首页注释：本案例探讨了水岩相互作用机理的问题。本案例涉及到的内容主要有水与岩土体的化学作用、水位升降过程中水与岩土体的物理作用、水位升降过程中水与岩土体的力学作用。作者：程龙飞，岩土工程专业，工学博士，教授，硕士生导师，主要从事地质灾害监测预警实用技术、安全评价与风险管理和智慧工程等方面的研究；工作单位：必赢线路检测3003。在此特别指出，本案例充分参阅了前人发表的文章，为了避免版权纠纷，仅供教学使用。
摘要：水可以导致岩土体渗透、变形和强度降低，也是许多工程事故、地质灾害的重要因素之一。本文全面总结了水与岩土体之间的化学作用、物理作用和力学作用，并以三峡库区巫山段水位升降作用下岩土体强度劣化为典型案例进行了分析。综合研究表明水与岩土体的化学作用、物理作用是导致岩土体力学性能降低的根本原因。本案例是针对水与岩土体相互作用问题，结合理论分析使员工对岩土工程中与水作用的相关知识点有深入的了解，熟悉岩土体在水的影响下失稳的机理。组织员工进行类似案例的练习，可为员工今后解决同类型工程问题提供理论支撑和实践经验。
关键词：水；岩土体；相互作用；三峡库区
引言：水是导致岩土体强度降低乃至破坏的重要因素之一，由于水引起的工程事故案例也较为常见。因此，阐明水与岩土体之间的相互作用机制，了解清楚水是如何作用使得岩土体失稳乃至破坏的，对于地质灾害防治、地基处理都具有重要的理论指导作用。本文通过对近年来国内外水与岩土体之间的相互作用机制研究进展进行了综合论述，从水与岩土体之间的化学作用、物理作用和力学作用三个方面进行了总结，并最终导致岩土体在力学行为上的变化。本次还以三峡库区巫山段水位升降作用背景下岩土体强度劣化情况进行了分析。本案例可以加深岩土工程相关专业研究生、本科生对有效应力原理、莫尔库伦强度等理论知识以及在工程实践的应用有深入的了解，从而为将来的学习和工作奠定扎实的基础。
背景介绍：随着三峡库区水位一年一度周期性的涨落，库区水位在反复升降过程中江水对岩土体主要产生三种作用：水与岩土体相互反应的化学作用、水与岩土体的物理作用、水对岩土体的力学作用。水与岩土体的化学作用主要是由于岩土体中含有能与水发生反应的矿物成分，当水位上升接触到江水时发生化学反应，从而生成新矿物替换原有矿物，包括溶解作用、水解作用、水化作用、离子交换作用、溶蚀作用以及氧化还原作用。水对岸坡岩土体的物理作用主要表现为流动的江水及波浪对岩土体的侵蚀作用、水作为润滑剂对岩土体的润滑作用、水的润湿所导致的软化作用、泥化作用以及与结合水的强化作用。水对岩土体的力学作用主要有水施加给岸坡岩土体的静水压力、库水位快速升降时岩土体水位未能同步升降所产生的动水压力、超孔隙水压力效应、水对被长期淹没的岸坡所产生的浮力以及非饱和土体的基质吸力等。
内容：
一、库水位升降过程中水与岩土体的化学作用
（一）水与岩体的化学作用
1.水的pH值的作用
Atkinson等[1]研究了pH值对岩体劣化的影响，结果表明OH-、H+离子浓度越高，岩石中裂隙扩展速率越快。乔丽苹等[2]通过试验的方法，用不同pH值的溶液浸泡试件，研究发现在离子浓度相同的情况下，岩石次生孔隙率的大小与pH值大小有关，酸性越强，孔隙率越大，且酸性环境中岩石裂隙扩展速率强于碱性环境。
2.水解作用
库水位的上升，会导致原本处于自然状态下的岩体被水淹没，水与岩石发生的水解作用使岩体中矿物发生化学风化。在巫山段库岸中，二氧化硅广泛分布于各类岩体中，在岩体裂隙尖端，水体与Si-O键更容易接触，发生化学作用的机会更多，裂隙的变形使裂隙附近的原子层分解，岩土体裂隙扩展加速[3]。水体溶液对变形键的作用使变形键范围更广，然后施加较低荷载岩土体将发生破坏。石英矿物在水溶液作用下会发生以下变化：
H-O-H+(Si-O-Si)= Si-OH·HO-Si=2(Si-OH) （1）
上式中，在Si-O键的水解作用下，氢键氢氧团的连接作用较弱，促使氢氧团与硅原子相联，因此该方程是二氧化硅矿物发生应力腐蚀的关键所在。
