ②大冶组岩石晶体细小，虽然XRD及化学成分判定的黏土矿物含量不是很高，但却在层面表面富集，这一分布特征有助于岩体顺层滑动； ③顺层滑动在层面表面留下微观的阶步，黏土矿物定向排列也比较明显； ④另外在岩石内部造成剪切变形，方解石颗粒出现旋转变形，形成“σ”构造形态 (图6)。

图5　样品PS-8层面及垂直于层面断面SEM图Fig. 5　SEM images for the bedding surface and cross the surface of sample PS-8层面矿物略呈定向排列(左图箭头方向)，表面出现比较明显的溶蚀现象。右图为垂直于层面的断面，矿物结构致密，孔隙率低，颗粒大小约为0.02mm

图6　样品PS-9层面及垂直于层面断面SEM图Fig. 6　SEM images for the bedding surface and cross the surface of sample PS-9左图为层面，层面光滑，局部有轻微溶蚀现象，阶步轻微发育，方向为箭头方向。在垂直层面断面上(右图)，在黏土矿物集中分布区，形成微观错动带，方向为箭头方向，个别方解石有拖尾现象

表4　层面分形计算结果Table4　Calculation results of fractal parameters of bedding surface

样号侧线斜率K相关性分维值Df平均值PS-10T-1-0.0013840.9481.0013841.001248T-2-0.0008560.9561.000856T-3-0.0015050.9681.001505PS-11T-4-0.0008890.9671.0008891.001121T-5-0.0013680.9871.001368T-6-0.0011060.9661.001106

3.3层面形态及强度研究

根据B B Mandelbrot提出的分形理论(Barton， 1977)，对大冶组典型层面表面绘制表面形态曲线，计算得到PS-10与PS-11样品表面的分维值 (表4)，大冶组层面JRC值为2.1568和1.8588，大致为2.0左右，属于Barton分类体系中最为光滑的一类结构面及二类结构面。这类结构面主要受自身摩擦角控制，而大冶组层面富泥，因此强度较Barr公式结果更为偏低。

3.4顺层剪切强度试验

对大冶组层面进行了风干样和饱水样的顺层剪切试验 (图7、图8)。结构面剪切强度试验结果可以看出，大冶组泥灰岩对水非常敏感，风干样摩擦角略大于26°，而饱水样为22°左右，强度降低非常明显。导致这一现象的主要因素为层面富泥，黏土矿物对水体非常敏感，吸水起到润滑作用。

图7　PS-10样层面抗剪切测试结果Fig. 7　Shear test curves of bedding surface of PS-10

图8　PS-11样结构面抗剪切测试结果Fig. 8　Shear test curves of bedding surface of PS-11

清江侵蚀下切后，高出江面的岩体形成卸荷作用，由于大冶组自身强度较低，卸荷作用导致岩体顺层错动，并形成垂直向的拉张裂隙，进而导致水体入渗而岩体长期饱水使强度进一步衰减。但较之于大隆组泥岩夹层而言，其强度相对要高，特别是泥岩分布受限于层面结构，可能在大冶组层面内部形成局部弱的自锁段。

4　结　论

偏山滑坡群的形成受大隆组泥岩及大冶组泥灰岩(夹层)控制非常明显，两者也是清江流域碳酸盐岩区的主要易滑地层。大隆组顶部泥岩为二叠系顶部标志层，该层黏土矿物类型主要以蒙脱石、伊利石为主，含少量绿泥石和高岭土，含量为40%～75%。大冶组下部的泥岩夹层与大隆组顶部泥岩黏土矿物成分有显著差异，蒙脱石的含量极低，主要为膨胀性较低的伊利石、绿泥石为主。大隆组泥岩往往构成滑带，其强度较低且具有显著的蠕变特征，其泥化后强度降低明显，长期强度指标黏聚力为23kPa、摩擦角为18.1°。大冶组层面夹泥，具顺层剪切迹象，构成了滑体破坏的主要软弱结构面； 层面JRC值大致在2.0左右，结构面起伏小，面光滑； 层面剪切强度较低，且对水非常敏感，饱水后摩擦角数值降低显著。

偏山滑坡群的形成过程应是：褶皱层间剪切-清江下切卸荷-大冶组岩体(滑体)错动破碎撕裂-江水揭露大隆组-大隆组泥岩(滑带)软化泥化-大冶组岩体因重力作用次第下滑，滑坡规模大且延续时间长形成堵江，因此也影响了清江河道演化的方向。从滑坡预测和防治角度，应特别重视碳酸盐岩区类似偏山滑坡群的地质结构，及具有降雨和地表水入渗蒸发、地下水升降、枯洪(水库)水位变动等反复作用的岸坡地段。

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FEATURES OF SLIPPERY STRATA FOR PIANSHAN LANDSLIDES IN QINGJIANG RIVER CATCHMENT OF WESTERN HUBEI PROVINCE

CHANG Hong①TAN Jianmin①YAN Shaojun②

(①WuhanCenterofChinaGeologicalSurvey，Wuhan430223) (②EngineeringFaculty，ChinaUniversityofGeoscience，Wuhan430074)

The Dalong formation of Permain and the Daye formation of Triassic are the main slippery strata in Qingjiang River catchment of western Hubei province. Pianshan landslide is a typical example. Its lower part is composed of thin-bed limestone of Daye formation. Its slide belt is formed with mudstone or shale of the top of Dalong formation. Depending on field investigation， sampling and mechanical tests in laboratory， following results on the mineral and chemical compositions and mechanical properties are obtained for the two formation materials. The main clay mineral in the mudstone is montmorillonite with good swelling and shrinkage character. The content of clay minerals is 40%～75%.The strength of the mudstone decreases obviously after argillization， companying with typical creep deformation. For long term strength properties， the cohesion is 23kPa and the internal friction angle is 18.1°，which are achieved with rheological tests. The amount of clay minerals in the thin bed limestone is high. The main components are illite and chlorite and the bedding surfaces are very smooth. The surfaces are abraded and the clay is oriented between the layers due to the bedding slipping deformation. The strength of interlayers decreases obviously and forms the slide surface inside the landslide body when the layers are saturated. There are good mutual effect and acceleration between the landslide evolution and Qingjiang River development. The similar geological structure and water reciprocating strip should be taken seriously．

Qingjiang， Pianshan landslide， Mudstone， Creep test， Clay mineral

10.13544/j.cnki.jeg.2016.01.004

2014-10-14;

2015-09-28.

中国地质调查“清江流域地质灾害详细调查成果集成项目(编号： 1212011140009)”资助.

常宏(1975-)，男，教授级高级工程师，从事水工环地质调查研究. Email: chhxtx@126.com

P642.22

A