滑坡防治措施分析及治理效果評(píng)價(jià)

諸 燁 黃 麗 張 峰

（1.浙江省地質(zhì)院地質(zhì)災(zāi)害防治所，浙江 杭州 310007；2.浙江水利水電學(xué)院，浙江 杭州 310018）

由于我國(guó)滑坡災(zāi)害頻發(fā)，帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失，因此制定滑坡防治措施是十分必要的[1-2]。目前，李華濤[3]總結(jié)了滑坡應(yīng)急處置技術(shù)；張洳海[4]進(jìn)行了滑坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)；吳新華等[5]評(píng)價(jià)了抗滑樁在滑坡防治中的適用性。由于沒有對(duì)滑坡防治處理后的效果進(jìn)行評(píng)價(jià)，另外滑坡所處地質(zhì)條件存在差異，因此，需要進(jìn)行針對(duì)性分析。綜上所述，該文在進(jìn)行滑坡防治措施設(shè)計(jì)及計(jì)算的基礎(chǔ)上，再進(jìn)一步結(jié)合變形監(jiān)測(cè)成果，采用變形預(yù)測(cè)等手段來評(píng)價(jià)滑坡防治措施的合理性，旨在為類似工程積累經(jīng)驗(yàn)。

1 工程概況

滑坡區(qū)具有斜坡地貌，具有“圈椅狀”平面形態(tài)（如圖1所示），前后緣均分布居民房屋，即其前緣為前側(cè)房屋后側(cè)自建堡坎，后緣為后側(cè)房屋院壩開裂處，兩側(cè)均是以變形終止處為界。因此，該滑坡邊界特征明顯、清晰。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，滑坡縱向長(zhǎng)度約45m，橫向?qū)挾燃s95m，平均厚度約5.0m，體積約2.14×104m3。

圖1 滑坡平面形態(tài)特征

結(jié)合鉆探資料，將滑坡物質(zhì)組成如下：①滑體土。巖性為碎石土，褐色，厚度為3.5m～6.3m，平均厚度約5m，可塑～硬塑狀，所含碎石粒徑5cm～20cm，棱角狀，母巖成分多為頁巖。②滑帶土。位于基覆界面，巖性為粉質(zhì)黏土，黑色，可塑狀，局部夾雜少量角礫，次圓狀，含量為5%～13%，遇水易軟化。③滑床。巖性為頁巖，黑色，薄層～中厚層狀，產(chǎn)狀為136°∠10°，節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖體結(jié)構(gòu)較破碎，多具張開狀特征，工程性質(zhì)相對(duì)較差。在變形特征方面，該滑坡前緣堡坎具臌脹特征，且后緣拉張裂縫發(fā)育，并具逐步擴(kuò)展特征，失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)較大。

2 防治措施

2.1 防治方案設(shè)計(jì)

由于滑坡前、后緣均接近既有房屋建筑，并且斜坡坡度較陡，因此，將該滑坡防治方案設(shè)計(jì)為“抗滑樁板墻+格構(gòu)”。其中，在滑坡前緣布設(shè)抗滑樁板墻，包括7根抗滑樁和6個(gè)板墻；在滑坡后緣至抗滑樁板墻頂布設(shè)格構(gòu)。

“抗滑樁板墻+格構(gòu)”措施設(shè)置的目的如下：抗滑樁主要用于提供抗滑力，保證滑坡整體穩(wěn)定；由于滑坡前緣較陡，并且緊鄰既有房屋，因此抗滑樁設(shè)置后，樁間土可能存在局部垮塌。因此，通過板墻設(shè)置來進(jìn)一步加固前緣土體的穩(wěn)定性；類比，滑坡中、后緣較陡，在強(qiáng)降雨條件下可能存在水土流失，顧及后緣既有建筑存在。因此，通過布設(shè)格構(gòu)來保證滑坡表層土體的穩(wěn)定性。

根據(jù)以上思路進(jìn)行分析，防治方案的平面布置如圖1所示。其對(duì)應(yīng)主滑面（1-1'剖面）的形態(tài)示意圖如圖2所示。

圖2 主滑面（1-1'剖面）的防治示意圖

2.2 防治措施計(jì)算

結(jié)合2.1節(jié)滑坡防治方案，再對(duì)各類防治措施進(jìn)行計(jì)算。

2.2.1 抗滑樁板墻的計(jì)算

在滑坡前緣布設(shè)了7根抗滑樁和6個(gè)板墻。其中，抗滑樁編號(hào)為Z1～Z7，樁中心間距為5.0m，樁長(zhǎng)12.5m，錨固段7.0m，自由段6.5m，截面尺寸為1.4m×1.8m；板墻高度設(shè)計(jì)為5.0m，寬度設(shè)計(jì)為4.0m，厚度設(shè)計(jì)為35cm，為保證板墻的排水能力，每塊板墻布設(shè)6個(gè)泄水孔，布置形式為梅花樁型，傾斜度設(shè)計(jì)為5%，孔徑設(shè)計(jì)為12cm?？够瑯逗桶鍓捎矛F(xiàn)澆鋼筋混凝土，將混凝土等級(jí)設(shè)計(jì)為C35。

