淺層紅層滑坡致災(zāi)成因分析及穩(wěn)定性綜合評價

蘭俊太

（四川省能源地質(zhì)調(diào)查研究所，四川 成都 610045）

0 引言

由于滑坡災(zāi)害頻發(fā)，淺層紅層滑坡具有其特殊性，因此，對其致災(zāi)成因分析及穩(wěn)定性進(jìn)行評價具有重要的意義[1-2]。目前，楊戒等[3]利用數(shù)值模擬開展了淺層土質(zhì)滑坡的穩(wěn)定性評價；王森等[4]分析了淺層滑坡的降雨入滲機理，說明開展淺層紅層滑坡研究的必要性。在以往的研究成果中，傳遞系數(shù)法是常用的穩(wěn)定性計算方法[5]，但其僅用于現(xiàn)狀評價，為合理地掌握滑坡穩(wěn)定性的后續(xù)變化，提出通過變形預(yù)測來完成該方面的研究，并將其結(jié)果與傳遞系數(shù)法結(jié)果結(jié)合，以保證滑坡穩(wěn)定性評價的全面性；同時，滑坡防治措施研究也是十分必要的，其是災(zāi)害防治的最直接保障。該文以石古巖后崗滑坡為工程背景，首先結(jié)合滑坡所處地質(zhì)條件，對其致災(zāi)成因進(jìn)行分析，其次，通過傳遞系數(shù)法及變形預(yù)測綜合評價其穩(wěn)定狀態(tài)；最后，制定防治措施，以保證滑坡的穩(wěn)定性。

1 工程概況

1.1 工程地質(zhì)條件

石古巖后崗滑坡位于蘆山縣雙石鎮(zhèn)石鳳村兩岔溪組，結(jié)合勘查成果，介紹其地質(zhì)條件，包括以下5 種：①地形地貌。所處區(qū)域具構(gòu)造侵蝕中山地貌，高程范圍為1035m～1137m，高差102m，斜坡坡度為20°～40°。②地層巖性。區(qū)內(nèi)第四系地層主要為沖洪積層及殘坡積層，前者巖性主要由卵石、粉質(zhì)黏土和細(xì)砂等組成，其中卵石粒徑為5cm～20cm，含量為30%～45%，細(xì)砂含量約為10%。下覆基巖主要為三疊系上統(tǒng)須家河組砂巖，灰色，強風(fēng)化～中風(fēng)化，局部存在露頭，節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖體完整性一般。③地質(zhì)構(gòu)造?；聟^(qū)臨近大型構(gòu)造主要為大川斷層、小關(guān)斷層及蘆山向斜，但其凈距均較小，因此，其對滑坡發(fā)育影響較小。④水文地質(zhì)條件。滑坡區(qū)地表水主要為斜坡腳處的石寶河，其流量隨季節(jié)性變化較大。地下水主要為孔隙水、裂隙水，賦存情況及富水性受地層結(jié)構(gòu)、地形地貌等因素影響。⑤人類工程活動?；聟^(qū)內(nèi)的人類工程活動較為強烈，主要為公路修建、房屋建設(shè)及農(nóng)業(yè)耕種等，各類工程活動對滑坡形成均有一定影響。

1.2 滑坡發(fā)育特征

石古巖后崗滑坡平面圖如圖1 所示，其主滑方向為302°，縱向長度約50 m，橫向?qū)挾燃s90 m，面積約4700 m2，厚度為5～7 m，體積約2.82 萬m3，因此，該滑坡屬淺層紅層土質(zhì)滑坡。

圖1 滑坡平面示意圖

1.2.1 滑坡結(jié)構(gòu)特征分析

根據(jù)鉆探成果可知，滑坡結(jié)構(gòu)特征如下：①滑體土。該類土層的物質(zhì)組成主要為塊石土，稍密狀，其塊石含量約65%，塊徑為45 cm～60 cm；同時，滑體厚度為5 m～7 m，具有四周薄、中間厚的特征。②滑帶土。該類土層的巖性主要為粉質(zhì)黏土，黃褐色，軟塑～可塑，遇水易軟化，含有少量細(xì)粒，其磨圓度較好。③滑床。由于該滑坡的滑面位于基覆界面，因此，其滑床巖性主要為基巖，其特征已在2.1 節(jié)詳述。

