中卡滑坡穩(wěn)定性影響因素敏感性分析

羅順林，王海志，楊 柳

(湖北省地質(zhì)局武漢水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊，湖北武漢 430051)

滑坡穩(wěn)定性問題一直是巖土工程的一個重要的研究內(nèi)容，其穩(wěn)定性受到多方面因素的影響，而這些因素又具有其復雜性和不確定性。在一定的地質(zhì)條件下，有些因素對滑坡失穩(wěn)影響較大，而有些則較小，或者說影響因子對滑坡失穩(wěn)的敏感性是不同的。在這些穩(wěn)定性影響因素中，又有哪些因素對滑坡穩(wěn)定性起著至關重要的作用?本文應用定量的分析方法來分析中卡滑坡的影響因素與穩(wěn)定性的相互關系，找出影響滑坡失穩(wěn)的主導因素，在滑坡治理及優(yōu)化設計中就可以有針對性地采取相應的防治措施。因此，穩(wěn)定性影響因素的敏感性分析就顯得尤為重要。

1 滑坡概況及基本地質(zhì)特征

1．1 滑坡概況

中卡滑坡位于四川省石棉縣栗子坪鄉(xiāng)元根村三組，南椏河左側支流中卡溝東北側緩坡地帶，該滑坡始滑于1985年8月雨季，滑坡后部坡體出現(xiàn)了變形裂縫;1997年7月一場暴雨后，滑坡坡體發(fā)生開裂及局部下陷，導致坡體上居民房屋開裂受損，居民搬遷。2008年受汶川“5·12”地震的影響，滑坡出現(xiàn)蠕滑現(xiàn)象，滑坡變形有加劇發(fā)展的趨勢。滑坡失穩(wěn)破壞將直接威脅到坡體下方元根村三組村民的生命財產(chǎn)安全，并對前緣國道造成一定影響。

1．2 滑坡基本特征

中卡滑坡平面形態(tài)為不規(guī)則的長“舌”狀，總體坡向230°。前緣高程1 629．20 ～1 631．30 m;后緣位于山脊緩坡處，高程在1 700 m左右。地面坡度在12°～26°，呈前陡—后緩的形態(tài)?；驴v向長約225 m，橫寬55～100 m，分布面積約 1．9 ×104m2，厚度在 3．40 ～13．5 m 之間，體積約 18．5 ×104m3，屬堆積層土質(zhì)滑坡。工程地質(zhì)剖面見圖1。

滑坡所在山體上部基巖為元古界澄江期花崗巖，中下部基巖為第三系上新統(tǒng)昔格達組泥質(zhì)粉砂巖夾泥巖?；w物質(zhì)來源主要為滑坡后緣及東南側山體的花崗巖和泥質(zhì)粉砂巖夾泥巖風化殘坡積物，成分以褐黃色砂質(zhì)粘土及青灰色粉質(zhì)粘土為主，上部砂質(zhì)粘土呈黃褐色、稍濕，可塑狀，含10% ～25%的花崗巖角礫、碎石，層厚2．70 ～5．30 m，滲透系數(shù)一般為 2．5 ×10-5～5．0×10-4cm/s，透水性弱—中等;下部粉質(zhì)粘土呈青灰色、濕，可塑狀，底部夾含少量砂巖、花崗巖碎石、角礫等，層厚0．50 ～9．50 m，滲透系數(shù)在3．0 ×10-6～1．9×10-5cm/s間，具微—弱透水性。

滑坡中后部滑帶處于粉質(zhì)粘土與基巖交界面處，前緣處于冰水堆積的碎塊石夾粘性土上部，成分為含角礫粉質(zhì)粘土，軟—可塑狀，含15% ～35%的砂巖、泥巖角礫，少數(shù)滑帶粘土具有擠壓揉皺痕跡。

