深圳“12·20”滑坡土體滲透性模擬試驗研究

張一希，許 強，彭大雷，趙寬耀，郭 晨

(成都理工大學地質(zhì)災害防治與地質(zhì)環(huán)境保護國家重點實驗室，四川 成都 610059)

深圳“12·20”滑坡土體滲透性模擬試驗研究

張一希，許 強，彭大雷，趙寬耀，郭 晨

(成都理工大學地質(zhì)災害防治與地質(zhì)環(huán)境保護國家重點實驗室，四川 成都 610059)

2015年12月20日11時40分許，廣東省深圳市光明新區(qū)紅坳村渣土臨時受納場發(fā)生一起渣土堆填物特大滑坡事故，滑坡覆蓋面積約38.5×104m2。根據(jù)前人對滑坡特征與成因機制的分析成果并結(jié)合現(xiàn)場調(diào)查可知，堆填物底部飽水形成軟弱滑動層是滑坡失穩(wěn)破壞的主要原因。為了對滑坡堆填物底部飽水的原因進行分析，文章對滑坡土體的滲透性進行了常水頭滲透試驗與物理模擬試驗研究。研究結(jié)果表明：深圳“12·20”滑坡土體滲透系數(shù)明顯大于一般黏土；滲透系數(shù)隨著初始含水率和干密度的增大均呈指數(shù)函數(shù)關系，且相關系數(shù)分別大于0.96與0.925；在后緣注水的情況下，土體的垂直滲透性大于水平滲透性。

渣土受納場滑坡；滲透性；常水頭滲透試驗；物理模擬試驗

2015年12月20日11時40分許，廣東省深圳市光明新區(qū)紅坳村渣土臨時受納場發(fā)生一起渣土堆填物特大滑坡事故，約232×104m3的填方堆積體，從高124 m的紅坳受納場，涌噴式?jīng)_向下游工業(yè)園區(qū)。此次災害滑坡覆蓋面積約38.5×104m2，填筑體積約627.24×104m3?；鹿苍斐?3棟建筑物被掩埋或不同程度受損，73人遇難，4人失聯(lián)。

滑坡發(fā)生后國內(nèi)外學者及時對其進行了研究，殷躍平等[1]結(jié)合無人機采集影像與多期遙感圖像揭示了滑坡發(fā)生前近兩年垃圾填埋場廢物數(shù)量的增加和填埋場坡度的變化，應用多級建模技術對滑坡發(fā)生前邊坡結(jié)構的各種特性進行了研究，采用非穩(wěn)態(tài)流體流動理論分析了填埋場地下水滲流的影響，并根據(jù)土體含水率的不同將滑坡分為由低坡度、低含水率土體組成的前部單元和由具有高含水量的新鮮垃圾土組成的后部單元，指出在不良排水措施的情況下，建筑垃圾的大面積、超高堆填導致地表水滲透和固結(jié)滲漏，最終引發(fā)了填埋場的土體滑坡。許強等[2]基于多期遙感圖像、現(xiàn)場調(diào)查、原位試驗、室內(nèi)實驗和數(shù)值模擬等數(shù)據(jù)對受納場邊坡破壞過程進行了研究，指出本次重大滑坡具有移動速度快、距離長的特點，認為受納場所處位置的基巖為基本不具滲透性的花崗巖，受納場周邊的排水系統(tǒng)年久失修以及廢棄物的堆填速率和總體積均超過設計值等原因?qū)е露烟铙w內(nèi)部飽水，形成超孔隙水壓力，造成滑坡失穩(wěn)破壞。歐陽朝軍等[3]采用深度集成連續(xù)方法與MacCormack-TVD有限差分算法對滑坡的動力學過程進行數(shù)值模擬，研究表明土壤中的超孔隙水壓力是導致滑坡發(fā)生的主要因素。D H Zhou[4]利用網(wǎng)絡資源與新聞報道的資料信息，通過建立不同情況下的數(shù)值模型分析堆填物穩(wěn)定性并指出堆填物的坡度和高度以及現(xiàn)場的水文條件是滑坡產(chǎn)生的主要影響因素。許強等[5]將其作為潰散型滑坡的典型案例，與其它幾處同樣由飽和土體引起的滑坡案例進行分析比較，認為這幾處滑坡在滑坡區(qū)物質(zhì)組成、滑體底部飽水狀態(tài)與突發(fā)性等方面存在著共同點，通過物理模擬試驗論證了松散顆粒材料在飽水條件下的破壞模式，為此類滑坡的早期識別與監(jiān)測預警打下基礎。劉傳正[6]通過大量網(wǎng)絡數(shù)據(jù)，對滑坡的成因進行了定性分析，指出由于渣土直接堆填在采石場的水坑上面，底部積水導致堆填體泥化，加之持續(xù)的填方工作促使了本次低速遠程的“人造滑坡”，劉傳正提出滑坡的成因機理可稱為“泥墊托筏效應”，同時對防災工作提出了對策。

