浅层红层滑坡致灾成因分析及稳定性综合评价

兰俊太

（四川省能源地质调查研究所，四川 成都 610045）

0 引言

由于滑坡灾害频发，浅层红层滑坡具有其特殊性，因此，对其致灾成因分析及稳定性进行评价具有重要的意义[1-2]。目前，杨戒等[3]利用数值模拟开展了浅层土质滑坡的稳定性评价；王森等[4]分析了浅层滑坡的降雨入渗机理，说明开展浅层红层滑坡研究的必要性。在以往的研究成果中，传递系数法是常用的稳定性计算方法[5]，但其仅用于现状评价，为合理地掌握滑坡稳定性的后续变化，提出通过变形预测来完成该方面的研究，并将其结果与传递系数法结果结合，以保证滑坡稳定性评价的全面性；同时，滑坡防治措施研究也是十分必要的，其是灾害防治的最直接保障。该文以石古岩后岗滑坡为工程背景，首先结合滑坡所处地质条件，对其致灾成因进行分析，其次，通过传递系数法及变形预测综合评价其稳定状态；最后，制定防治措施，以保证滑坡的稳定性。

1 工程概况

1.1 工程地质条件

石古岩后岗滑坡位于芦山县双石镇石凤村两岔溪组，结合勘查成果，介绍其地质条件，包括以下5 种：①地形地貌。所处区域具构造侵蚀中山地貌，高程范围为1035m～1137m，高差102m，斜坡坡度为20°～40°。②地层岩性。区内第四系地层主要为冲洪积层及残坡积层，前者岩性主要由卵石、粉质黏土和细砂等组成，其中卵石粒径为5cm～20cm，含量为30%～45%，细砂含量约为10%。下覆基岩主要为三叠系上统须家河组砂岩，灰色，强风化～中风化，局部存在露头，节理裂隙较发育，岩体完整性一般。③地质构造。滑坡区临近大型构造主要为大川断层、小关断层及芦山向斜，但其净距均较小，因此，其对滑坡发育影响较小。④水文地质条件。滑坡区地表水主要为斜坡脚处的石宝河，其流量随季节性变化较大。地下水主要为孔隙水、裂隙水，赋存情况及富水性受地层结构、地形地貌等因素影响。⑤人类工程活动。滑坡区内的人类工程活动较为强烈，主要为公路修建、房屋建设及农业耕种等，各类工程活动对滑坡形成均有一定影响。

1.2 滑坡发育特征

石古岩后岗滑坡平面图如图1 所示，其主滑方向为302°，纵向长度约50 m，横向宽度约90 m，面积约4700 m2，厚度为5～7 m，体积约2.82 万m3，因此，该滑坡属浅层红层土质滑坡。

图1 滑坡平面示意图

1.2.1 滑坡结构特征分析

根据钻探成果可知，滑坡结构特征如下：①滑体土。该类土层的物质组成主要为块石土，稍密状，其块石含量约65%，块径为45 cm～60 cm；同时，滑体厚度为5 m～7 m，具有四周薄、中间厚的特征。②滑带土。该类土层的岩性主要为粉质黏土，黄褐色，软塑～可塑，遇水易软化，含有少量细粒，其磨圆度较好。③滑床。由于该滑坡的滑面位于基覆界面，因此，其滑床岩性主要为基岩，其特征已在2.1 节详述。

