巖體結(jié)構(gòu)控制下的邊坡穩(wěn)定性多因素敏感性分析

李 揚(yáng)，楊繼紅，劉漢東

(華北水利水電學(xué)院，鄭州 450011)

水庫邊坡的穩(wěn)定性研究對確保水利水電工程的建設(shè)及正常運(yùn)營具有重要意義，其穩(wěn)定性受諸多內(nèi)外因素的影響［1］。在邊坡穩(wěn)定性評價(jià)中，敏感性分析是對影響邊坡穩(wěn)定性的因素進(jìn)行檢查和分析，確定影響邊坡穩(wěn)定性的最敏感或較敏感因素，從而使邊坡監(jiān)測更有針對性，使治理設(shè)計(jì)更安全、可靠和經(jīng)濟(jì)［2］。目前在邊坡穩(wěn)定性的敏感性分析中，廣泛應(yīng)用的是傳統(tǒng)的單因素分析方法，但該方法存在明顯的局限性。因需假定其中一個(gè)因素變化，而其它因素保持不變，而在實(shí)際中，單一因素發(fā)生變化的情況是很少的，故此假設(shè)往往與實(shí)際情況不符［3］。對此，筆者采用正交敏感性分析方法，對影響某水庫工程邊坡穩(wěn)定性的控制性結(jié)構(gòu)面——斷層 F11與 F6，7，8的黏聚力和摩擦角(c、φ)進(jìn)行敏感性分析及顯著性檢驗(yàn)，從而為該邊坡的穩(wěn)定性評價(jià)提供合理、可靠的依據(jù)。

1 邊坡巖體參數(shù)正交試驗(yàn)

正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)(Orthogonal experimental design)是研究多因素、多水平對象的一種設(shè)計(jì)方法。它是根據(jù)正交性，從全面試驗(yàn)中挑選出部分有代表性的點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)，這些有代表性的點(diǎn)具備了“整齊可比、均衡分散”的特點(diǎn)，因而是一種高效、快速、經(jīng)濟(jì)的試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，在很多領(lǐng)域的研究中已得到了廣泛應(yīng)用［4-5］。在邊坡穩(wěn)定性分析計(jì)算中，利用正交數(shù)值試驗(yàn)原理，設(shè)計(jì)參數(shù)的正交組合，進(jìn)行邊坡的穩(wěn)定性計(jì)算，從而確定了設(shè)計(jì)參數(shù)對穩(wěn)定性的影響大小。

1.1 邊坡正交試驗(yàn)與設(shè)計(jì)水平

巖體邊坡的穩(wěn)定性主要取決于巖體的力學(xué)與變形特性。由于不同的巖體參數(shù)變異性有所不同，為了減小計(jì)算工作量，正交試驗(yàn)參數(shù)主要考慮變異性較大的巖體參數(shù)。本文將巖體黏聚力 c、內(nèi)摩擦角 φ選作試驗(yàn)參數(shù)，并對每一參數(shù)選取三個(gè)值，即三個(gè)試驗(yàn)水平，用以研究巖體參數(shù)與邊坡穩(wěn)定性之間的關(guān)系。

1.2 正交試驗(yàn)穩(wěn)定性分析

確定了試驗(yàn)變量和設(shè)計(jì)水平，就確定了相應(yīng)的正交試驗(yàn)表。下一步建立邊坡穩(wěn)定性計(jì)算模型，也就是根據(jù)正交試驗(yàn)表中所確定每一次試驗(yàn)方案(即不同設(shè)計(jì)水平參數(shù)的組合)進(jìn)行計(jì)算分析。四因素三水平的正交試驗(yàn)僅需進(jìn)行9次數(shù)值分析，即可獲得全部的正交試驗(yàn)分析結(jié)果。

2 龜頭山巖體邊坡穩(wěn)定性影響因素分析

某水庫，位于沁河中游太行山峽谷段的南端，以防洪為主，兼顧供水、發(fā)電等綜合利用，是黃河下游防洪工程體系的主要組成部分。根據(jù)構(gòu)造形跡，左壩肩的斷層帶和褶皺束既影響著龜頭山體的穩(wěn)定又可能引起水庫的繞壩滲漏問題。其中，有兩條斷層起決定性作用:F11逆掩斷層、F6，7，8斷層帶，見圖 1。

