淺層紅層滑坡致災成因分析及穩定性綜合評價

蘭俊太

（四川省能源地質調查研究所，四川 成都 610045）

0 引言

由于滑坡災害頻發，淺層紅層滑坡具有其特殊性，因此，對其致災成因分析及穩定性進行評價具有重要的意義[1-2]。目前，楊戒等[3]利用數值模擬開展了淺層土質滑坡的穩定性評價；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，傳遞系數法是常用的穩定性計算方法[5]，但其僅用于現狀評價，為合理地掌握滑坡穩定性的后續變化，提出通過變形預測來完成該方面的研究，并將其結果與傳遞系數法結果結合，以保證滑坡穩定性評價的全面性；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，首先結合滑坡所處地質條件，對其致災成因進行分析，其次，通過傳遞系數法及變形預測綜合評價其穩定狀態；最后，制定防治措施，以保證滑坡的穩定性。

1 工程概況

1.1 工程地質條件

石古巖后崗滑坡位于蘆山縣雙石鎮石鳳村兩岔溪組，結合勘查成果，介紹其地質條件，包括以下5 種：①地形地貌。所處區域具構造侵蝕中山地貌，高程范圍為1035m～1137m，高差102m，斜坡坡度為20°～40°。②地層巖性。區內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、粉質黏土和細砂等組成，其中卵石粒徑為5cm～20cm，含量為30%～45%，細砂含量約為10%。下覆基巖主要為三疊系上統須家河組砂巖，灰色，強風化～中風化，局部存在露頭，節理裂隙較發育，巖體完整性一般。③地質構造。滑坡區臨近大型構造主要為大川斷層、小關斷層及蘆山向斜，但其凈距均較小，因此，其對滑坡發育影響較小。④水文地質條件。滑坡區地表水主要為斜坡腳處的石寶河，其流量隨季節性變化較大。地下水主要為孔隙水、裂隙水，賦存情況及富水性受地層結構、地形地貌等因素影響。⑤人類工程活動。滑坡區內的人類工程活動較為強烈，主要為公路修建、房屋建設及農業耕種等，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，橫向寬度約90 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滑坡。

圖1 滑坡平面示意圖

1.2.1 滑坡結構特征分析

根據鉆探成果可知，滑坡結構特征如下：①滑體土。該類土層的物質組成主要為塊石土，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黏土，黃褐色，軟塑～可塑，遇水易軟化，含有少量細粒，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。在本次調查過程中，主要發現3 條裂縫。

L1 裂縫：分布于滑坡左后側，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，兩側逐漸變低。

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

2 致災成因分析

淺層紅層滑坡的致災成因因素相對較多，可分為內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、地質構造、水文地質條件以及臨空條件等；后者屬于滑坡形成的誘發因素，主要包括降雨和人類工程活動等。

2.1 內部成因因素

2.1.1 地形地貌

滑坡區微地貌屬斜坡地貌，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，其局部裂縫較為發育，有利于降雨入滲，進而導致滑坡局部失穩，因此影響滑坡整體的穩定性。

2.1.2 地層巖性

根據鉆探成果可知，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，當降雨入滲后，會較大程度地降低滑帶抗剪強度，進而減弱滑坡抗滑力。

2.1.3 地質構造

根據現場調查，滑坡區附近雖然沒有大型構造，但是次生構造較發育，形成了較多、較大的裂隙，使坡體的完整性變差；同時，區內新構造運動也較為發育，其運動會導致巖體結構進一步破碎，為降雨入滲提供通道，也會軟化下覆砂巖。

2.1.4 水文地質條件

滑坡區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、巖體間的有效應力減少，進而增加巖土體的下滑力；同時，區內地下水也較發育，在降雨下滲條件下，會加快坡體裂縫發育，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，為坡體持續變形創造了條件。

2.2 外部成因因素

2.2.1 降雨

綜上所述，滑坡區降雨量較大，其多年平均降雨量達1313.1 mm 且存在顯著的強降雨特征，因此，滑坡區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，導致下滑力增加，也會降低滑帶的抗剪強度，減少滑坡的穩定性，進而導致滑坡發生。

2.2.2 人類工程活動

滑坡區人類工程活動主要包括公路修建、房屋建設及農業耕種等，在建設過程中會局部開挖形成臨空面，只有局部出現滑塌。

綜上所述，淺層紅層滑坡的致災成因因素相對較多，其內部成因因素是滑坡形成的基礎條件，而外部成因因素是滑坡形成的必要條件，兩者缺一不可，共同作用導致滑坡發生。

3 滑坡穩定性評價

3.1 滑坡穩定性評價模型的構建

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

3.1.1 傳遞系數法

根據《滑坡防治工程勘查規范》（GB/T 32864—2016）已知傳遞系數法的詳細求解過程，該文不再贅述。結合工程實際，將其計算過程中的基本設定如下。

3.1.1.1 計算工況設定

在滑坡穩定性計算過程中，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境條件下的滑坡穩定性。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定性。

