潰散性滑坡成因機理初探

（成都理工大學地質災害防治與地質環境保護國家重點實驗室，四川成都610059）

（成都理工大學地質災害防治與地質環境保護國家重點實驗室，四川成都610059）

通過對多起由飽水松散顆粒材料構成的滑坡案例的調查研究，總結了此類滑坡的共性特征，即表現出顯著的整體性坍塌并伴有突然破壞、靜態液化和高速遠程流動性運動等獨特現象，認為其與國際土力學界新發現的潰散性破壞（diffuse failure）極為吻合，是區別于局部化破壞（localized failure）的一類新的失穩破壞模式.借助物理模擬手段，初步探討了潰散性滑坡的成因機理.結果表明：潰散性滑坡一般發生于松散且具有明顯應變軟化特征的飽水顆粒材料（粉土、砂、碎石土等）中，當土體受力達到臨界失穩狀態時，外界微小擾動都可能產生突然整體性破壞；在失穩破壞時表現出明顯的孔隙水壓力激增和靜態液化現象，失穩后土體呈流體狀遠程運動，易造成災難性后果，應引起高度重視.

潰散性滑坡；深圳光明新區滑坡；靜態液化；松散顆粒材料；超孔隙水壓力

2015年12月20日，廣東省深圳市光明新區 紅坳村渣土受納場填筑體發生突發性失穩破壞，主要由花崗巖風化砂構成的堆填體，體積約為2.3× 106m3，瞬間掩埋和摧毀了其下游數百米外的鳳凰社區恒泰裕工業園，滑坡堆積物覆蓋面積約為3.8×105m2，造成33棟建筑物受損，73人遇難，另外還有4人失聯.

深圳光明新區滑坡之所以引起社會各界的廣泛關注和高度重視，不僅因為該滑坡因安全生產事故造成了災難性的后果和極其嚴重的社會影響，更重要的是滑坡發生原因引起了國內外專家學者的廣泛討論和爭議，至今也沒有形成統一的認識.其主要疑問和爭論的焦點在于：

（1）該堆填體原為一采石場，因長期采石形成了一個深坑，在采坑下游有一個明顯的“鎖口”，地形條件有利于堆填體的穩定.同時，堆填體以1∶2.5的坡率臺階狀放坡，其平均坡度僅20°左右，而堆填體材料為花崗巖風化砂，其飽和摩擦角達30°左右.

按照傳統極限平衡理論計算，其穩定性系數大于1，堆填體處于穩定狀態，其安全性都能得到保證，但為什么還會發生滑坡？

（2）滑坡發生后滑源區和堆積區物質含水量非常高，基本處于飽和狀態，多處出現冒水、滲水現象.但堆填體的物質組成主要為花崗巖風化砂，其透水性好，無法在堆填體中產生很大的水力梯度和形成較高的地下水位.采用極限平衡反演分析，在正常的地下水位條件下其穩定性較好.利用傳統的土力學知識和極限平衡分析很難解釋滑坡的成因.

深圳光明新區滑坡發生后，有巖土專家表示這是多年未遇的一次.工程地質學界專家學者在各種場合針對該滑坡發生的原因展開過激烈的討論乃至爭論，甚至有專家認為深圳滑坡之所以有那么大的破壞力，泥土中的高壓氣體才是罪魁禍首.

本文通過對近年來發生的幾起與光明新區滑坡特征極為相似的滑坡的綜合分析，以探討這類主要由松散顆粒材料組成的斜坡，在底部飽水的條件下，產生突發性的失穩破壞和流體狀遠程運動的滑坡的形成機理作初步探討.

1 深圳光明新區滑坡簡介

深圳滑坡位于2007年8月19日成立的光明新區南部的鳳凰社區，距光明新區市區約5 km，離深圳市區約23 km.該滑坡主要是松散雜填土在飽水的條件下發生突發性失穩破壞.

