湖北宜昌土質(zhì)滑坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)及預(yù)測(cè)分析

摘 要：某滑坡位于湖北省宜昌市，屬中型滑坡，潛在威脅巨大。為確保其合理防治，文章利用傳遞系數(shù)法開展滑坡穩(wěn)定性現(xiàn)狀評(píng)價(jià)，采用IAPSO-GRNN法預(yù)測(cè)滑坡變形趨勢(shì)。結(jié)果表明：滑坡主滑面的穩(wěn)定性相對(duì)最弱，在暴雨工況條件下，屬不穩(wěn)定狀態(tài)，兩側(cè)滑面為基本穩(wěn)定—穩(wěn)定狀態(tài)，滑坡局部在不利工況條件下存在較大的失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)；通過變形預(yù)測(cè)分析，得出滑坡變形仍會(huì)進(jìn)一步增加，k1—k4監(jiān)測(cè)點(diǎn)的增加速率均值依次為1.89、3.05、2.42、2.57 mm·周-1，具有較大的增加幅度，滑坡穩(wěn)定性后續(xù)趨于不利，需盡快開展滑坡防治工作。

關(guān)鍵詞：滑坡；傳遞系數(shù)法；變形預(yù)測(cè)；穩(wěn)定性

Evaluation and prediction of stability status of soil landslides in E’zhou， Hubei Province

YIN Yemeng， GAO Sha

（The 5th Geological Brigade of Hubei Provincial Geological Bureau， E’Zhou， 436000， Hubei， China）

Abstract： The landslide is located in Yichang City， Hubei Province， and is a medium-sized landslide with enormous potential threat. To ensure its reasonable prevention and control， this article uses the transfer coefficient method to evaluate the stability status of the landslide and predicts the deformation trend of the landslide using the IAPSO-GRNN method. The results show that the stability of the main sliding surface of the landslide is relatively weak. Under rainstorm condition， it is unstable. The sliding surfaces on both sides are basically-stable to stable. There is a greater risk of instability in the local landslide under adverse conditions. Through deformation prediction analysis， it is concluded that the deformation of the landslide will continue to increase. The average rate of increase at monitoring points k1 to k4 is 1.89， 3.05， 2.42， and 2.57 mm/week， respectively， with a significant increase. The stability of the landslide tends to be unfavorable in the future， and landslide prevention and control work needs to be carried out as soon as possible.

Keywords： landslides; transfer coefficient method; deformation prediction; stability

湖北宜昌地區(qū)滑坡災(zāi)害較為頻發(fā)（劉士元等，2023；滕明明等，2022），開展滑坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)具有重要意義。常用的滑坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法主要為極限平衡法和數(shù)值法，如許宵等（2023）、賴波等（2024）利用極限平衡法開展土石混合滑坡的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)，丁梓逸等（2023）通過有限元法分析了土質(zhì)滑坡穩(wěn)定性，張全等（2023）探究了凍融循環(huán)條件下的滑坡穩(wěn)定性，龍文華等（2023）分析了降雨對(duì)滑坡穩(wěn)定性的影響規(guī)律，黃鋒等（2022）研究了巖質(zhì)高邊坡的穩(wěn)定性。上述研究是采用單一方法評(píng)價(jià)滑坡穩(wěn)定性的，未涉及傳遞系數(shù)法、變形預(yù)測(cè)等在滑坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)中的聯(lián)合應(yīng)用研究。根據(jù)賈升安等（2023）、李曉斌等（2023）、高莎等（2024）的研究成果，傳遞系數(shù)法能很好地實(shí)現(xiàn)滑坡穩(wěn)定性現(xiàn)狀評(píng)價(jià)，變形預(yù)測(cè)能很好實(shí)現(xiàn)滑坡穩(wěn)定性的發(fā)展趨勢(shì)預(yù)測(cè)，因此，此兩方法聯(lián)合應(yīng)用效果較優(yōu)。