1.2.2 滑坡变形特征分析

从2013 年“4•20”芦山地震后，该滑坡在雨季均有一定的变形特征。在本次调查过程中，主要发现3 条裂缝。

L1 裂缝：分布于滑坡左后侧，延伸长度约26.5 m，裂缝宽度20 cm～30 cm 且中间深度相对较深，两侧逐渐变浅。

L2 裂缝：分布于滑坡后缘边界处，延伸长度约20.9 m，裂缝宽度约30 cm～40 cm 不等，深度约30 cm～50 cm，中间深，两侧逐渐变浅。

L3 裂缝：分布在滑坡后部，延伸长度约12.9 m，裂缝宽度约20 cm～30 cm，下错0.5～1.0 m，中间高，两侧逐渐变低。

总体来说，石古岩后岗滑坡发育特征显著，侧面说明开展其稳定性评价及防治措施研究是十分必要的。

2 致灾成因分析

浅层红层滑坡的致灾成因因素相对较多，可分为内部成因因素和外部成因因素，前者属滑坡形成的固有因素，主要包括地形地貌、地层岩性、地质构造、水文地质条件以及临空条件等；后者属于滑坡形成的诱发因素，主要包括降雨和人类工程活动等。

2.1 内部成因因素

2.1.1 地形地貌

滑坡区微地貌属斜坡地貌，其前后缘高程范围1042m～1075m，高差33m，斜坡坡度20°～40°；由于滑坡地表有低缓的变化特征，其局部裂缝较为发育，有利于降雨入渗，进而导致滑坡局部失稳，因此影响滑坡整体的稳定性。

2.1.2 地层岩性

根据钻探成果可知，滑体岩性主要为块石土，渗透性强，有利于降雨入渗且滑带土体遇水易软化，当降雨入渗后，会较大程度地降低滑带抗剪强度，进而减弱滑坡抗滑力。

2.1.3 地质构造

根据现场调查，滑坡区附近虽然没有大型构造，但是次生构造较发育，形成了较多、较大的裂隙，使坡体的完整性变差；同时，区内新构造运动也较为发育，其运动会导致岩体结构进一步破碎，为降雨入渗提供通道，也会软化下覆砂岩。

2.1.4 水文地质条件

滑坡区降雨量相对较大且降雨会沿裂缝渗入下部岩土体中，并在下部裂隙中形成较大的孔隙水压力，使土体、岩体间的有效应力减少，进而增加岩土体的下滑力；同时，区内地下水也较发育，在降雨下渗条件下，会加快坡体裂缝发育，逐渐形成剪切破裂面。

2.1.5 临空条件

滑坡前缘修建有道路，局部切坡，形成临空面，这会造成坡体抗滑力减少，为坡体持续变形创造了条件。

2.2 外部成因因素

2.2.1 降雨

综上所述，滑坡区降雨量较大，其多年平均降雨量达1313.1 mm 且存在显著的强降雨特征，因此，滑坡区存在滑坡形成的降雨条件。在降雨作用下，大量雨水会沿裂缝下渗，这不仅会增加土体重度，导致下滑力增加，也会降低滑带的抗剪强度，减少滑坡的稳定性，进而导致滑坡发生。

2.2.2 人类工程活动

滑坡区人类工程活动主要包括公路修建、房屋建设及农业耕种等，在建设过程中会局部开挖形成临空面，只有局部出现滑塌。

综上所述，浅层红层滑坡的致灾成因因素相对较多，其内部成因因素是滑坡形成的基础条件，而外部成因因素是滑坡形成的必要条件，两者缺一不可，共同作用导致滑坡发生。

3 滑坡稳定性评价

3.1 滑坡稳定性评价模型的构建

该文提出通过传递系数法及变形预测来完成滑坡稳定性的全面评价，两者的基本原理介绍如下。

3.1.1 传递系数法

根据《滑坡防治工程勘查规范》（GB/T 32864—2016）已知传递系数法的详细求解过程，该文不再赘述。结合工程实际，将其计算过程中的基本设定如下。

3.1.1.1 计算工况设定

在滑坡稳定性计算过程中，其计算工况主要有3 个：1）工况1。天然工况。该工况是计算日常环境条件下的滑坡稳定性。2）工况2。暴雨工况。该工况是计算降雨条件下的滑坡稳定性。3）工况3。地震工况。该工况是计算地震条件下的滑坡稳定性。