1.2.2 滑坡變形特征分析

從2013 年“4?20”蘆山地震后，該滑坡在雨季均有一定的變形特征。在本次調(diào)查過程中，主要發(fā)現(xiàn)3 條裂縫。

L1 裂縫：分布于滑坡左后側(cè)，延伸長度約26.5 m，裂縫寬度20 cm～30 cm 且中間深度相對較深，兩側(cè)逐漸變淺。

L2 裂縫：分布于滑坡后緣邊界處，延伸長度約20.9 m，裂縫寬度約30 cm～40 cm 不等，深度約30 cm～50 cm，中間深，兩側(cè)逐漸變淺。

L3 裂縫：分布在滑坡后部，延伸長度約12.9 m，裂縫寬度約20 cm～30 cm，下錯0.5～1.0 m，中間高，兩側(cè)逐漸變低。

總體來說，石古巖后崗滑坡發(fā)育特征顯著，側(cè)面說明開展其穩(wěn)定性評價及防治措施研究是十分必要的。

2 致災(zāi)成因分析

淺層紅層滑坡的致災(zāi)成因因素相對較多，可分為內(nèi)部成因因素和外部成因因素，前者屬滑坡形成的固有因素，主要包括地形地貌、地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、水文地質(zhì)條件以及臨空條件等；后者屬于滑坡形成的誘發(fā)因素，主要包括降雨和人類工程活動等。

2.1 內(nèi)部成因因素

2.1.1 地形地貌

滑坡區(qū)微地貌屬斜坡地貌，其前后緣高程范圍1042m～1075m，高差33m，斜坡坡度20°～40°；由于滑坡地表有低緩的變化特征，其局部裂縫較為發(fā)育，有利于降雨入滲，進(jìn)而導(dǎo)致滑坡局部失穩(wěn)，因此影響滑坡整體的穩(wěn)定性。

2.1.2 地層巖性

根據(jù)鉆探成果可知，滑體巖性主要為塊石土，滲透性強，有利于降雨入滲且滑帶土體遇水易軟化，當(dāng)降雨入滲后，會較大程度地降低滑帶抗剪強度，進(jìn)而減弱滑坡抗滑力。

2.1.3 地質(zhì)構(gòu)造

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，滑坡區(qū)附近雖然沒有大型構(gòu)造，但是次生構(gòu)造較發(fā)育，形成了較多、較大的裂隙，使坡體的完整性變差；同時，區(qū)內(nèi)新構(gòu)造運動也較為發(fā)育，其運動會導(dǎo)致巖體結(jié)構(gòu)進(jìn)一步破碎，為降雨入滲提供通道，也會軟化下覆砂巖。

2.1.4 水文地質(zhì)條件

滑坡區(qū)降雨量相對較大且降雨會沿裂縫滲入下部巖土體中，并在下部裂隙中形成較大的孔隙水壓力，使土體、巖體間的有效應(yīng)力減少，進(jìn)而增加巖土體的下滑力；同時，區(qū)內(nèi)地下水也較發(fā)育，在降雨下滲條件下，會加快坡體裂縫發(fā)育，逐漸形成剪切破裂面。

2.1.5 臨空條件

滑坡前緣修建有道路，局部切坡，形成臨空面，這會造成坡體抗滑力減少，為坡體持續(xù)變形創(chuàng)造了條件。

2.2 外部成因因素

2.2.1 降雨

綜上所述，滑坡區(qū)降雨量較大，其多年平均降雨量達(dá)1313.1 mm 且存在顯著的強降雨特征，因此，滑坡區(qū)存在滑坡形成的降雨條件。在降雨作用下，大量雨水會沿裂縫下滲，這不僅會增加土體重度，導(dǎo)致下滑力增加，也會降低滑帶的抗剪強度，減少滑坡的穩(wěn)定性，進(jìn)而導(dǎo)致滑坡發(fā)生。

