岸坡穩(wěn)定性影響因子分析及權重確定

陳將宏,宛良朋,李建林,金 晶,曹 毅

(1.三峽大學三峽庫區(qū)地質災害教育部重點實驗室,湖北宜昌443002；2.中國三峽建設管理有限公司烏東德工程建設部,四川成都610000；3.中工武大設計研究有限公司,湖北武漢430000)

岸坡穩(wěn)定性影響因子分析及權重確定

陳將宏1,宛良朋2,李建林1,金 晶1,曹 毅3

(1.三峽大學三峽庫區(qū)地質災害教育部重點實驗室,湖北宜昌443002；2.中國三峽建設管理有限公司烏東德工程建設部,四川成都610000；3.中工武大設計研究有限公司,湖北武漢430000)

庫水和雨水長期反復滲入和滲出嚴重影響三峽庫區(qū)滑坡體的穩(wěn)定性。為研究不同庫水升降速率和不同降雨強度下滑坡局部穩(wěn)定性和整體穩(wěn)定變化,將降雨、庫水位升降、巖土體抗剪強度參數(shù)、容重等因素作為影響岸坡穩(wěn)定的主要因素進行敏感性分析；各主要因素權重的獲取不再通過工程經驗或專家打分,而是在工程本身地質模型分析基礎上,通過不同因子對滑坡穩(wěn)定性的敏感性來定義的。量化分析得到滑體和滑帶巖土體材料強度對滑坡穩(wěn)定的控制作用,實現(xiàn)了對三峽庫區(qū)庫岸邊坡穩(wěn)定的客觀評價。

庫岸邊坡；穩(wěn)定分析；主控因素；誘發(fā)因素；權重

0 引 言

邊坡穩(wěn)定性綜合評價系統(tǒng)適用范圍頗廣,在各行各業(yè)都得以應用,尤其是對水電工程壩肩邊坡以及各類巖土質邊坡穩(wěn)定性評價起到很好的指導作用。在權重方面有以下研究方法：根據(jù)理論和大量實測資料對比分析建立每個指標的權重比值[1]；分析邊坡的工程地質條件,確定指標權重比值[2]；綜合運用專家評分法和王家鼎公式法確定各評價因子的權重[3]；基于有限元分析的邊坡穩(wěn)定性模糊評判方法,對評判因素進行擴寬和修正的同時,通過有限元模型分析,選取適當?shù)膮⒄樟?將部分因素的影響進行定量處理,從而確定這些因素的權重[4-5]；運用層次分析法確定評價指標的權重比[6]。運用因子敏感性分析結果,將敏感度作為因子權重確定依據(jù),引用到模糊評判系統(tǒng)中,對庫岸邊坡穩(wěn)定性進行評判的研究相對較少[7-12]。

本文以三峽庫區(qū)庫岸邊坡白水河滑坡為例,在敏感性分析的基礎上,對評價系統(tǒng)的4大要素(降雨、庫水位升降、巖土體抗剪強度參數(shù)、容重)中權重的獲取方式進行一系列的探討。不同之處在于：權重的獲取不再是通過工程經驗或專家打分,而是在工程本身的地質模型的分析的基礎上,通過不同因子對滑坡穩(wěn)定性的敏感性來定義的；權重不再是某個因子的固定權重,因子對滑坡穩(wěn)定性影響大小受環(huán)境改變而改變。最重要的是,從不同滑坡狀態(tài)研究滑坡的穩(wěn)定性,體現(xiàn)出滑坡在不同時間上的穩(wěn)定狀態(tài)；從滑坡淺層和深層研究滑坡的穩(wěn)定性,體現(xiàn)滑坡在空間上的穩(wěn)定狀態(tài),有利于全面了解滑坡抵御災害的能力,以期對實際工程有一定的指導作用。

1 岸坡穩(wěn)定性影響因子分析及權重確定方法

1.1 庫岸邊坡穩(wěn)定性敏感性分析

庫岸堆積體邊坡穩(wěn)定性影響因素較多,且各因素的影響程度也不一樣,有必要通過計算,確定穩(wěn)定安全系數(shù)與有關因素之間的關系,確定最敏感的因素。本文將降雨、庫水位升降、巖土體抗剪強度參數(shù)、容重等作為主要因素進行敏感性分析。通過敏感度排序,為實際工程建設前期穩(wěn)定性評估和后期穩(wěn)定性監(jiān)測預報及加固提供指導。

