基于正交試驗(yàn)的白泥溝滑坡穩(wěn)定敏感性分析

劉廣輝

(中鐵十九局集團(tuán)第三工程有限公司,遼寧 沈陽 110136)

影響滑坡穩(wěn)定性的內(nèi)因和外因相互作用共同影響滑坡的穩(wěn)定性。從內(nèi)因角度來看，有研究表明黏聚力和內(nèi)摩擦角是影響滑坡穩(wěn)定性的主要因子[1]。從外因來看，降雨入滲坡體，使坡體內(nèi)的地下水位不斷抬升，地下水會(huì)軟化坡體的抗剪強(qiáng)度參數(shù)，從而使得坡體穩(wěn)定性下降[2-4]；除此之外，位于地震帶的滑坡也會(huì)受到地震作用的影響，地震作用會(huì)產(chǎn)生液化效應(yīng)，從而使得滑坡穩(wěn)定性大大降低[5]。

相關(guān)研究雖對內(nèi)因和外因不同因子對滑坡穩(wěn)定性影響做了一定分析，但各因子對滑坡穩(wěn)定性的具體影響規(guī)律如何仍不充分，本文對此開展針對性研究。

1 白泥溝滑坡基本特征

1.1 滑坡概況

圖1 滑坡全貌

1.2 工程地質(zhì)條件

根據(jù)地調(diào)及鉆探揭露，區(qū)內(nèi)地層巖性由新到老分別為填土、粉質(zhì)黏土、碎石土和強(qiáng)風(fēng)化灰?guī)r。

填土：根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查了解，滑坡區(qū)沿線地表分布有人工棄渣、人工填土、耕植土等填土，鉆孔揭露不明顯，主要沿斜坡表層分布，耕植土厚度較小，人工填土分布厚度變化較大，局部地段有分布，如建筑房屋填土、工程施工填土等均有分布，對地質(zhì)環(huán)境條件擾動(dòng)較大。

粉質(zhì)黏土：呈可塑-硬塑狀，局部軟塑狀，土質(zhì)結(jié)構(gòu)疏松，含植物根系，碎石含量10%～20%，成分主要為強(qiáng)風(fēng)化灰?guī)r，局部碎石富集或夾塊石，粒徑一般1～3 cm，棱角狀，以粉質(zhì)黏土充填，鉆孔揭露厚度2～12 m左右。

碎石土：碎石含量60%～80%，成分主要為強(qiáng)風(fēng)化灰?guī)r，次棱角狀，粘性土充填，分布厚度6.6～18.4 m左右，而且分布極為不均勻，差異變化較大，與強(qiáng)風(fēng)化灰?guī)r沒有明顯的界線，由于區(qū)內(nèi)巖體風(fēng)化強(qiáng)烈，表層松散層滲透較深，對巖土體的特征差異影響較大。滲透性強(qiáng)，屬強(qiáng)透水層結(jié)構(gòu)松散。

強(qiáng)風(fēng)化灰?guī)r：鉆探巖芯擾動(dòng)后多呈碎塊狀、米粒狀，少量呈短柱狀，巖體基本質(zhì)量等級為“Ⅴ”級，強(qiáng)度較低，勘察區(qū)內(nèi)受構(gòu)造活動(dòng)影響明顯，原巖結(jié)構(gòu)大部分被破壞，節(jié)理裂隙、風(fēng)化裂隙發(fā)育，斜坡陡壁面多見掉塊跡象，勘察鉆孔所揭露的強(qiáng)風(fēng)化灰?guī)r破碎，呈碎塊狀、米粒狀，野外調(diào)查勘察區(qū)出露的該套巖層強(qiáng)風(fēng)化帶測得巖層產(chǎn)狀275°∠22°，主要發(fā)育兩組大角度節(jié)理裂隙面(J1：19°∠70°，J2：181°∠85°)，滑坡區(qū)均有分布，勘察中未揭穿該層。

