粉質(zhì)黏土滑坡形成機(jī)理及穩(wěn)定性分析

吳永東 歐陽榮

（山東建勘集團(tuán)有限公司，山東 濟(jì)南 250031）

滑坡災(zāi)害較為頻發(fā)，其中，粉質(zhì)黏土滑坡具有穩(wěn)定性差的特殊性，因此開展這類滑坡研究具有重要的意義[1-2]。目前，在粉質(zhì)黏土滑坡研究方面，王偉等[3]開展了粉質(zhì)黏土滑坡的蠕變變形規(guī)律；王騰飛等[4]探究了降雨對(duì)粉質(zhì)黏土滑坡的力學(xué)性能影響；劉博等[5]評(píng)價(jià)了礦區(qū)粉質(zhì)黏土邊坡的穩(wěn)定狀態(tài)；羅紅等[6]分析了粉質(zhì)黏土抗滑參數(shù)的相關(guān)性特征。上述研究成果較好，但均未聯(lián)合開展粉質(zhì)黏土滑坡的形成機(jī)理及穩(wěn)定性，因此，該文結(jié)合這類滑坡基本信息，先對(duì)其形成機(jī)理進(jìn)行分析，再進(jìn)一步總結(jié)滑坡穩(wěn)定性現(xiàn)狀特征及后續(xù)發(fā)展規(guī)律，以期為類似工程積累經(jīng)驗(yàn)。

1 滑坡基本信息

滑坡區(qū)具谷丘陵地貌，高程為173m～429m，高差256m，斜坡坡度為15°～36°，起伏較大。在地層巖性方面，滑坡區(qū)地層相對(duì)較為單一，其中，第四系地層主要為殘坡積層，巖性多為粉質(zhì)黏土；下覆基巖主要為侏羅系泥巖。結(jié)合區(qū)域地質(zhì)資料，滑坡區(qū)附近發(fā)育有F1 斷裂，延伸長度約8.6km，傾向90°，傾角63°～52°，與滑坡區(qū)最小距離約14km，對(duì)滑坡變形、失穩(wěn)影響有限。

據(jù)調(diào)查成果，滑坡平面具“舌狀”（如圖1所示），主滑方向?yàn)?1°，縱向長度約320m，橫向?qū)挾燃s350m，厚度為13.5m～24.7m，平均厚度約17.5m，體積約196×104m3，屬大型滑坡。

圖1 滑坡平面形態(tài)

由鉆探資料，滑坡區(qū)地層巖性如下：①滑體土。該層巖性為黃色、紫紅色粉質(zhì)黏土，厚度為12m～26m，可塑狀，稍濕，局部含有少量礫石，含量一般少于10%，母巖成分為泥巖，磨圓度較差，多為次棱角狀。鑒于該層厚度為13.5m～24.7m，平均厚度約17.5m，因此，該滑坡也屬典型的粉質(zhì)黏土滑坡。②滑帶土。該層巖性為紫紅色粉質(zhì)黏土，位于基覆界面，可塑，局部具軟塑，厚度為10cm～25cm，滲透性較差，抗剪強(qiáng)度相對(duì)較低，遇水易軟化。③滑床。該層巖性為紫紅色泥巖，強(qiáng)風(fēng)化～中風(fēng)化，局部較破碎，整體完整性相對(duì)較好，敲擊聲沉悶，遇水也易軟化。由上述滑坡區(qū)地層巖性特征，滑坡主滑面（2-2'剖面）的示意圖如圖2所示。

圖2 滑坡主滑面（2-2'剖面）示意圖

自2016年起，在降雨條件下，滑坡均會(huì)出現(xiàn)規(guī)模不一的變形，為切實(shí)定量掌握其變形特征，于滑坡上布設(shè)了4 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)（如圖1所示），并按照一周一次的監(jiān)測(cè)頻率，得到30 期變形數(shù)據(jù)，具體見表1。根據(jù)表1 可知，4 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的累計(jì)變形值為45.76mm～73.70mm，即滑坡現(xiàn)有變形值已較大。