3.1.1.2 计算参数设定

结合现场钻探取样试验结果及参数反演，得到滑坡在不同工况条件下的计算参数，见表1。

表1 滑坡计算参数

3.1.1.3 划分稳定状态

根据《滑坡防治工程勘查规范》（GB/T 32864—2016），设定滑坡稳定状态划分标准：当稳定系数Fs小于1 时，滑坡处于稳定状态。当稳定系数Fs为1～1.05 时，滑坡处于欠稳定状态。当稳定系数Fs为1.05～1.15 时，滑坡处于基本稳定状态。当稳定系数Fs≥1.15 时，滑坡处于稳定状态。

3.1.2 变形预测模型

变形是滑坡各类影响因素综合作用的直观体现，因此，通过变形预测来评价滑坡稳定性的发展趋势是可行的。

极限学习机（Extreme Learning Machine，ELM）属于改进型神经网络，其操作较为简单，因此，已被广泛使用于岩土领域的变形预测中，其训练函数如公式（1）所示。

式中：yj为变形预测值；L为隐层节点数；xi为输入信息；βi、wi为权值；g（）为激励函数；bi为阈值。

在ELM 模型的应用过程中，变形数据中的噪声误差会增加预测结果的随机性，即会对预测精度造成一定影响，因此，Huang 等[6]提出通过正则化系数来提高ELM 模型的抗噪声能力，其处理后的预测模型定名为核极限学习机（Kernel Extreme Learning Machine， KELM）。同时，根据刘盛辉等[7]的研究成果，其权值和阈值均是随机产生的，全局寻优能力偏弱，因此，为保证其合理性，再进一步提出利用生物地理学优化算法（Biogeography Based Optimization，BBO）对其进行优化处理，其优化步骤如图2 所示。

图2 BBO 算法的优化流程

综上所述，将滑坡变形预测模型确定为BBO-KELM 模型，并通过其预测结果进行滑坡稳定性评价，如果滑坡后续变形仍有较大的变形速率，那么其滑坡后续稳定性将减弱；反之，将趋于稳定。

3.2 滑坡稳定性评价结果分析

3.2.1 传递系数法的稳定性评价

采用传递系数法来评价滑坡稳定性，其主要用于评价滑坡稳定性的现有特征且在评价过程中，对3 个剖面均进行计算（剖面分布如图1 所示），所得结果见表2。

表2 传递系数法的稳定性计算结果

由表2 可知，在相应工况条件下，3 个剖面的稳定性由高到低的顺序为剖面2-2'＞剖面1-1'＞剖面3-3'；在相应剖面条件下，工况2 的稳定性系数均最小，且都处于欠稳定状态，其次是工况3、工况1，两者对应稳定状态为基本稳定状态。

综上所述，该滑坡总体处于欠稳定～基本稳定状态，即在不利的工况条件下，该滑坡目前存在较大的失稳风险。

3.2.2 变形预测的稳定性评价

为掌握滑坡变形特征，在坡体上布置3 个监测点（具体布置如图1 所示），经过40 d 的变形监测，得到变形曲线如图3 所示。根据图3，各监测点的变形量持续增加，其中，1#监测点的累计变形量为114.18 mm，2#监测点的累计变形量为90.43 mm，3#监测点的累计变形量为135.89 mm。

图3 滑坡变形曲线

为进一步掌握滑坡变形特征，对3 个监测点的变形速率特征值进行统计。

1#监测点：变形速率最大、最小值分别为6.71 mm/d 和0.55 mm/d，平均值为2.85 mm/d。

2#监测点：变形速率最大、最小值分别为5.31 mm/d 和0.54 mm/d，平均值为2.26 mm/d。

3#监测点：变形速率最大、最小值分别为7.55 mm/d 和1.08 mm/d，平均值为3.40 mm/d。

综上所述，3 个监测的变形速率均有较大的波动范围，变形特征显著。

其次，按照该文的思路，使用BBO-KELM 模型进行滑坡变形预测且在该过程中，将前35 期数据作为训练样本，后5 期数据作为验证样本；经统计，得到3 个监测点的预测结果，见表3。根据表3，在3 个监测点的预测结果中，相对误差值均在2%左右，其中，1#监测点的相对误差均值为2.03%，2#监测点的相对误差均值为2.14%，3#监测点的相对误差均值为2.18%；总体来说，滑坡变形预测结果具有较高的预测精度，充分验证了BBO-KELM 模型的预测能力。

