中卡滑坡稳定性影响因素敏感性分析

罗顺林，王海志，杨 柳

(湖北省地质局武汉水文地质工程地质大队，湖北武汉 430051)

滑坡稳定性问题一直是岩土工程的一个重要的研究内容，其稳定性受到多方面因素的影响，而这些因素又具有其复杂性和不确定性。在一定的地质条件下，有些因素对滑坡失稳影响较大，而有些则较小，或者说影响因子对滑坡失稳的敏感性是不同的。在这些稳定性影响因素中，又有哪些因素对滑坡稳定性起着至关重要的作用?本文应用定量的分析方法来分析中卡滑坡的影响因素与稳定性的相互关系，找出影响滑坡失稳的主导因素，在滑坡治理及优化设计中就可以有针对性地采取相应的防治措施。因此，稳定性影响因素的敏感性分析就显得尤为重要。

1 滑坡概况及基本地质特征

1．1 滑坡概况

中卡滑坡位于四川省石棉县栗子坪乡元根村三组，南桠河左侧支流中卡沟东北侧缓坡地带，该滑坡始滑于1985年8月雨季，滑坡后部坡体出现了变形裂缝;1997年7月一场暴雨后，滑坡坡体发生开裂及局部下陷，导致坡体上居民房屋开裂受损，居民搬迁。2008年受汶川“5·12”地震的影响，滑坡出现蠕滑现象，滑坡变形有加剧发展的趋势。滑坡失稳破坏将直接威胁到坡体下方元根村三组村民的生命财产安全，并对前缘国道造成一定影响。

1．2 滑坡基本特征

中卡滑坡平面形态为不规则的长“舌”状，总体坡向230°。前缘高程1 629．20 ～1 631．30 m;后缘位于山脊缓坡处，高程在1 700 m左右。地面坡度在12°～26°，呈前陡—后缓的形态。滑坡纵向长约225 m，横宽55～100 m，分布面积约 1．9 ×104m2，厚度在 3．40 ～13．5 m 之间，体积约 18．5 ×104m3，属堆积层土质滑坡。工程地质剖面见图1。

滑坡所在山体上部基岩为元古界澄江期花岗岩，中下部基岩为第三系上新统昔格达组泥质粉砂岩夹泥岩。滑体物质来源主要为滑坡后缘及东南侧山体的花岗岩和泥质粉砂岩夹泥岩风化残坡积物，成分以褐黄色砂质粘土及青灰色粉质粘土为主，上部砂质粘土呈黄褐色、稍湿，可塑状，含10% ～25%的花岗岩角砾、碎石，层厚2．70 ～5．30 m，渗透系数一般为 2．5 ×10-5～5．0×10-4cm/s，透水性弱—中等;下部粉质粘土呈青灰色、湿，可塑状，底部夹含少量砂岩、花岗岩碎石、角砾等，层厚0．50 ～9．50 m，渗透系数在3．0 ×10-6～1．9×10-5cm/s间，具微—弱透水性。

滑坡中后部滑带处于粉质粘土与基岩交界面处，前缘处于冰水堆积的碎块石夹粘性土上部，成分为含角砾粉质粘土，软—可塑状，含15% ～35%的砂岩、泥岩角砾，少数滑带粘土具有挤压揉皱痕迹。

滑床物质主要为第三系上新统昔格达组泥质粉砂岩夹泥岩及第四系上更新统冰水堆积的碎块石夹粘性土。

滑坡区地下水按含水层性质、赋存状态可分为松散岩类孔隙水、基岩裂隙水二类。赋存于基岩风化带中的网状裂隙水及层间裂隙水，受地形、岩性、构造的控制，露头稀少，水量贫乏。赋存于滑坡堆积层中的孔隙含水层由砂质粘土、粉质粘土夹碎(块)石等组成，上部砂质粘土结构较松散，加之人为扰动、植物根系、裂缝等影响，透水性较强，局部因地表水渗入易形成上层滞水，在滑坡坡面低洼部位多呈浸润状或散滴状渗出，部分探槽有渗水现象，出水量小。滑坡体下部粉质粘土透水性微弱，当地下水位在滑带附近富集及以上时，易形成对上部土体的浸泡，使土体饱和、软化，降低滑带土抗剪强度。滑坡堆积层中孔隙水补给途径来自大气降水，其迳流、排泄受滑坡微地貌控制，水位随季节变化明显，变化幅度较大，如遇暴雨或连续降雨，滑体物质在接受大气降水入渗后，易饱水软化，力学强度降低，不利滑坡稳定。