2.2.2 人類工程活動

滑坡區(qū)人類工程活動主要包括公路修建、房屋建設(shè)及農(nóng)業(yè)耕種等，在建設(shè)過程中會局部開挖形成臨空面，只有局部出現(xiàn)滑塌。

綜上所述，淺層紅層滑坡的致災(zāi)成因因素相對較多，其內(nèi)部成因因素是滑坡形成的基礎(chǔ)條件，而外部成因因素是滑坡形成的必要條件，兩者缺一不可，共同作用導(dǎo)致滑坡發(fā)生。

3 滑坡穩(wěn)定性評價

3.1 滑坡穩(wěn)定性評價模型的構(gòu)建

該文提出通過傳遞系數(shù)法及變形預(yù)測來完成滑坡穩(wěn)定性的全面評價，兩者的基本原理介紹如下。

3.1.1 傳遞系數(shù)法

根據(jù)《滑坡防治工程勘查規(guī)范》（GB/T 32864—2016）已知傳遞系數(shù)法的詳細(xì)求解過程，該文不再贅述。結(jié)合工程實際，將其計算過程中的基本設(shè)定如下。

3.1.1.1 計算工況設(shè)定

在滑坡穩(wěn)定性計算過程中，其計算工況主要有3 個：1）工況1。天然工況。該工況是計算日常環(huán)境條件下的滑坡穩(wěn)定性。2）工況2。暴雨工況。該工況是計算降雨條件下的滑坡穩(wěn)定性。3）工況3。地震工況。該工況是計算地震條件下的滑坡穩(wěn)定性。

3.1.1.2 計算參數(shù)設(shè)定

結(jié)合現(xiàn)場鉆探取樣試驗結(jié)果及參數(shù)反演，得到滑坡在不同工況條件下的計算參數(shù)，見表1。

表1 滑坡計算參數(shù)

3.1.1.3 劃分穩(wěn)定狀態(tài)

根據(jù)《滑坡防治工程勘查規(guī)范》（GB/T 32864—2016），設(shè)定滑坡穩(wěn)定狀態(tài)劃分標(biāo)準(zhǔn)：當(dāng)穩(wěn)定系數(shù)Fs小于1 時，滑坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)穩(wěn)定系數(shù)Fs為1～1.05 時，滑坡處于欠穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)穩(wěn)定系數(shù)Fs為1.05～1.15 時，滑坡處于基本穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)穩(wěn)定系數(shù)Fs≥1.15 時，滑坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。

3.1.2 變形預(yù)測模型

變形是滑坡各類影響因素綜合作用的直觀體現(xiàn)，因此，通過變形預(yù)測來評價滑坡穩(wěn)定性的發(fā)展趨勢是可行的。

極限學(xué)習(xí)機（Extreme Learning Machine，ELM）屬于改進(jìn)型神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，其操作較為簡單，因此，已被廣泛使用于巖土領(lǐng)域的變形預(yù)測中，其訓(xùn)練函數(shù)如公式（1）所示。

式中：yj為變形預(yù)測值；L為隱層節(jié)點數(shù)；xi為輸入信息；βi、wi為權(quán)值；g（）為激勵函數(shù)；bi為閾值。

在ELM 模型的應(yīng)用過程中，變形數(shù)據(jù)中的噪聲誤差會增加預(yù)測結(jié)果的隨機性，即會對預(yù)測精度造成一定影響，因此，Huang 等[6]提出通過正則化系數(shù)來提高ELM 模型的抗噪聲能力，其處理后的預(yù)測模型定名為核極限學(xué)習(xí)機（Kernel Extreme Learning Machine， KELM）。同時，根據(jù)劉盛輝等[7]的研究成果，其權(quán)值和閾值均是隨機產(chǎn)生的，全局尋優(yōu)能力偏弱，因此，為保證其合理性，再進(jìn)一步提出利用生物地理學(xué)優(yōu)化算法（Biogeography Based Optimization，BBO）對其進(jìn)行優(yōu)化處理，其優(yōu)化步驟如圖2 所示。

