粉質黏土滑坡形成機理及穩定性分析

吳永東 歐陽榮

（山東建勘集團有限公司，山東 濟南 250031）

滑坡災害較為頻發，其中，粉質黏土滑坡具有穩定性差的特殊性，因此開展這類滑坡研究具有重要的意義[1-2]。目前，在粉質黏土滑坡研究方面，王偉等[3]開展了粉質黏土滑坡的蠕變變形規律；王騰飛等[4]探究了降雨對粉質黏土滑坡的力學性能影響；劉博等[5]評價了礦區粉質黏土邊坡的穩定狀態；羅紅等[6]分析了粉質黏土抗滑參數的相關性特征。上述研究成果較好，但均未聯合開展粉質黏土滑坡的形成機理及穩定性，因此，該文結合這類滑坡基本信息，先對其形成機理進行分析，再進一步總結滑坡穩定性現狀特征及后續發展規律，以期為類似工程積累經驗。

1 滑坡基本信息

滑坡區具谷丘陵地貌，高程為173m～429m，高差256m，斜坡坡度為15°～36°，起伏較大。在地層巖性方面，滑坡區地層相對較為單一，其中，第四系地層主要為殘坡積層，巖性多為粉質黏土；下覆基巖主要為侏羅系泥巖。結合區域地質資料，滑坡區附近發育有F1 斷裂，延伸長度約8.6km，傾向90°，傾角63°～52°，與滑坡區最小距離約14km，對滑坡變形、失穩影響有限。

據調查成果，滑坡平面具“舌狀”（如圖1所示），主滑方向為41°，縱向長度約320m，橫向寬度約350m，厚度為13.5m～24.7m，平均厚度約17.5m，體積約196×104m3，屬大型滑坡。

圖1 滑坡平面形態

由鉆探資料，滑坡區地層巖性如下：①滑體土。該層巖性為黃色、紫紅色粉質黏土，厚度為12m～26m，可塑狀，稍濕，局部含有少量礫石，含量一般少于10%，母巖成分為泥巖，磨圓度較差，多為次棱角狀。鑒于該層厚度為13.5m～24.7m，平均厚度約17.5m，因此，該滑坡也屬典型的粉質黏土滑坡。②滑帶土。該層巖性為紫紅色粉質黏土，位于基覆界面，可塑，局部具軟塑，厚度為10cm～25cm，滲透性較差，抗剪強度相對較低，遇水易軟化。③滑床。該層巖性為紫紅色泥巖，強風化～中風化，局部較破碎，整體完整性相對較好，敲擊聲沉悶，遇水也易軟化。由上述滑坡區地層巖性特征，滑坡主滑面（2-2'剖面）的示意圖如圖2所示。

圖2 滑坡主滑面（2-2'剖面）示意圖

自2016年起，在降雨條件下，滑坡均會出現規模不一的變形，為切實定量掌握其變形特征，于滑坡上布設了4 個監測點（如圖1所示），并按照一周一次的監測頻率，得到30 期變形數據，具體見表1。根據表1 可知，4 個監測點的累計變形值為45.76mm～73.70mm，即滑坡現有變形值已較大。

表1 滑坡變形監測數據

為進一步掌握變形特征，再對4 個監測點的變形速率特征參數進行統計，得到XX1 監測點的變形速率為0.14mm/期～4.77mm/期，平均值為2.01mm/期；XX2 監測點的變形速率為0.13mm/期～5.51mm/期，平均值為2.46mm/期；XX3 監測點的變形速率為0.11mm/期～6.22mm/期，平均值為1.91mm/期；XX4 監測點的變形速率為0.08mm/期～3.42mm/期，平均值為1.53mm/期。對比而言，4 個監測點的變形速率波動范圍較大，加之前述累計變形值已較大，說明此滑坡變形特征顯著，開展其形成機理及穩定性分析具有重要意義。

2 滑坡形成機理

2.1 滑坡成因因素分析

2.1.1 地形地貌因素

滑坡區具谷丘陵地貌，斜坡坡度為15°～36°，易造成滑坡災害形成，且滑坡后緣仍有斜坡，具有匯水面積，易導致雨水下滲，進而造成滑坡變形，甚至失穩。

2.1.2 地層巖性因素

滑坡區土層為粉質黏土層，下覆基巖為泥巖，兩者均質軟，遇水易軟化，一方面，易形成潛在滑面；另一方面，地層抗剪參數易變小，減弱滑坡抗滑力。

2.1.3 地質構造因素

滑坡區距最近F1 斷裂的最小距離雖然有14km，F1斷裂對滑坡災害影響較小，但在F1 斷裂形成過程中，在滑坡區附近形成了規模不同的次生構造，一定程度上會影響區內地層的完整性。

2.1.4 降雨因素

據氣象資料，滑坡區年降雨量均值為876.19mm，降雨充沛，且雨水滲入滑坡地層內，會增加滑體重度，降低滑體、滑帶的抗剪強度，還會增加土層中的孔隙水壓力，進而減弱滑坡穩定性。重要的是，由于降雨存在重復性發生，其對滑坡穩定性的影響規律也具有重復特征，會造成滑坡穩定性出現疲勞減弱，不利于其長期穩定的結果。

2.1.5 人類工程活動因素

在滑坡區內的人類工程活動主要為道路修建、農業耕種，兩者一定程度會改變斜坡原始地形地貌，也會破壞地表植被，不利于滑坡地表的局部穩定。

由此可見，粉質黏土滑坡的成災是由多類成因共同作用造成的，其中，地形地貌因素、地層巖性因素及地質構造因素是滑坡災害形成的固有成因；降雨因素及人類工程活動因素是滑坡災害形成的誘發成因。

