爆破振動(dòng)作用下節(jié)理巖體邊坡變形破壞因素敏感性分析

范新宇，張 爭(zhēng)，陳國將，楊天俊

(中國電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,西安 710065)

0 前 言

巖體變形破壞往往會(huì)造成重大的財(cái)產(chǎn)損失及人員傷亡，研究影響巖體穩(wěn)定的主次因素，可為其支護(hù)及治理提供重要的參考[1-2]。在巖體影響因素敏感性分析方面，國內(nèi)外專家學(xué)者進(jìn)行了諸多研究，朱維申[3]等早期針對(duì)黃河拉西瓦水電站地下廠房，采用單因素分析法，對(duì)節(jié)理巖體參數(shù)與破損區(qū)關(guān)系進(jìn)行敏感性分析，結(jié)果表明強(qiáng)度參數(shù)對(duì)破損區(qū)范圍影響最大，內(nèi)摩擦角的影響比粘聚力更大；申艷君[4]等針對(duì)大崗山水電站地下廠房，選取5個(gè)指標(biāo)進(jìn)行敏感性分析，結(jié)果表明變形模量對(duì)圍巖變形影響較大；陳源等[5]在分析柏堡滑坡變形影響因素基礎(chǔ)上，選取5個(gè)指標(biāo)，通過正交設(shè)計(jì)方法進(jìn)行分析，結(jié)果表明，內(nèi)摩擦角和降雨量對(duì)邊坡穩(wěn)定影響最大。以上專家學(xué)者對(duì)巖體破壞因素進(jìn)行分析，取得了諸多有意義的成果，根據(jù)研究[6-8]，正交試驗(yàn)與灰關(guān)聯(lián)分析相結(jié)合的方法較為適合多因素敏感性分析，但巖體變形破壞的因素眾多，不同地質(zhì)環(huán)境下巖體破壞因素及模式不盡相同，因此對(duì)具體工程進(jìn)行分析時(shí)，其重點(diǎn)為合理確定巖體變形破壞影響因素。

本文在分析老撾某水電站溢洪道邊坡穩(wěn)定的影響因素基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)工程師的判斷，確定巖體重度、結(jié)構(gòu)面粘聚力、內(nèi)摩擦角為影響邊坡巖體穩(wěn)定的內(nèi)因，施工區(qū)爆破振動(dòng)作用為主要外部影響因素，針對(duì)爆破作用難以量化的問題，基于擬靜力法將爆破作用轉(zhuǎn)化為加速度參與邊坡穩(wěn)定計(jì)算，利用正交試驗(yàn)方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行交互處理，對(duì)交互結(jié)果進(jìn)行灰關(guān)聯(lián)分析，通過關(guān)聯(lián)度結(jié)果確定影響邊坡穩(wěn)定的主次因素，為類似邊坡工程設(shè)計(jì)及治理提供參考。

1 敏感性分析的基本原理

敏感性分析的基本思路為：根據(jù)工程實(shí)際合理確定影響因素，將各因素量化為區(qū)間值，因素區(qū)間等分為數(shù)個(gè)水平值，利用正交試驗(yàn)表對(duì)各因素水平值并進(jìn)行交互組合，計(jì)算各試驗(yàn)組合的穩(wěn)定系數(shù)，根據(jù)灰關(guān)聯(lián)理論，計(jì)算各因素對(duì)穩(wěn)定性系數(shù)的關(guān)聯(lián)度，依據(jù)關(guān)聯(lián)度大小進(jìn)行敏感性排序。分析流程如圖1所示。

圖1 敏感性分析流程

由上述步驟可知，最關(guān)鍵的步驟為正交設(shè)計(jì)及灰關(guān)聯(lián)分析，其基本理論如下。

1.1 正交設(shè)計(jì)