表1 滑坡變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

為進(jìn)一步掌握變形特征，再對(duì)4 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的變形速率特征參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得到XX1 監(jiān)測(cè)點(diǎn)的變形速率為0.14mm/期～4.77mm/期，平均值為2.01mm/期；XX2 監(jiān)測(cè)點(diǎn)的變形速率為0.13mm/期～5.51mm/期，平均值為2.46mm/期；XX3 監(jiān)測(cè)點(diǎn)的變形速率為0.11mm/期～6.22mm/期，平均值為1.91mm/期；XX4 監(jiān)測(cè)點(diǎn)的變形速率為0.08mm/期～3.42mm/期，平均值為1.53mm/期。對(duì)比而言，4 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的變形速率波動(dòng)范圍較大，加之前述累計(jì)變形值已較大，說明此滑坡變形特征顯著，開展其形成機(jī)理及穩(wěn)定性分析具有重要意義。

2 滑坡形成機(jī)理

2.1 滑坡成因因素分析

2.1.1 地形地貌因素

滑坡區(qū)具谷丘陵地貌，斜坡坡度為15°～36°，易造成滑坡災(zāi)害形成，且滑坡后緣仍有斜坡，具有匯水面積，易導(dǎo)致雨水下滲，進(jìn)而造成滑坡變形，甚至失穩(wěn)。

2.1.2 地層巖性因素

滑坡區(qū)土層為粉質(zhì)黏土層，下覆基巖為泥巖，兩者均質(zhì)軟，遇水易軟化，一方面，易形成潛在滑面；另一方面，地層抗剪參數(shù)易變小，減弱滑坡抗滑力。

2.1.3 地質(zhì)構(gòu)造因素

滑坡區(qū)距最近F1 斷裂的最小距離雖然有14km，F(xiàn)1斷裂對(duì)滑坡災(zāi)害影響較小，但在F1 斷裂形成過程中，在滑坡區(qū)附近形成了規(guī)模不同的次生構(gòu)造，一定程度上會(huì)影響區(qū)內(nèi)地層的完整性。

2.1.4 降雨因素

據(jù)氣象資料，滑坡區(qū)年降雨量均值為876.19mm，降雨充沛，且雨水滲入滑坡地層內(nèi)，會(huì)增加滑體重度，降低滑體、滑帶的抗剪強(qiáng)度，還會(huì)增加土層中的孔隙水壓力，進(jìn)而減弱滑坡穩(wěn)定性。重要的是，由于降雨存在重復(fù)性發(fā)生，其對(duì)滑坡穩(wěn)定性的影響規(guī)律也具有重復(fù)特征，會(huì)造成滑坡穩(wěn)定性出現(xiàn)疲勞減弱，不利于其長期穩(wěn)定的結(jié)果。

2.1.5 人類工程活動(dòng)因素

在滑坡區(qū)內(nèi)的人類工程活動(dòng)主要為道路修建、農(nóng)業(yè)耕種，兩者一定程度會(huì)改變斜坡原始地形地貌，也會(huì)破壞地表植被，不利于滑坡地表的局部穩(wěn)定。

由此可見，粉質(zhì)黏土滑坡的成災(zāi)是由多類成因共同作用造成的，其中，地形地貌因素、地層巖性因素及地質(zhì)構(gòu)造因素是滑坡災(zāi)害形成的固有成因；降雨因素及人類工程活動(dòng)因素是滑坡災(zāi)害形成的誘發(fā)成因。