綜合上述，此文以滑坡勘查成果、變形監(jiān)測(cè)成果為基礎(chǔ)，先利用傳遞系數(shù)法開展滑坡穩(wěn)定性現(xiàn)狀評(píng)價(jià)，再通過變形預(yù)測(cè)進(jìn)行滑坡穩(wěn)定性預(yù)測(cè)分析，以期綜合掌握滑坡穩(wěn)定性，為其防治提供理論基礎(chǔ)。

1 "研究區(qū)概況

1.1 "滑坡基本特征

滑坡位于湖北省宜昌市，具低山丘陵堆積地貌，高程215.2～232.8 m，高差約17.6 m；據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，滑坡后緣、左側(cè)及右側(cè)均是以山脊為界，前緣剪出口位于河流波浪掏蝕處，邊界特征較為清晰。

滑坡平面具“舌”狀（圖1），主滑方向?yàn)?32°，縱向長(zhǎng)度為145 m，橫向?qū)挾葹?5 m，平均厚度為12 m，體積約14.79×104 m3，屬中型滑坡。

滑坡勘察區(qū)內(nèi)布設(shè)6個(gè)鉆孔（ZK1—ZK6），每個(gè)剖面分別布置2個(gè)鉆孔，孔深依次為18.6、21.1、20.5、26.5、23.7和20.8 m?；?—2′剖面示意圖見圖2。

滑坡區(qū)地層結(jié)構(gòu)特征：①滑體土。褐色，巖性主要為第四系夾碎石粉質(zhì)黏土，平均厚度為12 m，其中，碎石含量30%～40%，多為片麻巖，磨圓度較差，呈棱角狀—次棱角狀；黏性土多充填于碎塊石孔隙中，可塑—硬塑狀，切面較為粗糙。②滑帶?；液稚?，巖性主要為粉質(zhì)黏土，位于基覆界面，厚度13～30 cm，夾雜少量角礫，含量3%～6%，可塑，局部具軟塑，稍濕—濕，且傾角大致呈后緣陡、前緣緩的特征。③滑床。巖性為志留系羅惹坪組泥巖，黃褐色，強(qiáng)—中風(fēng)化，節(jié)理裂隙較發(fā)育，敲擊聲脆、無(wú)回彈，整體完整性相對(duì)較差，巖心多為短柱狀或柱狀。

1.2 "滑坡變形特征

據(jù)調(diào)查，早期滑坡變形發(fā)生于2020年10月，主要成因?yàn)槌掷m(xù)降雨疊加河流水位升降；其后，直至2021年1月，滑坡具緩慢變形特征；當(dāng)進(jìn)入該年汛期（2021年5月—2021年9月）后，滑坡表層出現(xiàn)局部垮塌，規(guī)模與降雨量近似呈正比關(guān)系；2021年9月后至今，滑坡變形也時(shí)有發(fā)生。

通過統(tǒng)計(jì)，在本次勘查過程中，主要有4條明顯的變形裂縫，具體特征如下：

裂縫1。位于滑坡后緣，延伸方向約60°，長(zhǎng)度約45 m，寬度1.5～9.2 cm，無(wú)明顯下錯(cuò)跡象，且局部位置處的裂縫有閉合現(xiàn)象。

裂縫2。位于滑坡左側(cè)邊界處，分布特征近似羽狀、鋸齒狀，延伸方向約80°，長(zhǎng)度約42 m，寬度3.2～5.0 cm，下錯(cuò)最大值約0.52 m，其后下錯(cuò)幅度有所增加。

裂縫3。位于滑坡中部，主要表現(xiàn)為蠕動(dòng)變形，未見延伸性較好的裂縫，多是不規(guī)則張裂縫，延伸長(zhǎng)度多在3.0 m以內(nèi)，張開度也較小，且在裂縫出現(xiàn)時(shí)，多伴隨附近陡坎剝落、坍塌。

裂縫4。位于滑坡前緣，主要是受河流掏蝕影響，滑坡前緣形成臨空面，局部偶見垮塌，隨之出現(xiàn)變形裂縫，其規(guī)模不一，持續(xù)時(shí)間也較短，很大程度上影響滑坡前緣穩(wěn)定性。

