粉质黏土滑坡形成机理及稳定性分析

吴永东 欧阳荣

（山东建勘集团有限公司，山东 济南 250031）

滑坡灾害较为频发，其中，粉质黏土滑坡具有稳定性差的特殊性，因此开展这类滑坡研究具有重要的意义[1-2]。目前，在粉质黏土滑坡研究方面，王伟等[3]开展了粉质黏土滑坡的蠕变变形规律；王腾飞等[4]探究了降雨对粉质黏土滑坡的力学性能影响；刘博等[5]评价了矿区粉质黏土边坡的稳定状态；罗红等[6]分析了粉质黏土抗滑参数的相关性特征。上述研究成果较好，但均未联合开展粉质黏土滑坡的形成机理及稳定性，因此，该文结合这类滑坡基本信息，先对其形成机理进行分析，再进一步总结滑坡稳定性现状特征及后续发展规律，以期为类似工程积累经验。

1 滑坡基本信息

滑坡区具谷丘陵地貌，高程为173m～429m，高差256m，斜坡坡度为15°～36°，起伏较大。在地层岩性方面，滑坡区地层相对较为单一，其中，第四系地层主要为残坡积层，岩性多为粉质黏土；下覆基岩主要为侏罗系泥岩。结合区域地质资料，滑坡区附近发育有F1 断裂，延伸长度约8.6km，倾向90°，倾角63°～52°，与滑坡区最小距离约14km，对滑坡变形、失稳影响有限。

据调查成果，滑坡平面具“舌状”（如图1所示），主滑方向为41°，纵向长度约320m，横向宽度约350m，厚度为13.5m～24.7m，平均厚度约17.5m，体积约196×104m3，属大型滑坡。

图1 滑坡平面形态

由钻探资料，滑坡区地层岩性如下：①滑体土。该层岩性为黄色、紫红色粉质黏土，厚度为12m～26m，可塑状，稍湿，局部含有少量砾石，含量一般少于10%，母岩成分为泥岩，磨圆度较差，多为次棱角状。鉴于该层厚度为13.5m～24.7m，平均厚度约17.5m，因此，该滑坡也属典型的粉质黏土滑坡。②滑带土。该层岩性为紫红色粉质黏土，位于基覆界面，可塑，局部具软塑，厚度为10cm～25cm，渗透性较差，抗剪强度相对较低，遇水易软化。③滑床。该层岩性为紫红色泥岩，强风化～中风化，局部较破碎，整体完整性相对较好，敲击声沉闷，遇水也易软化。由上述滑坡区地层岩性特征，滑坡主滑面（2-2'剖面）的示意图如图2所示。

图2 滑坡主滑面（2-2'剖面）示意图

自2016年起，在降雨条件下，滑坡均会出现规模不一的变形，为切实定量掌握其变形特征，于滑坡上布设了4 个监测点（如图1所示），并按照一周一次的监测频率，得到30 期变形数据，具体见表1。根据表1 可知，4 个监测点的累计变形值为45.76mm～73.70mm，即滑坡现有变形值已较大。

表1 滑坡变形监测数据

为进一步掌握变形特征，再对4 个监测点的变形速率特征参数进行统计，得到XX1 监测点的变形速率为0.14mm/期～4.77mm/期，平均值为2.01mm/期；XX2 监测点的变形速率为0.13mm/期～5.51mm/期，平均值为2.46mm/期；XX3 监测点的变形速率为0.11mm/期～6.22mm/期，平均值为1.91mm/期；XX4 监测点的变形速率为0.08mm/期～3.42mm/期，平均值为1.53mm/期。对比而言，4 个监测点的变形速率波动范围较大，加之前述累计变形值已较大，说明此滑坡变形特征显著，开展其形成机理及稳定性分析具有重要意义。

2 滑坡形成机理

2.1 滑坡成因因素分析

2.1.1 地形地貌因素

滑坡区具谷丘陵地貌，斜坡坡度为15°～36°，易造成滑坡灾害形成，且滑坡后缘仍有斜坡，具有汇水面积，易导致雨水下渗，进而造成滑坡变形，甚至失稳。

2.1.2 地层岩性因素

滑坡区土层为粉质黏土层，下覆基岩为泥岩，两者均质软，遇水易软化，一方面，易形成潜在滑面；另一方面，地层抗剪参数易变小，减弱滑坡抗滑力。

2.1.3 地质构造因素

滑坡区距最近F1 断裂的最小距离虽然有14km，F1断裂对滑坡灾害影响较小，但在F1 断裂形成过程中，在滑坡区附近形成了规模不同的次生构造，一定程度上会影响区内地层的完整性。

2.1.4 降雨因素

据气象资料，滑坡区年降雨量均值为876.19mm，降雨充沛，且雨水渗入滑坡地层内，会增加滑体重度，降低滑体、滑带的抗剪强度，还会增加土层中的孔隙水压力，进而减弱滑坡稳定性。重要的是，由于降雨存在重复性发生，其对滑坡稳定性的影响规律也具有重复特征，会造成滑坡稳定性出现疲劳减弱，不利于其长期稳定的结果。

2.1.5 人类工程活动因素

在滑坡区内的人类工程活动主要为道路修建、农业耕种，两者一定程度会改变斜坡原始地形地貌，也会破坏地表植被，不利于滑坡地表的局部稳定。

由此可见，粉质黏土滑坡的成灾是由多类成因共同作用造成的，其中，地形地貌因素、地层岩性因素及地质构造因素是滑坡灾害形成的固有成因；降雨因素及人类工程活动因素是滑坡灾害形成的诱发成因。