工作區(qū)處于金沙江深切割高中山峽谷地貌區(qū)、河谷深切、斜坡陡峻，區(qū)域構(gòu)造處于小江活動(dòng)斷裂帶，區(qū)內(nèi)斷層發(fā)育，新構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)烈，地震活動(dòng)頻繁，是一個(gè)應(yīng)力非常密集、能量易釋放的地區(qū)，總體地質(zhì)環(huán)境條件比較脆弱。根據(jù)記載巧家縣地震動(dòng)峰值加速度值為0.2g，地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期為0.40 s，地震基本烈值為Ⅷ度。

區(qū)內(nèi)地下水主要有松散層孔隙水和巖溶裂隙水，接受大氣降水、地表水流以及遠(yuǎn)場地下水的補(bǔ)給，大氣降水和地表水流的補(bǔ)給具有季節(jié)性，遠(yuǎn)場地下水補(bǔ)給穩(wěn)定，是場區(qū)地下水的主要補(bǔ)給源。其中松散層孔隙水主要賦存于第四系崩坡碎石土和粉質(zhì)黏土，碎石土、含碎石粉質(zhì)黏土中，透水性強(qiáng)，富水性差，主要接受大氣降水補(bǔ)給；巖溶裂隙水賦存于碎裂基巖中，由于區(qū)內(nèi)基巖灰?guī)r為主，裂隙滲透性能差，富水性一般較弱，同時(shí)埋深較大，主要接受上層孔隙水補(bǔ)給，地下水總體較復(fù)雜，受降水侵蝕活動(dòng)影響較大，雨季局部可能形成富水帶，地表局部形成積水，對斜坡的穩(wěn)定性影響較大。

2 穩(wěn)定性計(jì)算模型及敏感性分析

2.1 模型建立

選取白泥溝滑坡主剖面為研究對象，建立數(shù)值模擬的概化模型，模型結(jié)果如圖2所示，土層由上到下依次為人工填土、粉質(zhì)黏土、碎石土、灰?guī)r，模型高程與長度都按照實(shí)際情況繪制。為計(jì)算結(jié)果較為準(zhǔn)確且方便設(shè)置，模型單元平均大小2 m，總共1 850個(gè)節(jié)點(diǎn)，1 780個(gè)單元網(wǎng)格。

圖2 滑坡體概化模型

在GeoStudio中的seep/w模塊中，將土層參數(shù)均設(shè)置為飽和-非飽和計(jì)算模型，計(jì)算參數(shù)見表1所示。

表1 各土層參數(shù)

2.2 計(jì)算參數(shù)及邊界條件確定

確定模型邊界為：底面為隔水零流量邊界，坡體表面的降雨入滲邊界根據(jù)實(shí)際降雨或者降雨邊界條件確定[6]。當(dāng)考慮地震作用時(shí)，在模型底部施加地震力模擬地震上傳過程，模型底面設(shè)置為豎直方向位移約束邊界，左、右兩個(gè)側(cè)面設(shè)置為法向位移約束邊界。

2.3 技術(shù)路線

本項(xiàng)目利用GeoStudio建立二維模型，并賦值相應(yīng)區(qū)域材料。同時(shí)選擇x方向?yàn)榛轮骰较?，y方向?yàn)橹亓ωQ直方向，在地面固定x、y約束，在兩側(cè)固定x約束，并使模型在重力及外界因子作用下進(jìn)行計(jì)算。

模擬過程為：①對原始地質(zhì)模型施加初始應(yīng)力邊界條件，使其在初始條件下到達(dá)地應(yīng)力平衡；②從內(nèi)因和外因兩個(gè)角度，分別分析影響滑坡體穩(wěn)定性各因子之間的敏感性大??；③從降雨強(qiáng)度、降雨歷時(shí)、地震作用三個(gè)不同外因影響因子角度出發(fā)，分析滑坡穩(wěn)定性影響規(guī)律。