邊坡敏感性分析是研究影響邊坡穩(wěn)定的各因素與相應的穩(wěn)定性系數(shù)之間的相關關系,由邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)的相對變化率與各因素的相對變化率的比值來衡量。第i個影響因素的敏感度Si可表示為

(1)

式中,Fs為安全系數(shù)；xi為第i個影響因素。

1.2 評價因素敏感度與權重的轉化

各項因素在對邊坡穩(wěn)定性的影響中所起作用的大小及重要性不同,綜合評判時應對各因素賦予權重。目前,常用定性的德爾菲專家評分法、定量數(shù)據(jù)統(tǒng)計處理的主成分分析法、定性與定量相結合層次分析法來確定模糊綜合評判的因子權重。在傳統(tǒng)評價因素及權重的基礎上,對可進行敏感性分析的因子,如粘聚力、內摩擦角、容重、降雨和庫水升降速率等,按層次進行分類,通過敏感度的比值,綜合確定各評價因素的一級權重Ai,計算公式如下

(2)

2 工程背景

2.1 地質背景及邊坡破壞模式

三峽庫區(qū)位于長江上游的宜昌三斗坪至重慶的江津市間,干流總長約690 km,干流控制面積5 500 km2,主要支流控制面積3 200 km2。庫區(qū)所處的地貌單元為中國三大階梯形地貌的第二階梯的東緣,以奉節(jié)為界。東部為以中山特征為主體的鄂西地區(qū),長江三峽位于該區(qū),以峽谷為主,屬侵蝕溶蝕與侵蝕剝蝕地貌；西部為以低山丘陵特征為主體的四川盆地東緣,以寬谷為主,屬侵蝕(局部溶蝕)剝蝕地貌。三峽地區(qū)廣泛發(fā)育有層狀地貌,是地殼大面積隆升的產物,發(fā)育有三級夷平面和五級階地以及與之對應的層狀溶洞。

三峽庫區(qū)區(qū)域構造分區(qū)與地質災害分區(qū)具有一致性,主要表現(xiàn)為：第一,作為三大構造地質單元的分界點或交匯點的奉節(jié),同樣是三峽庫區(qū)地質災害一級分區(qū)界線,奉節(jié)向西坡體結構發(fā)生巨大變化,地質災害類型、破壞形式與東部差別巨大,分屬不同的坡體演化階段；第二,區(qū)域構造樣式對滑坡類型的演化起到明顯的控制作用；第三,同時受局部構造樣式影響,在局部地段庫岸的演化具有一定的方向性,地質災害的發(fā)生及擴展具有一定的方向性演化規(guī)律。

2.2 白水河滑坡

2.2.1 地質條件

本文以白水河滑坡為研究對象。白水河滑坡位于長江南岸,謝家包背斜北翼,原始斜坡為中傾順向坡(坡角26°～28°),其后緣高程為410 m,以基巖與松散堆積物為界,前緣抵長江；東西兩側以基巖山脊為界,總體坡度約26°～28°。滑體平均厚度約30 m,體積1 820×104m3,坡體屬順向坡結構20°,屬深層大型土質滑坡。

白水河滑坡破壞過程大致經歷了風化階段(形成殘坡積層)、局部蠕動階段、局部破壞階段和整體滑動階段。從坡體結構以及巖土體組合特征分析,滑坡上部斜坡坡角與巖層傾角相近,以殘坡積堆積為主,層理構造清楚,但連續(xù)性已經遭受破壞,滑體上部滑移距離有限,表明滑坡上部仍然處于一種逐漸發(fā)展階段,至今還沒有發(fā)生較大規(guī)模的滑動破壞,尚未真正成為滑坡體的組成部分,有必要對滑坡體局部穩(wěn)定和沿滑帶滑移的可能性進行研究。白水河滑坡平面及監(jiān)測點布置見圖1。