1 滑坡概況

事發(fā)地原為一個采石場，2005年時棄用后變?yōu)樵潦芗{場。Google衛(wèi)星影像(圖1)顯示，2005年底采石場形成了一個小型峽谷；2010年雨季峽谷處形成了一個小水坑，至2013年冬季水坑面積擴大；2014年起，在未完善排水措施的情況下采石場變?yōu)樵潦芗{場，且于2015年4月開始渣土堆填面積大幅度上升。通過分析滑坡發(fā)生前的衛(wèi)星影像圖可知受納場地形地貌與大量渣土堆積物為滑坡創(chuàng)造了物源與條件。

圖1 滑坡區(qū)不同時期影像圖(影像來自Google)Fig.1 Multi-temporal images of the landslide area (image from Google)

現(xiàn)場調(diào)查顯示，滑坡的主要物質(zhì)組成為松散花崗巖風化砂，以粉粒和細角礫為主，黏粒含量很少。根據(jù)滑坡的運動、堆積物的來源與堆積情況，將深圳“12·20”滑坡總體上分為Ⅰ區(qū)滑源區(qū)和Ⅱ區(qū)堆積區(qū)?；碌孛蔡卣髅黠@，后壁、側(cè)緣均清晰可見(圖2)，最大水平距離總長約1 202.97 m，前緣臨工業(yè)園區(qū)，后緣臨山，剪出口位于滑源區(qū)陡坡段前緣、堆積區(qū)的后緣，高程約73.72 m 的位置，淤泥渣土厚度達2～18.82 m[5]。

圖2 滑坡平面圖Fig.2 Plane map of the Shenzhen landslide

根據(jù)前人對深圳“12·20”滑坡特征與成因機制的分析成果并結(jié)合現(xiàn)場調(diào)查可知，堆填物底部飽水形成軟弱滑動層是滑坡失穩(wěn)破壞的主要原因，因此對滑坡土體的滲透性進行研究具有顯著的理論意義，但目前對深圳“12·20”滑坡土體滲透性的系統(tǒng)研究較少。本文擬采用室內(nèi)常水頭滲透試驗與物理模擬試驗對深圳“12·20”滑坡土體滲透特性進行研究，分析滑坡堆填物底部飽水的原因，為渣土堆填物滑坡的研究提供理論依據(jù)并對城市垃圾體的堆填工作提供理論指導。

2 試驗方法

本文主要采用室內(nèi)常水頭滲透試驗與物理模擬試驗的方法，通過常水頭滲透試驗得出在不同初始含水率與干密度工況下土體滲透系數(shù)的變化規(guī)律；選取一組與現(xiàn)實工況最接近的土體進行物理模擬試驗，以土體的含水率為依托點研究深圳“12·20”滑坡土體在滲透過程中的變化規(guī)律與滲透性能。試驗所采用的土樣均取自滑坡滑源區(qū)(Ⅰ區(qū))左側(cè)未受擾動的區(qū)域(圖1中的取樣點D1)，對所取土樣進行擊實試驗與液塑限聯(lián)合測定試驗，測得所采土樣的基本物理參數(shù)(表1)。

