蘭俊太
(四川省能源地質(zhì)調(diào)查研究所,四川 成都 610045)
由于滑坡災(zāi)害頻發(fā),淺層紅層滑坡具有其特殊性,因此,對(duì)其致災(zāi)成因分析及穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)具有重要的意義[1-2]。目前,楊戒等[3]利用數(shù)值模擬開展了淺層土質(zhì)滑坡的穩(wěn)定性評(píng)價(jià);王森等[4]分析了淺層滑坡的降雨入滲機(jī)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(shù)法是常用的穩(wěn)定性計(jì)算方法[5],但其僅用于現(xiàn)狀評(píng)價(jià),為合理地掌握滑坡穩(wěn)定性的后續(xù)變化,提出通過變形預(yù)測(cè)來完成該方面的研究,并將其結(jié)果與傳遞系數(shù)法結(jié)果結(jié)合,以保證滑坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)的全面性;同時(shí),滑坡防治措施研究也是十分必要的,其是災(zāi)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(jié)合滑坡所處地質(zhì)條件,對(duì)其致災(zāi)成因進(jìn)行分析,其次,通過傳遞系數(shù)法及變形預(yù)測(cè)綜合評(píng)價(jià)其穩(wěn)定狀態(tài);最后,制定防治措施,以保證滑坡的穩(wěn)定性。
石古巖后崗滑坡位于蘆山縣雙石鎮(zhèn)石鳳村兩岔溪組,結(jié)合勘查成果,介紹其地質(zhì)條件,包括以下5 種:①地形地貌。所處區(qū)域具構(gòu)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(qū)內(nèi)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(zhì)黏土和細(xì)砂等組成,其中卵石粒徑為5cm~20cm,含量為30%~45%,細(xì)砂含量約為10%。下覆基巖主要為三疊系上統(tǒng)須家河組砂巖,灰色,強(qiáng)風(fēng)化~中風(fēng)化,局部存在露頭,節(jié)理裂隙較發(fā)育,巖體完整性一般。③地質(zhì)構(gòu)造?;聟^(qū)臨近大型構(gòu)造主要為大川斷層、小關(guān)斷層及蘆山向斜,但其凈距均較小,因此,其對(duì)滑坡發(fā)育影響較小。④水文地質(zhì)條件。滑坡區(qū)地表水主要為斜坡腳處的石寶河,其流量隨季節(jié)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(jié)構(gòu)、地形地貌等因素影響。⑤人類工程活動(dòng)?;聟^(qū)內(nèi)的人類工程活動(dòng)較為強(qiáng)烈,主要為公路修建、房屋建設(shè)及農(nóng)業(yè)耕種等,各類工程活動(dòng)對(duì)滑坡形成均有一定影響。
石古巖后崗滑坡平面圖如圖1 所示,其主滑方向?yàn)?02°,縱向長(zhǎng)度約50 m,橫向?qū)挾燃s90 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(zhì)滑坡。
圖1 滑坡平面示意圖
1.2.1 滑坡結(jié)構(gòu)特征分析
根據(jù)鉆探成果可知,滑坡結(jié)構(gòu)特征如下:①滑體土。該類土層的物質(zhì)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(shí),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(zhì)黏土,黃褐色,軟塑~可塑,遇水易軟化,含有少量細(xì)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(jié)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(diào)查過程中,主要發(fā)現(xiàn)3 條裂縫。
L1 裂縫:分布于滑坡左后側(cè),延伸長(zhǎng)度約26.5 m,裂縫寬度20 cm~30 cm 且中間深度相對(duì)較深,兩側(cè)逐漸變淺。
L2 裂縫:分布于滑坡后緣邊界處,延伸長(zhǎng)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(cè)逐漸變淺。
L3 裂縫:分布在滑坡后部,延伸長(zhǎng)度約12.9 m,裂縫寬度約20 cm~30 cm,下錯(cuò)0.5~1.0 m,中間高,兩側(cè)逐漸變低。
總體來說,石古巖后崗滑坡發(fā)育特征顯著,側(cè)面說明開展其穩(wěn)定性評(píng)價(jià)及防治措施研究是十分必要的。
淺層紅層滑坡的致災(zāi)成因因素相對(duì)較多,可分為內(nèi)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(zhì)構(gòu)造、水文地質(zhì)條件以及臨空條件等;后者屬于滑坡形成的誘發(fā)因素,主要包括降雨和人類工程活動(dòng)等。
2.1.1 地形地貌
