摘 要：為全面掌握邊坡穩(wěn)定狀態(tài)，結(jié)合邊坡基本信息及災(zāi)害發(fā)育特征等，先通過畢肖普法開展邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)，再利用變形預(yù)測(cè)思路分析邊坡穩(wěn)定性的發(fā)展規(guī)律。分析結(jié)果表明，在天然狀態(tài)下，邊坡穩(wěn)定系數(shù)范圍為1.021～1.154，處于欠穩(wěn)定～穩(wěn)定狀態(tài)；在飽和狀態(tài)下，邊坡穩(wěn)定系數(shù)范圍為0.942～1.058，處于不穩(wěn)定～基本穩(wěn)定狀態(tài)。同時(shí)，經(jīng)變形預(yù)測(cè)，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的后續(xù)增加速率均不同程度的大于現(xiàn)階段速率。因此，邊坡變形仍會(huì)進(jìn)一步增加，無收斂特征，即邊坡穩(wěn)定性后續(xù)還會(huì)進(jìn)一步減弱，建議盡快開展邊坡防治處理。

關(guān)鍵詞：邊坡；畢肖普法；BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；變形預(yù)測(cè)；穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

中圖分類號(hào)：P 642 " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

為滿足工程建設(shè)需要，在其施工過程中會(huì)形成一定規(guī)模的邊坡，如果不及時(shí)采取處理，受卸荷影響，會(huì)引發(fā)崩塌失穩(wěn)等災(zāi)害，嚴(yán)重威脅區(qū)內(nèi)居民的生命財(cái)產(chǎn)安全。因此，開展邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義[1-2]。目前，已有不少相近研究，艾國海等[3]利用數(shù)值模擬探究了邊坡穩(wěn)定性。高錫良等[4]綜合多種方法開展了邊坡穩(wěn)定性分析，并提出了相應(yīng)的加固措施。何云等[5]探究了多種分析方法在巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)中的適用性。綜上所述，開展邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)具有十分重要的意義，但限于邊坡所處地質(zhì)條件差異，仍有結(jié)合具體工程實(shí)際開展相應(yīng)研究的必要性。因此，本文以實(shí)際邊坡為工程背景，先通過畢肖普法開展邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)，再利用變形預(yù)測(cè)思路分析邊坡穩(wěn)定性的發(fā)展規(guī)律，以期為其后續(xù)防治奠定理論基礎(chǔ)。

1 工程概況

1.1 邊坡基本信息

本次研究邊坡位于南平市下屬某縣，其成因是由前緣房屋修建造成的，具有約47m的高差；在該邊坡開挖過程中，大致按4～5級(jí)開挖，其中，北段邊坡各級(jí)邊坡坡度約50°～60°，各分級(jí)邊坡高差約5m～19m，平臺(tái)寬度約0.5m～1m，局部平臺(tái)寬度為10m；南段邊坡各級(jí)邊坡坡度約55°～65°，各分級(jí)邊坡高差約5m～12m，平臺(tái)寬度約0.5m～2m。

受持續(xù)降雨影響，邊坡共發(fā)生6處崩塌（編號(hào)B01～B06），其形成歷史如下。1）2010年6月，受連續(xù)強(qiáng)降雨影響，北段邊坡及中部溝谷下方發(fā)生3處崩塌（B01、B02、B03），均為巖質(zhì)崩塌，崩塌體主要成分為砂土狀強(qiáng)風(fēng)化云母片巖，均未造成人員傷亡，崩塌體亦未清理。2）2016年5月，受連續(xù)強(qiáng)降雨影響，南段邊坡下部再次發(fā)生3次崩塌（B04、B05、B06），均為巖質(zhì)崩塌，崩塌體主要成分為砂土狀強(qiáng)風(fēng)化云母片巖，也未造成人員傷亡，但崩塌體已清理。

該邊坡主要威脅坡腳入駐企業(yè)建筑及員工生命安全，潛在經(jīng)濟(jì)損失約2300萬，且由《滑坡防治工程勘查規(guī)范》（GB/T 32864—2016），該邊坡防治工程等級(jí)為二級(jí)。