正交設(shè)計(jì)是研究多因素問題的一種方法，它基于正交設(shè)計(jì)表，把各因素參數(shù)范圍等分為幾個(gè)水平值，對(duì)水平值進(jìn)行重新排列，形成新的參數(shù)組合，從而進(jìn)行多因素評(píng)價(jià)。根據(jù)以往研究，正交設(shè)計(jì)可以用較少的試驗(yàn)組合反映較全面的問題，并實(shí)現(xiàn)較高的精度，且可對(duì)非線性問題進(jìn)行分析，因此在巖土領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[8]。

正交設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是選取合適的試驗(yàn)表[9]，正交試驗(yàn)表記作Ln(qs)，其中n為設(shè)計(jì)試驗(yàn)次數(shù)；q為變量取值范圍內(nèi)數(shù)據(jù)均勻分段的個(gè)數(shù)；s為列的個(gè)數(shù)。利用正交試驗(yàn)表Ln(qs)對(duì)各因素水平值進(jìn)行重新組合，計(jì)算各項(xiàng)組合下邊坡穩(wěn)定系數(shù)，便可通過灰關(guān)聯(lián)法分析各因素水平值的變化對(duì)邊坡穩(wěn)定系數(shù)的影響程度。

1.2 灰關(guān)聯(lián)分析

設(shè)矩陣X為邊坡穩(wěn)定性影響因素集合，集合X中包含n個(gè)因素，根據(jù)正交設(shè)計(jì)，每個(gè)因素中劃分q個(gè)水平值；集合Y為評(píng)價(jià)指標(biāo)，本次分析中即為邊坡穩(wěn)定性系數(shù)。數(shù)列X、Y可用下列矩陣形式表示：

Y=[Y1,Y2,…,Yq]

(2)

1.2.1數(shù)據(jù)均值化處理

為消除量綱影響，利用公式(3)對(duì)各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行均值化處理，使其變?yōu)榭杀容^的無量綱數(shù)據(jù)[10-11]：

1.2.2敏感性分析

設(shè)矩陣Δij有如下關(guān)系：

|Δij|的最大值和最小值可表示為：

Δmax=max(Δij)

Δmin=min(Δij)

(5)

則Xi對(duì)Y在k點(diǎn)的關(guān)聯(lián)系數(shù)可表示為：

其中，η為分辨系數(shù)，一般取0.5。

Xi對(duì)Y關(guān)聯(lián)度可以表示為：

以上各公式中，Xi為影響因素，Y為評(píng)價(jià)指標(biāo)，即邊坡穩(wěn)定系數(shù)，利用公式(4)～(7)可得各項(xiàng)因素對(duì)穩(wěn)定系數(shù)的關(guān)聯(lián)度，關(guān)聯(lián)度處于區(qū)間[0,1]，關(guān)聯(lián)度越接近1，表明該因素與穩(wěn)定性系數(shù)關(guān)系越大，該指標(biāo)對(duì)邊坡穩(wěn)定越敏感，反之敏感性小[2]。

2 工程實(shí)例分析

2.1 工程概況

某在建水電站位于老撾萬象省，壩高210m，壩型為面板堆石壩，電站總裝機(jī)容量480MW。該電站溢洪道邊坡開挖揭露巖性為片麻巖，坡體范圍內(nèi)無斷層通過。塌滑主要發(fā)生于高程549.00～589.00m，塌滑區(qū)范圍內(nèi)主要發(fā)育2組裂隙：①J1:NE18°∠70°，與邊坡斜交，裂隙寬度0.1～0.3cm，充填巖屑及泥質(zhì)，延伸長度15～20m；②J2:SW250°∠44°，與邊坡傾向近似，傾角緩于坡腳，裂隙寬度0.1～0.5cm，充填巖屑及泥質(zhì)，延伸長度約15m。

該溢洪道邊坡已開挖成型1a時(shí)間，邊坡發(fā)生破壞時(shí)，附近溢洪道底板正采用爆破方式開挖。高程549.00～569.00m邊坡開挖坡比3∶1，高程569.00～589.00m邊坡開挖坡比1∶1，邊坡坡面傾向SW274°，塌滑區(qū)地質(zhì)縱剖面如圖2所示。