從圖1可以清晰看出，滑坡填筑渣土前的地形、滑坡發生前的填筑范圍和滑坡發生后的危害范圍.

圖1 采石坑填筑前和滑坡前后Fig.1 Remote sensing images of pre-filling，pre-sliding and post-sliding of the quarry pit

根據滑坡區不同時期Google影像圖（圖2）可知，深圳光明新區滑坡發生前的相關工程主要經歷了3個階段：

（1）工業園區開始建設階段（2005年11月開始至2014年12月），恒泰工業園已經初步形成規模，柳溪工業園也于2014年底初步建成；

（2）采石場開采階段，早于2005年開始開采，2010年雨季出現一小水坑，并逐年擴大，2013年停止開采石材，并形成了面積約為2.66×104m2的廢棄的采石坑，采掘石料形成的陡坡，高度為30～ 90 m，坡度70°～80°，坑內和坑壁基巖裸露；

（3）受納場的填筑階段，廢棄的采石場于2014年被用于棄土堆填場地，填筑體基本采用拋填再整坡的方式，棄土采用分級堆填，每級臺階高度約10 m，臺階設有寬10 m的馬道，臺面坡比約1∶2.5，于2014年11月形成3～4級臺面，2015年4月開始，填筑速度加快，到2015年9月已形成5～6級臺面，于滑坡發生前兩天即2015年12月18日，填筑體頂面前緣形成6～8級臺面，后緣已形成第9級填筑臺面，填筑體前緣的坡度約為18°，整體約為15°，形成了大規模的人工填土邊坡，填筑體積為627.24×104m3，受納場填筑厚度如圖3所示.通過現場密度、含水率和室內擊實試驗，其干密度變化范圍為1.25～1.48 g/cm3，孔隙比為0.83～1.31.標準擊實試驗結果表明，填土的最優含水率為15.31%，最大干密度為1.79 g/cm3，填筑體的壓實度為69.83%～82.68%，填筑體處于松散狀態［1］.

圖2 滑坡區不同時期遙感影像圖（影像來自Google和遙感影像）Fig.2 Multi-temporal remote sensing images of the landslide area（images from Google Earth and remote sensing images）

光明新區滑坡地貌特征明顯，滑坡后壁、側緣及滑舌均清晰可見（圖1（c））.根據滑坡的運動、堆積特征和滑坡前后體積變化情況（圖4），將深圳滑坡分為滑源區（A區）和流通堆積區（B區），如圖5所示，圖6為滑坡典型剖面.

圖4和圖5可以看出，滑坡在平面上呈葫蘆狀，滑源區（A區）為“圈椅狀”，流通堆積區（B區）為扇形.滑坡區高精度攝影測量顯示，滑坡區面積為28.514×104m2.滑坡基本沿著1-1′剖面方向滑動和流體狀運動（圖5），主滑方向的方位角約340°，最大水平距離約為1 202.97 m（圖6）.

圖3 基于填筑前后DEM的填筑體厚度分布Fig.3 Thickness distribution of the dumpsite based on digital elevation model（DEM）before and after filling

圖4 滑坡發生前后高程變化Fig.4 Elevation variations of the dumpsite before and after landslide

圖5 滑坡工程地質平面圖和滑坡分區Fig.5 The zonation and topographic map of the landslide

滑源區位于廢棄的采石坑內，滑坡壁呈開口的袋狀地形，后壁呈圈椅狀.滑體長為540.30 m，寬為399.32 m，面積為11.35×104m2，高差為68.50 m，視傾角為7.62°；滑動的體積為32.57× 104m3，滑源區還殘留394.67×104m3填土未發生滑動.滑源區最大滑動厚度為41.51 m，平均滑動厚度為20.49 m（圖4和圖6）.

