福建平潭某海岸邊坡穩定性敏感因素評價與穩定性分析

李 杰 張千貴

（1.西南石油大學地球科學與技術學院；2.西南石油大學石油與天然氣工程學院）

我國東南沿海地區臺風帶來的極端天氣較多，從而引發大量的地質災害［1-2］。為此，海岸邊坡穩定性的研究也是地質災害防治的關鍵問題。而影響海岸邊坡穩定性的因素眾多，如受到邊坡形態特征、巖土體物理力學參數、臺風暴雨、波浪潮汐以及人類現場活動干擾等內外部因素作用的影響［3-5］，致使海岸邊坡失穩破壞的機理更為復雜。因此，需要對各類影響因子進行分析與研究，找到影響邊坡失穩的主要誘因，從而對滑坡變形進行準確預測。

目前，常用的邊坡敏感性分析研究的方法包括分形理論法、人工神經網絡、正交試驗設計、單因素分析法等［6-9］。對于研究單體邊坡穩定敏感性分析，正交試驗設計較其他方法更有優勢，它以數理統計和概率論為基礎［10-11］，挑選具有代表性、合理的試驗進行分析，能更高效地對多因素影響的海岸邊坡進行穩定性評價。而在滑坡預測方面經驗式模型、數學統計模型、非線性模型被廣泛應用，但單一的預測方法效果均有局限，多是運用混合模型提高滑坡預測的精度。

因此，本文以福建平潭地區某海岸邊坡為例，基于極限平衡法對海岸邊坡的內部巖土體容重、黏聚力、內摩擦角、地下水位、潮水位高度5個影響因素進行正交試驗穩定性計算，利用極差、方差分析法對海岸邊坡各類影響因素進行評價，在此基礎上利用數值模擬進行驗證。

1 工程背景

1.1 邊坡概況

研究區于福建平潭東北部君山岸線環島路，所處中心地理坐標為東經119°47′83″，北緯25°37′08″，場地附近東、南、東南側均為山脊和斜坡，地勢呈現東高西低。該海岸邊坡單面臨近海域，所在區鄰近小漁港，面臨長江澳，背靠環島公路，坡體上段連接公路岸線。坡體總高度在20～25 m，寬度為80 m，長度為160 m，坡度為30°～75°。

1.2 巖土特征及影響因素

該邊坡為巖土混合質結構，下為熔結散體構造狀凝灰巖，上覆的松散凝灰巖性殘積黏土，下層與殘積土層呈漸變關系，性能上大致接近于殘積土，易吸水軟化崩解，也導致了該岸坡裂縫較為發育；由于位置因素，邊坡富水性較好，地下水位變化也會影響邊坡穩定性。因此，裂縫性和巖土強度、地下水位因素應作為易觸發岸坡失穩的內因考慮。

該地區波浪潮增水頻繁，岸坡腳受到海水侵蝕易產生臨空區發生剪切破壞，并且受到常年臺風暴雨極端天氣影響，進而導致巖土體容重增加和地下水位得到補充，引發局部張拉裂縫、頂部羽狀裂縫破壞和巖體垮塌等，如圖1 所示。因此，極端天氣影響下的潮水位高度、巖土體容重增加成為觸發岸坡失穩的外因。

1.3 監測深部位移分析

根據現場勘查，該地區極端天氣時常發生，引發滑坡變形的成因復雜。故分別在監測點JC1、JC2 的3、5、7m 深度處（分別記為JC1-A、JC1-B、JC1-C、JC2-D、JC2-E、JC2-F）進行監測，確定邊坡潛在滑動面和深部變形。

在8月的監測期間，JC1累計位移-深度曲線總體呈現“D”字型，且在JC1-B 變形量最大，約為13 mm。JC2 點累計位移-深度曲線主要呈現“r”字型，且在JC2-A 的位移變形量最大，變形量約為21 mm（圖2）。

