深圳“12·20”滑坡土体渗透性模拟试验研究

张一希，许 强，彭大雷，赵宽耀，郭 晨

(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)

深圳“12·20”滑坡土体渗透性模拟试验研究

张一希，许 强，彭大雷，赵宽耀，郭 晨

(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)

2015年12月20日11时40分许，广东省深圳市光明新区红坳村渣土临时受纳场发生一起渣土堆填物特大滑坡事故，滑坡覆盖面积约38.5×104m2。根据前人对滑坡特征与成因机制的分析成果并结合现场调查可知，堆填物底部饱水形成软弱滑动层是滑坡失稳破坏的主要原因。为了对滑坡堆填物底部饱水的原因进行分析，文章对滑坡土体的渗透性进行了常水头渗透试验与物理模拟试验研究。研究结果表明：深圳“12·20”滑坡土体渗透系数明显大于一般黏土；渗透系数随着初始含水率和干密度的增大均呈指数函数关系，且相关系数分别大于0.96与0.925；在后缘注水的情况下，土体的垂直渗透性大于水平渗透性。

渣土受纳场滑坡；渗透性；常水头渗透试验；物理模拟试验

2015年12月20日11时40分许，广东省深圳市光明新区红坳村渣土临时受纳场发生一起渣土堆填物特大滑坡事故，约232×104m3的填方堆积体，从高124 m的红坳受纳场，涌喷式冲向下游工业园区。此次灾害滑坡覆盖面积约38.5×104m2，填筑体积约627.24×104m3。滑坡共造成33栋建筑物被掩埋或不同程度受损，73人遇难，4人失联。

滑坡发生后国内外学者及时对其进行了研究，殷跃平等[1]结合无人机采集影像与多期遥感图像揭示了滑坡发生前近两年垃圾填埋场废物数量的增加和填埋场坡度的变化，应用多级建模技术对滑坡发生前边坡结构的各种特性进行了研究，采用非稳态流体流动理论分析了填埋场地下水渗流的影响，并根据土体含水率的不同将滑坡分为由低坡度、低含水率土体组成的前部单元和由具有高含水量的新鲜垃圾土组成的后部单元，指出在不良排水措施的情况下，建筑垃圾的大面积、超高堆填导致地表水渗透和固结渗漏，最终引发了填埋场的土体滑坡。许强等[2]基于多期遥感图像、现场调查、原位试验、室内实验和数值模拟等数据对受纳场边坡破坏过程进行了研究，指出本次重大滑坡具有移动速度快、距离长的特点，认为受纳场所处位置的基岩为基本不具渗透性的花岗岩，受纳场周边的排水系统年久失修以及废弃物的堆填速率和总体积均超过设计值等原因导致堆填体内部饱水，形成超孔隙水压力，造成滑坡失稳破坏。欧阳朝军等[3]采用深度集成连续方法与MacCormack-TVD有限差分算法对滑坡的动力学过程进行数值模拟，研究表明土壤中的超孔隙水压力是导致滑坡发生的主要因素。D H Zhou[4]利用网络资源与新闻报道的资料信息，通过建立不同情况下的数值模型分析堆填物稳定性并指出堆填物的坡度和高度以及现场的水文条件是滑坡产生的主要影响因素。许强等[5]将其作为溃散型滑坡的典型案例，与其它几处同样由饱和土体引起的滑坡案例进行分析比较，认为这几处滑坡在滑坡区物质组成、滑体底部饱水状态与突发性等方面存在着共同点，通过物理模拟试验论证了松散颗粒材料在饱水条件下的破坏模式，为此类滑坡的早期识别与监测预警打下基础。刘传正[6]通过大量网络数据，对滑坡的成因进行了定性分析，指出由于渣土直接堆填在采石场的水坑上面，底部积水导致堆填体泥化，加之持续的填方工作促使了本次低速远程的“人造滑坡”，刘传正提出滑坡的成因机理可称为“泥垫托筏效应”，同时对防灾工作提出了对策。