2.2 滑坡形成機理

在滑坡成因因素分析基礎上，這類滑坡形成機理如下：1）在原始構造作用下，形成滑坡區原始地形地貌，在滑坡前緣形成河流。2）在河流下切作用下，滑坡前緣逐步變陡，進而為滑坡失穩形成了臨空面。3）在滑坡前緣下切同時，滑坡區淺表地層也會同步風化，形成較厚的粉質黏土層，為滑坡災害提供了物源。4）由于粉質黏土層遇水易軟化，且下覆泥巖具較強的隔水性，因此，這會使雨水下滲富集于基覆界面，進而在基覆界面形成滑面。5）受降雨影響，會改變滑體或滑帶的重度、抗剪強度及孔隙水壓力，進而影響滑坡穩定性，且此過程具周期性疲勞影響規律，會使滑坡出現蠕變特征。6）在降雨因素及人類工程活動因素長期誘發作用條件下，滑坡變形會逐步發生，且當變形達到一定程度后，就會出現失穩。結合粉質黏土滑坡的成因因素及形成機理，將其演化形成過程總結如圖3所示。

圖3 粉質黏土滑坡的演化形成過程

綜上所述，將粉質黏土滑坡形成過程的特殊性主要總結為2 點：1）降雨是該類滑坡形成的重要誘因，其不僅會極大程度上影響滑坡穩定性，還會造成滑坡穩定性的周期性疲勞減弱；2）由于粉質黏土滑坡的均勻性較好，其具明顯的蠕變特性。

3 滑坡穩定性分析

為全面掌握滑坡穩定性，研究人員提出開展滑坡穩定性現狀分析和預測分析。

3.1 穩定性現狀分析

結合工程經驗，通過顯示解開展滑坡穩定系數Fs計算，如公式（1）所示。

式中：ψi為傳遞系數；Ri為第i條塊的抗滑力（kN）；n為條塊數；Ti為第i條塊的下滑力（kN）。

結合室內試驗成果和工程經驗，滑體天然、飽和重度為18.7kN/m3和19.6kN/m3。滑帶天然、飽和黏聚力為20.05kPa 和17.22kPa，天然、飽和內摩擦角為20.17°和16.30°。

同時，將穩定性計算剖面設置為3 個（布置如圖1所示），并將計算工況設置為3 種，即天然工況、地震工況和暴雨工況。

結合上述參數，3 個剖面的穩定性計算結果如下：1-1'剖面。天然工況的Fs1為1.223，地震工況的Fs2為1.172，暴雨工況的Fs3為1.081。2-2'剖面。天然工況的Fs1為1.204，地震工況的Fs2為1.111，暴雨工況的Fs3為1.025。3-3'剖面。天然工況的Fs1 為1.219，地震工況的Fs2為1.156，暴雨工況的Fs3為1.068。

根據穩定計算結果，在相應工況條件下，3 個工況的穩定性排序為天然工況＞地震工況＞暴雨工況，即暴雨工況是滑坡防治設計工況；對比3 個剖面的穩定系數，得出其穩定性排序為1-1'剖面＞3-3'剖面＞2-2'剖面，即滑坡主滑面的穩定性相對最弱。

綜上所述，現狀條件下，滑坡穩定性相對一般，且在不利工況條件下的安全儲備較少，主滑面在暴雨工況條件下屬欠穩定狀態，失穩風險較大。

3.2 穩定性預測分析

3.2.1 分析方法構建

由于變形是滑坡穩定性的直觀體現，因此提出通過變形預測來開展滑坡穩定性的預測分析。廣義神經網絡非線性預測方法提出以其構建滑坡變形預測模型，并根據其原理，具有四層網絡結構，各層基本特征如下。

3.2.1.1 輸入層

這層是將滑坡變形數據輸入模型中，以備后續訓練。

3.2.1.2 隱層

在接收輸入信息后，利用高斯函數進行信息轉換，其轉換如公式（2）所示。

式中：wi為訓練向量；hi為隱層輸出值；S為光滑參數；m為輸入信息。

3.2.1.3 求和層

求和層是在隱層變換的基礎上，進一步進行信息映射，該過程主要通過變化參量Gj和求和參數A聯合作用實現，如公式（3）和公式（4）所示。

式中：kij為訓練向量；q為隱層數。

3.2.1.4 輸出層

在求和層變換基礎上，將訓練結果進行整合輸出，如公式（5）所示。

式中：zj為變形預測值。

綜上所述，通過廣義神經網絡開展滑坡變形預測，如果滑坡變形具大速率增加，那么滑坡穩定性趨于減弱；反之，穩定性增加。

3.2.2 結果分析

在預測過程中，將27～30 期作為驗證集，后續再預測3 期，所得預測結果見表2。根據表2，從XX1 監測點到XX4 監測點，其預測結果中的相對誤差均值依次為1.98%、2.00%、1.97%及2.00%，說明廣義神經網絡的預測效果較好，適用于滑坡變形預測。由表2 中31～33 期預測結果可知，滑坡變形具大速率增加特征，得出滑坡后續穩定性趨于不利，須盡快進行防治處理。

表2 滑坡后續變形預測結果

4 結論

通過粉質黏土滑坡形成機理及穩定性分析，主要結論如下：1）粉質黏土滑坡的成災是由多類成因共同作用造成的，其中，地形地貌因素、地層巖性因素及地質構造因素是滑坡災害形成的固有成因；降雨因素及人類工程活動因素是滑坡災害形成的誘發成因。2）在現狀條件下，滑坡穩定性相對一般，且在不利工況條件下的安全儲備較少，失穩風險較大；在穩定性預測分析結果中，滑坡變形具大速率增加特征，得出滑坡后續穩定性趨于不利；兩者綜合說明開展該滑坡防治處理較為緊迫。