2.2 滑坡形成機(jī)理

在滑坡成因因素分析基礎(chǔ)上，這類滑坡形成機(jī)理如下：1）在原始構(gòu)造作用下，形成滑坡區(qū)原始地形地貌，在滑坡前緣形成河流。2）在河流下切作用下，滑坡前緣逐步變陡，進(jìn)而為滑坡失穩(wěn)形成了臨空面。3）在滑坡前緣下切同時(shí)，滑坡區(qū)淺表地層也會(huì)同步風(fēng)化，形成較厚的粉質(zhì)黏土層，為滑坡災(zāi)害提供了物源。4）由于粉質(zhì)黏土層遇水易軟化，且下覆泥巖具較強(qiáng)的隔水性，因此，這會(huì)使雨水下滲富集于基覆界面，進(jìn)而在基覆界面形成滑面。5）受降雨影響，會(huì)改變滑體或滑帶的重度、抗剪強(qiáng)度及孔隙水壓力，進(jìn)而影響滑坡穩(wěn)定性，且此過程具周期性疲勞影響規(guī)律，會(huì)使滑坡出現(xiàn)蠕變特征。6）在降雨因素及人類工程活動(dòng)因素長期誘發(fā)作用條件下，滑坡變形會(huì)逐步發(fā)生，且當(dāng)變形達(dá)到一定程度后，就會(huì)出現(xiàn)失穩(wěn)。結(jié)合粉質(zhì)黏土滑坡的成因因素及形成機(jī)理，將其演化形成過程總結(jié)如圖3所示。

圖3 粉質(zhì)黏土滑坡的演化形成過程

綜上所述，將粉質(zhì)黏土滑坡形成過程的特殊性主要總結(jié)為2 點(diǎn)：1）降雨是該類滑坡形成的重要誘因，其不僅會(huì)極大程度上影響滑坡穩(wěn)定性，還會(huì)造成滑坡穩(wěn)定性的周期性疲勞減弱；2）由于粉質(zhì)黏土滑坡的均勻性較好，其具明顯的蠕變特性。

3 滑坡穩(wěn)定性分析

為全面掌握滑坡穩(wěn)定性，研究人員提出開展滑坡穩(wěn)定性現(xiàn)狀分析和預(yù)測(cè)分析。

3.1 穩(wěn)定性現(xiàn)狀分析

結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)，通過顯示解開展滑坡穩(wěn)定系數(shù)Fs計(jì)算，如公式（1）所示。

式中：ψi為傳遞系數(shù)；Ri為第i條塊的抗滑力（kN）；n為條塊數(shù)；Ti為第i條塊的下滑力（kN）。

結(jié)合室內(nèi)試驗(yàn)成果和工程經(jīng)驗(yàn)，滑體天然、飽和重度為18.7kN/m3和19.6kN/m3。滑帶天然、飽和黏聚力為20.05kPa 和17.22kPa，天然、飽和內(nèi)摩擦角為20.17°和16.30°。

同時(shí)，將穩(wěn)定性計(jì)算剖面設(shè)置為3 個(gè)（布置如圖1所示），并將計(jì)算工況設(shè)置為3 種，即天然工況、地震工況和暴雨工況。

結(jié)合上述參數(shù)，3 個(gè)剖面的穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果如下：1-1'剖面。天然工況的Fs1為1.223，地震工況的Fs2為1.172，暴雨工況的Fs3為1.081。2-2'剖面。天然工況的Fs1為1.204，地震工況的Fs2為1.111，暴雨工況的Fs3為1.025。3-3'剖面。天然工況的Fs1 為1.219，地震工況的Fs2為1.156，暴雨工況的Fs3為1.068。

根據(jù)穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果，在相應(yīng)工況條件下，3 個(gè)工況的穩(wěn)定性排序?yàn)樘烊还r＞地震工況＞暴雨工況，即暴雨工況是滑坡防治設(shè)計(jì)工況；對(duì)比3 個(gè)剖面的穩(wěn)定系數(shù)，得出其穩(wěn)定性排序?yàn)?-1'剖面＞3-3'剖面＞2-2'剖面，即滑坡主滑面的穩(wěn)定性相對(duì)最弱。