由勘查資料，邊坡區(qū)屬剝蝕殘丘地貌單元，后山山脊線總體呈東—西向延展，總體地勢(shì)呈東高西低；場(chǎng)地位于山脊殘丘西側(cè)坡腳，坡面地形起伏變化不大，自然地形坡度20°～35°，局部達(dá)40°以上。在地層巖性方面，場(chǎng)地內(nèi)分布的巖土體類型從上到下分別為崩積層、素填土、坡殘積黏性土、全風(fēng)化云母片巖、砂土狀強(qiáng)風(fēng)化云母片巖和碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化云母片巖。

1.2 災(zāi)害發(fā)育特征

該邊坡開挖形成后，6處崩塌特征見表1。B01～B06的崩塌方向基本一致，均是西北向，其高度范圍為3.5m～16.0m，寬度范圍為6.0m～25.0m，厚度范圍為0.5m～1.0m，崩塌方量間于10m3～400m3。

同時(shí)，上述6個(gè)崩塌的主要成分均為砂土狀強(qiáng)風(fēng)化云母片巖，屬小型巖質(zhì)崩塌。

1.3 災(zāi)害物質(zhì)組成特征

根據(jù)鉆探資料，崩塌體、崩塌后緣壁的特征如下。1）崩塌體。崩塌體主要由砂土狀強(qiáng)風(fēng)化云母片巖及碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化云母片巖組成，因此該崩塌屬巖質(zhì)崩塌。根據(jù)崩塌的組成物質(zhì)及崩塌場(chǎng)地的地質(zhì)環(huán)境分析，出現(xiàn)崩塌的上方斜坡均存有砂土狀強(qiáng)風(fēng)化云母片巖，可視為崩塌的物質(zhì)來源。2）崩塌后緣壁。崩塌后壁位于砂土狀強(qiáng)風(fēng)化云母片巖，崩塌后壁高約3m～16m，寬度約6m～25m，后緣壁坡度約50°～60°。

2 邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

2.1 現(xiàn)狀坡體整體穩(wěn)定性分析

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查及訪問，擬治理點(diǎn)后山自然斜坡未發(fā)現(xiàn)裂縫，但坡腳陡坡坡面植被不發(fā)育，整體坡面裸露且存在沖蝕溝現(xiàn)象；同時(shí)，根據(jù)地質(zhì)測(cè)繪及野外鉆探顯示，該場(chǎng)地邊坡表層土體為坡殘積黏性土，其下為云母片巖風(fēng)化層，現(xiàn)狀坡體整體未發(fā)現(xiàn)明顯變形跡象，整體處于基本穩(wěn)定狀態(tài)。

2.2 現(xiàn)狀坡體局部穩(wěn)定性分析

根據(jù)調(diào)查及訪問，場(chǎng)地由于早期開發(fā)建設(shè)時(shí)開挖形成的邊坡，邊坡高陡，受強(qiáng)降雨影響局部段發(fā)生小規(guī)模崩塌災(zāi)害，崩塌體主要為砂土狀強(qiáng)風(fēng)化云母片巖，綜合判斷現(xiàn)狀邊坡局部地段處于不穩(wěn)定狀態(tài)。

2.3 邊坡穩(wěn)定性定量分析

2.3.1 評(píng)價(jià)方法的構(gòu)建

根據(jù)《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》（GB 50330—2013），本文提出利用畢肖普法開展邊坡穩(wěn)定性計(jì)算，如公式（1）所示。

Fs=∑{[cibi+（Wi-uibi）tanφi]/mi}/[∑Wisinai+∑Qiei/R] （1）

式中：Fs為穩(wěn)定系數(shù)；ci為黏聚力；bi為條塊長度；Wi為條塊質(zhì)量；ui為條塊水壓力；φi為條塊內(nèi)摩擦角；mi為計(jì)算系數(shù)；ai為條塊傾角；Qi為條塊水平作用力；ei為條塊法向應(yīng)力；R為滑面半徑。