滑床物質(zhì)主要為第三系上新統(tǒng)昔格達組泥質(zhì)粉砂巖夾泥巖及第四系上更新統(tǒng)冰水堆積的碎塊石夾粘性土。

滑坡區(qū)地下水按含水層性質(zhì)、賦存狀態(tài)可分為松散巖類孔隙水、基巖裂隙水二類。賦存于基巖風化帶中的網(wǎng)狀裂隙水及層間裂隙水，受地形、巖性、構造的控制，露頭稀少，水量貧乏。賦存于滑坡堆積層中的孔隙含水層由砂質(zhì)粘土、粉質(zhì)粘土夾碎(塊)石等組成，上部砂質(zhì)粘土結構較松散，加之人為擾動、植物根系、裂縫等影響，透水性較強，局部因地表水滲入易形成上層滯水，在滑坡坡面低洼部位多呈浸潤狀或散滴狀滲出，部分探槽有滲水現(xiàn)象，出水量小?；麦w下部粉質(zhì)粘土透水性微弱，當?shù)叵滤辉诨瑤Ц浇患耙陨蠒r，易形成對上部土體的浸泡，使土體飽和、軟化，降低滑帶土抗剪強度?；露逊e層中孔隙水補給途徑來自大氣降水，其逕流、排泄受滑坡微地貌控制，水位隨季節(jié)變化明顯，變化幅度較大，如遇暴雨或連續(xù)降雨，滑體物質(zhì)在接受大氣降水入滲后，易飽水軟化，力學強度降低，不利滑坡穩(wěn)定。

2 滑坡穩(wěn)定性影響因素及敏感性分析計算原理

2．1 滑坡穩(wěn)定性影響因素

中卡滑坡變形的形成、發(fā)展及其未來的演化有其內(nèi)在因素和外在因素。內(nèi)因包括地形地貌、地層巖性、地質(zhì)構造;外因包括降雨、地下水、地表水的沖刷掏蝕、地震及人類工程活動影響等。通過對滑坡的形成機制及破壞模式分析，中卡滑坡自20世紀80年代活動至今，其變形現(xiàn)象多發(fā)生于雨季，“5·12”汶川特大地震后，滑坡變形也僅表現(xiàn)為裂縫的產(chǎn)生及地表沉降錯動、隆起等，勘查期間未見明顯的發(fā)展趨勢，因此判定滑坡目前處于蠕動變形階段，在天然狀態(tài)下處于穩(wěn)定狀態(tài)，但在暴雨狀態(tài)和持續(xù)降雨情況下，坡體長時間被雨水浸泡，降低滑帶土的抗剪強度，滑坡存在發(fā)生整體或局部滑移破壞的可能。

通過穩(wěn)定性計算分析，中卡滑坡干旱季節(jié)狀態(tài)(無地下水作用)整體穩(wěn)定系數(shù)為1．248，天然狀態(tài)下(考慮地下水作用)整體穩(wěn)定系數(shù)為1．186，20年一遇暴雨狀態(tài)下整體穩(wěn)定系數(shù)為1．010，Ⅷ度設防地震荷載作用下整體穩(wěn)定(不考慮地下水影響)系數(shù)為1．024(詳見參考文獻［1］)。由此可知在強降雨及地震條件作用下，滑坡穩(wěn)定性有較大幅度的降低，而降雨、地震對巖土體的容重、滑帶土的抗剪強度參數(shù)、飽水情況以及地震荷載作用均有較大的影響，因此中卡滑坡主要影響因素包括滑體的容重、滑帶土的抗剪強度參數(shù)(C、φ值)、滑體飽水面積比及地震荷載作用等，本文將主要針對以上影響因素進行其敏感性分析。

2．2 影響因素敏感性分析計算原理

滑坡敏感性分析主要是研究影響滑坡穩(wěn)定性的各因素與相應的穩(wěn)定性系數(shù)之間的相互關系，它由滑坡穩(wěn)定性系數(shù)的相對變化率與各因素的相對變化率之間的比值來進行衡量，即第i個影響因素的敏感度，其表達式如下:

式中:Si為第i個影響因素的敏感度，Si＞0表示評價指標與不確定因素同方向變化，Si＜0表示評價指標與不確定因素反方向變化，|Si|較大者敏感度系數(shù)高;ΔFi為第i個因素對應的穩(wěn)定系數(shù)變化量，ΔFi/F為穩(wěn)定系數(shù)相對變化率;ΔXi為第i個影響因素相對變化量，ΔXi/Xi為影響因素相對變化率。

中卡滑坡穩(wěn)定性影響因素僅評價其敏感性高低，因此敏感度系數(shù)采用絕對值方法表示，將公式(1)轉換為:

