粉质黏土滑坡形成机理及稳定性分析.pdf

中国新技术新产品2023 NO.9（上）-126-生 态 与 环 境 工 程滑坡灾害较为频发，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 173m429m，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 13.5m24.7m，平均厚度约 17.5m，体积约 196104m3，属大型滑坡。由钻探资料，滑坡区地层岩性如下：滑体土。该层岩性为黄色、紫红色粉质黏土，厚度为 12m26m，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 13.5m24.7m，平均厚度约 17.5m，因此，该滑坡也属典型的粉质黏土滑坡。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 10cm25cm，渗透性较差，抗剪强度相对较低，遇水易软化。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。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 45.76mm73.70mm，即滑坡现有变形值已较大。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）摘 要：为掌握粉质黏土滑坡的形成机理及了解其稳定性，该文结合滑坡基本信息，先开展其形成机理分析，再进一步总结了滑坡稳定性现状特征及后续发展规律。分析结果表明：粉质黏土滑坡的成灾是由多类成因共同作用造成的，主要包括地形地貌因素、地层岩性因素、地质构造因素、降雨因素及人类工程活动因素。粉质黏土滑坡形成过程的特殊性主要体现在其对降雨敏感性较强及蠕变特征显著。在滑坡稳定性分析结果中，现状条件下的安全储备较少，局部失稳风险较大，且后续变形具大速率增加特征，得出滑坡后续稳定性差的结论，因此，需尽快开展该类滑坡防治处理。关键词：滑坡；粉质黏土；形成机理；稳定性中图分类号：P642文献标志码：A图 1 滑坡平面形态图 2 滑坡主滑面（2-2 剖面）示意图中国新技术新产品2023 NO.9（上）-127-生 态 与 环 境 工 程灾害形成，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。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。11iinnsiinnRRFTT+=+（1）式中：i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。表 1 滑坡变形监测数据监测周期/周XX1监测点/mmXX2监测点/mmXX3监测点/mmXX4监测点/mm监测周期/周XX1监测点/mmXX2监测点/mmXX3监测点/mmXX4监测点/mm00.000.000.000.001634.5234.4824.3721.4110.272.160.551.341737.5837.0425.7922.9920.674.041.692.511838.1239.5130.9724.5330.814.393.222.721941.1541.7537.1925.9241.144.833.543.002042.0247.2640.1929.3551.326.275.183.892144.5751.9841.0132.2761.986.415.623.982247.2654.9343.3034.1172.436.679.764.142348.4056.7743.7335.2583.397.3912.054.592448.8857.7346.1335.8498.1611.4314.617.092549.2458.8949.1336.561012.8116.3415.4910.152650.9662.1053.0638.561113.5920.0216.8512.432753.3864.9953.8740.351218.1423.0517.0114.312855.8168.1354.5842.301322.3124.0119.5214.912958.2171.2755.8944.251425.9126.4922.0316.453060.3173.7057.3745.761530.5031.1224.2619.32图 3 粉质黏土滑坡的演化形成过程中国新技术新产品2023 NO.9（上）-128-生 态 与 环 境 工 程同时，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。hmwmwSiiTi?exp22Twiwi （2）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。（3）1qjiijiGhk=kij1qiiAh=（4）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。zj=Gj/A （5）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 2730 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 3133 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。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。参考文献1 兰俊太.浅层红层滑坡致灾成因分析及稳定性综合评价 J.中国新技术新产品，2023（3）：115-118.2 袁兆平，陈思尧，朱国宝，等.周家坝高垭口滑坡特征及形成机制、稳定性分析 J.中国新技术新产品，2021（19）：121-123.3 王伟，王晓川，张振华，等.库水位初次升降对卧沙溪滑坡粉质黏土蠕变特性的影响及其变形规律研究 J.灾害学，2023，38（2）：197-205.4 王腾飞，李远耀，曹颖，等.降雨型浅层土质滑坡非饱和土-水作用特征试验研究 J.地质科技情报，2019，38（6）：181-188.5 刘博，姬莉，吴姗.某露天煤矿粉质黏土边坡稳定性分析及治理 J.中国矿业，2015，24（增刊1）：304-307.6 罗红，唐红梅.重庆库区滑带粉质黏土强度参数相关性研究J.重庆交通大学学报（自然科学版），2009，28（1）：80-83，138.表 2 滑坡后续变形预测结果监测周期/周XX1监测点预测结果XX2监测点预测结果XX3监测点预测结果XX4监测点预测结果变形值/mm预测值/mm相对误差/%变形值/mm预测值/mm相对误差/%变形值/mm预测值/mm相对误差/%变形值/mm预测值/mm相对误差/%2753.3852.361.9164.9963.672.0453.8752.801.9940.3539.581.922855.8154.672.0568.1366.801.9654.5853.551.9042.3041.442.052958.2157.061.9771.2769.792.0855.8954.801.9644.2543.362.013060.3159.111.9973.7072.281.9257.3756.202.0345.7644.842.003161.9974.1658.1046.613263.1875.9459.8948.273364.9277.2260.3549.39