表1 土樣基本物理參數(shù)Table 1 Basic physical parameters of the simple

2.1常水頭滲透試驗

滲透是水分在多孔隙介質(zhì)中的一種流動現(xiàn)象，土顆粒物之間存在的孔隙為水分的運動提供了通道，從而具有了滲透性。土的滲透性表征土體被水透過的能力，通常我們用“滲透系數(shù)”這一物理量定量的表達滲透這一現(xiàn)象[7-8]?，F(xiàn)階段室內(nèi)外滲透試驗均以“達西定律”為原理依據(jù)。本次試驗已知滲透儀器的高度L，通過測得滲流量Q和不同點的水頭高度H，計算出滲流速度v和水力梯度I，帶入達西定律表達式v=K·I得到土樣的滲透系數(shù)。

根據(jù)土樣的最大干密度和最優(yōu)含水率設計試驗工況，分別設計5組初始含水率ω0：10%、12.5%、15%、17.5%、25%與4組干密度ρd：1.25 g/cm3、1.35 g/cm3、1.454 g/cm3、1.60 g/cm3，將兩組變量兩兩交叉組合，形成20組試樣。

本次常水頭滲透試驗采用實驗室自制滲透儀器(圖3)。其中金屬封底圓筒高40 cm，內(nèi)徑15 cm；金屬孔板距筒底10 cm。滲水孔與測壓孔內(nèi)徑10 cm，兩測壓孔中心間距20 cm，玻璃測壓管通過橡皮管與測壓孔相連。

圖3 滲透試驗儀器示意圖Fig.3 Schematic diagram of layout of the permeability test1—金屬封底圓筒；2—金屬孔板；3—測壓孔；4—玻璃測壓管；5—溢水孔；6—滲水孔；7—出水管；8—供水管；9—止水夾；10—量筒；11—土樣；12—鈣質(zhì)砂與卵石層；13—水槽

試驗進行前，根據(jù)設定干密度稱取所需干土質(zhì)量(準確至0.01 kg)，再根據(jù)設定初始含水率配置試驗所需試樣，將配置試樣密封保存24 h；試驗過程包括安裝儀器、分層擊實法裝樣與數(shù)據(jù)測量三個部分，為防止細顆粒被水沖走，分別在金屬板上與試樣頂部鋪設2 cm厚的鈣質(zhì)砂與卵石作為緩沖層。本次試驗采取測量120 s內(nèi)出水管的流量，每組之間水頭高度均上升5 cm。通過試驗記錄的滲流量Q和玻璃測壓管H以及滲透儀器高度L，結(jié)合達西定律求得土樣的滲透系數(shù)。

2.2物理模擬試驗

物理模擬試驗采用實驗室自主設計的模型箱，長80 cm、寬50 cm、高80 cm[9]。模型后緣處有10 cm厚的蓄水池，蓄水池靠斜坡一側(cè)的有機玻璃板上分布著若干泄水孔，靠外側(cè)鋼板處，分布著6個水位控制孔，各孔間隔高差為5 cm。試驗堆積的土樣斜坡呈梯形狀，頂部長30 cm，底部長53 cm，高25 cm，寬50 cm，坡度約為46°(圖4)。

圖4 物理模型箱示意圖(單位：cm)Fig.4 Schematic diagram of physical model box(unit:cm)

結(jié)合土樣的基本物理參數(shù)與常水頭滲透試驗結(jié)果，物理模擬的斜坡土體干密度控制為1.45 g/cm3，水頭高20 cm。本次物理模擬試驗采用ECHO EC-5土壤水分傳感器以及相應的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)監(jiān)測土體含水率變化情況，土體中共埋置5個土壤水分傳感器(圖5)，其中土體高10 cm位置水平分布埋置3個，20 cm位置水平分布埋置2個，各土壤水分傳感器間的水平距離為10 cm，傳感器均布置于模型中線上。

圖5 傳感器布置示意圖(單位：cm)Fig.5 Schematic diagram of the sensor arrangement(unit: cm)

試驗中5個土壤水分傳感器持續(xù)不間斷監(jiān)測4 331 min，每個傳感器分別測得4 331組數(shù)據(jù)。通過分析土體中5個傳感器埋置位置體積含水率與時間的關系，對滑坡土體水平與垂直方向上的滲透規(guī)律與滲透性能進行討論。