圖6 滑坡主滑縱剖面1-1′Fig.6 Longitudinal geologocal profile 1-1′after slide

流通堆積區主要位于采石坑的溝口和坡腳平緩地帶的工業區.流通堆積區整體呈扇狀分布，流通堆積區長為664.37 m，后緣寬為218.31 m，前緣寬為592.25 m，面積為28.51×104m2，高差為35.72 m，視傾角為3.08°，平均厚度為8.21 m，最大堆積厚度為18.82 m（圖4和圖6）.

因采坑外側（北側）出口非常狹窄，在滑坡發生的過程中，流塑態滑坡物質在高速運動過程中，對流通堆積區和滑源區陡坡段兩側的填土有強烈的擠壓和攜卷鏟削作用，形成了明顯的溝槽和擦痕（圖1（c）），剪出口的形狀呈半橢圓形，剪出口處的標高為73.72 m.野外調查發現，滑坡的滑源區和堆積區的含水量非常高，基本處于飽和狀態，多處出現冒水、滲水現象（圖7）.

圖7 滑坡堆積物Fig.7 Loose deposits of the landslide

2 潰散性滑坡的共性特征

深圳光明新區滑坡所顯現出的現象和特征，與近幾年發生在我國的其它幾處同樣由飽水土體引起的滑坡案例極為相似，這些滑坡具有一定共性.

發生于2013年1月11日的云南鎮雄縣趙家溝滑坡，滑坡土方約為40×104m2，碎石土體在長期雨雪天氣下逐漸飽水后突然失穩破壞，掩埋了趙家溝村莊一側，造成14戶民房、48人被山體掩埋［2-3］（圖8）.

圖8 云南鎮雄縣趙家溝滑坡（2013-01-11）Fig.8 Zhaojiagou landslide that occurred in Zhengxiong county，Yunnan Province on Jan.11，2013.

發生于2015年4月29日的甘肅黑方臺黨川2#黃土滑坡［4］.該滑坡是因黑方臺黃土臺塬長期灌溉，致使黃土內地下水位不斷上漲，黃土層底部飽水導致的滑坡.突發性的滑坡掩埋了前緣14戶房屋和3家工廠（圖9）.

圖9 甘肅黑方臺黨川2#滑坡（2015-04-29）Fig.9 Dangchuan 2#landslide that occurred in Heifangtai tableland，Gansu Province on Apr.29，2015

上述3處滑坡在形成條件和發生過程中，與滑坡后所表現出的特征，有以下共同特點：

（1）滑坡區物質組成為松散顆粒土體

上述3處滑坡的物質組成主要為粉粒、砂和碎石土，粘粒含量極少，稱為顆粒材料（granular materials）.深圳光明新區滑坡主要物質組成為松散花崗巖風化砂，主要由粉粒和細角礫構成，粘粒含量極少.云南鎮雄趙家溝滑坡滑源區和堆積區也主要由砂、角礫和碎塊石組成的碎石土，其粘粒含量也極少.黑方臺黨川2#黃土滑坡為第四紀黃土（Q3），物質組成主要為粉土.

（2）滑體底部處于飽水狀態

滑坡發生后的現場調查和試驗結果表明，這3處滑坡滑前坡體尤其是中下部基本處于全飽水狀態，黑方臺黃土滑坡發生后，可見滑帶附近土體呈流水帶狀，表明滑帶處于完全飽水狀態.趙家溝滑坡滑源區和堆積區代表性點含水情況的現場測試表明，其含水率均大于50%，一般為50%～70%，也基本處于飽和狀態.

（3）啟動呈現出顯著的突發性

現場調查及訪問結果表明，3處滑坡的發生均具有明顯的突發性.黑方臺黃土滑坡的現場調查和監測結果表明，滑坡發生前的一段時間內（一般為數月或數天），滑源區出現拉張裂縫甚至下錯臺坎，但裂縫出現后往往不再發生變形，一段時間后產生突發性的失穩，其變形-時間曲線與教科書上所描述的3個階段變形（初始、等速和加速）特征完全不相符合（圖10）.