圖2 溢洪道左邊坡塌滑區(qū)地質(zhì)剖面

由于塌滑區(qū)邊坡處于溢洪道泄流雨霧區(qū)，其穩(wěn)定性對(duì)后續(xù)溢洪道功能的正常發(fā)揮至關(guān)重要，因此研究影響邊坡穩(wěn)定的主次因素，并對(duì)高敏因素處理，是保證邊坡后續(xù)穩(wěn)定的關(guān)鍵。

2.2 影響因素分析

(1) 結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度參數(shù)(粘聚力、內(nèi)摩擦角)：根據(jù)以往研究[4]，邊坡失穩(wěn)可歸結(jié)為剪切破壞問題，巖質(zhì)邊坡往往受結(jié)構(gòu)面控制，因此結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度對(duì)邊坡穩(wěn)定影響較大。

(2) 容重：根據(jù)極限平衡理論，當(dāng)下滑力大于抗滑力，即γVsinα> γVcosα×tgφ+cL時(shí)，邊坡會(huì)發(fā)生失穩(wěn)，可以看出，容重包含于下滑力和抗滑力中，其對(duì)邊坡穩(wěn)定影響重大。

(3) 爆破振動(dòng)：由于邊坡下部溢洪道底板采用爆破方式開挖，爆破振動(dòng)作用會(huì)使結(jié)構(gòu)面張開，弱化結(jié)構(gòu)面的膠結(jié)作用，進(jìn)而降低巖體及結(jié)構(gòu)面的抗剪強(qiáng)度，因此爆破作用對(duì)邊坡穩(wěn)定影響較大，但其難點(diǎn)在于如何將爆破振動(dòng)因素量化并引入邊坡穩(wěn)定性計(jì)算當(dāng)中。

2.3 振動(dòng)加速度計(jì)算

爆破振動(dòng)作用對(duì)邊坡穩(wěn)定的影響較為復(fù)雜，為簡(jiǎn)化分析，可采用擬靜力法，將爆破振動(dòng)作用力等效為施加于邊坡上的外力(靜力)，從而利用剛體極限平衡法求解邊坡穩(wěn)定。根據(jù)相關(guān)學(xué)者的研究成果[12-13]，擬靜力法各項(xiàng)參數(shù)可用公式(8)表達(dá)：

式中:x為質(zhì)點(diǎn)位移，m；A為振幅，m；V為振動(dòng)速度，m/s；a為振動(dòng)加速度，m/s2；f為振動(dòng)主頻，Hz。其中，f及V可通過現(xiàn)場(chǎng)爆破振動(dòng)測(cè)試獲得。

溢洪道底板采用爆破方式開挖，溢洪道邊坡與爆破施工區(qū)距離15～30m，利用以上公式并結(jié)合爆破振動(dòng)測(cè)試成果，算得節(jié)理邊坡振動(dòng)加速度在0.20～0.36g之間。

2.4 正交試驗(yàn)計(jì)算

根據(jù)前文分析，選取巖體容重、結(jié)構(gòu)面粘聚力、內(nèi)摩擦角、爆破振動(dòng)加速度4項(xiàng)指標(biāo)作為該邊坡穩(wěn)定性主要影響因素，邊坡巖體及結(jié)構(gòu)面參數(shù)范圍值如表1所示。

表1 參數(shù)取值范圍

采用正交設(shè)計(jì)表可實(shí)現(xiàn)對(duì)4因素3水平值的交互組合分析， 正交試驗(yàn)如表2所示，試驗(yàn)水平值劃分如表3所示。

表2 正交設(shè)計(jì)

利用表2對(duì)各因素水平值進(jìn)行組合，可得9組正交試驗(yàn)參數(shù)，通過Swedge軟件對(duì)9組參數(shù)進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算，得到相應(yīng)的穩(wěn)定性系數(shù)Fs，正交試驗(yàn)組合及評(píng)價(jià)指標(biāo)Fs計(jì)算結(jié)果如表4所示。