3 試驗結(jié)果分析

3.1常水頭滲透試驗結(jié)果

通過對數(shù)據(jù)的整理分別得到滲透系數(shù)K與初始含水率ω0的關系(圖6)以及滲透系數(shù)K與干密度ρd的關系(圖7)。

(1)滲透系數(shù)K與初始含水率ω0的關系

為了更清晰直接地分析不同干密度下初始含水率對滲透系數(shù)的影響，對不同干密度下滲透系數(shù)與初始含水率的關系曲線進行擬合(圖6)。

圖6 滲透系數(shù)與初始含水率擬合關系曲線Fig.6 Fitting relationship between the coefficient of permeability and initial moisture content

通過分析數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，滑坡土體的滲透系數(shù)K與初始含水率ω0可以擬合為K=a×e-bω0指數(shù)函數(shù)關系，且相關系數(shù)均大于0.96(表3)。

表3 滲透系數(shù)與初始含水率擬合關系Table 3 Fitting relationship between the coefficientof permeability and initial moisture content

初始含水率的增大不僅加強了土體中礦物質(zhì)的黏性，還在較松散的土顆粒間形成一層較厚的有利于土粒移動的水膜，使得土體內(nèi)部孔隙連通性下降，土顆粒間緊密嵌合，導致滲透系數(shù)下降[10～12]。分析四種不同干密度情況下的變化曲線，干密度越大初始含水率對滲透系數(shù)造成的影響越小。由于裝樣過程中擊實功的增大使土體結(jié)構更加緊密，膠結(jié)物的黏性得到了充分的發(fā)揮，土體內(nèi)部的孔隙連通性下降，這樣緊密的孔隙結(jié)構對滲透系數(shù)的影響相對較大，從而掩蓋了初始含水率對滲透系數(shù)的影響。

(2)滲透系數(shù)K與干密度ρd的關系

對五種不同初始含水率ω0情況下滲透系數(shù)K隨干密度ρd的變化規(guī)律進行曲線擬合(圖7)。

圖7 滲透系數(shù)與干密度擬合關系曲線Fig.7 Fitting relationship between the coefficient of permeability and dry density

滑坡土體的滲透系數(shù)K與干密度ρd可以擬合為K=a×10ne-bρd指數(shù)函數(shù)關系，且相關系數(shù)均大于0.925(表4)。

表4 滲透系數(shù)與干密度擬合關系Table 4 Fitting relationship between the coefficientof permeability and dry density

圖7的曲線規(guī)律表明，在初始含水率相同的情況下，當干密度范圍在1.25～1.35 g/cm3時，土體滲透系數(shù)隨干密度的增加而緩慢減小，當干密度大于1.35 g/cm3后，滲透系數(shù)隨干密度增加而快速減小到一定值后慢慢趨于穩(wěn)定。這是由于土體在干密度較小的情況下保持相對疏松的顆粒結(jié)構，土體中孔隙的連通性較好，初始滲透系數(shù)也相對較大。在之后干密度增大到一個趨近于最大干密度的臨界值時，使土體間架空空隙、支架空隙變形，加之微細顆粒移動堵塞滲流有效孔隙的通道，影響有效孔徑的連通，導致總體有效孔徑減小至相對穩(wěn)定。

對試驗有效數(shù)據(jù)進行處理分析可知滑坡土體的滲透系數(shù)較大，比一般性黏土滲透性好，且不同工況的土樣呈規(guī)律性變化。

3.2物理模擬試驗結(jié)果

物理模擬中傳感器P1、P2與P3，P4與P5分別在兩組不同高程的水平面上，且P1與P4，P2與P5分別為同一垂直面；根據(jù)曲線分布規(guī)律發(fā)現(xiàn)(圖8)，傳感器響應時間的先后順序依次為P1、P4、P2、P5、P3，這是由于最靠近蓄水池的傳感器為P1、P4，其次是P2、P5，最后是P3；而與P4、P5相比，P1、P2響應的時間相對較早，因為前兩者的水頭差較高，水分滲透速率較快；從各傳感器響應開始，各控制點含水率變化趨勢相似，均為前期含水率呈線性增長，逐漸靠近飽和狀態(tài)時，含水率變化減慢，最后趨于穩(wěn)定。其中與P1、P2兩者相比，P1、P4兩傳感器與P2、P5兩傳感器到達相同體積含水率的時間較短。P3控制點最后階段的異常表現(xiàn)，是由于在土體飽和后，蓄水池還繼續(xù)供水數(shù)小時，導致斜坡斜面上和坡角處積水過多，而P3控制點臨近坡面，由此含水率受到了影響。綜合分析，土體垂直面的滲透性大于水平面滲透性。

