巖體結構控制下的邊坡穩定性多因素敏感性分析

李 揚，楊繼紅，劉漢東

(華北水利水電學院，鄭州 450011)

水庫邊坡的穩定性研究對確保水利水電工程的建設及正常運營具有重要意義，其穩定性受諸多內外因素的影響［1］。在邊坡穩定性評價中，敏感性分析是對影響邊坡穩定性的因素進行檢查和分析，確定影響邊坡穩定性的最敏感或較敏感因素，從而使邊坡監測更有針對性，使治理設計更安全、可靠和經濟［2］。目前在邊坡穩定性的敏感性分析中，廣泛應用的是傳統的單因素分析方法，但該方法存在明顯的局限性。因需假定其中一個因素變化，而其它因素保持不變，而在實際中，單一因素發生變化的情況是很少的，故此假設往往與實際情況不符［3］。對此，筆者采用正交敏感性分析方法，對影響某水庫工程邊坡穩定性的控制性結構面——斷層 F11與 F6，7，8的黏聚力和摩擦角(c、φ)進行敏感性分析及顯著性檢驗，從而為該邊坡的穩定性評價提供合理、可靠的依據。

1 邊坡巖體參數正交試驗

正交試驗設計(Orthogonal experimental design)是研究多因素、多水平對象的一種設計方法。它是根據正交性，從全面試驗中挑選出部分有代表性的點進行試驗，這些有代表性的點具備了“整齊可比、均衡分散”的特點，因而是一種高效、快速、經濟的試驗設計方法，在很多領域的研究中已得到了廣泛應用［4-5］。在邊坡穩定性分析計算中，利用正交數值試驗原理，設計參數的正交組合，進行邊坡的穩定性計算，從而確定了設計參數對穩定性的影響大小。

1.1 邊坡正交試驗與設計水平

巖體邊坡的穩定性主要取決于巖體的力學與變形特性。由于不同的巖體參數變異性有所不同，為了減小計算工作量，正交試驗參數主要考慮變異性較大的巖體參數。本文將巖體黏聚力 c、內摩擦角 φ選作試驗參數，并對每一參數選取三個值，即三個試驗水平，用以研究巖體參數與邊坡穩定性之間的關系。

1.2 正交試驗穩定性分析

確定了試驗變量和設計水平，就確定了相應的正交試驗表。下一步建立邊坡穩定性計算模型，也就是根據正交試驗表中所確定每一次試驗方案(即不同設計水平參數的組合)進行計算分析。四因素三水平的正交試驗僅需進行9次數值分析，即可獲得全部的正交試驗分析結果。

2 龜頭山巖體邊坡穩定性影響因素分析

某水庫，位于沁河中游太行山峽谷段的南端，以防洪為主，兼顧供水、發電等綜合利用，是黃河下游防洪工程體系的主要組成部分。根據構造形跡，左壩肩的斷層帶和褶皺束既影響著龜頭山體的穩定又可能引起水庫的繞壩滲漏問題。其中，有兩條斷層起決定性作用:F11逆掩斷層、F6，7，8斷層帶，見圖 1。

2.1 結構面分級

巖體結構控制論認為巖體變形破壞主要受結構面控制，或者說巖體穩定性是受結構面控制的。按照谷德振［6］的觀點，從規模上及其對巖體穩定性起的作用出發，可將結構面分為5級(見表1)。

圖1 龜頭山地質構造示意

表1 結構面分級［6］

2.2 壩址區Ⅱ級結構面發育情況

根據表1中的結構面分級和巖體結構控制論的思想，對于壩址區山體或邊坡巖體的穩定性，主要受控于Ⅱ級結構面:斷層 F11和五廟坡斷層帶 F6，7，8。

F11逆掩斷層走向 300°～310°，傾向 SW，傾角 15°～27°，最大傾角達51°。斷層面呈舒緩波狀，斷距5～30 m。斷層帶寬度0.5～2.0 m，組成物質可分兩個帶，即斷層泥帶和壓碎巖帶。泥帶厚1～10 cm，為含角礫的斷層泥，遇水軟化，分布不連續;壓碎巖帶厚0.4～1.9 m，為碎裂的片麻巖夾構造透鏡體，擠壓緊密。在垂向上，高程190～210 m以下，斷層局部分成三個破裂面，傾角分別為 23°、20°、15°，以 23°為主斷裂面。在斷層兩盤，往往發育有拖曳褶皺及羽狀剪節理。

