雙因素分析法在斷層對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響分析中的應(yīng)用*

曾繼鵬，蘆涌峰，侯克鵬

(1.云南華聯(lián)鋅銦股份有限公司，云南 文山 663701；2.昆明理工大學(xué)，云南 昆明 650093)

0 引言

邊坡內(nèi)部存在許多空間構(gòu)造復(fù)雜的結(jié)構(gòu)面，如巖層層面、節(jié)理、斷層、軟弱夾層和裂隙等,其對(duì)邊坡的穩(wěn)定極為不利[1]。斷層是對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響較大的復(fù)雜結(jié)構(gòu)面之一，其會(huì)破壞邊坡在空間幾何構(gòu)造上的完整性。斷層強(qiáng)度參數(shù)在很大程度上決定了邊坡的穩(wěn)定性及破壞模式，因此對(duì)斷層的分析一直是邊坡穩(wěn)定性研究中的重要內(nèi)容，學(xué)者們對(duì)此展開了大量研究。陳權(quán)川等[2]采用單因素敏感性分析方法，通過對(duì)斷層進(jìn)行正交試驗(yàn)，分析了斷層幾何參數(shù)對(duì)巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性的影響，得出了斷層影響巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性的主要、次要因素；李鵬飛等[3]基于正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)思想，采用數(shù)值模擬研究了影響斷層活化的破碎帶特征參數(shù)敏感性；王東等[4]采用理論與數(shù)值分析相結(jié)合的方法，研究了含斷層順傾層狀邊坡滑移模式及穩(wěn)定性；和大釗等[5]采用數(shù)值模擬手段研究了斷層的力學(xué)參數(shù)和幾何參數(shù)對(duì)邊坡穩(wěn)定性和破壞模式的影響規(guī)律。

斷層易造成露天礦邊坡失穩(wěn)，給礦山企業(yè)的安全生產(chǎn)帶來了極大的安全隱患。但由于斷層構(gòu)造復(fù)雜，形態(tài)多變，各研究對(duì)象的地質(zhì)情況不盡相同，至今尚未形成一套完整的科學(xué)研究體系。本文以曼家寨露天礦東幫邊坡F0斷層為研究對(duì)象，選取寬度、傾角兩個(gè)因素，利用數(shù)值分析軟件SPSS，采用雙因素方差分析法對(duì)該斷層的幾何形態(tài)進(jìn)行分析，并進(jìn)一步研判斷層空間形態(tài)對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響程度。

1 邊坡工程地質(zhì)概況

曼家寨露天礦東幫邊坡巖體為順層結(jié)構(gòu)，以片巖為主。區(qū)域內(nèi)發(fā)育一條F0斷層，該邊坡位于斷層上盤，斷層的存在使東幫邊坡極易發(fā)生失穩(wěn)破壞。F0斷層走向近SN，傾向西，傾角40°～60°，屬于層間斷層。斷層切割較深，規(guī)模較大，具多期性、繼承性特點(diǎn)。該斷層上盤為片巖，下盤為片麻巖。邊坡工程地質(zhì)剖面見圖1。

圖1 邊坡工程地質(zhì)剖面圖

依據(jù)邊坡實(shí)際情況，通過對(duì)構(gòu)成邊坡的不同巖性進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)原位試驗(yàn)及室內(nèi)試驗(yàn)，采用最小二乘法[6-7]對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到巖體的力學(xué)參數(shù)(見表1)。

表1 巖體力學(xué)參數(shù)

2 雙因素方差分析

斷層的力學(xué)參數(shù)通過室內(nèi)試驗(yàn)獲取，邊坡角度可由地質(zhì)剖面圖量取。然而經(jīng)調(diào)查后發(fā)現(xiàn)，沿?cái)鄬幼呦蚍较虻臄鄬觾A角和厚度是變化的。因此本文基于雙因素方差分析法[8]，選取影響含斷層邊坡穩(wěn)定性的2個(gè)因素(傾角和厚度)，分別計(jì)算不同組合下的邊坡安全系數(shù)；然后對(duì)影響邊坡穩(wěn)定性的因素進(jìn)行敏感性分析，得出顯著性的影響因素[8-10]，以此指導(dǎo)邊坡治理，使方案更加經(jīng)濟(jì)合理。