2.1 結(jié)構(gòu)面分級

巖體結(jié)構(gòu)控制論認(rèn)為巖體變形破壞主要受結(jié)構(gòu)面控制，或者說巖體穩(wěn)定性是受結(jié)構(gòu)面控制的。按照谷德振［6］的觀點(diǎn)，從規(guī)模上及其對巖體穩(wěn)定性起的作用出發(fā)，可將結(jié)構(gòu)面分為5級(見表1)。

圖1 龜頭山地質(zhì)構(gòu)造示意

表1 結(jié)構(gòu)面分級［6］

2.2 壩址區(qū)Ⅱ級結(jié)構(gòu)面發(fā)育情況

根據(jù)表1中的結(jié)構(gòu)面分級和巖體結(jié)構(gòu)控制論的思想，對于壩址區(qū)山體或邊坡巖體的穩(wěn)定性，主要受控于Ⅱ級結(jié)構(gòu)面:斷層 F11和五廟坡斷層帶 F6，7，8。

F11逆掩斷層走向 300°～310°，傾向 SW，傾角 15°～27°，最大傾角達(dá)51°。斷層面呈舒緩波狀，斷距5～30 m。斷層帶寬度0.5～2.0 m，組成物質(zhì)可分兩個(gè)帶，即斷層泥帶和壓碎巖帶。泥帶厚1～10 cm，為含角礫的斷層泥，遇水軟化，分布不連續(xù);壓碎巖帶厚0.4～1.9 m，為碎裂的片麻巖夾構(gòu)造透鏡體，擠壓緊密。在垂向上，高程190～210 m以下，斷層局部分成三個(gè)破裂面，傾角分別為 23°、20°、15°，以 23°為主斷裂面。在斷層兩盤，往往發(fā)育有拖曳褶皺及羽狀剪節(jié)理。

五廟坡斷層帶 F6，7，8(圖 1)規(guī)模最大，對山體或邊坡的穩(wěn)定性起著控制作用而且分布在主體工程部位，與建庫關(guān)系密切。五廟坡斷層帶主要由 F6、F7、F8三條近東西向的階梯狀正斷層組成，斷塊北升南降。斷層產(chǎn)狀:F6走向 270°，傾向 S，傾角 50°～80°;F7走向270°～280°，傾向 S 或 SW，傾角 60°～87°;F8走向270°～280°，傾向 S或 SW，傾角45°～60°。斷層走向、傾向穩(wěn)定，但傾角在不同高程上變化較大，一般上陡下緩，破碎帶在剖面上呈上寬下窄的楔形體。在破碎帶中，除上述三條斷層外，還發(fā)育兩組次一級小斷裂:一組是與主斷層產(chǎn)狀一致的高角度正斷層;另一組是向北緩傾的俯沖式正斷層，走向270°～300°，傾向 N或NW，傾角10°～30°。因此五廟坡斷層帶，是由很多斷裂面與巖層層面錯(cuò)綜交匯組合的破碎巖體。五廟坡斷層帶寬度6～70 m，帶內(nèi)各斷層相距較近，破碎帶互相聯(lián)為一體，寬度大小受F6、F7、F8三條主斷層在水平或垂直方向撒開或收斂所控制。破碎帶組成物質(zhì)為散體結(jié)構(gòu)的斷層泥、含泥角礫(泥和角礫帶一般厚1.00～2.75 m)及碎塊巖。

2.3 參數(shù)選取

根據(jù)可研報(bào)告提供的相關(guān)資料，可以確定龜頭山邊坡各層巖土體的初始計(jì)算參數(shù)如表2所示，F(xiàn)11與F6，7，8的抗剪強(qiáng)度參數(shù)設(shè)計(jì)水平取值如表3所示。