2 滑坡稳定性影响因素及敏感性分析计算原理

2．1 滑坡稳定性影响因素

中卡滑坡变形的形成、发展及其未来的演化有其内在因素和外在因素。内因包括地形地貌、地层岩性、地质构造;外因包括降雨、地下水、地表水的冲刷掏蚀、地震及人类工程活动影响等。通过对滑坡的形成机制及破坏模式分析，中卡滑坡自20世纪80年代活动至今，其变形现象多发生于雨季，“5·12”汶川特大地震后，滑坡变形也仅表现为裂缝的产生及地表沉降错动、隆起等，勘查期间未见明显的发展趋势，因此判定滑坡目前处于蠕动变形阶段，在天然状态下处于稳定状态，但在暴雨状态和持续降雨情况下，坡体长时间被雨水浸泡，降低滑带土的抗剪强度，滑坡存在发生整体或局部滑移破坏的可能。

通过稳定性计算分析，中卡滑坡干旱季节状态(无地下水作用)整体稳定系数为1．248，天然状态下(考虑地下水作用)整体稳定系数为1．186，20年一遇暴雨状态下整体稳定系数为1．010，Ⅷ度设防地震荷载作用下整体稳定(不考虑地下水影响)系数为1．024(详见参考文献［1］)。由此可知在强降雨及地震条件作用下，滑坡稳定性有较大幅度的降低，而降雨、地震对岩土体的容重、滑带土的抗剪强度参数、饱水情况以及地震荷载作用均有较大的影响，因此中卡滑坡主要影响因素包括滑体的容重、滑带土的抗剪强度参数(C、φ值)、滑体饱水面积比及地震荷载作用等，本文将主要针对以上影响因素进行其敏感性分析。

2．2 影响因素敏感性分析计算原理

滑坡敏感性分析主要是研究影响滑坡稳定性的各因素与相应的稳定性系数之间的相互关系，它由滑坡稳定性系数的相对变化率与各因素的相对变化率之间的比值来进行衡量，即第i个影响因素的敏感度，其表达式如下:

式中:Si为第i个影响因素的敏感度，Si＞0表示评价指标与不确定因素同方向变化，Si＜0表示评价指标与不确定因素反方向变化，|Si|较大者敏感度系数高;ΔFi为第i个因素对应的稳定系数变化量，ΔFi/F为稳定系数相对变化率;ΔXi为第i个影响因素相对变化量，ΔXi/Xi为影响因素相对变化率。

中卡滑坡稳定性影响因素仅评价其敏感性高低，因此敏感度系数采用绝对值方法表示，将公式(1)转换为:

其分析原理为:通过现场地质调查、岩土测试，并结合定性分析结果，选取一套基准参数，采用滑坡规范［2］中的传递系数法，计算出基准条件下的滑坡稳定性系数，然后将影响因素中的单个参数在基准值附近变化，而保持其它因子不变，计算此情况下的稳定性系数，最后根据式(2)求得各因素的敏感度，由敏感度绝对值的大小来判断该因子对滑坡稳定性影响的敏感程度。

3 滑坡稳定性影响因素敏感分析

3．1 计算模型、参数及假设条件

中卡滑坡稳定性计算选择干旱季节状态工况，采用传递系数法(详见参考文献［2］)计算出基准稳定系数为1．248，滑坡稳定性计算基准参数取值见表1，计算模型条块划分见图2。

3．2 影响因素敏感性分析

3．2．1 滑体重度的敏感性分析

滑体的重度一般与岩土成分、包含物、含水状态等有关，具不均匀性，一般通过现场大容重试验来综合确定，但受试验地点、深度、试坑大小等影响而具有局限性，因此滑体重度的选择是否合适，也会影响到滑坡稳定性计算结果。选取中卡滑坡滑体天然重度基准值19．00(kN/m3)，其他岩土参数不变，当滑体重度增加0～20%时，计算出对应的稳定性系数。计算结果如图3、图4所示。

表1 稳定性分析计算基准参数取值表Table 1 Parameter value of calculation basis of stability analysis

图2 中卡滑坡稳定性计算模型条分图Fig．2 Slices of calculation model of stability of Zhongka landslide

图3 滑体重度与稳定系数关系Fig．3 Relation of sliding mass severe and stability coefficient

由图3可知，重度变化范围内稳定性系数呈微凹的曲线变化。当滑体重度从基准状态增大10%时，稳定性系数降低约2．8%，根据式(2)求得对应重度的敏感度Sγ=0．280 4;随着重度增加，稳定性系数变化量减小，敏感度降低，如图4。