2 邊坡穩定性影響因素的正交試驗分析

2.1 敏感性評價理論

2.1.1 極差分析法

在正交試驗計算時，需要對結果進行分析和評價，極差分析法是指每列因素的不同水平試驗值求和再取平均值，再利用單列因素的試驗中平均數的最大值減去最小值即為極差［12-13］。假設正交試驗有i列影響因素，每個因素中都含j個水平數，用qij（x）表示試驗結果，那么Kij為第i列因素j個水平數計算結果之和表示為

Kij的平均數為

用Rj表示第i列因素的極差，即為第i列因素各水平下所計算的穩定性系數結果的最大值與最小值之差：

水平數的變化對試驗指標的影響呈現正相關，Rj越大，表明此因素敏感性越高。因此，極差較大的因素為影響邊坡穩定性的主要因素，極差較小的因素為影響邊坡穩定性的次要因素。

2.1.2 方差分析法

為評價每個因素對試驗指標的影響是否顯著及顯著性的大小，可采用方差分析，其基本思路為將數據的總變差平方和分解成因素的變差平方和與隨機誤差的平方和，用各因素的變差平方和與隨機誤差平方和相比作F檢驗，即可判斷因素的作用是否顯著［14］。通常取F分布顯著性水平α分別為0.01、0.05、0.1，F值與以上3 種顯著性水平的F1-α比較。可將因素對試驗指標影響的顯著性水平劃分為4個等級：①若F≥F1-0.01為高度顯著影響，記為“* * *”；②若F1-0.01＞F≥F1-0.05為顯著影響，記為“**”；③若F1－0.05＞F≥F1-0.1為不十分顯著影響，記為“*”；④若F＜F1-0.1為無顯著影響，記為“×”。

2.2 試驗參數選取與設計

根據海岸邊坡的上述分述情況，選取邊坡內部巖土的黏聚力c、內摩擦角φ、容重γ、地下水位埋深H、潮水水位高度h共5 個因素作為敏感分析對象。巖體材料參數取值見表1。

通過增加或減小取值來設計因素的水平，為使同一個因素不同水平之間構成等差數列，從而實現均勻化、合理化，每列因素設計5個水平數，取值間隔均為3，正交設計結構見表2。采用SPSS 數據分析軟件內置的正交表進行設計，可設計25次試驗，記為L25（55）。

在計算時可分為2步：

（1）需要在seep/w 模塊輸入不同容重、地下水位埋深，計算潮水位達到目標高度的滲流場。

（2）將seep/w 模塊的滲流場結果導入slope/w 模塊中，設置不同物理力學強度參數，采用摩爾-庫侖本構模型，以摩根斯坦（m-p）法計算的穩定性系數作為敏感性分析和評價指標。

2.3 計算模型及邊界

根據JC1點位置的邊坡工程剖面圖，取計算模型寬度為78 m，高為40 m。考慮到穩定性計算的精度和準確性，取模型坡角到左端邊界的距離為坡高的1.5倍，坡頂到右端邊界的距離為坡高的2.5倍。滲流計算邊界設置時，還需在模型左右邊界一定高度施加一個定水頭，保證地下水位在滲流分析時是穩定變化的，左右水頭邊界上部分施加零流量邊界，此時坡體最大的基質吸力為80 kPa，模型網格尺寸為1 m，共3 420個單元，如圖3所示。

2.4 正交試驗結果與分析

2.4.1 極差分析敏感評價

由表3 和圖4、圖5 所示，通過對各試驗條件下穩定系數計算結果進行極差分析可得，巖土體的內摩擦角極差為0.74；地下水位埋深極差為0.568，潮水位高度極差為0.487，容重極差為0.467，黏聚力極差為0.249。因此，各影響因素的極差大小進行敏感性排序依次為巖土體內摩擦角＞地下水位埋深＞潮水位高度＞巖土體容重＞巖土體黏聚力。