其分析原理為:通過現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查、巖土測試，并結合定性分析結果，選取一套基準參數(shù)，采用滑坡規(guī)范［2］中的傳遞系數(shù)法，計算出基準條件下的滑坡穩(wěn)定性系數(shù)，然后將影響因素中的單個參數(shù)在基準值附近變化，而保持其它因子不變，計算此情況下的穩(wěn)定性系數(shù)，最后根據(jù)式(2)求得各因素的敏感度，由敏感度絕對值的大小來判斷該因子對滑坡穩(wěn)定性影響的敏感程度。

3 滑坡穩(wěn)定性影響因素敏感分析

3．1 計算模型、參數(shù)及假設條件

中卡滑坡穩(wěn)定性計算選擇干旱季節(jié)狀態(tài)工況，采用傳遞系數(shù)法(詳見參考文獻［2］)計算出基準穩(wěn)定系數(shù)為1．248，滑坡穩(wěn)定性計算基準參數(shù)取值見表1，計算模型條塊劃分見圖2。

3．2 影響因素敏感性分析

3．2．1 滑體重度的敏感性分析

滑體的重度一般與巖土成分、包含物、含水狀態(tài)等有關，具不均勻性，一般通過現(xiàn)場大容重試驗來綜合確定，但受試驗地點、深度、試坑大小等影響而具有局限性，因此滑體重度的選擇是否合適，也會影響到滑坡穩(wěn)定性計算結果。選取中卡滑坡滑體天然重度基準值19．00(kN/m3)，其他巖土參數(shù)不變，當滑體重度增加0～20%時，計算出對應的穩(wěn)定性系數(shù)。計算結果如圖3、圖4所示。

表1 穩(wěn)定性分析計算基準參數(shù)取值表Table 1 Parameter value of calculation basis of stability analysis

圖2 中卡滑坡穩(wěn)定性計算模型條分圖Fig．2 Slices of calculation model of stability of Zhongka landslide

圖3 滑體重度與穩(wěn)定系數(shù)關系Fig．3 Relation of sliding mass severe and stability coefficient

由圖3可知，重度變化范圍內(nèi)穩(wěn)定性系數(shù)呈微凹的曲線變化。當滑體重度從基準狀態(tài)增大10%時，穩(wěn)定性系數(shù)降低約2．8%，根據(jù)式(2)求得對應重度的敏感度Sγ=0．280 4;隨著重度增加，穩(wěn)定性系數(shù)變化量減小，敏感度降低，如圖4。

圖4 滑體重度與敏感度關系Fig．4 Relation of sliding mass severe and sensitivity

3．2．2 滑體飽水面積比的敏感性分析

中卡滑坡基準工況(干旱季節(jié)狀態(tài))下其飽水面積比為0(滑坡剖面上滑體飽水面積與滑體面積之比)，隨著降雨的發(fā)生，地表水下滲入滑體內(nèi)，使部分滑體達到飽和，增大了巖土體的自重，降低了土的抗剪強度，不利于滑坡的穩(wěn)定。為了簡化分析，滑體飽和僅考慮滑體自重增加，滑體飽水面積比從無水狀態(tài)—飽水狀態(tài)的變化范圍為0～1．0，穩(wěn)定性及敏感度計算結果如圖5、圖 6。

由圖5可知，在滑體飽水面積比從無水狀態(tài)—整體飽水狀態(tài)的變化范圍內(nèi)(0～1．0)，穩(wěn)定性系數(shù)呈線形變化。當滑體飽水面積比從基準狀態(tài)的0增大10%時(飽水面積比0．1)，穩(wěn)定性系數(shù)降低約0．08%，對應的滑體飽水面積比的敏感度Ss=0．008。由圖6可知，敏感度隨滑體飽水面積比呈平直線變化，滑體飽水面積比變化對中卡滑坡的穩(wěn)定性不會產(chǎn)生顯著的影響。

圖5 滑體飽水面積比與穩(wěn)定系數(shù)關系Fig．5 Relation of area ratio of saturated water of sliding mass and stability coefficient

圖6 滑體飽水面積比與敏感度關系ig．6 Relation of area ratio of saturated water of sliding mass and sensitivity

3．2．3 滑帶土抗剪強度參數(shù)敏感性分析

滑帶巖土體的抗剪強度參數(shù)包括粘聚力C值及內(nèi)摩擦角φ值。

(1)粘聚力C值敏感性分析。中卡滑坡滑帶土粘聚力基準值取22 kPa，對滑坡敏感性分析成果見圖7、圖8。

圖7 粘聚力C值變化率與穩(wěn)定系數(shù)關系Fig．7 Relation of change rate of C value and stability coefficient