2.2 滑坡形成机理

在滑坡成因因素分析基础上，这类滑坡形成机理如下：1）在原始构造作用下，形成滑坡区原始地形地貌，在滑坡前缘形成河流。2）在河流下切作用下，滑坡前缘逐步变陡，进而为滑坡失稳形成了临空面。3）在滑坡前缘下切同时，滑坡区浅表地层也会同步风化，形成较厚的粉质黏土层，为滑坡灾害提供了物源。4）由于粉质黏土层遇水易软化，且下覆泥岩具较强的隔水性，因此，这会使雨水下渗富集于基覆界面，进而在基覆界面形成滑面。5）受降雨影响，会改变滑体或滑带的重度、抗剪强度及孔隙水压力，进而影响滑坡稳定性，且此过程具周期性疲劳影响规律，会使滑坡出现蠕变特征。6）在降雨因素及人类工程活动因素长期诱发作用条件下，滑坡变形会逐步发生，且当变形达到一定程度后，就会出现失稳。结合粉质黏土滑坡的成因因素及形成机理，将其演化形成过程总结如图3所示。

图3 粉质黏土滑坡的演化形成过程

综上所述，将粉质黏土滑坡形成过程的特殊性主要总结为2 点：1）降雨是该类滑坡形成的重要诱因，其不仅会极大程度上影响滑坡稳定性，还会造成滑坡稳定性的周期性疲劳减弱；2）由于粉质黏土滑坡的均匀性较好，其具明显的蠕变特性。

3 滑坡稳定性分析

为全面掌握滑坡稳定性，研究人员提出开展滑坡稳定性现状分析和预测分析。

3.1 稳定性现状分析

结合工程经验，通过显示解开展滑坡稳定系数Fs计算，如公式（1）所示。

式中：ψi为传递系数；Ri为第i条块的抗滑力（kN）；n为条块数；Ti为第i条块的下滑力（kN）。

结合室内试验成果和工程经验，滑体天然、饱和重度为18.7kN/m3和19.6kN/m3。滑带天然、饱和黏聚力为20.05kPa 和17.22kPa，天然、饱和内摩擦角为20.17°和16.30°。

同时，将稳定性计算剖面设置为3 个（布置如图1所示），并将计算工况设置为3 种，即天然工况、地震工况和暴雨工况。

结合上述参数，3 个剖面的稳定性计算结果如下：1-1'剖面。天然工况的Fs1为1.223，地震工况的Fs2为1.172，暴雨工况的Fs3为1.081。2-2'剖面。天然工况的Fs1为1.204，地震工况的Fs2为1.111，暴雨工况的Fs3为1.025。3-3'剖面。天然工况的Fs1 为1.219，地震工况的Fs2为1.156，暴雨工况的Fs3为1.068。

根据稳定计算结果，在相应工况条件下，3 个工况的稳定性排序为天然工况＞地震工况＞暴雨工况，即暴雨工况是滑坡防治设计工况；对比3 个剖面的稳定系数，得出其稳定性排序为1-1'剖面＞3-3'剖面＞2-2'剖面，即滑坡主滑面的稳定性相对最弱。

综上所述，现状条件下，滑坡稳定性相对一般，且在不利工况条件下的安全储备较少，主滑面在暴雨工况条件下属欠稳定状态，失稳风险较大。

3.2 稳定性预测分析

3.2.1 分析方法构建

由于变形是滑坡稳定性的直观体现，因此提出通过变形预测来开展滑坡稳定性的预测分析。广义神经网络非线性预测方法提出以其构建滑坡变形预测模型，并根据其原理，具有四层网络结构，各层基本特征如下。

3.2.1.1 输入层

这层是将滑坡变形数据输入模型中，以备后续训练。

3.2.1.2 隐层

在接收输入信息后，利用高斯函数进行信息转换，其转换如公式（2）所示。

式中：wi为训练向量；hi为隐层输出值；S为光滑参数；m为输入信息。

3.2.1.3 求和层

求和层是在隐层变换的基础上，进一步进行信息映射，该过程主要通过变化参量Gj和求和参数A联合作用实现，如公式（3）和公式（4）所示。

式中：kij为训练向量；q为隐层数。

3.2.1.4 输出层

在求和层变换基础上，将训练结果进行整合输出，如公式（5）所示。

式中：zj为变形预测值。

综上所述，通过广义神经网络开展滑坡变形预测，如果滑坡变形具大速率增加，那么滑坡稳定性趋于减弱；反之，稳定性增加。

3.2.2 结果分析

在预测过程中，将27～30 期作为验证集，后续再预测3 期，所得预测结果见表2。根据表2，从XX1 监测点到XX4 监测点，其预测结果中的相对误差均值依次为1.98%、2.00%、1.97%及2.00%，说明广义神经网络的预测效果较好，适用于滑坡变形预测。由表2 中31～33 期预测结果可知，滑坡变形具大速率增加特征，得出滑坡后续稳定性趋于不利，须尽快进行防治处理。

表2 滑坡后续变形预测结果

4 结论

通过粉质黏土滑坡形成机理及稳定性分析，主要结论如下：1）粉质黏土滑坡的成灾是由多类成因共同作用造成的，其中，地形地貌因素、地层岩性因素及地质构造因素是滑坡灾害形成的固有成因；降雨因素及人类工程活动因素是滑坡灾害形成的诱发成因。2）在现状条件下，滑坡稳定性相对一般，且在不利工况条件下的安全储备较少，失稳风险较大；在稳定性预测分析结果中，滑坡变形具大速率增加特征，得出滑坡后续稳定性趋于不利；两者综合说明开展该滑坡防治处理较为紧迫。