圖1 白水河滑坡平面及監(jiān)測點布置

白水河滑坡出露地層為侏羅系下統(tǒng)香溪組(J1x)黃綠、灰黃色粉砂巖、砂質頁巖、石英砂巖,夾炭質頁巖和煤層,巖層產狀為15°～20°∠30°～35°?；w主要是第四系(Q4)崩坡積的碎石、塊石、角礫和粉質粘土,結構密實。滑帶主要為含碎石、角礫的粉質粘土,呈灰黑、灰黃、褐黃或綠灰色,可塑～軟塑狀,碎石、角礫成分為砂巖或泥巖,呈次圓狀～次棱角狀。白水河滑坡工程地質剖面見圖2[13]。

表1 白水河滑坡滑體、滑帶材料的物理力學指標

圖2 白水河滑坡工程地質剖面

2.2.2 后期變形特征分析

2006年10月至2009年2月滑坡累計水平位移-庫水位-月降雨量關系見圖3[14]。由圖3可知,滑坡在庫水周期性循環(huán)作用下總體位移曲線為階梯狀,呈逐漸增長趨勢,高程170 m監(jiān)測點XD- 03變形最大。整體上,滑坡變形與庫水位變化和降雨之間均存在必然相關性。

圖3 各監(jiān)測點累計水平位移-庫水位-降雨量關系

3 邊坡穩(wěn)定性影響因素及致災因子分析

3.1 初始力學參數(shù)

白水河滑坡滑體、滑帶材料的物理力學指標見表1。

3.2 敏感性分析工況

確定了初始力學參數(shù)后,利用軟件GEO-Studio中的SEEP/W模塊建模,取庫岸邊坡在靜水和動水2種狀態(tài)下各因子的敏感性作為綜合評價系統(tǒng)中各因子權重確定的依據(jù)。在靜態(tài)水位工況下,參考三峽庫區(qū)水位變化及相關水庫調度方案,主要考慮175、162 m和145m等3種庫水位分別計算浸潤線,浸潤線以下巖土體為飽和材料。在影響因素的敏感性分析中,主要考慮滑體和滑帶材料的粘聚力c、內摩擦角φ、容重γ這3個內在因素,以及降雨、庫水位升降變化這2個外在因素。其中,庫水位變化速率為0.2～2 m/d,梯度為0.2 m/d。庫水升降模擬方式為：依據(jù)初始地下水水位模擬穩(wěn)定滲流場,以軟件自帶的等效應力方式來模擬庫水的升降；降雨強度Q為15～105 mm/d,梯度為10 mm/d,考慮連續(xù)5 d降雨中,取其中最小的安全系數(shù)。

表2 各種工況下的敏感因子敏感度

穩(wěn)定性狀態(tài)分為局部穩(wěn)定(自動搜索滑帶)和整體穩(wěn)定性(深層指定滑帶)。對主要影響因素進行敏感性分析,并對不同工況下,各因素的敏感性進行排序,比較致災因子的影響程度,為邊坡穩(wěn)定性評價提供參考。

3.3 敏感性分析結果

3.3.1 靜態(tài)水位工況

白水河滑坡各種工況下因子敏感度分析結果見表2。從表2可知：

(1)滑坡淺層局部穩(wěn)定性受滑帶和滑體材料強度控制。其中,滑帶材料強度控制作用比滑體大,內摩擦角φ控制作用大于粘聚力c。

(2)滑坡深層整體穩(wěn)定性主要受滑帶材料強度的控制。其中,內摩擦角φ控制作用約是粘聚力c的4倍。

(3)滑帶材料對滑坡整體穩(wěn)定的控制作用較局部穩(wěn)定高。容重γ對滑坡淺層穩(wěn)定的影響小于深層,隨著水位的升高,容重γ的影響逐漸加大：涉水巖體受水的滲入,巖體達到飽和,強度變弱,對滑坡體支撐作用減弱；巖體容重γ改變時,容易打破整個體系力的平衡,導致失穩(wěn)。

