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三峡工程是目前世界上规模最大的水利枢纽工程。正常蓄水后,三峡库区水位比蓄水前涨高100m,库区水域面积可达1085k㎡。自2009年起,在正常的水利调度下,库水位每年在145-175m之间涨落至少一次。如此大范围和大幅度的库水位变化,势必影响三峡库区岸坡岩土体的水文地质条件。库水位变化对滑坡的变形破坏失稳的作用机理,是目前地质灾害领域的研究热点。人们关注较多的是水位涨落条件下,力学效应对滑坡体稳定性的影响,而对于库水与滑坡体物质物理化学作用对滑坡体物质工程性质影响的研究却比较少。
本文介绍了受库水变化影响段的香溪河段高阳镇-香溪镇的地层岩性条件。经野外调查发现,受河流相对位置和地层岩性条件的影响,高阳镇-大峡口段,滑坡主要分布在河东岸的聂家山组和下沙溪庙组,以堆积层滑坡为主,少数为基岩滑坡。大峡口-香溪镇段河岸,滑坡主要分布在河流西岸,共约70个,多为香溪组堆积层松散碎石土老滑坡,
本文以香溪河河水与八字门滑坡典型粘性土之间的水土作用为研究对象,通过室内实验说明水土相互作用对土的工程性质的影响。试验结果表明,河水浸泡土样主要通过水化作用、溶蚀作用和阳离子交换作用,对粘性土的工程性质产生影响。本文就这三方面的作用作了以下实验研究,并对其结果进行分析:
1.以香溪河河口西岸八字门滑坡典型粘性土为实验用土,经河水多次浸泡后,土壤粒度成分变细,粘粒含量和比表面积都有所增加。分析认为,原因在于河水浸泡过程中的溶蚀作用,可溶盐被溶蚀,改变了土颗粒的胶结状态。文中对实验样品的处理步骤和注意事项都作了详细说明。
通过对原土样的X射线衍射图谱分析,试验用样粘土矿物以高岭石为主,含少量蒙脱石。土样中含有大量石英,只具有弱膨胀性。
2.以蒸馏水浸泡样作对比,本文还对河水浸泡样的电化学性质做了研究。着重对河水浸泡样的聚沉、土粒的Zeta电位和河水浸泡样的化学成分变化做了对比分析。
结论认为,基于电泳原理的Zeta电位是相对值,反映粘土胶粒带电强度和结合水膜厚度的相对关系。Zeta电位值与环境溶液的温度、电解质浓度、pH值等都有直接关系,所以并不具有绝对意义。但是只要保证制样条件的同一性,结果仍具有可比性的。河水浸泡过土颗粒的Zeta电位值(绝对值)最小,而蒸馏水浸泡过的土颗粒Zeta电位值(绝对值)最大。
3.阳离子交换作用使粘性土的结合水膜厚度变薄。河水中Ca+起主导作用,与土颗粒表面的低价阳离子发生了阳离子交换作用,使土粒表面的结合水膜厚度发生变薄。当结合水膜变薄至粘土胶粒之间距离足够小,引力占主导作用时较小土颗粒团聚成较大的土颗粒。
用蒸馏水浸泡样中Ca含量的降低,说明溶蚀作用土颗粒河水浸泡过程中含钙物质被溶蚀。但河水浸泡过的土样中Ca含量反而略有增加。这也说明河水浸泡过程中,有Ca进入土颗粒中,说明了阳离子交换作用对对土颗粒成分的影响。
电化学性能测试中的聚沉现象、Zeta电位值和阳离子交换量试验都是互为验证的结论。这些实验结果有力的说明了河水浸泡后,粘土胶粒的结合水膜厚度降低了。
4.通过固结试验中,河水浸泡样和原土样固结过程中孔隙比与固结压力的关系,说明河水浸泡土样后,土颗粒结合水膜变薄。在荷载作用下,土颗粒之间更容易靠近,在相同的固结压力下孔隙比更小。以固结样冷冻风干后电镜扫描图像,观察了土颗粒的接触关系,说明土颗粒在和水浸泡后,由土颗粒由原来的“叠片层状”有序结构变成“叠片支架”式结构。按奥西波夫的解释,因为这种结构的是脆弱的,较高的固结压力下,两种土样的孔隙比就趋于一致。孔隙比与固结压力变化试验,与电化学性能也是互为验证的。
5.通过河水浸泡样和原土样的饱和固结快剪结果,试验结果证明,河水浸泡样比原土样的粘聚力和内摩擦角都有所增大。其原因是,河水浸泡土样过程中溶蚀作用使土的粘粒含量增加,导致使粘聚力增加。溶蚀作用也改变了土颗粒的胶结状态,由分散结构变成凝聚结构;由于阳离子交换作用使土颗粒表层结合水膜变薄,土颗粒间的摩擦系数增大。这些因素增大了土样的内摩擦角。实验结果与鲁执荣以Na+和Ca2+饱和的蒙脱石和高岭石的剪切强度作对比,说明了香溪河河水中含量最高的Ca2+与粘性土表面的低价离子发生了离子交换作用,使粘性土的剪切强度指标提高。
水土作用的试验分析,是研究水库滑坡中河水对滑坡粘性土工程性质影响的研究,试验结果有实际的指导意义。河水与滑坡粘性土物理化学作用的程度和范围,与河水对地下水影响化学成分和水力梯度影响程度有关。水土作用影响滑坡,基本原理是地下水与粘性土的力学和物理化学作用导致滑坡稳定性的变化。地下水化学成分受库水位、降雨、地表径流、滑坡体成分、滑坡体地形地貌等的影响,共同作用控制着水土作用。
水是地质环境中最活跃的因素,对于水土作用的必须放在广阔的地质环境背景中研究。通过水文地球化学的方法,研究库区水土作用对区域地质灾害发育的影响机理具有现实的指导意义。同时,利用水土作用的基本原理,通过人为改善地下水化学成分和赋存条件,促进水土作用向提高滑坡稳定性方向发展,既保护了地质环境又具有经济效益的方法。