滑坡區(qū)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(fā)育,有利于降雨入滲,進(jìn)而導(dǎo)致滑坡局部失穩(wěn),因此影響滑坡整體的穩(wěn)定性。
2.1.2 地層巖性
根據(jù)鉆探成果可知,滑體巖性主要為塊石土,滲透性強(qiáng),有利于降雨入滲且滑帶土體遇水易軟化,當(dāng)降雨入滲后,會(huì)較大程度地降低滑帶抗剪強(qiáng)度,進(jìn)而減弱滑坡抗滑力。
2.1.3 地質(zhì)構(gòu)造
根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查,滑坡區(qū)附近雖然沒有大型構(gòu)造,但是次生構(gòu)造較發(fā)育,形成了較多、較大的裂隙,使坡體的完整性變差;同時(shí),區(qū)內(nèi)新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)也較為發(fā)育,其運(yùn)動(dòng)會(huì)導(dǎo)致巖體結(jié)構(gòu)進(jìn)一步破碎,為降雨入滲提供通道,也會(huì)軟化下覆砂巖。
2.1.4 水文地質(zhì)條件
滑坡區(qū)降雨量相對(duì)較大且降雨會(huì)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(yīng)力減少,進(jìn)而增加巖土體的下滑力;同時(shí),區(qū)內(nèi)地下水也較發(fā)育,在降雨下滲條件下,會(huì)加快坡體裂縫發(fā)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(huì)造成坡體抗滑力減少,為坡體持續(xù)變形創(chuàng)造了條件。
2.2.1 降雨
綜上所述,滑坡區(qū)降雨量較大,其多年平均降雨量達(dá)1313.1 mm 且存在顯著的強(qiáng)降雨特征,因此,滑坡區(qū)存在滑坡形成的降雨條件。在降雨作用下,大量雨水會(huì)沿裂縫下滲,這不僅會(huì)增加土體重度,導(dǎo)致下滑力增加,也會(huì)降低滑帶的抗剪強(qiáng)度,減少滑坡的穩(wěn)定性,進(jìn)而導(dǎo)致滑坡發(fā)生。
2.2.2 人類工程活動(dòng)
滑坡區(qū)人類工程活動(dòng)主要包括公路修建、房屋建設(shè)及農(nóng)業(yè)耕種等,在建設(shè)過程中會(huì)局部開挖形成臨空面,只有局部出現(xiàn)滑塌。
綜上所述,淺層紅層滑坡的致災(zāi)成因因素相對(duì)較多,其內(nèi)部成因因素是滑坡形成的基礎(chǔ)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(dǎo)致滑坡發(fā)生。
該文提出通過傳遞系數(shù)法及變形預(yù)測(cè)來完成滑坡穩(wěn)定性的全面評(píng)價(jià),兩者的基本原理介紹如下。
3.1.1 傳遞系數(shù)法
根據(jù)《滑坡防治工程勘查規(guī)范》(GB/T 32864—2016)已知傳遞系數(shù)法的詳細(xì)求解過程,該文不再贅述。結(jié)合工程實(shí)際,將其計(jì)算過程中的基本設(shè)定如下。
3.1.1.1 計(jì)算工況設(shè)定
在滑坡穩(wěn)定性計(jì)算過程中,其計(jì)算工況主要有3 個(gè):1)工況1。天然工況。該工況是計(jì)算日常環(huán)境條件下的滑坡穩(wěn)定性。2)工況2。暴雨工況。該工況是計(jì)算降雨條件下的滑坡穩(wěn)定性。3)工況3。地震工況。該工況是計(jì)算地震條件下的滑坡穩(wěn)定性。
3.1.1.2 計(jì)算參數(shù)設(shè)定
結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)鉆探取樣試驗(yàn)結(jié)果及參數(shù)反演,得到滑坡在不同工況條件下的計(jì)算參數(shù),見表1。
表1 滑坡計(jì)算參數(shù)
3.1.1.3 劃分穩(wěn)定狀態(tài)
根據(jù)《滑坡防治工程勘查規(guī)范》(GB/T 32864—2016),設(shè)定滑坡穩(wěn)定狀態(tài)劃分標(biāo)準(zhǔn):當(dāng)穩(wěn)定系數(shù)Fs小于1 時(shí),滑坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)穩(wěn)定系數(shù)Fs為1~1.05 時(shí),滑坡處于欠穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)穩(wěn)定系數(shù)Fs為1.05~1.15 時(shí),滑坡處于基本穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)穩(wěn)定系數(shù)Fs≥1.15 時(shí),滑坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。
3.1.2 變形預(yù)測(cè)模型
變形是滑坡各類影響因素綜合作用的直觀體現(xiàn),因此,通過變形預(yù)測(cè)來評(píng)價(jià)滑坡穩(wěn)定性的發(fā)展趨勢(shì)是可行的。