為定量掌握滑坡變形特征，在滑坡地表布設(shè)了4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)（編號(hào)：K1—K4），按照1次·周-1的頻率進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，得到監(jiān)測(cè)點(diǎn)變形曲線（圖3）。圖3顯示，在監(jiān)測(cè)時(shí)段內(nèi)，4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的累計(jì)變形具持續(xù)增加特征。

圖3 滑坡K1—K4監(jiān)測(cè)點(diǎn)變形量曲線圖

Fig. 3 Landslide deformation monitoring data

為進(jìn)一步掌握滑坡變形規(guī)律，統(tǒng)計(jì)4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的變形速率特征參數(shù)。K1的最大、最小變形速率分別為8.87、0.27 mm·周-1，均值為3.71 mm·周-1；K2的最大、最小變形速率分別為10.36、0.25 mm·周-1，均值為4.52 mm·周-1；K3的最大、最小變形速率分別為19.24、0.34 mm·周-1，均值為5.75 mm·周-1；K4的最大、最小變形速率分別為6.60 、0.16 mm·周-1，均值為2.87 mm·周-1。據(jù)上，4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的變形速率范圍相對(duì)較大，滑坡變形具有較強(qiáng)的波動(dòng)性。

1.3 "滑坡穩(wěn)定性影響因素分析

該滑坡的穩(wěn)定性影響因素主要為地層巖性、降雨、水位變化及人類工程活動(dòng)。

1）地層巖性?；聟^(qū)基巖巖性為片麻巖，含有較多的云母，使其抗風(fēng)化能力相對(duì)較弱，因此，區(qū)內(nèi)基巖多呈全、強(qiáng)風(fēng)化，這易促成坡體出現(xiàn)大面積的蠕動(dòng)?；w土含有30%～40%的碎石，滲透性較高，降雨易下滲，進(jìn)而減弱滑體土、滑帶的抗剪能力。

2）降雨。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，該區(qū)年降雨量均值為1 432.5 mm，日最大降雨量為388 mm，且降雨多集中于5—8月，占全年降雨量的70%，具有年降雨量大、降雨天數(shù)較多等特征。一方面，降雨會(huì)增加滑體重度、減弱滑帶抗剪能力，進(jìn)而難以維持滑坡穩(wěn)定；另一方面，在強(qiáng)降雨條件下，地表會(huì)形成徑流，沖刷土體，誘發(fā)局部垮塌。

3）水位變化?；虑熬壓恿靼l(fā)育，且水位受季節(jié)性波動(dòng)影響，具有升降變化特征。一方面，水位變化會(huì)對(duì)滑坡前緣土體的受力狀態(tài)造成影響；另一方面，前緣河流會(huì)不斷掏蝕前緣岸坡，誘發(fā)其出現(xiàn)局部垮塌。

4）人類工程活動(dòng)?；聟^(qū)地表種植有大量的茶樹、柑橘樹，在其耕種過程中，常會(huì)進(jìn)行灌溉處理，其灌溉方式以水管澆灌為主，灌溉時(shí)間與農(nóng)作物生長(zhǎng)時(shí)間基本一致，主要集中于4—10月，灌溉量一般不大，每公頃灌溉量多為1 500～2 250 m3。因此，灌溉期間滑體土滲透性強(qiáng)，降雨入滲也會(huì)很大程度上影響滑坡穩(wěn)定性，是滑坡局部垮塌、錯(cuò)動(dòng)的主要誘因。

根據(jù)上述，各類影響因素對(duì)滑坡穩(wěn)定性的影響是顯著的，且各因素間具有較強(qiáng)的耦合關(guān)系，共同作用影響了滑坡穩(wěn)定性。

2 "研究方法

2.1 "滑坡穩(wěn)定性現(xiàn)狀評(píng)價(jià)方法的構(gòu)建

根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)及GB/T 32864－2016《滑坡防治工程勘查規(guī)范》規(guī)定，傳遞系數(shù)法被廣泛應(yīng)用于滑坡穩(wěn)定性的現(xiàn)在評(píng)價(jià)過程中（朱濤等，2023；李佳航等，2023；汪瑋等，2023；蘇培東等，2023），因此，提出以其構(gòu)建滑坡穩(wěn)定性的現(xiàn)狀評(píng)價(jià)方法。