3.1.1.2 計算參數設定

結合現場鉆探取樣試驗結果及參數反演，得到滑坡在不同工況條件下的計算參數，見表1。

表1 滑坡計算參數

3.1.1.3 劃分穩定狀態

根據《滑坡防治工程勘查規范》（GB/T 32864—2016），設定滑坡穩定狀態劃分標準：當穩定系數Fs小于1 時，滑坡處于穩定狀態。當穩定系數Fs為1～1.05 時，滑坡處于欠穩定狀態。當穩定系數Fs為1.05～1.15 時，滑坡處于基本穩定狀態。當穩定系數Fs≥1.15 時，滑坡處于穩定狀態。

3.1.2 變形預測模型

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

極限學習機（Extreme Learning Machine，ELM）屬于改進型神經網絡，其操作較為簡單，因此，已被廣泛使用于巖土領域的變形預測中，其訓練函數如公式（1）所示。

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

在ELM 模型的應用過程中，變形數據中的噪聲誤差會增加預測結果的隨機性，即會對預測精度造成一定影響，因此，Huang 等[6]提出通過正則化系數來提高ELM 模型的抗噪聲能力，其處理后的預測模型定名為核極限學習機（Kernel Extreme Learning Machine， KELM）。同時，根據劉盛輝等[7]的研究成果，其權值和閾值均是隨機產生的，全局尋優能力偏弱，因此，為保證其合理性，再進一步提出利用生物地理學優化算法（Biogeography Based Optimization，BBO）對其進行優化處理，其優化步驟如圖2 所示。

圖2 BBO 算法的優化流程

綜上所述，將滑坡變形預測模型確定為BBO-KELM 模型，并通過其預測結果進行滑坡穩定性評價，如果滑坡后續變形仍有較大的變形速率，那么其滑坡后續穩定性將減弱；反之，將趨于穩定。

3.2 滑坡穩定性評價結果分析

3.2.1 傳遞系數法的穩定性評價

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

表2 傳遞系數法的穩定性計算結果

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

綜上所述，該滑坡總體處于欠穩定～基本穩定狀態，即在不利的工況條件下，該滑坡目前存在較大的失穩風險。

3.2.2 變形預測的穩定性評價

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

圖3 滑坡變形曲線

為進一步掌握滑坡變形特征，對3 個監測點的變形速率特征值進行統計。

1#監測點：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 模型進行滑坡變形預測且在該過程中，將前35 期數據作為訓練樣本，后5 期數據作為驗證樣本；經統計，得到3 個監測點的預測結果，見表3。根據表3，在3 個監測點的預測結果中，相對誤差值均在2%左右，其中，1#監測點的相對誤差均值為2.03%，2#監測點的相對誤差均值為2.14%，3#監測點的相對誤差均值為2.18%；總體來說，滑坡變形預測結果具有較高的預測精度，充分驗證了BBO-KELM 模型的預測能力。

表3 滑坡變形預測結果

對41～44 期進行外推預測可知，3 個監測點的累計變形有持續增加的趨勢，并按照1#監測點至3#監測點的順序，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#監測點和2#監測點的S2 速率值相對更大，說明這2 個監測點后續有加速變形的特征，3#監測點與之相反，總的來說，滑坡后續穩定性趨于減弱。

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定性且后續穩定性還會繼續減弱，因此，對其防治措施進行研究是十分必要的。

筆者結合滑坡現狀特征，提出“抗滑樁板墻”的防治方案，即在滑坡前緣公路內側修建抗滑樁板墻，其設計內容如下。

4.1 抗滑樁設計

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

4.2 擋土板設計

擋土板設計包括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，旨在保證滑坡穩定，避免成災損失。

5 結論

該文通過淺層紅層滑坡的致災成因分析及穩定性綜合評價，得到如下3 個結論：1）淺層紅層滑坡的致災成因因素相對較多，內部成因因素主要包括地形地貌、地層巖性、地質構造、水文地質條件和臨空條件等；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致滑坡災害發生。2）通過傳遞系數法計算，得出滑坡總體屬于欠穩定～基本穩定狀態，即在不利的工況條件下，該滑坡目前存在較大的失穩風險；同時，滑坡累計變形有持續增加的趨勢，后續穩定性將趨于減弱。3）結合滑坡穩定性計算結果及現場條件，將滑坡防治措施設定為“抗滑樁板墻”，即在滑坡前緣公路內側修建抗滑樁板墻，保證滑坡的穩定性。