3.溶解作用
水化学溶解作用主要发生在水能进入的岩体裂隙中，水对岩石的溶解速度受环境温度、湿度及压力诸多因素的影响。据相关研究表明，岩土体破碎及CO2在水中的浓度加大等原因都会促使铝硅酸分解速度加大[4]。在巫山段库岸，消落带出露较多的岩石为碳酸盐岩类岩石，其中包括灰岩、泥质灰岩。碳酸盐岩类岩石所含矿物成分为以CaCO3为主的方解石及以(Ca，Mg)(CO3)2 为主的白云石。
CO2+H2O+CaCO3⇌Ca2++2(HCO3)-（2）
由上式可以得出，水中溶解有 CO2及H+，当水与灰岩接触时，会使CaCO3溶于水。库区江水流动较快，故其水温、水量及气压条件的不断改变，可保持水的溶解性能。
图1青岩子崩塌体基座溶蚀照片
如图1所示，上游侧消落带区域溶蚀现象明显，发育有直径约5～35cm不等的溶蚀孔穴。根据变形破坏特征分析，该崩塌体破坏模式为下部基座在库水的长期浸泡软化作用下岩体强度降低，岩体逐步溶蚀，导致基座岩体在高应力下首先出现压裂破坏形成岩腔，基座破坏掏空后上部岩体在构造及卸荷裂缝影响下发生坠落式破坏。
（二）水与土体的化学作用
土是岩石经过风化形成各种矿物颗粒集合而成的产物。土中的矿物又分原生矿物、次生矿物和有机质，其中次生矿物又有可溶于水和不溶于水之分。土中发生的水化学作用时通过溶解其中可溶的矿物成分和胶结物，让某些成分发生化学反应而结晶沉淀，从而改变土的微观结构、土颗粒排列方式、孔隙率大小，土的性状发生改变，其强度和物理性质也会发生劣化。
粘性土在岸坡中广泛分布，粘性土在水的浸泡下其结构容易发生改变，水溶液进入土体内部并与其发生化学反应。粘性土的物理力学性质及水理性质因其结构的不同而不同，而粘性土的结构又取决于矿物成分和颗粒周围的含水量。水与土体的化学作用、土体本身的结构特点、土体矿物成分等之间的相互耦合及作用，是影响库区土体强度、坡体变形及土体渗透性重要因素。
巫山段库岸后部多为山体，山上崩落的碎裂岩体堆积在岸坡上，碎裂岩石与水发生化学作用，高岭石等粘土矿物增多，即
4K(AlSi3O8)+6H2O⇌4KOH+Al4(Si4O10)(OH)8+8SiO2（3）
4K(AlSi3O8)+2CO2+4H2O⇌Al4(Si4O10)(OH)8+8SiO2+4K2CO3（4）
CO2+H2O+CaCO3⇌Ca(HCO3)2（5）
上式中，K(AlSi3O8)为正长石，Al4(Si4O10)(OH)8为高岭石。由上述化学式中可以看出，在水与土体化学反应后大部分矿物在水解作用及水的溶滤作用下被水体冲刷迁移，而高岭石却残留下来，所以高岭石的含量会逐渐增多。高岭石矿物特有的显微晶格结构，在水的作用下容易分解，使含有高岭石矿物的粘性土体积膨胀，遇水软化。随着土体在水位升降变化下干湿循环次数的增加，土体强度会逐渐降低，但这种弱化效应不会一直往下降低，因为土体在浸泡过程中表层黏土矿物成分会增加，结合水厚度变大，从而降低了土的渗透性，在一定程度上阻隔了水渗入内部土体，从而减弱了水对深部土体额弱化作用，故土体强度劣化参数随着干湿循环次数的增加趋于平缓，土体强度会趋于一个稳定值。
图2 波浪冲蚀下的浪蚀龛
二、库水位升降过程中水与岩土体的物理作用
（一）侵蚀作用
三峡水库蓄水以后，巫山段长江水位较蓄水前高出很多，水量大量增加。三峡库区既是水库，又是长江河道，故其与一般的河流不同，一般河流水体局限在河床中，水流对河岸进行冲刷侵蚀，并向下切割。库区蓄水后，河面上升，使得水面更加开阔，江水流速减缓。在风浪和行船波浪的作用下，三峡库区水流侵蚀为以水浪为主的浪蚀，在这种情况下形成如图2所示的浪蚀龛。如图2所示，波浪冲蚀库岸坡脚，库岸在波浪的冲蚀下逐渐后退，并由原来的缓坡逐渐变陡，在底部失去支撑的情况下，岸坡稳定性变差，最终导致塌岸[5]。
图3 岩石的单轴抗压强度与水岩作用敏感度及软化系数的关系
（二）软化作用