極限學(xué)習(xí)機(jī)(Extreme Learning Machine,ELM)屬于改進(jìn)型神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),其操作較為簡(jiǎn)單,因此,已被廣泛使用于巖土領(lǐng)域的變形預(yù)測(cè)中,其訓(xùn)練函數(shù)如公式(1)所示。
式中:yj為變形預(yù)測(cè)值;L為隱層節(jié)點(diǎn)數(shù);xi為輸入信息;βi、wi為權(quán)值;g()為激勵(lì)函數(shù);bi為閾值。
在ELM 模型的應(yīng)用過程中,變形數(shù)據(jù)中的噪聲誤差會(huì)增加預(yù)測(cè)結(jié)果的隨機(jī)性,即會(huì)對(duì)預(yù)測(cè)精度造成一定影響,因此,Huang 等[6]提出通過正則化系數(shù)來提高ELM 模型的抗噪聲能力,其處理后的預(yù)測(cè)模型定名為核極限學(xué)習(xí)機(jī)(Kernel Extreme Learning Machine, KELM)。同時(shí),根據(jù)劉盛輝等[7]的研究成果,其權(quán)值和閾值均是隨機(jī)產(chǎn)生的,全局尋優(yōu)能力偏弱,因此,為保證其合理性,再進(jìn)一步提出利用生物地理學(xué)優(yōu)化算法(Biogeography Based Optimization,BBO)對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化處理,其優(yōu)化步驟如圖2 所示。
圖2 BBO 算法的優(yōu)化流程
綜上所述,將滑坡變形預(yù)測(cè)模型確定為BBO-KELM 模型,并通過其預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行滑坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià),如果滑坡后續(xù)變形仍有較大的變形速率,那么其滑坡后續(xù)穩(wěn)定性將減弱;反之,將趨于穩(wěn)定。
3.2.1 傳遞系數(shù)法的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)
采用傳遞系數(shù)法來評(píng)價(jià)滑坡穩(wěn)定性,其主要用于評(píng)價(jià)滑坡穩(wěn)定性的現(xiàn)有特征且在評(píng)價(jià)過程中,對(duì)3 個(gè)剖面均進(jìn)行計(jì)算(剖面分布如圖1 所示),所得結(jié)果見表2。
表2 傳遞系數(shù)法的穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果
由表2 可知,在相應(yīng)工況條件下,3 個(gè)剖面的穩(wěn)定性由高到低的順序?yàn)槠拭?-2'>剖面1-1'>剖面3-3';在相應(yīng)剖面條件下,工況2 的穩(wěn)定性系數(shù)均最小,且都處于欠穩(wěn)定狀態(tài),其次是工況3、工況1,兩者對(duì)應(yīng)穩(wěn)定狀態(tài)為基本穩(wěn)定狀態(tài)。
綜上所述,該滑坡總體處于欠穩(wěn)定~基本穩(wěn)定狀態(tài),即在不利的工況條件下,該滑坡目前存在較大的失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)。
3.2.2 變形預(yù)測(cè)的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)
為掌握滑坡變形特征,在坡體上布置3 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)(具體布置如圖1 所示),經(jīng)過40 d 的變形監(jiān)測(cè),得到變形曲線如圖3 所示。根據(jù)圖3,各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的變形量持續(xù)增加,其中,1#監(jiān)測(cè)點(diǎn)的累計(jì)變形量為114.18 mm,2#監(jiān)測(cè)點(diǎn)的累計(jì)變形量為90.43 mm,3#監(jiān)測(cè)點(diǎn)的累計(jì)變形量為135.89 mm。
圖3 滑坡變形曲線
為進(jìn)一步掌握滑坡變形特征,對(duì)3 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的變形速率特征值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。
1#監(jiān)測(cè)點(diǎn):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(jiān)測(cè)點(diǎn):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(jiān)測(cè)點(diǎn):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(gè)監(jiān)測(cè)的變形速率均有較大的波動(dòng)范圍,變形特征顯著。