在計(jì)算參數(shù)方面，滑體土天然重度為18.5kN/m3，飽和重度為19.6kN/m3；滑帶土天然狀態(tài)下的黏聚力為26.85kPa，內(nèi)摩擦角為23.51°，飽和狀態(tài)下的黏聚力為24.06kPa，內(nèi)摩擦角為21.40°。

計(jì)算剖面共計(jì)設(shè)計(jì)3個(gè)，即1-1'剖面、2-2'剖面和3-3'剖面，計(jì)算工況包括天然工況和飽和狀態(tài)。

2.3.2 穩(wěn)定性評(píng)價(jià)結(jié)果

根據(jù)2.1節(jié)思路，計(jì)算得到3個(gè)剖面的穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果見表2。在天然狀態(tài)下，邊坡穩(wěn)定系數(shù)范圍為1.021～1.154，處于欠穩(wěn)定～穩(wěn)定狀態(tài)；在飽和狀態(tài)下，邊坡穩(wěn)定系數(shù)范圍為0.942～1.058，處于不穩(wěn)定～基本穩(wěn)定狀態(tài)。對(duì)比不同剖面的計(jì)算結(jié)果，2-2’剖面的穩(wěn)定程度相對(duì)最差，存在極大的失穩(wěn)可能。

在上述定量穩(wěn)定性分析條件下，進(jìn)一步定性評(píng)價(jià)邊坡穩(wěn)定性發(fā)展趨勢(shì)，其評(píng)價(jià)結(jié)果為2022年以來有加劇的趨勢(shì)，如果不加以治理，隨著坡體巖土層進(jìn)一步受沖刷和風(fēng)化程度加劇，其坡面表層巖土將逐漸進(jìn)入加速發(fā)展階段，極易產(chǎn)生更大范圍的地質(zhì)災(zāi)害，潛在崩塌的面積約5000m2，潛在崩塌土體體積約8000m3，潛在滑坡的面積約1000m2，潛在滑坡土體體積約2000m3，危險(xiǎn)性大，嚴(yán)重威脅坡腳已入駐企業(yè)全體員工的生命財(cái)產(chǎn)安全，潛在經(jīng)濟(jì)損失約2300萬。

3 邊坡變形預(yù)測(cè)分析

根據(jù)第2節(jié)分析結(jié)果，邊坡穩(wěn)定性偏弱，為進(jìn)一步評(píng)價(jià)其穩(wěn)定性的發(fā)展規(guī)律，本文提出通過變形預(yù)測(cè)進(jìn)行分析，如果邊坡變形后續(xù)趨于不利，那么其穩(wěn)定性也將趨于減弱；同時(shí)，由于2-2'剖面的穩(wěn)定性相對(duì)最弱，因此，在其上布設(shè)了3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，分別位于2-2'剖面上部、中部和下部，自上而下的編號(hào)為2-1#、2-2#和2-3#監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

3.1 變形預(yù)測(cè)方法構(gòu)建

根據(jù)以往研究[6-7]，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在邊坡變形預(yù)測(cè)中具有較好的適用性，因此，提出采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)此文實(shí)例的變形預(yù)測(cè)。根據(jù)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)原理，其訓(xùn)練思路如下：將輸入值由輸入層輸入，經(jīng)隱層轉(zhuǎn)換、映射，并將隱層輸出結(jié)果轉(zhuǎn)入輸出層，以輸出預(yù)測(cè)值；當(dāng)預(yù)測(cè)值不滿足要求時(shí)，根據(jù)預(yù)測(cè)誤差反向調(diào)整權(quán)值、閾值，并重新進(jìn)行正向訓(xùn)練輸出。