圖2 BBO 算法的優(yōu)化流程

綜上所述，將滑坡變形預(yù)測模型確定為BBO-KELM 模型，并通過其預(yù)測結(jié)果進(jìn)行滑坡穩(wěn)定性評價，如果滑坡后續(xù)變形仍有較大的變形速率，那么其滑坡后續(xù)穩(wěn)定性將減弱；反之，將趨于穩(wěn)定。

3.2 滑坡穩(wěn)定性評價結(jié)果分析

3.2.1 傳遞系數(shù)法的穩(wěn)定性評價

采用傳遞系數(shù)法來評價滑坡穩(wěn)定性，其主要用于評價滑坡穩(wěn)定性的現(xiàn)有特征且在評價過程中，對3 個剖面均進(jìn)行計算（剖面分布如圖1 所示），所得結(jié)果見表2。

表2 傳遞系數(shù)法的穩(wěn)定性計算結(jié)果

由表2 可知，在相應(yīng)工況條件下，3 個剖面的穩(wěn)定性由高到低的順序為剖面2-2'＞剖面1-1'＞剖面3-3'；在相應(yīng)剖面條件下，工況2 的穩(wěn)定性系數(shù)均最小，且都處于欠穩(wěn)定狀態(tài)，其次是工況3、工況1，兩者對應(yīng)穩(wěn)定狀態(tài)為基本穩(wěn)定狀態(tài)。

綜上所述，該滑坡總體處于欠穩(wěn)定～基本穩(wěn)定狀態(tài)，即在不利的工況條件下，該滑坡目前存在較大的失穩(wěn)風(fēng)險。

3.2.2 變形預(yù)測的穩(wěn)定性評價

為掌握滑坡變形特征，在坡體上布置3 個監(jiān)測點（具體布置如圖1 所示），經(jīng)過40 d 的變形監(jiān)測，得到變形曲線如圖3 所示。根據(jù)圖3，各監(jiān)測點的變形量持續(xù)增加，其中，1#監(jiān)測點的累計變形量為114.18 mm，2#監(jiān)測點的累計變形量為90.43 mm，3#監(jiān)測點的累計變形量為135.89 mm。

圖3 滑坡變形曲線

為進(jìn)一步掌握滑坡變形特征，對3 個監(jiān)測點的變形速率特征值進(jìn)行統(tǒng)計。

1#監(jiān)測點：變形速率最大、最小值分別為6.71 mm/d 和0.55 mm/d，平均值為2.85 mm/d。

2#監(jiān)測點：變形速率最大、最小值分別為5.31 mm/d 和0.54 mm/d，平均值為2.26 mm/d。

3#監(jiān)測點：變形速率最大、最小值分別為7.55 mm/d 和1.08 mm/d，平均值為3.40 mm/d。

綜上所述，3 個監(jiān)測的變形速率均有較大的波動范圍，變形特征顯著。

其次，按照該文的思路，使用BBO-KELM 模型進(jìn)行滑坡變形預(yù)測且在該過程中，將前35 期數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練樣本，后5 期數(shù)據(jù)作為驗證樣本；經(jīng)統(tǒng)計，得到3 個監(jiān)測點的預(yù)測結(jié)果，見表3。根據(jù)表3，在3 個監(jiān)測點的預(yù)測結(jié)果中，相對誤差值均在2%左右，其中，1#監(jiān)測點的相對誤差均值為2.03%，2#監(jiān)測點的相對誤差均值為2.14%，3#監(jiān)測點的相對誤差均值為2.18%；總體來說，滑坡變形預(yù)測結(jié)果具有較高的預(yù)測精度，充分驗證了BBO-KELM 模型的預(yù)測能力。