2.1 建立模型

在模擬分析時(shí)，建立的模型應(yīng)既能充分反映邊坡斷層的實(shí)際情況，又要盡可能簡(jiǎn)明地體現(xiàn)斷層的物理特性[11]。因此，本文對(duì)邊坡斷層物理模型進(jìn)行了一定的簡(jiǎn)化處理(見圖2)。

圖2 簡(jiǎn)化模型

2.2 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案

分析地質(zhì)資料可知，F(xiàn)0斷層沿走向分布的傾角為45°～60°，寬度為1.5～6.0 m。正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案見表2。

表2 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案

2.3 極限平衡分析

針對(duì)簡(jiǎn)化模型，采用極限平衡法對(duì)邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析，采用GeoStudio[12-13]對(duì)16組組合下的邊坡安全系數(shù)(Fs)進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果見表3。

表3 不同斷層寬度和傾角下的邊坡安全系數(shù)

3 數(shù)值分析

利用SPSS軟件中雙因素方差分析模塊對(duì)表3中的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析[14]。

3.1 主體間效應(yīng)檢驗(yàn)

模型的主體間效應(yīng)檢驗(yàn)結(jié)果如表4所示。由表4可知，斷層傾角和寬度的P值小于0.05，因此斷層寬度和傾角的不同水平對(duì)安全系數(shù)都有顯著影響。斷層寬度的P值(0.002 30)大于傾角的P值(0.001 20)，故認(rèn)為斷層傾角對(duì)安全系數(shù)的影響程度大于斷層寬度。

表4 主體間效應(yīng)檢驗(yàn)

3.2 兩兩比較

采用S-N-K法分別對(duì)斷層傾角、寬度的水平間差異進(jìn)行兩兩比較，結(jié)果見表5、表6。

表5 斷層傾角的兩兩比較

表6 斷層寬度的兩兩比較

由表5可知：斷層傾角越大，安全系數(shù)越大；斷層傾角為60°時(shí)的安全系數(shù)最大，其次為55°。4種水平的斷層傾角被分在3個(gè)不同的子集：第1子集由斷層傾角45°組成，安全系數(shù)最低；第2子集由斷層傾角50°組成，安全系數(shù)居中；第3子集由斷層傾角55°、60°組成。不同子集間的P值小于0.05，而同一子集內(nèi)的各組均數(shù)則兩兩無差別，P值均大于0.05。由表5最后一行看出，第1、第2子集均僅有1個(gè)水平，因此其組內(nèi)比較的P值均等于1.000 0，第3子集斷層傾角55°、60°兩水平比較的P值等于0.132 0，即這兩個(gè)水平無統(tǒng)計(jì)學(xué)差異。而由表6可知，斷層寬度的所有水平均被分在同一子集，即斷層寬度的各水平對(duì)安全系數(shù)的影響差異不明顯。

3.3 邊際均值與輪廓圖

邊際均值指的是基于現(xiàn)有模型，當(dāng)控制其他因素的作用時(shí)，根據(jù)樣本情況計(jì)算出的用于比較各水平的均值估計(jì)值。輪廓圖是一種特殊的線圖，圖中的一個(gè)點(diǎn)就表示某個(gè)因素水平下的邊際均值[15]。斷層寬度和斷層傾角輪廓圖見圖3。由圖3可知：不同水平的斷層傾角所對(duì)應(yīng)的安全系數(shù)差異顯著；隨著傾角的增大，安全系數(shù)逐漸增大；而斷層寬度在3～5 m時(shí)對(duì)應(yīng)的安全系數(shù)基本一致，無明顯差異。

(a)斷層寬度輪廓圖 (b)斷層傾角輪廓圖

4 結(jié)論

a.由雙因素方差分析結(jié)果可知，對(duì)邊坡穩(wěn)定性產(chǎn)生主要影響的斷層幾何參數(shù)強(qiáng)弱順序?yàn)閿鄬觾A角>斷層寬度。

b.不同水平的斷層傾角所對(duì)應(yīng)的安全系數(shù)差異顯著。隨著斷層傾角的增大，安全系數(shù)逐漸增大。而斷層寬度在3～5 m時(shí)對(duì)應(yīng)的安全系數(shù)無明顯差異。

c.計(jì)算采用的數(shù)據(jù)是在假定條件下選取一定的因素水平通過試驗(yàn)得到的，盡管存在一定的局限性，但雙因素方差分析方法仍可為邊坡穩(wěn)定性研究提供借鑒。