圖8 含水率隨時間變化規(guī)律曲線圖Fig.8 Change in the moisture content with time

4 討論

在土體滲透性研究方面，本文著重研究干密度與含水率兩個物理因素對深圳“12·20”滑坡土體滲透特性的影響，后期擬進行現(xiàn)場試驗與室內(nèi)試驗相結(jié)合的方法，分別對土體孔隙大小、顆粒級配、填筑體埋深與外界壓力等因素進行研究，全面分析各外因?qū)ι钲诨峦馏w滲透性產(chǎn)生的影響與差異，以有效治理與防治垃圾填埋滑坡。本文中物理模擬試驗階段通過采集大量數(shù)據(jù)對土體的水平、垂直含水率與滲透性能進行了分析與比較，后期將進一步監(jiān)測模擬降雨條件下土體在水分垂直入滲過程中含水率、孔隙水壓力等物理量，更全面地分析含水率垂直方向與水平方向的變化。

5 結(jié)論

本文以深圳“12·20”滑坡土體為研究對象，通過擊實試驗、液塑限聯(lián)合測定試驗為輔，常水頭滲透試驗為主的室內(nèi)試驗，結(jié)合物理模擬，對滑坡土體的滲透特征進行分析。得出以下結(jié)論：

(1)深圳“12·20”滑坡上覆土體的滲透性比一般黏性土好，這一特性為下部土體的飽和與超孔隙水壓力形成創(chuàng)造了條件。

(2)在干密度一定的情況下，深圳“12·20”滑坡土體滲透系數(shù)隨初始含水率的增大而減小，呈K=a×e-bω0指數(shù)函數(shù)關系，相關系數(shù)大于0.96；在初始含水率一定的情況下，滲透系數(shù)隨干密度的增大而減小，呈K=a×10ne-bρd指數(shù)函數(shù)關系，相關系數(shù)大于0.925。

(3)在后緣注水的情況下，深圳“12·20”滑坡土體的垂直滲透性大于水平滲透性。

(4)深圳“12·20”滑坡土體的物質(zhì)組成主要為松散花崗巖風化砂，以粉粒和細角礫為主，黏粒含量極少[5]，其滲透性比一般黏性土滲透性好。因此一定要做好安全監(jiān)測工作，保證堆填場排水措施的完善，定期檢查維護排水措施；在垃圾堆填過程中，保證堆填速率、高度和總體積在設計值范圍內(nèi)，以防止此類災害再次發(fā)生。

[1] Yin Y P, Li B,Wang W P,etal.Mechanism of the December 2015 Catastrophic Landslide at the Shenzhen Landfill and Controlling Geotechnical Risks of Urbanization[J].Engineering,2016,2(2):230-249.

[2] Xu Q, Peng D L, Li W L,etal. The catastrophic landfill flowslide at Hongao dumpsite on December 20, 2015 in Shenzhen, China[J]. Natural Hazards and Earth System Sciences Discussions,2016,DOI:10.5194/nhess-2016-96.

[3] Ouyang C J, Zhou K Q, Xu Q,etal. Dynamic analysis and numerical modeling of the 2015 catastrophic landslide of the construction waste landfill at Guangming, Shenzhen,China[J]. Landslides,2016,DOI: 10. 1007/s10346-016-0764-9.

[4] Zou D H. Exploring a Waste Dump Site Failure-Possible Causes and Prevention Measures[J]. International Journal of Geohazards and Environment, 2016,2(1):25-33.

