溃散性滑坡成因机理初探

（成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，四川成都610059）

（成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，四川成都610059）

通过对多起由饱水松散颗粒材料构成的滑坡案例的调查研究，总结了此类滑坡的共性特征，即表现出显著的整体性坍塌并伴有突然破坏、静态液化和高速远程流动性运动等独特现象，认为其与国际土力学界新发现的溃散性破坏（diffuse failure）极为吻合，是区别于局部化破坏（localized failure）的一类新的失稳破坏模式.借助物理模拟手段，初步探讨了溃散性滑坡的成因机理.结果表明：溃散性滑坡一般发生于松散且具有明显应变软化特征的饱水颗粒材料（粉土、砂、碎石土等）中，当土体受力达到临界失稳状态时，外界微小扰动都可能产生突然整体性破坏；在失稳破坏时表现出明显的孔隙水压力激增和静态液化现象，失稳后土体呈流体状远程运动，易造成灾难性后果，应引起高度重视.

溃散性滑坡；深圳光明新区滑坡；静态液化；松散颗粒材料；超孔隙水压力

2015年12月20日，广东省深圳市光明新区 红坳村渣土受纳场填筑体发生突发性失稳破坏，主要由花岗岩风化砂构成的堆填体，体积约为2.3× 106m3，瞬间掩埋和摧毁了其下游数百米外的凤凰社区恒泰裕工业园，滑坡堆积物覆盖面积约为3.8×105m2，造成33栋建筑物受损，73人遇难，另外还有4人失联.

深圳光明新区滑坡之所以引起社会各界的广泛关注和高度重视，不仅因为该滑坡因安全生产事故造成了灾难性的后果和极其严重的社会影响，更重要的是滑坡发生原因引起了国内外专家学者的广泛讨论和争议，至今也没有形成统一的认识.其主要疑问和争论的焦点在于：

（1）该堆填体原为一采石场，因长期采石形成了一个深坑，在采坑下游有一个明显的“锁口”，地形条件有利于堆填体的稳定.同时，堆填体以1∶2.5的坡率台阶状放坡，其平均坡度仅20°左右，而堆填体材料为花岗岩风化砂，其饱和摩擦角达30°左右.

按照传统极限平衡理论计算，其稳定性系数大于1，堆填体处于稳定状态，其安全性都能得到保证，但为什么还会发生滑坡？

（2）滑坡发生后滑源区和堆积区物质含水量非常高，基本处于饱和状态，多处出现冒水、渗水现象.但堆填体的物质组成主要为花岗岩风化砂，其透水性好，无法在堆填体中产生很大的水力梯度和形成较高的地下水位.采用极限平衡反演分析，在正常的地下水位条件下其稳定性较好.利用传统的土力学知识和极限平衡分析很难解释滑坡的成因.

深圳光明新区滑坡发生后，有岩土专家表示这是多年未遇的一次.工程地质学界专家学者在各种场合针对该滑坡发生的原因展开过激烈的讨论乃至争论，甚至有专家认为深圳滑坡之所以有那么大的破坏力，泥土中的高压气体才是罪魁祸首.

本文通过对近年来发生的几起与光明新区滑坡特征极为相似的滑坡的综合分析，以探讨这类主要由松散颗粒材料组成的斜坡，在底部饱水的条件下，产生突发性的失稳破坏和流体状远程运动的滑坡的形成机理作初步探讨.

1 深圳光明新区滑坡简介

深圳滑坡位于2007年8月19日成立的光明新区南部的凤凰社区，距光明新区市区约5 km，离深圳市区约23 km.该滑坡主要是松散杂填土在饱水的条件下发生突发性失稳破坏.

从图1可以清晰看出，滑坡填筑渣土前的地形、滑坡发生前的填筑范围和滑坡发生后的危害范围.