2.2.1.1 抗滑樁計(jì)算結(jié)果

抗滑樁計(jì)算主要是結(jié)合抗滑力、土壓力進(jìn)行內(nèi)力計(jì)算，并進(jìn)一步進(jìn)行配筋設(shè)計(jì)。

一般來說，采用經(jīng)典法計(jì)算抗滑樁所受軸力N和彎矩M，再根據(jù)這2個(gè)參數(shù)進(jìn)行配筋計(jì)算，如公式（1）所示。

式中：A為抗滑樁橫截面面積（mm2）；fy為鋼筋設(shè)計(jì)值（N/mm2）；at、a為面積比參數(shù)；fc為混凝土強(qiáng)度（N/mm2）；As為鋼筋面積（N/mm2）；rs為鋼筋半徑（mm）；r為樁半徑（mm）。

根據(jù)上述思路，首先采用經(jīng)典法計(jì)算，得到樁身范圍內(nèi)的彎矩為-238.91kN·m～245.46kN·m，最大剪力為187.49kN。因此，將抗滑樁縱向鋼筋設(shè)計(jì)為20根直徑24mm的鋼筋，其等級(jí)為HRB335級(jí)，箍筋設(shè)計(jì)為間距25mm，直徑14mm且其等級(jí)也為HRB335級(jí)。當(dāng)按上述方法配筋時(shí)，抗滑樁彎矩設(shè)計(jì)值為-287.64kN·m～287.64kN·m，剪力設(shè)計(jì)值為238.12kN，兩者均滿足計(jì)算要求。

2.2.1.2 板墻計(jì)算結(jié)果

采用經(jīng)典法進(jìn)行板墻內(nèi)力計(jì)算，經(jīng)過計(jì)算，其彎矩為-85.68kN·m～106.85kN·m，最大剪力為50.71kN。經(jīng)過計(jì)算，板墻配筋設(shè)計(jì)如下：橫、縱鋼筋等距布置，間距30cm，直徑16mm，等級(jí)為HRB335級(jí)；箍筋采用斜拉形式，直徑12mm。當(dāng)按上述方法配筋時(shí)，抗滑樁彎矩設(shè)計(jì)值為-136.25kN·m～136.25kN·m，剪力設(shè)計(jì)值為103.52kN，兩者均滿足計(jì)算要求。

2.2.2 格構(gòu)計(jì)算

當(dāng)抗滑樁施做后，先對(duì)滑坡地表進(jìn)行整理，并在其上部施做格構(gòu)，相應(yīng)參數(shù)設(shè)置如下：格構(gòu)尺寸2.0m×3.0m，錨桿長(zhǎng)度5.0m，中部鋼筋直徑為26mm，入射角度13°；格構(gòu)梁采用正方形，即40cm×40cm，鋼筋混凝土材質(zhì)，斷面布設(shè)4根直徑為22mm的鋼筋，等級(jí)為HRB335級(jí)，箍筋間距為30cm，直徑12mm。

按照格構(gòu)尺寸，通過土反力計(jì)算得到單孔所需錨固力為540.05kN，并將對(duì)應(yīng)計(jì)算單孔設(shè)計(jì)值Pt如公式（3）所示。

式中：F為單孔所需錨固力計(jì)算值（kN）；a為滑面與錨桿夾角（°）；β為錨固角（°）；φ為摩擦角（°）。

通過配筋計(jì)算，得到單孔設(shè)計(jì)值Pt值為635.12kN，因此，格構(gòu)設(shè)計(jì)也滿足計(jì)算要求。

3 治理效果評(píng)價(jià)

3.1 構(gòu)建評(píng)價(jià)方法

變形能直觀反映滑坡所處穩(wěn)定狀態(tài)。因此，提出以滑坡變形數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，利用變形值進(jìn)行滑坡治理效果評(píng)價(jià)，并構(gòu)建評(píng)價(jià)思路如下：一方面，若滑坡現(xiàn)有變形處于設(shè)計(jì)控制值范圍內(nèi)，說明處理措施目前有效；另一方面，可通過變形預(yù)測(cè)來評(píng)價(jià)滑坡變形發(fā)展特征。如果其以后仍在設(shè)計(jì)控制值范圍，就說明處理措施在預(yù)測(cè)時(shí)段內(nèi)仍是有效的。再重點(diǎn)構(gòu)建滑坡變形預(yù)測(cè)模型；考慮BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有很強(qiáng)的非線性預(yù)測(cè)能力[6]，因此，對(duì)其進(jìn)行滑坡變形預(yù)測(cè)。

根據(jù)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練思路，先進(jìn)行正向訓(xùn)練，如公式（4）和公式（5）所示。

式中：xj'為隱層節(jié)點(diǎn)值（mm）；xj為輸入值（mm）；yk為輸出值（mm）；wij、wjk為各層連接權(quán)值；Qj、Qk為各層閾值；n為隱層節(jié)點(diǎn)數(shù)（個(gè)）；m為輸出節(jié)點(diǎn)數(shù)（個(gè)）。