岩土体在干燥与在水下浸泡饱水时的强度差异很大，这种由于水的浸泡导致岩土体强度降低的现象称为软化作用。一般用软化系数来量化软化作用的大小，即岩土体饱和状态时的抗压强度与风干时的抗压强度之比，软化系数越大，表明岩土体越不容易被水软化，反之，越容易被软化。在三峡库区巫山段库岸中，岩质库岸所占比例约为40%，加上岩土混合库岸中，坡脚多为岩质。所以研究岩质库岸在库水中长期浸泡的软化作用非常有必要。各类岩体因其组成矿物的不同以及结构的差异，软化系数也相差较大，对于坚硬的结晶岩强度软化系数能达到0.9以上，而对于泥质岩类这种低强度软岩来说，软化系数普遍在0.7以下，有的甚至低至0.4。岩石对于水的敏感程度和岩石的胶结程度及自身强度密切相关，图3为岩石强度软化的一般规律。
为了说明水对岩组性质软化作用，本文对巫山段库岸出现的主要岩体的强度试验值进行了统计分析，干湿岩体的强度试验值见表1。
表1 巫山段库岸岩体的主要物理力学参数表
在库水位升降变化作用下，土体的水敏感性比岩体更高，岸坡前缘消落带上的土体，随着库水位的升降变化，土体含水状态也在饱和与不饱和之间变换，这种干湿循环的状态对土体物理性质影响极大。被库水位淹没的土体中，水中的阳离子与土颗粒中的阴离子会相互吸引，这种吸引力会导致土颗粒表面结合水层变薄，拉近土颗粒间的距离，使得土颗粒在静电力的作用下聚沉，再加上水的动力冲刷，细小土颗粒会被流水带走。土的粘结力会随着含水率的增加而降低，因为土中含水量增加，增大了与土中亲水矿物的接触，亲水矿物吸水产生的膨胀力虽然会使粘结力暂时增大，但是随着含水量继续增加，这种膨胀力会土中微破裂的尖端发生应力集中现象，直至发生压剪破坏，破坏土体原有结构，使得孔隙数量和孔径均增大。
随着土中含水率的增加，对于内摩擦角的影响是逐渐降低，而对于粘聚力的影响则是先有一定程度的增大，但是随着含水量进一步增大，粘聚力会再次降低。随着土体含水量逐渐增大趋近饱和时，由于水对土体的润滑作用，土体抗剪强度逐渐劣化，其中c值下降尤为显著，最大可达到80%，φ值也会降低10%左右（如图 4）。土体会随着软化局部塌落入江，致使岸坡失稳破坏。
图4 含水量与抗剪强度参数之间的关系
从曲线分析可知，在土体含水量为10%~20%之间存在一个被称为最优含水量的特征含水量，处于该含水量状态的土体取得最大c值。从该含水量开始，含水量向右增加或向左减小，粘结力c都逐渐减小；在特征含水量左侧，含水量减小基质吸力增大，土体的φb将减小，当土体基质吸力很大时，φb表现为较稳定状态，此时c值较低，与土体饱和状态下c值基本相同；含水量超过特征含水量，随着含水量增加，土体的基质吸力逐渐减小，土颗粒之间的吸力逐渐降低，土体的粘结力逐渐减小。
由以上统计数据分析可知，库岸岩土体在水体的浸泡下，岩土体强度弱化明显，岩土强度弱化的程度和岩土体吸水强度有关，一般来说，吸水性越强的岩土体，经水体浸泡后，强度降低越大。对于同一种岩土体，随含水量的变化，c值和φ值变化程度也不一样，从图中可以看出粘聚力的变化大于内摩擦角的变化幅度。造成该现象的原因是因为粘聚力与内摩擦角与水作用的敏感性的不同，粘聚力对水的敏感性更强。
三峡库区水位每年会在145m和175m之间变化，在由低水位上升到高水位时，水体必然会沿着岸坡岩土体的裂隙、软弱面、结构面、堆积层与岩体交界面进入坡体内部，与岩土体相互作用，降低岩土体抗剪强度参数，岩土体发生软化。被水体浸泡部分多为库岸滑坡前缘，是滑坡的阻滑段，库水的浸泡使得阻滑段岩土体软化，导致抗滑力减小，这可能打破原有的平衡状态，使岸坡稳定性变差，严重者可能导致岸坡失稳破坏。
（三）浸泡次数对岩土体物理力学性质的影响
三峡库区自2003年蓄水至135 m，2006年蓄水至156 m，2008年蓄水至最高水位175 m以后，每年库水位在145m到175m之间变化。库区正常运营以后，库岸岩土体经历周期性浸泡。岸坡岩土体会在这种“饱水-风干”的水-岩循环作用下发生岩性裂化，降低其抗剪强度参数，最终导致岸坡稳定性变差。刘新荣等以砂岩为代表岩体，通过室内试验模拟库水位升降作用下水-岩相互作用情况，得出了砂岩在库水周期性浸泡下的劣化规律：砂岩抗剪强度参数随着干湿循环次数的增加而降低，在循环初期，抗剪强度下降速率最大，随着循环次数的增加，抗剪强度减小幅度变缓，逐渐趋于稳定[6]，（如图5所示）。