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練輸出值yj如公式（2）所示。

（2）

式中：f（）為訓(xùn)練函數(shù)；N為隱層個(gè)數(shù)；wj為權(quán)值；qk為閾值。

按照訓(xùn)練處理，即可得到相應(yīng)的預(yù)測(cè)值，再結(jié)合期望值開展預(yù)測(cè)誤差E的計(jì)算，如公式（3）所示。

（3）

式中：dk為期望值；n為訓(xùn)練樣本數(shù)。

當(dāng)預(yù)測(cè)誤差E值不滿足要求時(shí)，就利用Newton法反向調(diào)整權(quán)值、閾值參數(shù)，其調(diào)整過程如公式（4）所示。

ΔW=（JTJ+uI）-1JTE （4）

式中：W為調(diào)整的權(quán)值或閾值參數(shù)；I為迭代矩陣；J為雅可比矩陣；u為調(diào)整矩陣。

為進(jìn)一步提升預(yù)測(cè)效果，再提出通過粒子群算法（Particle Swarm Optimization，PSO）進(jìn)一步優(yōu)化權(quán)值、閾值的調(diào)整過程[8-9]，其優(yōu)化流程如下。1）對(duì)粒子種群進(jìn)行初始化處理，將種群粒子個(gè)數(shù)設(shè)計(jì)為500個(gè)，權(quán)值或閾值的調(diào)整區(qū)間為[0.05，0.85]，迭代次數(shù)最大值為700次。2）以預(yù)測(cè)誤差的絕對(duì)值為適宜度函數(shù)，初步計(jì)算各粒子的適宜度值，并對(duì)比篩選初步最優(yōu)的粒子，在此基礎(chǔ)上，不斷調(diào)整粒子位置和速度，重新計(jì)算粒子的適應(yīng)度值；將重新計(jì)算的粒子適宜度值與全局最優(yōu)粒子的適應(yīng)度值進(jìn)行對(duì)比，以實(shí)現(xiàn)全局最優(yōu)粒子的篩選處理。3）當(dāng)滿足最大迭代次數(shù)后，將全局最優(yōu)粒子對(duì)應(yīng)權(quán)值、閾值調(diào)整參數(shù)輸出即可。

根據(jù)上述，將優(yōu)化后的參數(shù)調(diào)整如公式（5）所示。

（5）

式中：wmax、wmin為權(quán)值或閾值的調(diào)整上、下限；tmax為迭代次數(shù)最大值；t為迭代次數(shù)。

根據(jù)上述，將邊坡變形預(yù)測(cè)模型最終確定為PSO-BP。

結(jié)合以往經(jīng)驗(yàn)，將相對(duì)誤差Xt作為預(yù)測(cè)精度評(píng)價(jià)指標(biāo)，如公式（6）所示。

Xt=（Kt-Yt）/Kt （6）

式中：Yt為變形預(yù)測(cè)值；Kt為變形實(shí)測(cè)值。

由Xt的計(jì)算原理可知，其值越小越好，即Xt值越小，預(yù)測(cè)精度越高。

3.2 變形預(yù)測(cè)結(jié)果

在邊坡變形監(jiān)測(cè)過程中，監(jiān)測(cè)頻率為1d/次，共計(jì)得到35期變形數(shù)據(jù)，所得監(jiān)測(cè)成果見表3。隨監(jiān)測(cè)時(shí)間持續(xù)，2-1#、2-2#和2-3#監(jiān)測(cè)點(diǎn)的變形值均呈增加的趨勢(shì)后，變形量已分別達(dá)51.01mm、42.22mm和48.93mm，初步判斷邊坡穩(wěn)定性趨于不利，且對(duì)3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的變形速率特征參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得到2-1#的變形速率范圍為0.11mm/d～3.50mm/d，均值為1.46mm/d；2-2#的變形速率范圍為0.07mm/d～2.73mm/d，均值為1.21mm/d；2-3#的變形速率范圍為0.08mm/d～4.60mm/d，均值為1.40mm/d，即邊坡變形具有較大的波動(dòng)增加規(guī)律。