2.4.2 方差分析敏感評價

由表4、圖6可得到各影響因素的顯著性結果，根據實際情況設置的顯著水平分為0.01、0.05、0.1，查閱F檢驗臨界值表可知：F1-0.01（5，4）=15.522，F1-0.05（5，4）=6.256，F1-0.1（5，4）=4.051。通過分析發現，巖土體內摩擦角、地下水位埋深、潮水位高度對邊坡穩定性具有高度顯著影響，其F值分別為35.768、21.837、15.526；巖土體容重和黏聚力具有顯著影響，其F值分別為14.766 和8.472。同樣，可以發現方差敏感分析與極差敏感分析結果一致，表明了正交設計的合理性。

3 邊坡數值模擬穩定性分析及預測

3.1 模型建立及邊界

極限平衡法分析不能表示坡體的位移、應力應變分布特征，故選取數值模擬法進行穩定性比對分析。基于FLAC3D軟件模擬水平Ki3工況下的穩定性，采用表1計算參數，其中巖土材料同樣采用m-c彈塑性本構模型，進行單元格劃分后施加邊界條件。

3.2 滲流場和穩定性結果與分析

如圖7、圖8 所示，受到潮水位和地下水位分布影響，在滲流場方面，水位不斷上升時，坡腳處的非飽和區不斷減小，表面孔隙水壓力增加，飽和度增大，此時最小基質吸力為-77.3 kPa，最小飽和度為0.06。在穩定性方面，受到水壓力荷載影響，水位線以下巖體向下變形，水位線上部巖土體向上變形，最大水平位移為0.146 mm，剪應變區主要集中在水位線部分，最大應變為0.847。

如圖9所示，可以發現數值模擬和極限平衡法計算曲線規律趨勢較為接近。前3 h 穩定性不斷下降，這是由于庫水位上升過程中，孔隙水壓力作用導致浸水滑動面強度參數的減弱；在后3 h，隨著水位繼續上升，水壓力荷載起到支撐作用，使邊坡抗滑力與下滑力相平衡，穩定性系數不斷上升。

3.3 臨界位移預測

3.3.1 坡變形階段標定

滑坡變形往往會經歷初始變形階段、等速變形階段、加速變形階段［15］；目前，海岸邊坡穩定性較好，為掌握臨界滑坡特征，可利用J1-B 的累計位移數據和數值模擬手段，不斷調試巖土體的強度值，對當前邊坡剖面所處變形狀態進行標定；同時，判斷當前計算穩定系數是否符合滑坡的臨界狀態安全系數［16］。

根據上述穩定性計算結果和深部位移數據分析，岸坡目前處于等速變形階段，狀態相對穩定（圖10），當計算循環約3 000 步時，模擬的JC1-B 累積位移量與實際監測點的累積位移量趨勢吻合；此時坡體最大位移量為24.4 mm，坡體上出現小部分應變集中區，并未完全貫通（圖11），這表明模型破壞為拉裂的變形特征，這與邊坡當前實際變形特征較為吻合。

3.3.2 臨界位移預測結果與分析

由圖12、圖13可知，當計算至3 000步時，此時強度折減下的邊坡穩定性系數為0.992，與邊坡失穩狀態的安全系數符合；后續利用強度折減法，邊坡處于加速變形階段，直至9 000 步時，邊坡失穩破壞，最大位移量為1 500 mm。坡頂表面出現拉張區和完全貫通區，符合臨界失穩狀態。

4 結論

（1）使用極差分析、方差分析得到邊坡穩定性敏感性由大到小依次為巖土體內摩擦角、地下水位埋深、潮水位高度、巖土體容重、巖土體黏聚力，在后期的監測可重點關注這幾類因素的變化。

（2）用數值模擬和極限平衡法對比分析得到，海岸邊坡滲流場變化規律：潮水上升時，坡腳基質吸力變小，非飽和不斷向飽和發展；穩定性變化規律：前半段浸水滑動面強度參數的減弱，穩定性系數先下降，后半段水壓力荷載的支撐作用，使邊坡抗滑力與下滑力相平衡或增大，穩定性系數逐漸增加。

（3）結合現場監測變形數據對滑坡變形階段，對模型參數和穩定狀態反復調試，利用強度折減法得到臨界滑坡時的位移量和滑面深度，為實際工程的防治和修復提供一定指導。