[5] 許強,彭大雷,李為樂,等. 潰散性滑坡成因機理初探[J].西南交通大學學報,2016,51(5):995-1004.[XU Q, PENG D L,LI W L,etal. Study on formation mechanism of diffuse failure landslide[J]. Journal of Southwest Jiaotong University, 2016,51(5):995-1004. (in Chinese)]

[6] 劉傳正. 深圳紅坳棄土場滑坡災難成因分析[J].中國地質(zhì)災害與防治學報,2016,27(1):1-5.[LIU C Z. Genetic mechanism of landslide tragedy happened in Hong’ao dumping place in Shenzhen,China[J]. The Chinese Journal of Geological Hazard and Control, 2016,27(1):1-5. (in Chinese)]

[7] 張煜.土的滲透試驗[J].交通世界,2013,12(23):118-119.[ZHANG Y. Permeability test of soil[J]. Transpotation World, 2013,12(23):118-119. (in Chinese)]

[8] 藺曉燕,李同錄,趙紀飛,等. 甘肅黑方臺黃土固結(jié)-滲透特性試驗研究[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì),2014, 41(1): 41-47.[LIN X Y,LI T L,ZHAO J F,etal. Permeability characteristics of loess under different consolidation pressures in the Heifangtai platform[J]. Hydrogeology & Engineering Geology, 2014,41(1):41-47. (in Chinese)]

[9] 周飛. 甘肅省黑方臺黃土斜坡變形特征與滑坡機理研究[D]. 成都:成都理工大學,2015.[ZHOU F. Study on the deformation characteristics of loess slope and mechanism of landslide in Heifangtai, Gansu Province[D]. Chengdu: Chengdu University of Technology,2015. (in Chinese)][10] 伍艷,王瑋屏,任海平,等.水-土作用對土體滲透系數(shù)的影響研究[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì),2011,38(6): 39-43.[WU Y,WANG W P,REN H P,etal. Experimental studies of coefficient of permeability of soil affected by water-soil interactions[J]. Hydrogeology & Engineering Geology, 2011,38(6): 39-43. (in Chinese)]

[11] 洪勃,李喜安,陳廣東,等. 重塑馬蘭黃土滲透性試驗研究[J].工程地質(zhì)學報,2016,24(2):276-283.[HONG B,LI X A,CHEN G D,etal. Experimental study of permeability of remolded Malan loess[J]. Journal of Engineering Geology, 2016,24(2):276-283. (in Chinese)]

[12] 馬世雄. 凍融作用對黃土邊坡剝落影響的試驗研究[D]. 西安:西安科技大學,2012.[MA S X. Experimental study of freezing-thawing to spalling of loess slope[D]. Xi’an:Xi’an University of Science and Technology,2012. (in Chinese)]

責任編輯：汪美華

AnexperimentalstudyofthepermeabilityofthecatastrophiclandslideattheShenzhenLandfill

ZHANG Yixi, XU Qiang, PENG Dalei, ZHAO Kuanyao, GUO Chen

(StateKeyLaboratoryofGeohazardPreventionandGeo-environmentProtection,ChengduUniversityofTechnology,Chengdu,Sichuan610059,China)

A catastrophic landslide of construction waste occurred at the Hong’aocun Landfill in Shenzhen of Guangdong Province at 11:40 am on December 20, 2015, with an area of 38.5×104m2covered by soil. Analyses of previous researches on the characteristics and mechanism of the landslide and data of field investigation indicate that the reason of the hazard is that the weak sliding interlayers, which were formed by the saturated clay at the bottom of the landfill, caused the global instability of landslide. In this study, constant permeability test and physical simulation test were conducted to investigate the permeability and the reason of the saturated bottom clay. The experimental results show that the hydraulic conductivity of the infilling material is much higher than the normal clay. What’s more, hydraulic conductivity has an exponential relationship with the original moisture content and dry density of infilling, with the correlation coefficients larger than 0.96 and 0.925, respectively. The hydraulic conductivity of infilling is anisotropic, showing a higher permeability in the vertical direction than in the horizontal direction.

landfill landslide; permeability; constant permeability test; physical simulation test

P642.22

A

1000-3665(2017)05-0131-06

許強(1968-)，男，博士，教授，博士生導師，主要從事地質(zhì)災害評價預測與防治處理研究。E-mail：xq@cdut.edu.cn

10.16030/j.cnki.issn.1000-3665.2017.05.20

2016-12-26;

2017-02-16

國家自然科學基金重點項目資助課題(41630640)；國家創(chuàng)新研究群體科學基金(41521002)

張一希(1993-)，女，碩士生，主要從事巖土體穩(wěn)定性及工程環(huán)境效應研究。E-mail:350380673@qq.com