图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

根据滑坡区不同时期Google影像图（图2）可知，深圳光明新区滑坡发生前的相关工程主要经历了3个阶段：

（1）工业园区开始建设阶段（2005年11月开始至2014年12月），恒泰工业园已经初步形成规模，柳溪工业园也于2014年底初步建成；

（2）采石场开采阶段，早于2005年开始开采，2010年雨季出现一小水坑，并逐年扩大，2013年停止开采石材，并形成了面积约为2.66×104m2的废弃的采石坑，采掘石料形成的陡坡，高度为30～ 90 m，坡度70°～80°，坑内和坑壁基岩裸露；

（3）受纳场的填筑阶段，废弃的采石场于2014年被用于弃土堆填场地，填筑体基本采用抛填再整坡的方式，弃土采用分级堆填，每级台阶高度约10 m，台阶设有宽10 m的马道，台面坡比约1∶2.5，于2014年11月形成3～4级台面，2015年4月开始，填筑速度加快，到2015年9月已形成5～6级台面，于滑坡发生前两天即2015年12月18日，填筑体顶面前缘形成6～8级台面，后缘已形成第9级填筑台面，填筑体前缘的坡度约为18°，整体约为15°，形成了大规模的人工填土边坡，填筑体积为627.24×104m3，受纳场填筑厚度如图3所示.通过现场密度、含水率和室内击实试验，其干密度变化范围为1.25～1.48 g/cm3，孔隙比为0.83～1.31.标准击实试验结果表明，填土的最优含水率为15.31%，最大干密度为1.79 g/cm3，填筑体的压实度为69.83%～82.68%，填筑体处于松散状态［1］.

图2 滑坡区不同时期遥感影像图（影像来自Google和遥感影像）Fig.2 Multi-temporal remote sensing images of the landslide area（images from Google Earth and remote sensing images）

光明新区滑坡地貌特征明显，滑坡后壁、侧缘及滑舌均清晰可见（图1（c））.根据滑坡的运动、堆积特征和滑坡前后体积变化情况（图4），将深圳滑坡分为滑源区（A区）和流通堆积区（B区），如图5所示，图6为滑坡典型剖面.

图4和图5可以看出，滑坡在平面上呈葫芦状，滑源区（A区）为“圈椅状”，流通堆积区（B区）为扇形.滑坡区高精度摄影测量显示，滑坡区面积为28.514×104m2.滑坡基本沿着1-1′剖面方向滑动和流体状运动（图5），主滑方向的方位角约340°，最大水平距离约为1 202.97 m（图6）.

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

图4 滑坡发生前后高程变化Fig.4 Elevation variations of the dumpsite before and after landslide

图5 滑坡工程地质平面图和滑坡分区Fig.5 The zonation and topographic map of the landslide

滑源区位于废弃的采石坑内，滑坡壁呈开口的袋状地形，后壁呈圈椅状.滑体长为540.30 m，宽为399.32 m，面积为11.35×104m2，高差为68.50 m，视倾角为7.62°；滑动的体积为32.57× 104m3，滑源区还残留394.67×104m3填土未发生滑动.滑源区最大滑动厚度为41.51 m，平均滑动厚度为20.49 m（图4和图6）.

图6 滑坡主滑纵剖面1-1′Fig.6 Longitudinal geologocal profile 1-1′after slide

流通堆积区主要位于采石坑的沟口和坡脚平缓地带的工业区.流通堆积区整体呈扇状分布，流通堆积区长为664.37 m，后缘宽为218.31 m，前缘宽为592.25 m，面积为28.51×104m2，高差为35.72 m，视倾角为3.08°，平均厚度为8.21 m，最大堆积厚度为18.82 m（图4和图6）.

因采坑外侧（北侧）出口非常狭窄，在滑坡发生的过程中，流塑态滑坡物质在高速运动过程中，对流通堆积区和滑源区陡坡段两侧的填土有强烈的挤压和携卷铲削作用，形成了明显的沟槽和擦痕（图1（c）），剪出口的形状呈半椭圆形，剪出口处的标高为73.72 m.野外调查发现，滑坡的滑源区和堆积区的含水量非常高，基本处于饱和状态，多处出现冒水、渗水现象（图7）.

图7 滑坡堆积物Fig.7 Loose deposits of the landslide

2 溃散性滑坡的共性特征

深圳光明新区滑坡所显现出的现象和特征，与近几年发生在我国的其它几处同样由饱水土体引起的滑坡案例极为相似，这些滑坡具有一定共性.