1 滑坡概况

事发地原为一个采石场，2005年时弃用后变为渣土受纳场。Google卫星影像(图1)显示，2005年底采石场形成了一个小型峡谷；2010年雨季峡谷处形成了一个小水坑，至2013年冬季水坑面积扩大；2014年起，在未完善排水措施的情况下采石场变为渣土受纳场，且于2015年4月开始渣土堆填面积大幅度上升。通过分析滑坡发生前的卫星影像图可知受纳场地形地貌与大量渣土堆积物为滑坡创造了物源与条件。

图1 滑坡区不同时期影像图(影像来自Google)Fig.1 Multi-temporal images of the landslide area (image from Google)

现场调查显示，滑坡的主要物质组成为松散花岗岩风化砂，以粉粒和细角砾为主，黏粒含量很少。根据滑坡的运动、堆积物的来源与堆积情况，将深圳“12·20”滑坡总体上分为Ⅰ区滑源区和Ⅱ区堆积区。滑坡地貌特征明显，后壁、侧缘均清晰可见(图2)，最大水平距离总长约1 202.97 m，前缘临工业园区，后缘临山，剪出口位于滑源区陡坡段前缘、堆积区的后缘，高程约73.72 m 的位置，淤泥渣土厚度达2～18.82 m[5]。

图2 滑坡平面图Fig.2 Plane map of the Shenzhen landslide

根据前人对深圳“12·20”滑坡特征与成因机制的分析成果并结合现场调查可知，堆填物底部饱水形成软弱滑动层是滑坡失稳破坏的主要原因，因此对滑坡土体的渗透性进行研究具有显著的理论意义，但目前对深圳“12·20”滑坡土体渗透性的系统研究较少。本文拟采用室内常水头渗透试验与物理模拟试验对深圳“12·20”滑坡土体渗透特性进行研究，分析滑坡堆填物底部饱水的原因，为渣土堆填物滑坡的研究提供理论依据并对城市垃圾体的堆填工作提供理论指导。

2 试验方法

本文主要采用室内常水头渗透试验与物理模拟试验的方法，通过常水头渗透试验得出在不同初始含水率与干密度工况下土体渗透系数的变化规律；选取一组与现实工况最接近的土体进行物理模拟试验，以土体的含水率为依托点研究深圳“12·20”滑坡土体在渗透过程中的变化规律与渗透性能。试验所采用的土样均取自滑坡滑源区(Ⅰ区)左侧未受扰动的区域(图1中的取样点D1)，对所取土样进行击实试验与液塑限联合测定试验，测得所采土样的基本物理参数(表1)。

表1 土样基本物理参数Table 1 Basic physical parameters of the simple

2.1常水头渗透试验

渗透是水分在多孔隙介质中的一种流动现象，土颗粒物之间存在的孔隙为水分的运动提供了通道，从而具有了渗透性。土的渗透性表征土体被水透过的能力，通常我们用“渗透系数”这一物理量定量的表达渗透这一现象[7-8]。现阶段室内外渗透试验均以“达西定律”为原理依据。本次试验已知渗透仪器的高度L，通过测得渗流量Q和不同点的水头高度H，计算出渗流速度v和水力梯度I，带入达西定律表达式v=K·I得到土样的渗透系数。

根据土样的最大干密度和最优含水率设计试验工况，分别设计5组初始含水率ω0：10%、12.5%、15%、17.5%、25%与4组干密度ρd：1.25 g/cm3、1.35 g/cm3、1.454 g/cm3、1.60 g/cm3，将两组变量两两交叉组合，形成20组试样。

本次常水头渗透试验采用实验室自制渗透仪器(图3)。其中金属封底圆筒高40 cm，内径15 cm；金属孔板距筒底10 cm。渗水孔与测压孔内径10 cm，两测压孔中心间距20 cm，玻璃测压管通过橡皮管与测压孔相连。

图3 渗透试验仪器示意图Fig.3 Schematic diagram of layout of the permeability test1—金属封底圆筒；2—金属孔板；3—测压孔；4—玻璃测压管；5—溢水孔；6—渗水孔；7—出水管；8—供水管；9—止水夹；10—量筒；11—土样；12—钙质砂与卵石层；13—水槽