表2 龜頭山各層巖土體初始計(jì)算參數(shù)表

表3 F11與 F6，7，8的抗剪強(qiáng)度參數(shù)表

2.4 計(jì)算模型

穩(wěn)定性分析選擇剛體極限平衡法中的Morgensterprice法［7］，該方法有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，可用于評價(jià)各種類型邊坡的穩(wěn)定性，如圓弧滑動(dòng)、非圓弧面滑動(dòng)、平面滑動(dòng)和楔形體滑動(dòng)等復(fù)雜剖面的巖質(zhì)邊坡。Morgensterprice法有力學(xué)概念清晰、適用面廣、操作簡單的優(yōu)點(diǎn)，與此同時(shí)能分析各種特殊結(jié)構(gòu)對邊坡穩(wěn)定性的影響，且比較全面、客觀地反映各種控制邊坡穩(wěn)定性因素的作用。采用軟件Geoslope建立計(jì)算模型如圖2所示。

圖2 二壩線剖面二維極限平衡分析模型

2.5 計(jì)算結(jié)果與分析

按照四因素三水平正交試驗(yàn)表 L9(34)，斷層 F11與斷層帶F6，7，8強(qiáng)度參數(shù)的正交試驗(yàn)結(jié)果及計(jì)算結(jié)果如表4所示。對表4中9個(gè)不同的組合進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算，得到穩(wěn)定安全系數(shù)Fs。將各個(gè)因素相同水平的試驗(yàn)結(jié)果求平均值，極差是在各水平的平均值中由最大值減去最小值求得。極差大說明此因子的不同水平產(chǎn)生差異較大，是重要因子。由表中極差Rj一行可知，斷層F11的內(nèi)摩擦角對邊坡穩(wěn)定性的影響最大，其次為斷層帶 F6，7，8的內(nèi)摩擦角，斷層帶 F6，7，8的黏聚 力 與 斷層F11黏聚力對邊坡穩(wěn)定性影響較小。各參數(shù)的敏感性排序?yàn)?φ1＞φ2＞c2＞c1。

表4 F11與 F6，7，8的強(qiáng)度參數(shù)的正交試驗(yàn)結(jié)果

3 結(jié)論

根據(jù)壩址區(qū)主要Ⅱ級結(jié)構(gòu)面的發(fā)育特征，通過地質(zhì)分析表明對巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性起控制作用的兩個(gè)結(jié)構(gòu)面是斷層 F11和斷層帶 F6，7，8?；谡辉囼?yàn)設(shè)計(jì)理論和極限平衡方法，進(jìn)行了邊坡穩(wěn)定性影響因素敏感性分析，得出斷層F11的內(nèi)摩擦角對邊坡穩(wěn)定性的影響最大，其次為斷層帶 F6，7，8的內(nèi)摩擦角，而斷層帶 F6，7，8的黏聚力與斷層F11的黏聚力對邊坡穩(wěn)定性影響較小。

［1］羅紅明，唐輝明，胡斌.考慮地震力的剛體極限平衡法及其工程應(yīng)用［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2007，26(增 1):3590-3595.

［2］張萬濤，余宏明.正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法在庫岸滑坡敏感性分析中的應(yīng)用［J］.安全與環(huán)境工程，2009(5):13-16.

［3］王益萍，周榮超.基于正交試驗(yàn)的邊坡穩(wěn)定性參數(shù)敏感性分析［J］.鹽城工學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2007(12):67-69.

［4］王愷忱，朱起茂，張止端.黃河流平衡縱剖面問題的探討［C］//第二次河流泥沙國際學(xué)術(shù)討論會(huì)論文集.北京:水利電力出版社，1983:620-627.

［5］賈紹鳳，陸中臣.沿程淤積與溯源淤積的概念與數(shù)學(xué)模型［J］.地理學(xué)報(bào)，1992(2):157-164.

［6］李毓瑞，古迅，宋玉環(huán).谷德振文集［M］.北京:地震出版社，1994:262-263.

［7］王四巍，劉海寧，劉漢東.黃河下游堤防邊坡多因素敏感性分析［J］.人民黃河，2009(7):18-20.