发生于2013年1月11日的云南镇雄县赵家沟滑坡，滑坡土方约为40×104m2，碎石土体在长期雨雪天气下逐渐饱水后突然失稳破坏，掩埋了赵家沟村庄一侧，造成14户民房、48人被山体掩埋［2-3］（图8）.

图8 云南镇雄县赵家沟滑坡（2013-01-11）Fig.8 Zhaojiagou landslide that occurred in Zhengxiong county，Yunnan Province on Jan.11，2013.

发生于2015年4月29日的甘肃黑方台党川2#黄土滑坡［4］.该滑坡是因黑方台黄土台塬长期灌溉，致使黄土内地下水位不断上涨，黄土层底部饱水导致的滑坡.突发性的滑坡掩埋了前缘14户房屋和3家工厂（图9）.

图9 甘肃黑方台党川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处滑坡在形成条件和发生过程中，与滑坡后所表现出的特征，有以下共同特点：

（1）滑坡区物质组成为松散颗粒土体

上述3处滑坡的物质组成主要为粉粒、砂和碎石土，粘粒含量极少，称为颗粒材料（granular materials）.深圳光明新区滑坡主要物质组成为松散花岗岩风化砂，主要由粉粒和细角砾构成，粘粒含量极少.云南镇雄赵家沟滑坡滑源区和堆积区也主要由砂、角砾和碎块石组成的碎石土，其粘粒含量也极少.黑方台党川2#黄土滑坡为第四纪黄土（Q3），物质组成主要为粉土.

（2）滑体底部处于饱水状态

滑坡发生后的现场调查和试验结果表明，这3处滑坡滑前坡体尤其是中下部基本处于全饱水状态，黑方台黄土滑坡发生后，可见滑带附近土体呈流水带状，表明滑带处于完全饱水状态.赵家沟滑坡滑源区和堆积区代表性点含水情况的现场测试表明，其含水率均大于50%，一般为50%～70%，也基本处于饱和状态.

（3）启动呈现出显著的突发性

现场调查及访问结果表明，3处滑坡的发生均具有明显的突发性.黑方台黄土滑坡的现场调查和监测结果表明，滑坡发生前的一段时间内（一般为数月或数天），滑源区出现拉张裂缝甚至下错台坎，但裂缝出现后往往不再发生变形，一段时间后产生突发性的失稳，其变形-时间曲线与教科书上所描述的3个阶段变形（初始、等速和加速）特征完全不相符合（图10）.

自《纲要》实施至今，我国的科技创新能力也在不断提升，高技术战略不断跟进并取得重大突破。例如，我国在载人航天和探月工程、载人深潜、超级计算、量子通信等领域均取得突破性创新成果，优异的创新成绩备受世界瞩目。毋庸置疑，我国已形成系统性的科学发展体系，并具备实施创新驱动发展战略坚实可靠的现实基础。

（4）失稳表现出明显的整体性、彻底性

图10 黑方台陈家8#滑坡变形监测曲线Fig.10 Deformation monitoring curve of Chenjia 8#loess landslide in Heifangtai tableland

图11 光明新区滑坡滑源区特征Fig.11 The source area characteristics of the Guangming New District landslide

图12 图12 赵家沟滑坡滑源区特征Fig.12 The source area characteristics of the Zhaojiagou landslide

分析图11～13可以发现，此类滑坡的滑源区物质滑动非常彻底，就像“拔萝卜”一样在滑源区留下一个明显的“坑”，致使滑坡后壁严重内凹呈弧形，甚至呈近封闭的椭圆形.在黑方台滑坡分布区，此类特征也异常明显，黑方台滑坡主要包括沿黄土底部基岩顺层滑坡、浅表层黄土崩塌性滑坡、黄土底部饱水滑坡3类，前两类的滑坡后壁均较平直，仅两端呈弧形，唯独黄土底部饱水导致的滑坡其后壁严重内凹（图13），与一般土质滑坡沿系列滑动面的渐进后退式滑动特征有显著区别，显示出失稳破坏过程具有均匀整体失稳破坏特征.