由圖7、圖8可知，當滑帶土粘聚力C值在-20%～0范圍內(nèi)變化時，滑坡穩(wěn)定性系數(shù)呈近似線形變化。當滑帶土粘聚力從22 kPa減少10%時，其穩(wěn)定性系數(shù)降低約3．12%，敏感度呈曲線增大至0．312 5;隨著C值繼續(xù)減少，其穩(wěn)定系數(shù)仍然呈線形降低，而敏感度則呈凹曲線降低，敏感度Sc在0．312 5～0．308 5間。由此可知，滑帶土粘聚力對中卡滑坡的穩(wěn)定性敏感度雖然有一定的變幅，但總體呈增大趨勢，最大可達0．312 5，對滑坡穩(wěn)定性影響明顯。

圖8 粘聚力C值變化率與敏感度關系Fig．8 Relation of change rate of C value and sensitivity

(2)內(nèi)摩擦角φ值敏感性分析。中卡滑坡滑帶土內(nèi)摩擦角基準值取15．5°，對滑坡敏感性分析成果見圖9、圖10。

圖9 內(nèi)摩擦角φ值變化率與穩(wěn)定系數(shù)關系Fig．9 Relation of change rate of φ value and stabilty coefficient

圖10 內(nèi)摩擦角φ值變化率與敏感度關系Fig．10 Relation of change rate of φ value and sensitivity

由圖9、圖10可知，當滑帶土內(nèi)摩擦角φ值在-20%～0范圍內(nèi)變化時，滑坡穩(wěn)定性系數(shù)呈近似線形變化。當滑帶土內(nèi)摩擦角從15．5°降低10%時，其穩(wěn)定性系數(shù)降低約7．29%，敏感度Sφ呈微凹曲線降低，一般在0．737 2～0．729 2間;隨著內(nèi)摩擦角φ值繼續(xù)降低，穩(wěn)定系數(shù)呈線形降低，敏感度呈微凸曲線降低至0．721 2。由此可知，中卡滑坡滑帶土內(nèi)摩擦角對滑坡的穩(wěn)定性影響明顯，隨著φ值降低，敏感度略有降低，但其值一般 ＞0．721 2。

綜上分析可知，中卡滑坡滑帶土抗剪強度參數(shù)中，內(nèi)摩擦角φ值敏感度一般＞0．721 2，粘聚力C值敏感度一般在0．304 5～0．312 5間，由此可知內(nèi)摩擦角對滑坡穩(wěn)定性的影響比粘聚力對滑坡穩(wěn)定性的影響要敏感得多。

3．2．4 地震荷載作用敏感性分析

中卡滑坡受2008年汶川特大地震影響，其變形有加劇發(fā)展的趨勢，因此，該滑坡需考慮地震荷載作用對滑坡穩(wěn)定性的影響，為了簡化模型，地震荷載作用僅考慮滑塊上的水平荷載作用，不考慮垂直荷載作用的影響。按地震設防為6、7、8度來模擬地震荷載作用，其水平地震系數(shù)分別取 0．05、0．10(0．15)、0．20。計算結果如圖11、圖12所示。

圖11 水平地震力系數(shù)與穩(wěn)定系數(shù)關系Fig．11 Relation of horizontal earthquake coefficient and stability coefficient

圖12 水平地震力系數(shù)與敏感度關系Fig．12 Relation of horizontal earthquake coefficient and sensitivity

由圖11、圖12可知，當水平地震力系數(shù)在0～0．30范圍內(nèi)變化時，滑坡穩(wěn)定性系數(shù)隨其呈下滑曲線降低。當水平地震力系數(shù)從0增大0．10時，穩(wěn)定性系數(shù)近似呈線形降低約7．69%，敏感度Sk呈微凹曲線降低，一般在0．801 3～0．769 2間;當水平地震力系數(shù)繼續(xù)增大到0．20時，穩(wěn)定性系數(shù)亦呈線形降低，敏感度Sk呈微凹曲線降低至0．721 2。由此可知，隨著水平地震力系數(shù)的增大，滑坡穩(wěn)定性系數(shù)呈線形下降，且敏感度總體呈降低趨勢，其值一般＞0．721 2。