图5 库水位变动次数与抗剪强度参数劣化曲线图
三、库水位升降过程中水与岩土体的力学作用
（一）静水压力和动水渗透压力作用
库区水位的升降会导致岸坡坡体内地下水位随之发生变化。当库水位快速上升时，库水位高于坡体内地下水位，地表水就会向岸坡岩土体渗流，使岸坡地下水位升高。此时，地表水会对坡体产生静水压力以及指向坡体内部的动水压力，指向坡体内部的动水渗透压力对于岸坡稳定性是有利的，这也是很多研究表明库水位上升初期，岸坡稳定性系数有增大现象的原因。当库水位骤然下降时，岸坡地下水位高于地表水位，势必导致坡体内地下水向外渗透流动，形成指向坡外的动水压力，此时，坡体内静水压力相对动水压力较小。大量研究表明，动水压力对于岸坡稳定性的影响大于静水压力，但是当库水位升降到某个水位时，即使库水位保持不变，依然会导致岸坡稳定性降低。动水压力对于岸坡的稳定性影响与岸坡岩土体渗透性大小有关，当岩土体渗透性越小时，库水位变化导致坡体内地下水位变化的滞后性就会越明显，更容易使岸坡失稳破坏。
对于岸坡风化严重，裂隙发育的岩体来说，水的浸泡在降低岩体力学强度的同时，静水压力会使裂隙应力集中而对岩石产生劈裂现象，增大原有裂隙，对岩质岸坡稳定性有很大影响。
（二）超孔隙水压力效应
对于孔隙比较大、渗透性较好地岸坡，坡体内地下水含量较大，当库水位快速下降过程中，坡体内的地下水也将快速排出，由于水位的下降，库水位对于土体的浮托力也会迅速降低。此时，土体将会被陷落压密，产生很大的超孔隙水压力，陷落压密区的土体抗剪强度急剧降低，岸坡可能会因此而失稳破坏[7]。
图6 库水位产生的悬浮减重作用
（三）浮托力作用
如图6所示，水位上升时，岸坡下部首先被淹没，水渗入土体和裂隙发育的岩体中，从渗水部分开始一直到水面就会对上部岸坡产生浮力作用。水对岸坡的浮托力对于岸坡稳定性而言有利有弊，向上的浮托力能减小滑体的有效重量有利于岸坡稳定，不利的一方面是降低了岸坡前缘阻滑段的有效重量。当坡体前缘滑动面倾角较小时，水渗入沿滑动面渗入坡体，造成虚压力体较大，被淹没滑动面以上坡体浮力作用较大，滑坡的稳定性下降较快。
对于库水位上升产生的浮托力对岸坡稳定性的影响分析，可以在滑面上取一微小体，对其进行应力分析，当水渗入滑动面时，在滑面孔隙中产生孔隙水压力，水位上涨使得原本风干的土体浸水饱和，滑动面上孔隙水压力急剧增大，如图7所示，增大的孔隙水压力使得整个莫尔圆向左侧移动，总应力不变，致使有效应力降低，不利于岸坡的稳定。
作用在滑动面上的孔隙水压力垂直于滑动面，因此对剪应力不发生影响，即：τs=τ；
有效应力：σ’=σ- u；
滑动面上的抗剪强度：τf=c+σtanφ；
孔隙水压力存在使滑面抗剪强度变为：τf=c+(σ-u)tanφ
图7 应力莫尔圆示意图
根据以上公式及图可知，孔隙水压力的存在使得滑体抗剪强度减小，减小数值为utanφ，不利于岸坡稳定。
三峡库区水位周期性上升过程中，坡体地下水也同时上升，坡体地下水位以下土体完全饱和，孔隙水压力变大，坡体有效重量降低，在有隔水层的岸坡地带会形成局部水承压带，水位的抬高会对隔水层形成向上的浮托作用，隔水层位于滑面附近，使滑面的抗剪强度减小，岸坡的失稳破坏的几率增大[8]。
四、小结
总结分析了库水位升降作用下岸坡岩土体与水的相互作用机理，分别阐述了水与岩土体的化学作用、物理作用及力学作用。研究了巫山段岸坡出露岩石的主要力学参数以及典型土质岸坡土体内摩擦角和粘聚力随土体含水率变化而变化的情况。
三峡库区巫山段水位升降作用下水与岩土体相互作用机理案例
教学指导手册
教学目的与用途：