（5）运动呈现出显著的流体状特征

图5、8、9均清晰地反映了3处滑坡运动具有明显的流动性特征.其主要标志包括：远程运动（long-runout）；滑体在流体状运动过程中在宽阔地带逐渐展（摊）开，致使其覆盖面积较大；在滑坡流通区和堆积区，可见明显的流线和波浪状地貌（图9和图11）.英文文献中常用earthflow、flowslide、flow-like、fluidization等词来描述滑坡的流体状运动特征［5-6］.

图13 甘肃黑方台党川2#滑坡滑源区（拍摄于2016-05-15）Fig.13 The source area of the Dangchuan 2#landslide in Heifangtai tableland，Gansu province（taken on May 15，2016）

3 溃散性滑坡成因机理初探

事实上，以上3处主要是由松散颗粒材料构成的滑坡，在饱水条件下，表现为整体突发性启动和流体状运动特征，也正是近年来国际土力学界通过试验和理论研究所发现一类新的土体失稳破坏模式——溃散性破坏（diffuse failure）［7-8］.溃散性破坏是完全有别于传统局部化破坏（localized failure），这是一类新的松散颗粒材料变形破坏模式和行为［8-10］.

图14为两类完全不同类型的破坏模型，图14（a）为粘性土的局部破坏现象，破坏过程中产生明显的破坏面［8］；图14（b）为5组不同孔隙比松散砂土三轴试验破坏后的最终状态.5组试验采用相同的应力路线，其中：试样1、试验3、试样4和试样5在试验结束后，经历了长期的塑性变形阶段，达到不稳定变形后，仍然保持稳固状态，没有明显的应力局部集中（即剪切带或者局部破坏区域）；试样2，在经历相同的应力路径后，发生整体性破坏，甚至无法从试验机器上拆卸［13］，说明松散砂土能够发生溃散性破坏，但有一定的前提条件.

图14 两类完全不同的失稳破坏模式：局部化破坏和溃散性破坏Fig.14 Two different failure modes：localized and diffuse failure modes

大量的试验研究表明，溃散性破坏主要发生在松散颗粒材料的不排水试验中，当土体的受力状态达到临界状态时，即使微小的扰动也可能导致土体强度突然整体性丧失，产生大面积突发性破坏.土体在发生整体性破坏前，均会伴随着土体中孔隙水压力的急剧增加，并出现明显的液化现象，破坏后土体类似于粘滞性流体.因此，这类液化往往发生在静荷载条件下（如水位变化，或工程活动等微小扰动），而非由强烈振动（如地震）引起，故被称为静态液化［14-16］（static liquefaction）.土体产生溃散性破坏，有如下典型特征和条件：土体足够松散，具有明显的应变软化特征；在饱水条件下，溃散性失稳破坏与静态液化现象同时存在，即失稳时孔隙水压力激增，失稳后土体呈流体状态［17］.

为了验证松散颗粒材料在饱水条件下产生的静态液化和溃散性失稳破坏现象，选取甘肃黑方台的马兰黄土（Q3）开展了物理模拟试验.试验模型尺寸为0.8 m×0.5 m×0.8 m（长×宽×高），斜坡坡度约为55°（图15（a））.

图15 物理模型试验视图Fig.15 Views of physical model test

为了使斜坡底部饱水，在模型试验中，通过后壁开孔控制地下水位的高度（模型后缘预留10 cm作蓄水池，靠斜坡一侧有机玻璃板上分布直径5 mm泄水孔若干，靠外侧钢板每隔5 cm，打3个水位控制孔，本试验采用10 cm高水位线），使得处于地下水位线以下的黄土处于饱和状态.

在试验过程中，采用激光多点位移计和孔隙水压力计监测斜坡的变形、孔压的变化.孔压位于模型试验的中轴线上，距底部10 cm，位置如图15（b）、（c）和图16（a）、（b）所示.激光多点位移计位于模型正面的中部，本试验分析过程中，选取位于底部（高程25 cm）、中部（高程35 cm）和顶部（高程45 cm）的监测点作为研究点（图16（b）），位移的监测结果如图17（a）所示.