表3 滑坡變形預(yù)測結(jié)果

對41～44 期進(jìn)行外推預(yù)測可知，3 個監(jiān)測點的累計變形有持續(xù)增加的趨勢，并按照1#監(jiān)測點至3#監(jiān)測點的順序，計算得到實測37～40 周期的變形速率均值S1 依次為1.40 mm/d、1.09 mm/d 及1.65 mm/d；外推41～44 期的變形速率均值S2 依次為1.63 mm/d、1.52 mm/d 及1.08 mm/d。將兩者對比，可知1#監(jiān)測點和2#監(jiān)測點的S2 速率值相對更大，說明這2 個監(jiān)測點后續(xù)有加速變形的特征，3#監(jiān)測點與之相反，總的來說，滑坡后續(xù)穩(wěn)定性趨于減弱。

4 滑坡防治措施研究

由于石古巖后崗滑坡目前已具較弱的穩(wěn)定性且后續(xù)穩(wěn)定性還會繼續(xù)減弱，因此，對其防治措施進(jìn)行研究是十分必要的。

筆者結(jié)合滑坡現(xiàn)狀特征，提出“抗滑樁板墻”的防治方案，即在滑坡前緣公路內(nèi)側(cè)修建抗滑樁板墻，其設(shè)計內(nèi)容如下。

4.1 抗滑樁設(shè)計

抗滑樁設(shè)計包括以下3 種樁型：1）A 樁型。設(shè)計7 根，A1～A7 樁長8m，錨固段4.0m，自由段4.0m，設(shè)計截面尺寸為1.0m×1.2m，成樁方式為人工挖孔樁。2）B 樁型。設(shè)計6根，B1～B6 樁長7m，錨固段3.5m，自由段3.5m，設(shè)計截面尺寸為1.0m×1.2m，成樁方式為人工挖孔樁。3）C 樁型，設(shè)計6 根，C1～C6 樁長5.5m，錨固段3.0m，自由段2.5m，設(shè)計截面尺寸為1.0m×1.2m，成樁方式為人工挖孔樁。

4.2 擋土板設(shè)計

擋土板設(shè)計包括3 種型號的擋土板，采用中間掛板的方式，其中，A1～B1 抗滑樁之間采用A 型擋土板，單板寬4.0m，高4.5m，厚0.3m，每塊設(shè)置泄水孔6 個，水平向間距為2m，豎向間距為1.0m，孔徑100mm，向外傾斜5%；B1-C1 抗滑樁之間采用B 型擋土板，單板寬4.0m，高4.0m，厚0.3m，每塊設(shè)置泄水孔5 個，水平向間距為2m，豎向間距為1.0m，孔徑100mm，向外傾斜5%；C1～C6 抗滑樁之間采用C 型擋土板，單板寬4.0m，高3.0m，厚0.3m，每塊設(shè)置泄水孔3 個，水平向間距為2m，豎向間距為1.0m，孔徑100mm，向外傾斜5%。

上述擋土板均為現(xiàn)澆鋼筋混凝土板，所用混凝土等級為C30，鋼筋均采用HRB400 級。通過上述防治，旨在保證滑坡穩(wěn)定，避免成災(zāi)損失。

5 結(jié)論

該文通過淺層紅層滑坡的致災(zāi)成因分析及穩(wěn)定性綜合評價，得到如下3 個結(jié)論：1）淺層紅層滑坡的致災(zāi)成因因素相對較多，內(nèi)部成因因素主要包括地形地貌、地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、水文地質(zhì)條件和臨空條件等；外部成因因素主要包括降雨、人類工程活動等。各類影響因素共同作用導(dǎo)致滑坡災(zāi)害發(fā)生。2）通過傳遞系數(shù)法計算，得出滑坡總體屬于欠穩(wěn)定～基本穩(wěn)定狀態(tài)，即在不利的工況條件下，該滑坡目前存在較大的失穩(wěn)風(fēng)險；同時，滑坡累計變形有持續(xù)增加的趨勢，后續(xù)穩(wěn)定性將趨于減弱。3）結(jié)合滑坡穩(wěn)定性計算結(jié)果及現(xiàn)場條件，將滑坡防治措施設(shè)定為“抗滑樁板墻”，即在滑坡前緣公路內(nèi)側(cè)修建抗滑樁板墻，保證滑坡的穩(wěn)定性。