(4)隨著庫水位的上升,在淺層穩(wěn)定敏感性分析中,降雨強度敏感度一直減小；在深層敏感性分析中,降雨強度敏感度先增加后減小。

(5)175 m水位時,滑移剪出口在170 m高程處,與監(jiān)測點XD- 03變形最大相互印證。

(6)隨著庫水位的升高,滑坡潛在的破壞概率逐漸增加,且潛在滑裂面向上部發(fā)展,主要體現(xiàn)在滑移剪出口高程和后緣拉裂面高程范圍的加大及深度的加深上。庫水位對滑坡穩(wěn)定的影響是主要的。

3.3.2 評價因素敏感度與權重的轉化

白水河滑坡有6種計算工況,每種工況下,各評價因子有不同的敏感度。根據(jù)式(2)計算得到一級權重(見表3)。

表3 不同工況下評價因子一級權重

從表3可知,不同工況下,各因子對邊坡穩(wěn)定性發(fā)揮的作用不一,對工程支護起到一定的指導意義。不同庫水位下,主控因素對滑坡整體穩(wěn)定和局部穩(wěn)定的控制作用變化不大；而庫水位變化速率與降雨對滑坡穩(wěn)定性的誘發(fā)作用受初始庫水位影響較大,低水位時,降雨對滑坡穩(wěn)定的誘發(fā)作用大；高水位時,庫水位下降速率對滑坡穩(wěn)定性的誘發(fā)作用大。

4 結 語

本文在不同工況下,對導致滑坡失穩(wěn)的5個主要影響因素進行敏感性分析,歸一化后得到各因素的敏感性權重,得出以下結論：

(1)通過局部穩(wěn)定和整體穩(wěn)定敏感性分析,可以得出不同因子在滑坡穩(wěn)定中的重要程度。滑帶材料強度影響局部穩(wěn)定和整體穩(wěn)定,在實際工程中,應重點加強材料的內摩擦角,并加強監(jiān)測。

(2)靜態(tài)工況和動態(tài)工況滑坡穩(wěn)定敏感性分析結果對比分析可知,白水河滑坡為降雨敏感型滑坡；高水位時,為庫水敏感型滑坡。

(3)對參與評價的因素進行分類,并根據(jù)各因素對邊坡穩(wěn)定的敏感度的不同,進行一級權重賦值,符合層次分析的原理,較傳統(tǒng)經驗分配法更具說服力。

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(責任編輯 楊 健)

Influencing Factor Analysis and Weight Determination for Slope Stability

CHEN Jianghong1, WAN Liangpeng2, LI Jianlin1, JIN Jing1, CAO Yi3

(1. Key Laboratory of Geological Hazards on Three Gorges Reservoir Area, Ministry of Education,China Three Gorges University, Yichang 443002, Hubei, China; 2. Department of Wudongde Project Construction,China Three Gorges Construction Management Co., Ltd., Chengdu 610000, Sichuan, China;3. Camce Whu Design and Research Co., Ltd., Wuhan 430072, Hubei, China)

The stability of landslides in Three Gorges Reservoir area is seriously influenced by long-term repeated infiltration and seepage of reservoir water and rainfall. In order to study the local stability and global stability of landslides under different reservoir water-lifting speed and rainfall intensity, the factors of rainfall intensity, reservoir water-lifting speed, rock and soil shear strength parameters and bulk density are taken as the main factors which affecting the stability of landslides for sensitivity analysis. The weight of each main factor are defined on the basis of the sensitivity of different factor on the stability of landslide which based on the analysis of geological model of project, but no longer gained by engineering experience or expert scoring. The quantitative analyses of sliding body and sliding zone material strength on landslide stability are finally obtained, which achieves the objective evaluation of slope stability in Three Gorges Reservoir area．

reservoir slope; stability analysis; main control factor; inducing factor; weight

2016- 08- 18

水利部公益性行業(yè)科研專項經費項目(201401029)；國家自然科學基金資助項目(51439003,51309141)

陳將宏(1979—),男,湖北武漢人,講師,博士研究生,主要從事防災減災工程和巖土工程的研究工作；宛良朋(通訊作者)．

TU457(263)

A

0559- 9342(2017)03- 0034- 04