图17表明，底部饱水的黄土斜坡，在试验开始后出现轻微的变形，随后变形逐渐停止，但当试验进行到1 400 min左右时，变形明显增加，并持续增长（图17（a）），至1 800 min后，孔隙水压力出现急剧增加（图17（b）），坡体产生突发性失稳破坏（图16（b））.

由图17（a）可以看出，坡顶位移最大，其次为中部位移，坡底位移最小.斜坡先在自重作用下，变形匀速增加，斜坡压密实后变形稳定，直至斜坡底部浸透，斜坡产生蠕变，变形速率再次变大，最后发生突发性滑坡，并伴随着位移突变.在黑方台现场调查中也发现，滑坡在发育过程中也产生了水平向的拉张裂缝和竖直向的错台.斜坡下部存在一定厚度的饱和黄土层，在自重作用下产生蠕变，超过其临界状态后，由于大多数斜坡（黄土层厚度较厚）破坏前并未产生很大的持续变形，最终表现出突发性滑动破坏（图10）.

斜坡在蓄水池注水下持续的浸水和斜坡本身又在发生变形，导致斜坡坡体含水率也在不断的变化，因此在斜坡产生滑动破坏前孔压曲线并没有表现出很强的规律性，但斜坡在产生突发性滑动前的很短时间内，所有传感器位置的孔压均出现急剧上升的现象（图17（b）），由此可以得出，黑方台滑坡在滑坡产生突发性滑动过程中也会产生孔压激增的现象.

笔者认为土体的剪缩变形会导致土体中孔隙水压力增加，尤其是超孔隙水压力的产生将急剧降低土体抗剪强度，并由此产生静态液化和整体突发性失稳破坏，该试验在一定程度上论证了松散颗粒材料在饱水条件下的破坏模式.关于斜坡变形突然增加的原因及其与孔隙水压力激增之间的联系有待进一步研究.

图16 黄土静态液化与溃散性失稳破坏物理模拟试验模型Fig.16 Physical simulation model of loess static liquefaction and diffuse failure

图17 黄土静态液化与溃散性失稳破坏物理模拟试验结果Fig.17 Test results of the physical simulation model about the loess static liquefaction and diffuse failure

4 结 论

本文介绍了2015年12月20日发生的深圳光明新区滑坡的基本特征，并结合近年来发生于我国的其他几处由松散颗粒土体组成的突发性流动型滑坡（云南赵家沟滑坡、甘肃黑方台黄土滑坡）的特征，进行类比分析，得到以下结论：

（1）在现实中还存在一类区别于局部化破坏，还未被人们广泛认知的新的斜坡失稳破坏模式——溃散性失稳破坏，发生该类失稳破坏的主要条件为：坡体主要由具有明显应变软化特性的松散颗粒材料组成，全部或底部饱水，受力需达到特殊的状态或遵循一定的应力路径.

（2）该类滑坡的失稳破坏一般不再沿某一面（滑动面）发生剪切破坏，而是表现出突发的整体坍塌性失稳破坏，往往伴随着孔隙水压力激增和静态液化现象，大大增加了早期识别和预警的难度.

（3）坡体失稳后，土体往往呈流体状，产生高速远程运动，并散（摊）开堆积，其运动距离和危害范围远大于一般同类滑坡，易造成重大人员伤亡和财产损失，大大增加了防范难度，应引起高度重视.

（4）此类滑坡的形成条件、成因机理、监测预警以及风险防控还处于探索阶段，应加强相关方面的研究.

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溃散性滑坡成因机理初探

许 强， 彭大雷， 李为乐， 董秀军

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

许强，彭大雷，李为乐，等.溃散性滑坡成因机理初探［J］.西南交通大学学报，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

国家创新研究群体科学基金资助项目（41521002）；国家重点基础研究发展计划资助项目（2013CB733200）

许强（1968—），男，教授，博士，博士生导师，研究方向为地质灾害评价预测与防治处理，E-mail：xq@cdut.edu.cn

（中文编辑：秦 瑜 英文编辑：兰俊思）