按照傳遞系數(shù)法原理，其滑坡穩(wěn)定系數(shù)Fs的計(jì)算公式為

F_s=（∑R_i ψ_i…ψ_（n-1）+R_n）/（∑T_i ψ_i…ψ_（n-1）+T_n ） ， （1）

式中，Ri為相應(yīng)條塊的抗滑力（kN），ψi為相應(yīng)條塊的傳遞系數(shù)，Ti為相應(yīng)條塊的下滑力（kN），n為條塊劃分總數(shù)。

在計(jì)算過程中，將滑體天然重度設(shè)置為18.5 kN·m-3，飽和重度設(shè)置為19.5 kN·m-3；滑帶天然狀態(tài)下的黏聚力和內(nèi)摩擦角分別為21.35 kPa和14.28°，飽和狀態(tài)下的黏聚力和內(nèi)摩擦角分別為16.51 kPa和11.93°。選擇3個(gè)計(jì)算剖面，滑坡穩(wěn)定性計(jì)算工況設(shè)計(jì)為天然工況、暴雨工況和地震工況3種。

2.2 "滑坡穩(wěn)定性預(yù)測(cè)分析方法的構(gòu)建

考慮到廣義回歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（General Regression Neural Network，GRNN）在滑坡變形預(yù)測(cè)中具有良好的預(yù)測(cè)效果（夏夢(mèng)凡等，2022；趙順利等，2022；陳亮青等，2018），因此，以其為基礎(chǔ)構(gòu)建滑坡穩(wěn)定性預(yù)測(cè)模型。若其后變形值趨于穩(wěn)定，說明滑坡后期穩(wěn)定性也將趨于變好；反之，若滑坡后續(xù)變形趨于持續(xù)增大，說明滑坡后期穩(wěn)定性將趨于變差。

GRNN一般具有4層網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，各層基本特征如下：

①輸入層。以滑坡監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對(duì)其進(jìn)行轉(zhuǎn)換以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)輸入。

②隱層。通過高斯函數(shù)將輸入信息進(jìn)行轉(zhuǎn)換處理，轉(zhuǎn)換公式為

h_i=exp[（-（m-w_i ）^T （m-w_i））/（2S^2 ）] ， （2）

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

③求和層。以隱層輸出值為基礎(chǔ)，通過變化參量Gj和求和參數(shù)A來(lái)實(shí)現(xiàn)信息映射，確保模型結(jié)構(gòu)的完整性，參數(shù)計(jì)算公式為

式中，q為隱層數(shù)，kij為訓(xùn)練向量。

④輸出層。對(duì)求和層變換結(jié)果進(jìn)行整合，并將整合值輸出，即可得到滑坡變形預(yù)測(cè)值z(mì)j。

z_j=G_j/A （5）

根據(jù)GRNN的使用經(jīng)驗(yàn)，光滑參數(shù)對(duì)其預(yù)測(cè)效果具有較大影響，因此，進(jìn)一步提出利用免疫算法（Immune Algorithm，IA）進(jìn)行該參數(shù)的尋優(yōu)處理，具體步驟為：

a.將種群個(gè)數(shù)設(shè)計(jì)為420個(gè)，記憶庫(kù)容量為7，精英抗體個(gè)數(shù)為6，交叉概率為0.2，變異概率為0.15，最大迭代次數(shù)設(shè)計(jì)為650。

b.開展種群個(gè)體的適應(yīng)度計(jì)算，且不斷更新抗體以產(chǎn)生出足夠的記憶細(xì)胞。

c.當(dāng)滿足期望要求后，將最優(yōu)解輸出即可完成尋優(yōu)處理。

當(dāng)然，IA算法的尋優(yōu)流程雖較優(yōu)，但會(huì)形成冗余信息，因此，進(jìn)一步利用粒子群算法（Particle Swarm Optimization，PSO）進(jìn)一步改進(jìn)IA算法，改進(jìn)步驟如圖4所示。

據(jù)上，將滑坡變形預(yù)測(cè)模型最終確定為改進(jìn)粒子群算法優(yōu)化的廣義回歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（簡(jiǎn)稱：IAPSO-GRNN）。