试验进行前，根据设定干密度称取所需干土质量(准确至0.01 kg)，再根据设定初始含水率配置试验所需试样，将配置试样密封保存24 h；试验过程包括安装仪器、分层击实法装样与数据测量三个部分，为防止细颗粒被水冲走，分别在金属板上与试样顶部铺设2 cm厚的钙质砂与卵石作为缓冲层。本次试验采取测量120 s内出水管的流量，每组之间水头高度均上升5 cm。通过试验记录的渗流量Q和玻璃测压管H以及渗透仪器高度L，结合达西定律求得土样的渗透系数。

2.2物理模拟试验

物理模拟试验采用实验室自主设计的模型箱，长80 cm、宽50 cm、高80 cm[9]。模型后缘处有10 cm厚的蓄水池，蓄水池靠斜坡一侧的有机玻璃板上分布着若干泄水孔，靠外侧钢板处，分布着6个水位控制孔，各孔间隔高差为5 cm。试验堆积的土样斜坡呈梯形状，顶部长30 cm，底部长53 cm，高25 cm，宽50 cm，坡度约为46°(图4)。

图4 物理模型箱示意图(单位：cm)Fig.4 Schematic diagram of physical model box(unit:cm)

结合土样的基本物理参数与常水头渗透试验结果，物理模拟的斜坡土体干密度控制为1.45 g/cm3，水头高20 cm。本次物理模拟试验采用ECHO EC-5土壤水分传感器以及相应的数据采集系统监测土体含水率变化情况，土体中共埋置5个土壤水分传感器(图5)，其中土体高10 cm位置水平分布埋置3个，20 cm位置水平分布埋置2个，各土壤水分传感器间的水平距离为10 cm，传感器均布置于模型中线上。

图5 传感器布置示意图(单位：cm)Fig.5 Schematic diagram of the sensor arrangement(unit: cm)

试验中5个土壤水分传感器持续不间断监测4 331 min，每个传感器分别测得4 331组数据。通过分析土体中5个传感器埋置位置体积含水率与时间的关系，对滑坡土体水平与垂直方向上的渗透规律与渗透性能进行讨论。

3 试验结果分析

3.1常水头渗透试验结果

通过对数据的整理分别得到渗透系数K与初始含水率ω0的关系(图6)以及渗透系数K与干密度ρd的关系(图7)。

(1)渗透系数K与初始含水率ω0的关系

为了更清晰直接地分析不同干密度下初始含水率对渗透系数的影响，对不同干密度下渗透系数与初始含水率的关系曲线进行拟合(图6)。

图6 渗透系数与初始含水率拟合关系曲线Fig.6 Fitting relationship between the coefficient of permeability and initial moisture content

通过分析数据发现，滑坡土体的渗透系数K与初始含水率ω0可以拟合为K=a×e-bω0指数函数关系，且相关系数均大于0.96(表3)。

表3 渗透系数与初始含水率拟合关系Table 3 Fitting relationship between the coefficientof permeability and initial moisture content

初始含水率的增大不仅加强了土体中矿物质的黏性，还在较松散的土颗粒间形成一层较厚的有利于土粒移动的水膜，使得土体内部孔隙连通性下降，土颗粒间紧密嵌合，导致渗透系数下降[10～12]。分析四种不同干密度情况下的变化曲线，干密度越大初始含水率对渗透系数造成的影响越小。由于装样过程中击实功的增大使土体结构更加紧密，胶结物的黏性得到了充分的发挥，土体内部的孔隙连通性下降，这样紧密的孔隙结构对渗透系数的影响相对较大，从而掩盖了初始含水率对渗透系数的影响。

(2)渗透系数K与干密度ρd的关系

对五种不同初始含水率ω0情况下渗透系数K随干密度ρd的变化规律进行曲线拟合(图7)。

图7 渗透系数与干密度拟合关系曲线Fig.7 Fitting relationship between the coefficient of permeability and dry density

滑坡土体的渗透系数K与干密度ρd可以拟合为K=a×10ne-bρd指数函数关系，且相关系数均大于0.925(表4)。

表4 渗透系数与干密度拟合关系Table 4 Fitting relationship between the coefficientof permeability and dry density