2.4 影響因子敏感性分析

從內(nèi)外因兩個(gè)角度分別選取地層黏聚力、內(nèi)摩擦角、地震加速度和降雨強(qiáng)度四因素，開展各因素四水平的邊坡穩(wěn)定性正交計(jì)算，正交試驗(yàn)因素水平如表2所示。其中，地震加速度時(shí)程曲線如圖3所示，通過調(diào)整最大加速度實(shí)現(xiàn)地震烈度的水平變化；降雨強(qiáng)度選取氣象局確定的24 h內(nèi)降雨工況為大雨、暴雨、大暴雨及特大暴雨進(jìn)行劃分，降雨時(shí)長設(shè)置3 d。

表2 正交試驗(yàn)因素水平

圖3 地震加速度

本文選取4因素4水平的正交表H16(44)進(jìn)行試驗(yàn)，采用GeoStudio模塊建立白泥溝滑坡滲流模型，計(jì)算并記錄各個(gè)工況下的穩(wěn)定性系數(shù)Fs。正交設(shè)計(jì)方案及穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 正交設(shè)計(jì)方案及計(jì)算結(jié)果

本文采用極差分析法分析正交計(jì)算結(jié)果，結(jié)果見表4。對穩(wěn)定性而言，各影響因子的敏感性大小為：內(nèi)摩擦角>地震強(qiáng)度>降雨強(qiáng)度>黏聚力。分析表明：內(nèi)摩擦角對白泥溝滑坡穩(wěn)定性影響最大；白泥溝滑坡穩(wěn)定性最主要受內(nèi)因的影響,外因的改變對白泥溝穩(wěn)定性的影響作用也不能忽略[7]。

表4 各因素穩(wěn)定系數(shù)及極差分析結(jié)果

3 不同影響因子對滑坡穩(wěn)定性的影響

影響白泥溝滑坡穩(wěn)定性的最主要因子是內(nèi)摩擦角，但由于坡體本身的內(nèi)在屬性不容易改善，故不能忽視外因?qū)碌挠绊?。在此主要從降雨?qiáng)度、降雨歷時(shí)、地震強(qiáng)度三個(gè)方面分別分析，為后期滑坡防治以及監(jiān)測工作提供相關(guān)依據(jù)。

3.1 降雨強(qiáng)度

降雨強(qiáng)度是指在某一歷時(shí)內(nèi)的平均降落量，它可以用單位時(shí)間內(nèi)的降雨深度或降雨體積表示。分析過程中依次設(shè)置5種不同的降雨強(qiáng)度：10、20、30、40、50 mm/d，設(shè)置降雨時(shí)長為5 d，降雨停止后穩(wěn)定期5 d，總時(shí)長為10 d，并控制其他條件不變，只改變降雨強(qiáng)度一個(gè)參數(shù)。

圖4為不同降雨強(qiáng)度下的穩(wěn)定性系數(shù)變化趨勢，由圖可知，白泥溝滑坡在不同的降雨強(qiáng)度下整體變化趨勢是隨著降雨作用的增加穩(wěn)定性系數(shù)逐漸下降，當(dāng)降雨停止后，穩(wěn)定性系數(shù)隨之緩慢上升。

圖4 不同降雨強(qiáng)度下的穩(wěn)定性變化

圖5為不同降雨強(qiáng)度下的孔隙水壓力變化趨勢，由圖可知，白泥溝滑坡在不同降雨強(qiáng)度下的整體變化趨勢是隨著降雨作用的增加孔隙水壓力逐漸上升，當(dāng)降雨停止后，孔隙水壓力隨之下降。

圖5 不同降雨強(qiáng)度下的孔隙水壓力變化

3.2 降雨歷時(shí)

設(shè)計(jì)單位時(shí)間內(nèi)降雨強(qiáng)度為30 mm，降雨歷時(shí)依次經(jīng)過3 d、6 d、9 d、12 d及15 d，總時(shí)長為20 d，除設(shè)置降雨強(qiáng)度外其余降雨為0，并控制其他條件不變，只改變降雨歷時(shí)一個(gè)參數(shù)。