根據(jù)期望值和輸出值，再進(jìn)一步構(gòu)建預(yù)測(cè)效果評(píng)價(jià)指標(biāo)E，如公式（6）所示。

式中：dk為期望值。

一般來說，指標(biāo)E值越小越好，如果其值不滿足要求，那么需要反向修正權(quán)值、預(yù)支參數(shù)，如公式（7）所示。

式中：ΔW為參數(shù)修正量；I為迭代矩陣；J為雅可比矩陣；e為誤差向量。

通過不斷修正上述參數(shù)，可實(shí)現(xiàn)高精度預(yù)測(cè)，但是，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的連接權(quán)值、閾值是由模型隨機(jī)產(chǎn)生的，其客觀性欠缺，因此為充分保證參數(shù)的最佳性能，須進(jìn)一步通過鯨魚優(yōu)化算法（Whale Optimization Algorithm，WOA）對(duì)其進(jìn)行尋優(yōu)處理，并介紹其參數(shù)尋優(yōu)流程，如圖3所示。

圖3 WOA對(duì)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)尋優(yōu)流程

將滑坡變形預(yù)測(cè)模型最終確定為WOA-BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。

3.2 評(píng)價(jià)結(jié)果分析

當(dāng)該滑坡采取“抗滑樁板墻+格構(gòu)”處理后，在Z1、Z4及Z7樁上均布設(shè)了變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)，根據(jù)設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)控制值為30mm。根據(jù)監(jiān)測(cè)成果，共計(jì)得到27期變形數(shù)據(jù)，所得監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)見表1。

表1 變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果

根據(jù)表1可知，Z1樁、Z4樁及Z7樁的變形值分別為16.68mm、23.21mm以及15.62mm，三者變形值均<30mm，說明滑坡現(xiàn)有變形處于設(shè)計(jì)控制值范圍內(nèi)，處理措施目前處于可控。利用WOA-BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行滑坡變形預(yù)測(cè)且在該過程中，以24期～27期作為驗(yàn)證集，其后外推預(yù)測(cè)期數(shù)設(shè)置為4期，并將相對(duì)誤差K作為驗(yàn)證指標(biāo)，其值越小，對(duì)應(yīng)的預(yù)測(cè)精度越高。

為驗(yàn)證WOA的優(yōu)化能力，以Z1樁為例，對(duì)比優(yōu)化前后的預(yù)測(cè)效果，其結(jié)果見表2。根據(jù)表2，以相對(duì)誤差K為評(píng)價(jià)指標(biāo)，得到Z1樁的預(yù)測(cè)結(jié)果。①BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。K值為2.74%～3.02%，平均值為2.88%。②WOA-BP經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。K值為2.05%～2.20%，平均值為2.14%。

表2 Z1樁在WOA優(yōu)化前后的預(yù)測(cè)結(jié)果

對(duì)比而言，WOA的優(yōu)化能力較強(qiáng)，WOA-BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)滑坡變形預(yù)測(cè)的適用性較強(qiáng)，經(jīng)過WOA預(yù)測(cè)處理能有效地提高預(yù)測(cè)精度；同時(shí)，進(jìn)一步統(tǒng)計(jì)得到BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練時(shí)間為356.05ms，WOA-BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練時(shí)間為168.46ms。因此，WOA不僅能提高預(yù)測(cè)模型預(yù)測(cè)精度，還能加快其收斂速度。

再利用WOA-BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)其他樁進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)，所得結(jié)果見表3。根據(jù)表3，以相對(duì)誤差K為評(píng)價(jià)指標(biāo)，3根樁的預(yù)測(cè)結(jié)果如下：Z1樁。K值為2.05%～2.20%，平均值為2.14%。Z4樁。K值為2.09%～2.18%，平均值為2.13%。Z7樁。K值為2.06%～2.17%，平均值為2.12%。

表3 3根樁的變形預(yù)測(cè)結(jié)果

將三者進(jìn)行對(duì)比可知，其預(yù)測(cè)精度相似，充分說明WOA-BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的預(yù)測(cè)穩(wěn)定性較好，通過其進(jìn)行滑坡變形預(yù)測(cè)是可行的。

由表3可知，3根樁在28～31期的預(yù)測(cè)結(jié)果中，變形會(huì)進(jìn)一步增加，但其值范圍為17.48mm～25.06mm，也在變形控制值范圍，說明處理措施在后期預(yù)測(cè)時(shí)段內(nèi)仍是有效的。綜上所述，不論是現(xiàn)有狀態(tài)，還是預(yù)測(cè)時(shí)段，滑坡變形均在可控范圍，充分驗(yàn)證處理措施是合理且有效的。

4 結(jié)論

通過滑坡防治措施分析及治理效果評(píng)價(jià)，得到以下2個(gè)結(jié)論：1）該滑坡防治方案設(shè)計(jì)為“抗滑樁板墻+格構(gòu)”，并通過計(jì)算，各類措施的設(shè)計(jì)均滿足計(jì)算要求。2）通過滑坡防治后的變形數(shù)據(jù)分析，得出滑坡變形始終在變形控制范圍內(nèi)，充分說明“抗滑樁板墻+格構(gòu)”適用于該滑坡防治。