3．3 滑坡穩(wěn)定性敏感因素綜合分析

綜上所述，中卡滑坡在擬定條件范圍內(nèi)，滑體重度對穩(wěn)定性的敏感度Sγ一般在0．256 4～0．288 5;滑體飽水面積比對穩(wěn)定性的敏感度Ss為0．008;內(nèi)摩擦角φ值對穩(wěn)定性的敏感度Sφ一般在0．721 2～0．737 2;粘聚力C值對穩(wěn)定性的敏感度Sc一般在0．304 5～0．308 5;水平地震力系數(shù)對穩(wěn)定性敏感度Sc在0．721 2～0．801 3間。其中水平地震力系數(shù)對中卡滑坡穩(wěn)定性影響最大，其次為內(nèi)摩擦角φ值、粘聚力C值及滑體重度，滑體飽水面積比對穩(wěn)定性影響很小。對于滑體重度，可以通過現(xiàn)場調(diào)查及測試來獲得較為精準的數(shù)值，其相對變化對穩(wěn)定性的影響將減小。因此，影響中卡滑坡穩(wěn)定性因子主要為水平地震力系數(shù)及滑帶土內(nèi)摩擦角(φ)、粘聚力(C)，這與實際調(diào)查中滑坡變形主要受降雨及地震因素影響的結論基本一致?？紤]到滑帶土抗剪強度參數(shù)主要受降雨入滲和滑帶土飽水程度的影響，所以滑坡防治工程設計中，需重點考慮滑帶土飽水的情況，應選擇不利工況下的推力作為防治工程設計的依據(jù)。同時還應考慮地震對滑坡穩(wěn)定性的影響，可在結構設計中予以充分考慮。

4 結論

通過對中卡滑坡穩(wěn)定性影響因素的敏感性分析，得出以下結論:

(1)中卡滑坡滑帶土內(nèi)摩擦角(φ)、粘聚力(C)因子與穩(wěn)定性系數(shù)呈近直線形遞增變化;水平地震力系數(shù)(K)因子、滑體重度(γ)、滑體飽水面積比(S)與穩(wěn)定性系數(shù)呈近直線形遞減變化。

(2)中卡滑坡按因素敏感度從大到小依次為水平地震力系數(shù)(K)、滑帶土內(nèi)摩擦角(φ)、滑帶土粘聚力(C)、滑體重度(γ)、滑體飽水面積比(S)。其中滑體飽水面積比對穩(wěn)定性的影響不顯著，滑體重度可以通過調(diào)查及測試得出較精準的數(shù)值，對穩(wěn)定性的影響將變得較小，因此，影響中卡滑坡穩(wěn)定性因子主要為水平地震力系數(shù)及滑帶土內(nèi)摩擦角(φ)、粘聚力(C)，與實際調(diào)查中滑坡變形主要受降雨及地震因素影響的結論基本一致。

(3)考慮到抗震設防區(qū)域內(nèi)水平地震力系數(shù)將為一常量，其敏感度將不會出現(xiàn)較大變化，滑坡勘查設計時其準確參數(shù)將易于獲取。因而對滑坡穩(wěn)定性影響顯著的因素則為滑帶土抗剪強度指標值的選取，勘查設計時應多方面分析，主要是滑體水文地質(zhì)條件與滑帶土軟化條件變化分析，以獲取較準確的抗剪強度指標值，降低因指標值選擇不合理對滑坡穩(wěn)定性計算的影響。

本文在對滑坡穩(wěn)定性影響因素敏感性分析時，考慮的是單因素的敏感度，沒有考慮各因素之間相互關聯(lián)對其穩(wěn)定性的影響;其次因滑坡地表荷載及地下水位變化受到很多因素的制約，也未將地下水變化幅度對滑坡穩(wěn)定性影響列入本次分析范圍;僅對影響作用較大，最為常見，并且易于獲取的影響因素進行了分析，在今后的工作中可以考慮進行因素間有交互作用時的分析，提高滑坡穩(wěn)定系數(shù)的計算精度。

［1］ 羅順林，董艷平．石棉縣中卡滑坡應急勘察報告［R］．武漢:武漢地質(zhì)工程勘察院，2010．

［2］ 中華人民共和國國土資源部．滑坡防治工程勘查規(guī)范:DZ/T 0218—2006［S］．北京:中國標準出版社，2006．

(責任編輯:于繼紅)