图4 滑体重度与敏感度关系Fig．4 Relation of sliding mass severe and sensitivity

3．2．2 滑体饱水面积比的敏感性分析

中卡滑坡基准工况(干旱季节状态)下其饱水面积比为0(滑坡剖面上滑体饱水面积与滑体面积之比)，随着降雨的发生，地表水下渗入滑体内，使部分滑体达到饱和，增大了岩土体的自重，降低了土的抗剪强度，不利于滑坡的稳定。为了简化分析，滑体饱和仅考虑滑体自重增加，滑体饱水面积比从无水状态—饱水状态的变化范围为0～1．0，稳定性及敏感度计算结果如图5、图 6。

由图5可知，在滑体饱水面积比从无水状态—整体饱水状态的变化范围内(0～1．0)，稳定性系数呈线形变化。当滑体饱水面积比从基准状态的0增大10%时(饱水面积比0．1)，稳定性系数降低约0．08%，对应的滑体饱水面积比的敏感度Ss=0．008。由图6可知，敏感度随滑体饱水面积比呈平直线变化，滑体饱水面积比变化对中卡滑坡的稳定性不会产生显著的影响。

图5 滑体饱水面积比与稳定系数关系Fig．5 Relation of area ratio of saturated water of sliding mass and stability coefficient

图6 滑体饱水面积比与敏感度关系ig．6 Relation of area ratio of saturated water of sliding mass and sensitivity

3．2．3 滑带土抗剪强度参数敏感性分析

滑带岩土体的抗剪强度参数包括粘聚力C值及内摩擦角φ值。

(1)粘聚力C值敏感性分析。中卡滑坡滑带土粘聚力基准值取22 kPa，对滑坡敏感性分析成果见图7、图8。

图7 粘聚力C值变化率与稳定系数关系Fig．7 Relation of change rate of C value and stability coefficient

由图7、图8可知，当滑带土粘聚力C值在-20%～0范围内变化时，滑坡稳定性系数呈近似线形变化。当滑带土粘聚力从22 kPa减少10%时，其稳定性系数降低约3．12%，敏感度呈曲线增大至0．312 5;随着C值继续减少，其稳定系数仍然呈线形降低，而敏感度则呈凹曲线降低，敏感度Sc在0．312 5～0．308 5间。由此可知，滑带土粘聚力对中卡滑坡的稳定性敏感度虽然有一定的变幅，但总体呈增大趋势，最大可达0．312 5，对滑坡稳定性影响明显。

图8 粘聚力C值变化率与敏感度关系Fig．8 Relation of change rate of C value and sensitivity

(2)内摩擦角φ值敏感性分析。中卡滑坡滑带土内摩擦角基准值取15．5°，对滑坡敏感性分析成果见图9、图10。

图9 内摩擦角φ值变化率与稳定系数关系Fig．9 Relation of change rate of φ value and stabilty coefficient

图10 内摩擦角φ值变化率与敏感度关系Fig．10 Relation of change rate of φ value and sensitivity

由图9、图10可知，当滑带土内摩擦角φ值在-20%～0范围内变化时，滑坡稳定性系数呈近似线形变化。当滑带土内摩擦角从15．5°降低10%时，其稳定性系数降低约7．29%，敏感度Sφ呈微凹曲线降低，一般在0．737 2～0．729 2间;随着内摩擦角φ值继续降低，稳定系数呈线形降低，敏感度呈微凸曲线降低至0．721 2。由此可知，中卡滑坡滑带土内摩擦角对滑坡的稳定性影响明显，随着φ值降低，敏感度略有降低，但其值一般 ＞0．721 2。

综上分析可知，中卡滑坡滑带土抗剪强度参数中，内摩擦角φ值敏感度一般＞0．721 2，粘聚力C值敏感度一般在0．304 5～0．312 5间，由此可知内摩擦角对滑坡稳定性的影响比粘聚力对滑坡稳定性的影响要敏感得多。

3．2．4 地震荷载作用敏感性分析

中卡滑坡受2008年汶川特大地震影响，其变形有加剧发展的趋势，因此，该滑坡需考虑地震荷载作用对滑坡稳定性的影响，为了简化模型，地震荷载作用仅考虑滑块上的水平荷载作用，不考虑垂直荷载作用的影响。按地震设防为6、7、8度来模拟地震荷载作用，其水平地震系数分别取 0．05、0．10(0．15)、0．20。计算结果如图11、图12所示。