在邊坡變形預(yù)測(cè)過程中，由3.1節(jié)可知其預(yù)測(cè)模型為PSO-BP，為驗(yàn)證PSO對(duì)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化效果，以2-1#監(jiān)測(cè)點(diǎn)為例，對(duì)比分析其優(yōu)化前后的預(yù)測(cè)效果，其預(yù)測(cè)結(jié)果見表4。在32～35期的驗(yàn)證結(jié)果中，PSO-BP的Xt值均不同程度的小于BP的Xt值，且前者的Xt均值為2.06%，后者的Xt均值為2.81%，因此，充分說明PSO對(duì)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化處理能有效預(yù)測(cè)精度，即該文預(yù)測(cè)思路是合理、有效的。

利用PSO-BP綜合開展2-1#、2-2#和2-3#監(jiān)測(cè)點(diǎn)的變形預(yù)測(cè)，其結(jié)果見表5。2-1#監(jiān)測(cè)點(diǎn)的Xt均值為2.06%，2-2#監(jiān)測(cè)點(diǎn)的Xt均值為2.08%，2-3#監(jiān)測(cè)點(diǎn)的Xt均值為2.02%，三者的預(yù)測(cè)精度相當(dāng)，進(jìn)一步說明PSO-BP在邊坡變形預(yù)測(cè)中還具有較強(qiáng)的穩(wěn)健性。

為掌握邊坡變形的發(fā)展規(guī)律，將33～35期的變形速率均值作為現(xiàn)階段的速率特征參數(shù)S1，36～38期的變形速率均值作為后續(xù)發(fā)展的速率特征參數(shù)S2，通過2個(gè)特征參數(shù)的對(duì)比來評(píng)價(jià)邊坡后續(xù)穩(wěn)定狀態(tài)。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，得到2-1#、2-2#和2-3#監(jiān)測(cè)點(diǎn)的S1值依次為1.20mm/d、1.11mm/d和1.45mm/d，

S2值依次為1.26mm/d、1.44mm/d和1.91mm/d；通過對(duì)比，3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的S2值均不同程度的大于其S1值，說明邊坡后續(xù)變形將會(huì)持續(xù)增加，即后續(xù)變形趨于不利，其穩(wěn)定性也將趨于減弱，建議盡快開展其防治處理。

4 結(jié)語

通過變形預(yù)測(cè)的邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)得出主要結(jié)論如下。1）受持續(xù)降雨影響，邊坡發(fā)育較多的崩塌災(zāi)害，共計(jì)發(fā)育有6處崩塌，發(fā)育方向均是西北向，高度范圍為3.5m～16.0m，寬度范圍為6.0m～25.0m，厚度范圍為0.5m～1.0m，崩塌方量間于10m3～400m3；同時(shí)，結(jié)合勘查成果，崩塌體主要由砂土狀強(qiáng)風(fēng)化云母片巖及碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化云母片巖組成，現(xiàn)場(chǎng)變形特征也較為顯著。2）經(jīng)穩(wěn)定性計(jì)算，邊坡在天然狀態(tài)下處于欠穩(wěn)定～穩(wěn)定狀態(tài)，在飽和狀態(tài)下處于不穩(wěn)定～基本穩(wěn)定狀態(tài)，即在不利工程條件下的失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)較大；同時(shí)，在邊坡穩(wěn)定性發(fā)展趨勢(shì)方面，2022年以來有加劇的趨勢(shì)，如果不加以治理，極易產(chǎn)生更大范圍的地質(zhì)災(zāi)害，潛在危險(xiǎn)性大，嚴(yán)重威脅坡腳已入駐企業(yè)全體員工的生命財(cái)產(chǎn)安全，潛在經(jīng)濟(jì)損失約2300萬。3）由邊坡變形監(jiān)測(cè)成果可知，在35d時(shí)間內(nèi)，邊坡變形已達(dá)42.22mm～51.01mm，且持續(xù)增加特征較明顯，再經(jīng)變形預(yù)測(cè)，得出邊坡變形仍會(huì)持續(xù)增加，其后增加速率范圍為1.26mm/d～1.91mm/d，均大于現(xiàn)階段的變形速率特征值，因此，邊坡穩(wěn)定性也將進(jìn)一步減弱，總體趨于不利，建議盡快開展該邊坡防治處理。

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