自《綱要》實施至今，我國的科技創新能力也在不斷提升，高技術戰略不斷跟進并取得重大突破。例如，我國在載人航天和探月工程、載人深潛、超級計算、量子通信等領域均取得突破性創新成果，優異的創新成績備受世界矚目。毋庸置疑，我國已形成系統性的科學發展體系，并具備實施創新驅動發展戰略堅實可靠的現實基礎。

（4）失穩表現出明顯的整體性、徹底性

圖10 黑方臺陳家8#滑坡變形監測曲線Fig.10 Deformation monitoring curve of Chenjia 8#loess landslide in Heifangtai tableland

圖11 光明新區滑坡滑源區特征Fig.11 The source area characteristics of the Guangming New District landslide

圖12 圖12 趙家溝滑坡滑源區特征Fig.12 The source area characteristics of the Zhaojiagou landslide

分析圖11～13可以發現，此類滑坡的滑源區物質滑動非常徹底，就像“拔蘿卜”一樣在滑源區留下一個明顯的“坑”，致使滑坡后壁嚴重內凹呈弧形，甚至呈近封閉的橢圓形.在黑方臺滑坡分布區，此類特征也異常明顯，黑方臺滑坡主要包括沿黃土底部基巖順層滑坡、淺表層黃土崩塌性滑坡、黃土底部飽水滑坡3類，前兩類的滑坡后壁均較平直，僅兩端呈弧形，唯獨黃土底部飽水導致的滑坡其后壁嚴重內凹（圖13），與一般土質滑坡沿系列滑動面的漸進后退式滑動特征有顯著區別，顯示出失穩破壞過程具有均勻整體失穩破壞特征.

（5）運動呈現出顯著的流體狀特征

圖5、8、9均清晰地反映了3處滑坡運動具有明顯的流動性特征.其主要標志包括：遠程運動（long-runout）；滑體在流體狀運動過程中在寬闊地帶逐漸展（攤）開，致使其覆蓋面積較大；在滑坡流通區和堆積區，可見明顯的流線和波浪狀地貌（圖9和圖11）.英文文獻中常用earthflow、flowslide、flow-like、fluidization等詞來描述滑坡的流體狀運動特征［5-6］.

圖13 甘肅黑方臺黨川2#滑坡滑源區（拍攝于2016-05-15）Fig.13 The source area of the Dangchuan 2#landslide in Heifangtai tableland，Gansu province（taken on May 15，2016）

3 潰散性滑坡成因機理初探

事實上，以上3處主要是由松散顆粒材料構成的滑坡，在飽水條件下，表現為整體突發性啟動和流體狀運動特征，也正是近年來國際土力學界通過試驗和理論研究所發現一類新的土體失穩破壞模式——潰散性破壞（diffuse failure）［7-8］.潰散性破壞是完全有別于傳統局部化破壞（localized failure），這是一類新的松散顆粒材料變形破壞模式和行為［8-10］.

圖14為兩類完全不同類型的破壞模型，圖14（a）為粘性土的局部破壞現象，破壞過程中產生明顯的破壞面［8］；圖14（b）為5組不同孔隙比松散砂土三軸試驗破壞后的最終狀態.5組試驗采用相同的應力路線，其中：試樣1、試驗3、試樣4和試樣5在試驗結束后，經歷了長期的塑性變形階段，達到不穩定變形后，仍然保持穩固狀態，沒有明顯的應力局部集中（即剪切帶或者局部破壞區域）；試樣2，在經歷相同的應力路徑后，發生整體性破壞，甚至無法從試驗機器上拆卸［13］，說明松散砂土能夠發生潰散性破壞，但有一定的前提條件.