图11 水平地震力系数与稳定系数关系Fig．11 Relation of horizontal earthquake coefficient and stability coefficient

图12 水平地震力系数与敏感度关系Fig．12 Relation of horizontal earthquake coefficient and sensitivity

由图11、图12可知，当水平地震力系数在0～0．30范围内变化时，滑坡稳定性系数随其呈下滑曲线降低。当水平地震力系数从0增大0．10时，稳定性系数近似呈线形降低约7．69%，敏感度Sk呈微凹曲线降低，一般在0．801 3～0．769 2间;当水平地震力系数继续增大到0．20时，稳定性系数亦呈线形降低，敏感度Sk呈微凹曲线降低至0．721 2。由此可知，随着水平地震力系数的增大，滑坡稳定性系数呈线形下降，且敏感度总体呈降低趋势，其值一般＞0．721 2。

3．3 滑坡稳定性敏感因素综合分析

综上所述，中卡滑坡在拟定条件范围内，滑体重度对稳定性的敏感度Sγ一般在0．256 4～0．288 5;滑体饱水面积比对稳定性的敏感度Ss为0．008;内摩擦角φ值对稳定性的敏感度Sφ一般在0．721 2～0．737 2;粘聚力C值对稳定性的敏感度Sc一般在0．304 5～0．308 5;水平地震力系数对稳定性敏感度Sc在0．721 2～0．801 3间。其中水平地震力系数对中卡滑坡稳定性影响最大，其次为内摩擦角φ值、粘聚力C值及滑体重度，滑体饱水面积比对稳定性影响很小。对于滑体重度，可以通过现场调查及测试来获得较为精准的数值，其相对变化对稳定性的影响将减小。因此，影响中卡滑坡稳定性因子主要为水平地震力系数及滑带土内摩擦角(φ)、粘聚力(C)，这与实际调查中滑坡变形主要受降雨及地震因素影响的结论基本一致。考虑到滑带土抗剪强度参数主要受降雨入渗和滑带土饱水程度的影响，所以滑坡防治工程设计中，需重点考虑滑带土饱水的情况，应选择不利工况下的推力作为防治工程设计的依据。同时还应考虑地震对滑坡稳定性的影响，可在结构设计中予以充分考虑。

4 结论

通过对中卡滑坡稳定性影响因素的敏感性分析，得出以下结论:

(1)中卡滑坡滑带土内摩擦角(φ)、粘聚力(C)因子与稳定性系数呈近直线形递增变化;水平地震力系数(K)因子、滑体重度(γ)、滑体饱水面积比(S)与稳定性系数呈近直线形递减变化。

(2)中卡滑坡按因素敏感度从大到小依次为水平地震力系数(K)、滑带土内摩擦角(φ)、滑带土粘聚力(C)、滑体重度(γ)、滑体饱水面积比(S)。其中滑体饱水面积比对稳定性的影响不显著，滑体重度可以通过调查及测试得出较精准的数值，对稳定性的影响将变得较小，因此，影响中卡滑坡稳定性因子主要为水平地震力系数及滑带土内摩擦角(φ)、粘聚力(C)，与实际调查中滑坡变形主要受降雨及地震因素影响的结论基本一致。

(3)考虑到抗震设防区域内水平地震力系数将为一常量，其敏感度将不会出现较大变化，滑坡勘查设计时其准确参数将易于获取。因而对滑坡稳定性影响显著的因素则为滑带土抗剪强度指标值的选取，勘查设计时应多方面分析，主要是滑体水文地质条件与滑带土软化条件变化分析，以获取较准确的抗剪强度指标值，降低因指标值选择不合理对滑坡稳定性计算的影响。

本文在对滑坡稳定性影响因素敏感性分析时，考虑的是单因素的敏感度，没有考虑各因素之间相互关联对其稳定性的影响;其次因滑坡地表荷载及地下水位变化受到很多因素的制约，也未将地下水变化幅度对滑坡稳定性影响列入本次分析范围;仅对影响作用较大，最为常见，并且易于获取的影响因素进行了分析，在今后的工作中可以考虑进行因素间有交互作用时的分析，提高滑坡稳定系数的计算精度。

［1］ 罗顺林，董艳平．石棉县中卡滑坡应急勘察报告［R］．武汉:武汉地质工程勘察院，2010．

［2］ 中华人民共和国国土资源部．滑坡防治工程勘查规范:DZ/T 0218—2006［S］．北京:中国标准出版社，2006．

(责任编辑:于继红)