圖6為不同降雨歷時(shí)下的穩(wěn)定性系數(shù)變化趨勢，由圖可知，白泥溝滑坡在不同的降雨歷時(shí)下整體變化趨勢是隨著降雨時(shí)長的增加穩(wěn)定性系數(shù)逐漸下降，當(dāng)降雨停止后，穩(wěn)定性系數(shù)隨之緩慢上升。

圖6 不同降雨歷時(shí)下的穩(wěn)定性變化

圖7為不同降雨歷時(shí)下的孔隙水壓力變化趨勢，由圖可知，白泥溝滑坡在不同的降雨歷時(shí)下整體變化趨勢是隨著降雨時(shí)長的增加孔隙水壓力逐漸上升，當(dāng)降雨停止后，孔隙水壓力隨之下降。

圖7 不同降雨歷時(shí)下的孔隙水壓力變化

分析原因認(rèn)為：隨著降雨過程持續(xù)，連續(xù)降雨使得一部分降雨量以地表徑流的形式?jīng)_刷坡體表面，另一部分則下滲進(jìn)入白泥溝滑坡內(nèi)部，使得白泥溝滑坡內(nèi)部地下水位隨之抬升，地下水會(huì)軟化坡體強(qiáng)度參數(shù)，從而使得白泥溝滑坡穩(wěn)定性系數(shù)降低。降雨強(qiáng)度越大，降雨歷時(shí)越長，地下水抬升越明顯，強(qiáng)度參數(shù)軟化程度也越明顯：在后期停止降雨之后，坡體內(nèi)部分地下水逐漸排出坡體，坡體強(qiáng)度參數(shù)的軟化效應(yīng)逐漸降低，穩(wěn)定性系數(shù)逐漸上升[8-9]。

3.3 地震強(qiáng)度

由于研究區(qū)區(qū)域構(gòu)造處于小江活動(dòng)斷裂帶，區(qū)內(nèi)斷層發(fā)育，新構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)烈，地震活動(dòng)頻繁，是一個(gè)應(yīng)力非常密集、能量易釋放的地區(qū)。分別選擇地震加速度為0.1g、0.2g、0.3g下的地震強(qiáng)度作為變量，并控制其他條件不變。

由地震加速度下白泥溝滑坡穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果可知，白泥溝滑坡在地震加速度為0.1g下的最小穩(wěn)定性系數(shù)為1.042，在0.2g下的最小穩(wěn)定性系數(shù)為0.928，在0.3g下的最小穩(wěn)定性系數(shù)為0.895?？梢悦黠@看出，隨著地震強(qiáng)度的增加，地震震動(dòng)力會(huì)明顯影響白泥溝滑坡的穩(wěn)定性，主要表現(xiàn)在：隨著地震強(qiáng)度的增加，白泥溝滑坡土體顆粒之間會(huì)不斷摩擦軟化，從而使白泥溝滑坡的抗滑能力降低，導(dǎo)致滑坡穩(wěn)定性系數(shù)降低[10-11]。

4 結(jié)束語

(1)滑坡敏感性的排序依次為：內(nèi)摩擦角>地震強(qiáng)度>降雨強(qiáng)度>黏聚力。

(2)5種降雨強(qiáng)度工況下，穩(wěn)定性系數(shù)都隨著降雨強(qiáng)度的增加而降低，其中降雨強(qiáng)度越大的工況，滑坡穩(wěn)定性系數(shù)越低，孔隙水壓力上升越大。

(3)5種降雨歷時(shí)工況下，穩(wěn)定性系數(shù)都隨著降雨歷時(shí)的增加而降低，其中降雨歷時(shí)最大的工況，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)最低，孔隙水壓力上升越大。

(4)隨著地震強(qiáng)度的增加，地震震動(dòng)力會(huì)削弱滑坡體的抗滑能力，導(dǎo)致滑坡穩(wěn)定性系數(shù)降低。