其次,按照該文的思路,使用BBO-KELM 模型進(jìn)行滑坡變形預(yù)測(cè)且在該過程中,將前35 期數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練樣本,后5 期數(shù)據(jù)作為驗(yàn)證樣本;經(jīng)統(tǒng)計(jì),得到3 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的預(yù)測(cè)結(jié)果,見表3。根據(jù)表3,在3 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的預(yù)測(cè)結(jié)果中,相對(duì)誤差值均在2%左右,其中,1#監(jiān)測(cè)點(diǎn)的相對(duì)誤差均值為2.03%,2#監(jiān)測(cè)點(diǎn)的相對(duì)誤差均值為2.14%,3#監(jiān)測(cè)點(diǎn)的相對(duì)誤差均值為2.18%;總體來說,滑坡變形預(yù)測(cè)結(jié)果具有較高的預(yù)測(cè)精度,充分驗(yàn)證了BBO-KELM 模型的預(yù)測(cè)能力。
表3 滑坡變形預(yù)測(cè)結(jié)果
對(duì)41~44 期進(jìn)行外推預(yù)測(cè)可知,3 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的累計(jì)變形有持續(xù)增加的趨勢(shì),并按照1#監(jiān)測(cè)點(diǎn)至3#監(jiān)測(cè)點(diǎn)的順序,計(jì)算得到實(shí)測(cè)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(duì)比,可知1#監(jiān)測(cè)點(diǎn)和2#監(jiān)測(cè)點(diǎn)的S2 速率值相對(duì)更大,說明這2 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)后續(xù)有加速變形的特征,3#監(jiān)測(cè)點(diǎn)與之相反,總的來說,滑坡后續(xù)穩(wěn)定性趨于減弱。
由于石古巖后崗滑坡目前已具較弱的穩(wěn)定性且后續(xù)穩(wěn)定性還會(huì)繼續(xù)減弱,因此,對(duì)其防治措施進(jìn)行研究是十分必要的。
筆者結(jié)合滑坡現(xiàn)狀特征,提出“抗滑樁板墻”的防治方案,即在滑坡前緣公路內(nèi)側(cè)修建抗滑樁板墻,其設(shè)計(jì)內(nèi)容如下。
抗滑樁設(shè)計(jì)包括以下3 種樁型:1)A 樁型。設(shè)計(jì)7 根,A1~A7 樁長(zhǎng)8m,錨固段4.0m,自由段4.0m,設(shè)計(jì)截面尺寸為1.0m×1.2m,成樁方式為人工挖孔樁。2)B 樁型。設(shè)計(jì)6根,B1~B6 樁長(zhǎng)7m,錨固段3.5m,自由段3.5m,設(shè)計(jì)截面尺寸為1.0m×1.2m,成樁方式為人工挖孔樁。3)C 樁型,設(shè)計(jì)6 根,C1~C6 樁長(zhǎng)5.5m,錨固段3.0m,自由段2.5m,設(shè)計(jì)截面尺寸為1.0m×1.2m,成樁方式為人工挖孔樁。
擋土板設(shè)計(jì)包括3 種型號(hào)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(shè)置泄水孔6 個(gè),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(shè)置泄水孔5 個(gè),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(shè)置泄水孔3 個(gè),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(xiàn)澆鋼筋混凝土板,所用混凝土等級(jí)為C30,鋼筋均采用HRB400 級(jí)。通過上述防治,旨在保證滑坡穩(wěn)定,避免成災(zāi)損失。
該文通過淺層紅層滑坡的致災(zāi)成因分析及穩(wěn)定性綜合評(píng)價(jià),得到如下3 個(gè)結(jié)論:1)淺層紅層滑坡的致災(zāi)成因因素相對(duì)較多,內(nèi)部成因因素主要包括地形地貌、地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、水文地質(zhì)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(dòng)等。各類影響因素共同作用導(dǎo)致滑坡災(zāi)害發(fā)生。2)通過傳遞系數(shù)法計(jì)算,得出滑坡總體屬于欠穩(wěn)定~基本穩(wěn)定狀態(tài),即在不利的工況條件下,該滑坡目前存在較大的失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn);同時(shí),滑坡累計(jì)變形有持續(xù)增加的趨勢(shì),后續(xù)穩(wěn)定性將趨于減弱。3)結(jié)合滑坡穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果及現(xiàn)場(chǎng)條件,將滑坡防治措施設(shè)定為“抗滑樁板墻”,即在滑坡前緣公路內(nèi)側(cè)修建抗滑樁板墻,保證滑坡的穩(wěn)定性。