表3 各因素水平值

表4 正交試驗(yàn)影響因素組合及計(jì)算結(jié)果

2.5 灰關(guān)聯(lián)分析計(jì)算

根據(jù)表4正交試驗(yàn)結(jié)果，將4個(gè)影響因素作為子序列，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)Fs作為母序列，計(jì)算各項(xiàng)因素與穩(wěn)定系數(shù)Fs之間的關(guān)聯(lián)度。為消除量綱因素的影響，計(jì)算前應(yīng)對(duì)各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行均值化處理，均值化處理后的數(shù)據(jù)如表5所示；根據(jù)公式(4)～(7)，各項(xiàng)影響因素對(duì)穩(wěn)定系數(shù)的關(guān)聯(lián)度計(jì)算結(jié)果如表6所示。

2.6 敏感性分析

由表6關(guān)聯(lián)度計(jì)算結(jié)果可知，4項(xiàng)影響因素與邊坡穩(wěn)定均有一定關(guān)聯(lián)，其中振動(dòng)加速度與Fs關(guān)聯(lián)度最大，其次為結(jié)構(gòu)面內(nèi)摩擦角和粘聚力，各項(xiàng)指標(biāo)的敏感性排序?yàn)椋赫駝?dòng)加速度>內(nèi)摩擦角>粘聚力>容重。

表5 數(shù)據(jù)的均值化處理結(jié)果

表6 關(guān)聯(lián)度計(jì)算結(jié)果

通過對(duì)影響邊坡穩(wěn)定的4項(xiàng)因素進(jìn)行敏感性分析，認(rèn)為該邊坡變形破壞是內(nèi)因和外因共同作用的結(jié)果。由于施工爆破對(duì)邊坡的影響是長期、累加的，因此若要保證后續(xù)邊坡穩(wěn)定，需加強(qiáng)施工爆破的控制，以降低爆破振動(dòng)作用對(duì)邊坡的不利影響。根據(jù)計(jì)算分析結(jié)果，邊坡結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度指標(biāo)對(duì)邊坡穩(wěn)定也有重要影響，應(yīng)采取一定的工程處理措施，增強(qiáng)邊坡結(jié)構(gòu)面的抗剪強(qiáng)度，及時(shí)對(duì)坡表及馬道進(jìn)行封閉處理，防止雨水滲入巖體降低結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度。該研究方法可為類似工況下節(jié)理巖體邊坡的治理提供一定的參考。

3 結(jié) 論

在分析邊坡影響因素基礎(chǔ)上，運(yùn)用正交設(shè)計(jì)試驗(yàn)及灰關(guān)聯(lián)分析法，針對(duì)老撾某在建水電站溢洪道邊坡，進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性影響因素的敏感性分析，可得如下結(jié)論：

(1) 爆破振動(dòng)作用對(duì)邊坡穩(wěn)定影響最大，其次為結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，容重對(duì)邊坡穩(wěn)定影響最小，敏感性排序?yàn)椋罕普駝?dòng)作用>內(nèi)摩擦角>粘聚力>容重。

(2) 基于正交試驗(yàn)，對(duì)各項(xiàng)邊坡影響因素進(jìn)行交互組合，通過灰關(guān)聯(lián)法分析邊坡影響因素的敏感性，2種理論分析方法相互結(jié)合，減少了計(jì)算次數(shù)，提高了計(jì)算效率，使分析結(jié)果更為可靠。

(3) 鑒于爆破振動(dòng)作用及結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度對(duì)邊坡穩(wěn)定影響較大，控制爆破振動(dòng)影響、提高結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度是保證該邊坡穩(wěn)定的重要前提，后續(xù)施工過程中，應(yīng)嚴(yán)格控制爆破藥量，并通過工程措施對(duì)結(jié)構(gòu)面進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)處理，及時(shí)封閉坡表并對(duì)馬道進(jìn)行防護(hù)處理，防止雨水灌入，從而保證邊坡后續(xù)的穩(wěn)定。