图7的曲线规律表明，在初始含水率相同的情况下，当干密度范围在1.25～1.35 g/cm3时，土体渗透系数随干密度的增加而缓慢减小，当干密度大于1.35 g/cm3后，渗透系数随干密度增加而快速减小到一定值后慢慢趋于稳定。这是由于土体在干密度较小的情况下保持相对疏松的颗粒结构，土体中孔隙的连通性较好，初始渗透系数也相对较大。在之后干密度增大到一个趋近于最大干密度的临界值时，使土体间架空空隙、支架空隙变形，加之微细颗粒移动堵塞渗流有效孔隙的通道，影响有效孔径的连通，导致总体有效孔径减小至相对稳定。

对试验有效数据进行处理分析可知滑坡土体的渗透系数较大，比一般性黏土渗透性好，且不同工况的土样呈规律性变化。

3.2物理模拟试验结果

物理模拟中传感器P1、P2与P3，P4与P5分别在两组不同高程的水平面上，且P1与P4，P2与P5分别为同一垂直面；根据曲线分布规律发现(图8)，传感器响应时间的先后顺序依次为P1、P4、P2、P5、P3，这是由于最靠近蓄水池的传感器为P1、P4，其次是P2、P5，最后是P3；而与P4、P5相比，P1、P2响应的时间相对较早，因为前两者的水头差较高，水分渗透速率较快；从各传感器响应开始，各控制点含水率变化趋势相似，均为前期含水率呈线性增长，逐渐靠近饱和状态时，含水率变化减慢，最后趋于稳定。其中与P1、P2两者相比，P1、P4两传感器与P2、P5两传感器到达相同体积含水率的时间较短。P3控制点最后阶段的异常表现，是由于在土体饱和后，蓄水池还继续供水数小时，导致斜坡斜面上和坡角处积水过多，而P3控制点临近坡面，由此含水率受到了影响。综合分析，土体垂直面的渗透性大于水平面渗透性。

图8 含水率随时间变化规律曲线图Fig.8 Change in the moisture content with time

4 讨论

在土体渗透性研究方面，本文着重研究干密度与含水率两个物理因素对深圳“12·20”滑坡土体渗透特性的影响，后期拟进行现场试验与室内试验相结合的方法，分别对土体孔隙大小、颗粒级配、填筑体埋深与外界压力等因素进行研究，全面分析各外因对深圳滑坡土体渗透性产生的影响与差异，以有效治理与防治垃圾填埋滑坡。本文中物理模拟试验阶段通过采集大量数据对土体的水平、垂直含水率与渗透性能进行了分析与比较，后期将进一步监测模拟降雨条件下土体在水分垂直入渗过程中含水率、孔隙水压力等物理量，更全面地分析含水率垂直方向与水平方向的变化。

5 结论

本文以深圳“12·20”滑坡土体为研究对象，通过击实试验、液塑限联合测定试验为辅，常水头渗透试验为主的室内试验，结合物理模拟，对滑坡土体的渗透特征进行分析。得出以下结论：

(1)深圳“12·20”滑坡上覆土体的渗透性比一般黏性土好，这一特性为下部土体的饱和与超孔隙水压力形成创造了条件。

(2)在干密度一定的情况下，深圳“12·20”滑坡土体渗透系数随初始含水率的增大而减小，呈K=a×e-bω0指数函数关系，相关系数大于0.96；在初始含水率一定的情况下，渗透系数随干密度的增大而减小，呈K=a×10ne-bρd指数函数关系，相关系数大于0.925。

(3)在后缘注水的情况下，深圳“12·20”滑坡土体的垂直渗透性大于水平渗透性。

(4)深圳“12·20”滑坡土体的物质组成主要为松散花岗岩风化砂，以粉粒和细角砾为主，黏粒含量极少[5]，其渗透性比一般黏性土渗透性好。因此一定要做好安全监测工作，保证堆填场排水措施的完善，定期检查维护排水措施；在垃圾堆填过程中，保证堆填速率、高度和总体积在设计值范围内，以防止此类灾害再次发生。

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责任编辑：汪美华

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

许强(1968-)，男，博士，教授，博士生导师，主要从事地质灾害评价预测与防治处理研究。E-mail：xq@cdut.edu.cn

10.16030/j.cnki.issn.1000-3665.2017.05.20

2016-12-26;

2017-02-16

国家自然科学基金重点项目资助课题(41630640)；国家创新研究群体科学基金(41521002)

张一希(1993-)，女，硕士生，主要从事岩土体稳定性及工程环境效应研究。E-mail:350380673@qq.com