3 "結(jié)果與討論

3.1 "穩(wěn)定性現(xiàn)狀評(píng)價(jià)結(jié)果

3個(gè)剖面的穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果見表1。通過對(duì)比，得到三種工況條件下的穩(wěn)定程度排序?yàn)椋罕┯旯rlt;地震工況lt;天然工況，即暴雨工況是最不利工況，且3個(gè)剖面的穩(wěn)定程度排序?yàn)椋?—2’剖面lt;1—1’剖面lt;3—3’剖面。

據(jù)上，2—2’剖面的穩(wěn)定性相對(duì)最弱，尤其在暴雨工況條件下，該剖面屬不穩(wěn)定狀態(tài)，其余兩剖面多具基本穩(wěn)定—穩(wěn)定狀態(tài)，因此，就現(xiàn)狀條件而言，滑坡局部在不利工況條件下存在較大的失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)。

3.2 "穩(wěn)定性預(yù)測(cè)分析結(jié)果

由于滑坡變形預(yù)測(cè)模型IAPSO-GRNN具三階段遞進(jìn)優(yōu)化處理過程，因此，以K1監(jiān)測(cè)點(diǎn)為例，對(duì)比不同優(yōu)化處理過程的最優(yōu)性。從表2知：GRNN的最大、最小相對(duì)誤差值分別為3.22%和2.97%，均值為3.08%；PSO-GRNN的最大、最小相對(duì)誤差值分別為2.71%和2.50%，均值為2.59%；IAPSO-GRNN的最大、最小相對(duì)誤差值分別為2.10%和1.99%，均值為2.03%。因此，從GRNN→PSO-GRNN→IAPSO-GRNN，K1監(jiān)測(cè)點(diǎn)的預(yù)測(cè)效果逐步提高，說明本次構(gòu)建的預(yù)測(cè)模型是合理且有效的。

再利用IAPSO-GRNN開展其他監(jiān)測(cè)點(diǎn)的變形預(yù)測(cè)。從表3可看出，K1預(yù)測(cè)結(jié)果的相對(duì)誤差范圍介于1.99%～2.10%，均值為2.03%；K2預(yù)測(cè)結(jié)果的相對(duì)誤差范圍介于1.94%～2.13%，均值為2.04%；K3預(yù)測(cè)結(jié)果的相對(duì)誤差范圍介于1.93%～2.15%，均值為2.06%；K4預(yù)測(cè)結(jié)果的相對(duì)誤差范圍介于2.07%～2.17%，均值為2.12%。

表3中第35—37期的預(yù)測(cè)結(jié)果顯示，滑坡變形仍會(huì)進(jìn)一步增加，且增加速率均值依次為1.89、3.05、2.42、2.57 mm·周-1，增加幅度相對(duì)較大，滑坡穩(wěn)定性將趨于不利方向發(fā)展。

4 "結(jié)論

1）滑坡主滑面的穩(wěn)定性相對(duì)最弱，尤其在暴雨工況條件下，該滑面屬不穩(wěn)定狀態(tài)，兩側(cè)滑面多具基本穩(wěn)定—穩(wěn)定狀態(tài)，因此，就現(xiàn)狀條件而言，滑坡局部在不利工況條件下存在較大的失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)。

2）通過變形預(yù)測(cè)分析，得出滑坡變形仍會(huì)進(jìn)一步增加，且增加幅度相對(duì)較大，滑坡穩(wěn)定性后續(xù)趨于不利，需盡快開展滑坡災(zāi)害防治工作。

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收稿日期：2024-01-30；修回日期：2024-09-20

基金項(xiàng)目：2021年度自然災(zāi)害防治體系建設(shè)補(bǔ)助資金（第二批，Z195110010003）資助

第一作者簡(jiǎn)介：尹業(yè)夢(mèng)（1993- ），男，學(xué)士，工程師，主要從事地質(zhì)災(zāi)害防治工作。E-mail：1096478218@qq.com

引用格式：尹業(yè)夢(mèng)，高莎，2024.湖北宜昌土質(zhì)滑坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)及預(yù)測(cè)分析［J］.城市地質(zhì)，19（4）：508-513