綜上所述，現(xiàn)狀條件下，滑坡穩(wěn)定性相對(duì)一般，且在不利工況條件下的安全儲(chǔ)備較少，主滑面在暴雨工況條件下屬欠穩(wěn)定狀態(tài)，失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)較大。

3.2 穩(wěn)定性預(yù)測(cè)分析

3.2.1 分析方法構(gòu)建

由于變形是滑坡穩(wěn)定性的直觀體現(xiàn)，因此提出通過變形預(yù)測(cè)來開展滑坡穩(wěn)定性的預(yù)測(cè)分析。廣義神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)非線性預(yù)測(cè)方法提出以其構(gòu)建滑坡變形預(yù)測(cè)模型，并根據(jù)其原理，具有四層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，各層基本特征如下。

3.2.1.1 輸入層

這層是將滑坡變形數(shù)據(jù)輸入模型中，以備后續(xù)訓(xùn)練。

3.2.1.2 隱層

在接收輸入信息后，利用高斯函數(shù)進(jìn)行信息轉(zhuǎn)換，其轉(zhuǎn)換如公式（2）所示。

式中：wi為訓(xùn)練向量；hi為隱層輸出值；S為光滑參數(shù)；m為輸入信息。

3.2.1.3 求和層

求和層是在隱層變換的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步進(jìn)行信息映射，該過程主要通過變化參量Gj和求和參數(shù)A聯(lián)合作用實(shí)現(xiàn)，如公式（3）和公式（4）所示。

式中：kij為訓(xùn)練向量；q為隱層數(shù)。

3.2.1.4 輸出層

在求和層變換基礎(chǔ)上，將訓(xùn)練結(jié)果進(jìn)行整合輸出，如公式（5）所示。

式中：zj為變形預(yù)測(cè)值。

綜上所述，通過廣義神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)開展滑坡變形預(yù)測(cè)，如果滑坡變形具大速率增加，那么滑坡穩(wěn)定性趨于減弱；反之，穩(wěn)定性增加。

3.2.2 結(jié)果分析

在預(yù)測(cè)過程中，將27～30 期作為驗(yàn)證集，后續(xù)再預(yù)測(cè)3 期，所得預(yù)測(cè)結(jié)果見表2。根據(jù)表2，從XX1 監(jiān)測(cè)點(diǎn)到XX4 監(jiān)測(cè)點(diǎn)，其預(yù)測(cè)結(jié)果中的相對(duì)誤差均值依次為1.98%、2.00%、1.97%及2.00%，說明廣義神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的預(yù)測(cè)效果較好，適用于滑坡變形預(yù)測(cè)。由表2 中31～33 期預(yù)測(cè)結(jié)果可知，滑坡變形具大速率增加特征，得出滑坡后續(xù)穩(wěn)定性趨于不利，須盡快進(jìn)行防治處理。

表2 滑坡后續(xù)變形預(yù)測(cè)結(jié)果

4 結(jié)論

通過粉質(zhì)黏土滑坡形成機(jī)理及穩(wěn)定性分析，主要結(jié)論如下：1）粉質(zhì)黏土滑坡的成災(zāi)是由多類成因共同作用造成的，其中，地形地貌因素、地層巖性因素及地質(zhì)構(gòu)造因素是滑坡災(zāi)害形成的固有成因；降雨因素及人類工程活動(dòng)因素是滑坡災(zāi)害形成的誘發(fā)成因。2）在現(xiàn)狀條件下，滑坡穩(wěn)定性相對(duì)一般，且在不利工況條件下的安全儲(chǔ)備較少，失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)較大；在穩(wěn)定性預(yù)測(cè)分析結(jié)果中，滑坡變形具大速率增加特征，得出滑坡后續(xù)穩(wěn)定性趨于不利；兩者綜合說明開展該滑坡防治處理較為緊迫。