表3 滑坡变形预测结果

对41～44 期进行外推预测可知，3 个监测点的累计变形有持续增加的趋势，并按照1#监测点至3#监测点的顺序，计算得到实测37～40 周期的变形速率均值S1 依次为1.40 mm/d、1.09 mm/d 及1.65 mm/d；外推41～44 期的变形速率均值S2 依次为1.63 mm/d、1.52 mm/d 及1.08 mm/d。将两者对比，可知1#监测点和2#监测点的S2 速率值相对更大，说明这2 个监测点后续有加速变形的特征，3#监测点与之相反，总的来说，滑坡后续稳定性趋于减弱。

4 滑坡防治措施研究

由于石古岩后岗滑坡目前已具较弱的稳定性且后续稳定性还会继续减弱，因此，对其防治措施进行研究是十分必要的。

笔者结合滑坡现状特征，提出“抗滑桩板墙”的防治方案，即在滑坡前缘公路内侧修建抗滑桩板墙，其设计内容如下。

4.1 抗滑桩设计

抗滑桩设计包括以下3 种桩型：1）A 桩型。设计7 根，A1～A7 桩长8m，锚固段4.0m，自由段4.0m，设计截面尺寸为1.0m×1.2m，成桩方式为人工挖孔桩。2）B 桩型。设计6根，B1～B6 桩长7m，锚固段3.5m，自由段3.5m，设计截面尺寸为1.0m×1.2m，成桩方式为人工挖孔桩。3）C 桩型，设计6 根，C1～C6 桩长5.5m，锚固段3.0m，自由段2.5m，设计截面尺寸为1.0m×1.2m，成桩方式为人工挖孔桩。

4.2 挡土板设计

挡土板设计包括3 种型号的挡土板，采用中间挂板的方式，其中，A1～B1 抗滑桩之间采用A 型挡土板，单板宽4.0m，高4.5m，厚0.3m，每块设置泄水孔6 个，水平向间距为2m，竖向间距为1.0m，孔径100mm，向外倾斜5%；B1-C1 抗滑桩之间采用B 型挡土板，单板宽4.0m，高4.0m，厚0.3m，每块设置泄水孔5 个，水平向间距为2m，竖向间距为1.0m，孔径100mm，向外倾斜5%；C1～C6 抗滑桩之间采用C 型挡土板，单板宽4.0m，高3.0m，厚0.3m，每块设置泄水孔3 个，水平向间距为2m，竖向间距为1.0m，孔径100mm，向外倾斜5%。

上述挡土板均为现浇钢筋混凝土板，所用混凝土等级为C30，钢筋均采用HRB400 级。通过上述防治，旨在保证滑坡稳定，避免成灾损失。

5 结论

该文通过浅层红层滑坡的致灾成因分析及稳定性综合评价，得到如下3 个结论：1）浅层红层滑坡的致灾成因因素相对较多，内部成因因素主要包括地形地貌、地层岩性、地质构造、水文地质条件和临空条件等；外部成因因素主要包括降雨、人类工程活动等。各类影响因素共同作用导致滑坡灾害发生。2）通过传递系数法计算，得出滑坡总体属于欠稳定～基本稳定状态，即在不利的工况条件下，该滑坡目前存在较大的失稳风险；同时，滑坡累计变形有持续增加的趋势，后续稳定性将趋于减弱。3）结合滑坡稳定性计算结果及现场条件，将滑坡防治措施设定为“抗滑桩板墙”，即在滑坡前缘公路内侧修建抗滑桩板墙，保证滑坡的稳定性。