1.本案例适用于全日制土木水利工程类硕士专业研究生的专业基础课《高等土力学》。岩土工程中，水岩相互作用是导致工程渗透、变形和强度破坏的重要因素之一。因此，了解水和岩土体之间的物理、化学和力学相互作用机制，对于水坝防渗、基坑开挖、地质灾害防治具有重要的指导意义。
2.通过此教学案例，使研究生掌握水与岩土体耦合作用下强度劣化乃至失稳的机理，进一步掌握土的有效应力原理、岩土体材料与水之间的反应、土的渗透性、土的抗剪强度等相关理论知识。在确定岩土体的稳定性时，需要综合考虑岩土体本身的物理化学性质以及外部营力对其长期的破坏作用。此外，此教学案例也可用于土木工程相关本科专业的教学。
3.通过案例讲解使员工对水与岩土体之间的相互作用机理进行深入的分析与探讨，在此基础上通过组织员工进行其它类似案例的实践，为员工今后进行科研、工程建造提供理论支撑和实践经验。
教学内容：
1.涉及知识点
（1）土的有效应力原理；
（2）水与岩土体的物理化学作用；
（3）超静孔隙水压力与渗透力；
（4）库伦定律；
（5）应力莫尔圆。
2.理论依据及分析思路
（1）理论依据：
通过对国内外文献描述水与岩土体相互作用的机制进行了综述，并以三峡库区巫山段水位升降作用下水致岩土体强度劣化乃至失稳进行了分析，提出水与岩土体之间相互作用可以分为三个方面：一是水与岩土体之间的化学作用；二是水与岩土体之间物理作用；三是水与岩土体之间的力学作用。其中水与岩体之间的化学、物理作用是导致岩土体力学性能降低的根本原因。在分析边坡以及库岸稳定性时，要研究岩土体的形态、矿物组成、化学成分、物理性质以及力学行为，特别是要厘清水对岩土体的作用，从而综合判断边坡的稳定性。
（2）分析思路
本案例刚开始回顾了前人对于水与岩土体之间的化学、物理和力学作用的研究，然后对三峡库区巫山段水位升降作用下岩土体强度劣化进行了简单的实验分析，论证了水可以导致岩土体化学成分、物理状体和力学性能发生变化，最终导致强度劣化。最后，进行了相应的总结。
本案例结合自身特点，按照水与岩土体相互作用机制来进行分析与讲解的。
建议课堂计划：
时间安排：根据教学需要，整个案例课的课堂时间控制在6学时，以便比较充分地了解案例所涉及的知识点，以下是根据课程时间进度安排的课堂学习计划。
课前计划：发放案例材料，提出课后思考题，请员工在课前完成阅读和初步思考。
课中计划：课堂前言，明确该案例主题（20分钟）；案例讲述，案例总体介绍，引导员工分析和认真学习该案例的理论知识点，并提出思考题（120分钟）；分组讨论（20分钟）；小组发言（20分钟一个小组，4组）；案例总结：包括案例中的关键知识点，以及如何运用理论知识去分析和解决实际问题（30分钟）。
课后计划：通过案例分析和总结，使员工掌握土的有效应力原理、超静孔隙水压力、库伦定律等知识点以及在实际问题中的分析应用，然后布置相关作业，以论文或者报告形式写出案例分析，并对难点和易错点可以进一步研究。
参考文献
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2.乔丽苹,刘建,冯夏庭.砂岩水物理化学损伤机制研究[J].岩石力学与工程学报,2007,26(10):2117-2124.
3.罗晓龙．三峡库区巫山段岸坡变形破坏机理[D].重庆:重庆交通大学,2018.
4.Simmoons C J, Freiman SW. Effect of corrosion processes on subcritical crack growth in glasss[J]. J Am Ceram Sco, 1981, 64: 683-686.
5.石豫川,冯文凯,王学武,等.库水作用下公路土质岸坡稳定性影响因素综合评判[J].灾害学,2005,20(4):33-38.
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8.梁学战.三峡库区水位升降作用下岸坡破坏机制研究[D].重庆:重庆交通大学,2013.