五廟坡斷層帶 F6，7，8(圖 1)規模最大，對山體或邊坡的穩定性起著控制作用而且分布在主體工程部位，與建庫關系密切。五廟坡斷層帶主要由 F6、F7、F8三條近東西向的階梯狀正斷層組成，斷塊北升南降。斷層產狀:F6走向 270°，傾向 S，傾角 50°～80°;F7走向270°～280°，傾向 S 或 SW，傾角 60°～87°;F8走向270°～280°，傾向 S或 SW，傾角45°～60°。斷層走向、傾向穩定，但傾角在不同高程上變化較大，一般上陡下緩，破碎帶在剖面上呈上寬下窄的楔形體。在破碎帶中，除上述三條斷層外，還發育兩組次一級小斷裂:一組是與主斷層產狀一致的高角度正斷層;另一組是向北緩傾的俯沖式正斷層，走向270°～300°，傾向 N或NW，傾角10°～30°。因此五廟坡斷層帶，是由很多斷裂面與巖層層面錯綜交匯組合的破碎巖體。五廟坡斷層帶寬度6～70 m，帶內各斷層相距較近，破碎帶互相聯為一體，寬度大小受F6、F7、F8三條主斷層在水平或垂直方向撒開或收斂所控制。破碎帶組成物質為散體結構的斷層泥、含泥角礫(泥和角礫帶一般厚1.00～2.75 m)及碎塊巖。

2.3 參數選取

根據可研報告提供的相關資料，可以確定龜頭山邊坡各層巖土體的初始計算參數如表2所示，F11與F6，7，8的抗剪強度參數設計水平取值如表3所示。

表2 龜頭山各層巖土體初始計算參數表

表3 F11與 F6，7，8的抗剪強度參數表

2.4 計算模型

穩定性分析選擇剛體極限平衡法中的Morgensterprice法［7］，該方法有獨特的優點，可用于評價各種類型邊坡的穩定性，如圓弧滑動、非圓弧面滑動、平面滑動和楔形體滑動等復雜剖面的巖質邊坡。Morgensterprice法有力學概念清晰、適用面廣、操作簡單的優點，與此同時能分析各種特殊結構對邊坡穩定性的影響，且比較全面、客觀地反映各種控制邊坡穩定性因素的作用。采用軟件Geoslope建立計算模型如圖2所示。

圖2 二壩線剖面二維極限平衡分析模型

2.5 計算結果與分析

按照四因素三水平正交試驗表 L9(34)，斷層 F11與斷層帶F6，7，8強度參數的正交試驗結果及計算結果如表4所示。對表4中9個不同的組合進行穩定性計算，得到穩定安全系數Fs。將各個因素相同水平的試驗結果求平均值，極差是在各水平的平均值中由最大值減去最小值求得。極差大說明此因子的不同水平產生差異較大，是重要因子。由表中極差Rj一行可知，斷層F11的內摩擦角對邊坡穩定性的影響最大，其次為斷層帶 F6，7，8的內摩擦角，斷層帶 F6，7，8的黏聚 力 與 斷層F11黏聚力對邊坡穩定性影響較小。各參數的敏感性排序為:φ1＞φ2＞c2＞c1。

表4 F11與 F6，7，8的強度參數的正交試驗結果

3 結論

根據壩址區主要Ⅱ級結構面的發育特征，通過地質分析表明對巖質邊坡穩定性起控制作用的兩個結構面是斷層 F11和斷層帶 F6，7，8。基于正交試驗設計理論和極限平衡方法，進行了邊坡穩定性影響因素敏感性分析，得出斷層F11的內摩擦角對邊坡穩定性的影響最大，其次為斷層帶 F6，7，8的內摩擦角，而斷層帶 F6，7，8的黏聚力與斷層F11的黏聚力對邊坡穩定性影響較小。

［1］羅紅明，唐輝明，胡斌.考慮地震力的剛體極限平衡法及其工程應用［J］.巖石力學與工程學報，2007，26(增 1):3590-3595.

［2］張萬濤，余宏明.正交試驗設計方法在庫岸滑坡敏感性分析中的應用［J］.安全與環境工程，2009(5):13-16.

［3］王益萍，周榮超.基于正交試驗的邊坡穩定性參數敏感性分析［J］.鹽城工學院學報(自然科學版)，2007(12):67-69.

［4］王愷忱，朱起茂，張止端.黃河流平衡縱剖面問題的探討［C］//第二次河流泥沙國際學術討論會論文集.北京:水利電力出版社，1983:620-627.

［5］賈紹鳳，陸中臣.沿程淤積與溯源淤積的概念與數學模型［J］.地理學報，1992(2):157-164.

［6］李毓瑞，古迅，宋玉環.谷德振文集［M］.北京:地震出版社，1994:262-263.

［7］王四巍，劉海寧，劉漢東.黃河下游堤防邊坡多因素敏感性分析［J］.人民黃河，2009(7):18-20.