圖14 兩類完全不同的失穩破壞模式：局部化破壞和潰散性破壞Fig.14 Two different failure modes：localized and diffuse failure modes

大量的試驗研究表明，潰散性破壞主要發生在松散顆粒材料的不排水試驗中，當土體的受力狀態達到臨界狀態時，即使微小的擾動也可能導致土體強度突然整體性喪失，產生大面積突發性破壞.土體在發生整體性破壞前，均會伴隨著土體中孔隙水壓力的急劇增加，并出現明顯的液化現象，破壞后土體類似于粘滯性流體.因此，這類液化往往發生在靜荷載條件下（如水位變化，或工程活動等微小擾動），而非由強烈振動（如地震）引起，故被稱為靜態液化［14-16］（static liquefaction）.土體產生潰散性破壞，有如下典型特征和條件：土體足夠松散，具有明顯的應變軟化特征；在飽水條件下，潰散性失穩破壞與靜態液化現象同時存在，即失穩時孔隙水壓力激增，失穩后土體呈流體狀態［17］.

為了驗證松散顆粒材料在飽水條件下產生的靜態液化和潰散性失穩破壞現象，選取甘肅黑方臺的馬蘭黃土（Q3）開展了物理模擬試驗.試驗模型尺寸為0.8 m×0.5 m×0.8 m（長×寬×高），斜坡坡度約為55°（圖15（a））.

圖15 物理模型試驗視圖Fig.15 Views of physical model test

為了使斜坡底部飽水，在模型試驗中，通過后壁開孔控制地下水位的高度（模型后緣預留10 cm作蓄水池，靠斜坡一側有機玻璃板上分布直徑5 mm泄水孔若干，靠外側鋼板每隔5 cm，打3個水位控制孔，本試驗采用10 cm高水位線），使得處于地下水位線以下的黃土處于飽和狀態.

在試驗過程中，采用激光多點位移計和孔隙水壓力計監測斜坡的變形、孔壓的變化.孔壓位于模型試驗的中軸線上，距底部10 cm，位置如圖15（b）、（c）和圖16（a）、（b）所示.激光多點位移計位于模型正面的中部，本試驗分析過程中，選取位于底部（高程25 cm）、中部（高程35 cm）和頂部（高程45 cm）的監測點作為研究點（圖16（b）），位移的監測結果如圖17（a）所示.

圖17表明，底部飽水的黃土斜坡，在試驗開始后出現輕微的變形，隨后變形逐漸停止，但當試驗進行到1 400 min左右時，變形明顯增加，并持續增長（圖17（a）），至1 800 min后，孔隙水壓力出現急劇增加（圖17（b）），坡體產生突發性失穩破壞（圖16（b））.

由圖17（a）可以看出，坡頂位移最大，其次為中部位移，坡底位移最小.斜坡先在自重作用下，變形勻速增加，斜坡壓密實后變形穩定，直至斜坡底部浸透，斜坡產生蠕變，變形速率再次變大，最后發生突發性滑坡，并伴隨著位移突變.在黑方臺現場調查中也發現，滑坡在發育過程中也產生了水平向的拉張裂縫和豎直向的錯臺.斜坡下部存在一定厚度的飽和黃土層，在自重作用下產生蠕變，超過其臨界狀態后，由于大多數斜坡（黃土層厚度較厚）破壞前并未產生很大的持續變形，最終表現出突發性滑動破壞（圖10）.

斜坡在蓄水池注水下持續的浸水和斜坡本身又在發生變形，導致斜坡坡體含水率也在不斷的變化，因此在斜坡產生滑動破壞前孔壓曲線并沒有表現出很強的規律性，但斜坡在產生突發性滑動前的很短時間內，所有傳感器位置的孔壓均出現急劇上升的現象（圖17（b）），由此可以得出，黑方臺滑坡在滑坡產生突發性滑動過程中也會產生孔壓激增的現象.

筆者認為土體的剪縮變形會導致土體中孔隙水壓力增加，尤其是超孔隙水壓力的產生將急劇降低土體抗剪強度，并由此產生靜態液化和整體突發性失穩破壞，該試驗在一定程度上論證了松散顆粒材料在飽水條件下的破壞模式.關于斜坡變形突然增加的原因及其與孔隙水壓力激增之間的聯系有待進一步研究.

圖16 黃土靜態液化與潰散性失穩破壞物理模擬試驗模型Fig.16 Physical simulation model of loess static liquefaction and diffuse failure

圖17 黃土靜態液化與潰散性失穩破壞物理模擬試驗結果Fig.17 Test results of the physical simulation model about the loess static liquefaction and diffuse failure

4 結 論

本文介紹了2015年12月20日發生的深圳光明新區滑坡的基本特征，并結合近年來發生于我國的其他幾處由松散顆粒土體組成的突發性流動型滑坡（云南趙家溝滑坡、甘肅黑方臺黃土滑坡）的特征，進行類比分析，得到以下結論：

（1）在現實中還存在一類區別于局部化破壞，還未被人們廣泛認知的新的斜坡失穩破壞模式——潰散性失穩破壞，發生該類失穩破壞的主要條件為：坡體主要由具有明顯應變軟化特性的松散顆粒材料組成，全部或底部飽水，受力需達到特殊的狀態或遵循一定的應力路徑.

（2）該類滑坡的失穩破壞一般不再沿某一面（滑動面）發生剪切破壞，而是表現出突發的整體坍塌性失穩破壞，往往伴隨著孔隙水壓力激增和靜態液化現象，大大增加了早期識別和預警的難度.

（3）坡體失穩后，土體往往呈流體狀，產生高速遠程運動，并散（攤）開堆積，其運動距離和危害范圍遠大于一般同類滑坡，易造成重大人員傷亡和財產損失，大大增加了防范難度，應引起高度重視.

（4）此類滑坡的形成條件、成因機理、監測預警以及風險防控還處于探索階段，應加強相關方面的研究.

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潰散性滑坡成因機理初探

許 強， 彭大雷， 李為樂， 董秀軍

Study on Formation Mechanism of Diffuse Failure Landslide

XU Qiang， PENG Dalei， LI Weile， DONG Xiujun
（State Key Laboratory of Geohazard Prevention and Geoenvironment Protection，Chengdu University of Technology，Chengdu 610059，China）

An investigation was made into several landslide cases in recent years to summarize common characteristics of the landslides composed of saturated loose granular materials.These landslides typically exhibited complete collapse accompanied by unique phenomena such as abrupt failure，static liquefaction，and high-speed and long-runout motion.Their failure mechanism was extremely similar to the diffuse failure as discovered in the field of soil mechanics，and hence can be viewed as a new type of landslide failure mode.In addition，the primary failure mechanism of the diffuse landslide was discussed through physical simulation experiment.The results indicate that diffuse landslides generally occurto saturated loose granularmaterialswith evidentstrain-softening characteristics，such as silt，sand，and gravel soil.As the stress in the soil reaches the critical state，any external micro-disturbance may trigger an abrupt failure of the slope.The abrupt failure is typically accompanied by an excess pore water pressure and a phenomenon of static liquefaction.After loss of stability，the soil generally undergoes a rapid flow-like mass movement，which may result in catastrophic geological disasters and should be highly valued.

diffuselandslide；GuangmingNew Districtlandslidein Shenzhen city；static liquefaction；loose granular materials；excess pore water pressure

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.

0258-2724（2016）05-0995-10

10.3969/j.issn.0258-2724.2016.05.024

P642.22

A

book=1004,ebook=193

2016-06-20

國家創新研究群體科學基金資助項目（41521002）；國家重點基礎研究發展計劃資助項目（2013CB733200）

許強（1968—），男，教授，博士，博士生導師，研究方向為地質災害評價預測與防治處理，E-mail：xq@cdut.edu.cn

（中文編輯：秦 瑜 英文編輯：蘭俊思）