基于正交试验的柏堡滑坡变形敏感性分析

陈 源 易庆林 刘艺梁 曾怀恩 周 宝

(1.三峡大学 三峡库区地质灾害教育部重点实验室， 湖北 宜昌 443002； 2.三峡大学 地质灾害防治研究院， 湖北 宜昌 443002； 3.湖北省水电工程施工与管理重点实验室(三峡大学)， 湖北 宜昌 443002； 4.三峡大学 水电工程智能视觉监测湖北省重点实验室， 湖北 宜昌 443002)

三峡库区是地质灾害频繁发生的地区，尤以滑坡灾害为主，滑坡引起的灾害往往造成大量的人员伤亡以及经济损失，这使得研究滑坡稳定性具有重大的实际意义.影响滑坡稳定性的因素有许多，如人类工程活动、降雨、地下水位的变动情况、滑坡岩土体的物理力学性质、地震影响等，确定其中敏感或较为敏感的因素，将会对滑坡的监测与防治提供较大的帮助[1].董瑞朝，陈孝刚，陶志刚[2]利用边坡稳态MSARMA分析方法发现排水率与地震烈度是引起滑坡失稳的敏感性因素；向灵芝，崔鹏，张建强，等[3]对滑坡灾害发生区域的影响因子进行了敏感性分析，并确定了该区域最利于地震滑坡发育的影响因子的数值区间.对于影响因素较多的滑坡，逐个进行分析的结果具有一定的局限性.为了综合考虑多因素对滑坡稳定性的影响，运用正交试验设计方法对各个因素进行敏感性分析以及显著性检验，是一种较为实际可靠的选择.倪恒，刘佑荣，龙治国[4]；张万涛，余宏明[5]运用正交试验设计方法对滑坡进行敏感性分析，确定了对滑坡稳定性影响显著的因素；赵运会，樊晓一[6]基于正交设计中的多因素双指标分析，得出斜坡坡度是影响滑坡最大运动距离与速度的主要影响因素的结论.本文以三峡库区柏堡滑坡为例，采用正交试验设计的方法对滑坡进行敏感性分析和显著性试验，找出影响滑坡稳定性较为敏感的因素，分析滑坡变形诱因.

1 滑坡概况

柏堡滑坡位于宜昌市秭归县郭家坝镇，童庄河右岸，为一岩土混合型滑坡(如图1 所示)，2017 年10月3日发生滑动，滑坡体发生局部小规模坍塌、崩塌等不良地质现象.滑坡平面呈现舌形，剖面形态为折线型.滑坡后缘高程约320m，坡脚直抵童庄河河床，相对高差约170m，滑坡后缘较陡，坡度为30°～40°，滑坡中部坡度为15°～25°.滑坡纵长约300m，后缘宽约80m，前缘宽约120m，面积约3×104m2，平均厚度约20m，体积约60×104m3.

柏堡滑坡滑体主要由含碎石黏土、碎石土、中强风化破碎状砂岩块石构成，颜色为紫红色或褐黄色.滑坡体表层为强风化砂岩碎石土、含碎石黏土，岩性以紫红色粉砂岩、页岩居多，其次为褐黄色砂岩及青灰色砂岩.滑带为含碎石黏土软弱夹层，物质组成黏土、黏土夹碎石为主，透水性较差，位于滑坡体21～24.5 m 的位置.滑床为侏罗系下中统聂家山组(J1～2n)：为紫红色泥岩、粉砂岩，岩层倾向330°～350°，倾角30°～55°，呈单斜构造，未见大的断裂破碎带.

图1 柏堡滑坡工程地质平面图

2 滑坡敏感性分析

2.1 正交试验设计

正交试验设计法是一种采用正交表分析多因素问题的科学方法，具有整齐可比性，由于正交表的组构是基于正交拉丁方法设计[7]，从而保证了该试验方法能以具有代表性的较少的试验就可反映全面的情况.

试验方法的步骤如下：①根据研究对象，选取试验指标，影响因素及其水平，并选取合适的正交表，记为Ln(tm)，L为 正 交 表 记 号，n为 试 验 次 数，t为 水 平数，m为正交表列数；列数n不能小于影响因素的个数，当正交表列数大于所取影响因素的个数时，多余列数可作为误差列；②根据已选正交表，制定试验计划表，进行试验并测定试验结果；③利用极差分析方法分析试验结果，确定影响因素对试验结果影响程度的大小顺序；通过方差分析方法进行影响因素的显著性检验，判断每个因素对试验结果影响是否显著.

2.2 确定影响因素及其水平

根据滑坡所处的地质环境以及现场勘查，选取粘聚力c、内摩擦角φ、滑坡体的重度γ、降雨量T以及库水位H作为影响因素[8]，选取滑坡的稳定性系数作为试验指标.由于滑坡所处区域地震发生次数较少，未将地震作为影响因素进行敏感性分析，但并不能认定频率较低地震的发生对滑坡稳定性无影响.下面讨论5个影响因素的水平的选取情况.2.2.1 粘聚力c、内摩擦角φ和重度γ

根据柏堡滑坡野外勘察报告[9]和滑体情况，得出含碎石黏土干重度在14.89～15.58kN/m3之间，天然状态重度在17.40～20.36kN/m3之间，饱和状态重度约为20.5kN/m3；碎石土干重度约为17.16kN/m3，天然状态重度约为23.4kN/m3，饱和状态重度约为24.3kN/m3.由于滑体表层以含碎石黏土为主，中部以碎块石居多，故将滑体重度γ的水平取值范围定为15.4～25.3kN/m3；根据滑带土室内试验成果和参数反演，将滑带土c的水平取值范围定为20～29kPa；滑带土φ的水平取值范围定为17°～24°.

2.2.2 降雨量T以及库水位H

滑坡发生滑动时，滑坡区域范围持续降雨多天，所以本次试验的降雨量T和库水位H的选取将尽可能贴合滑动时的实际情况，以便准确地分析影响因素对滑坡稳定性的敏感程度.根据秭归县强降雨重现期[10](见表1)和滑坡区域每月降雨量(如图2所示)可知，滑坡区域日降雨量达到50mm 以上的情况较少，日降雨量在10mm 左右的情况居多，结合实际降雨情况中包涵中、大、暴雨[11]，确定日降雨量的取值分别为10mm/d、25mm/d、40mm/d、55mm/d.考虑到降雨入渗具有滞后性，随着降雨强度的增大，滑坡往往在降雨当时或持续降雨1～2d后达到最不稳定的状态[12]，因此，降雨时长选取连续3d，以3d连续降雨的降雨量作为降雨量T.

表1 秭归县降雨强度重现期表(丰水期)(单位：mm)

图2 滑坡区域2018年每月降雨量

由于在滑坡发生滑动前后，库水位上升速率较为缓慢，并且库水位的波动在145～175m 之间，本次试验将考虑静态时库水位，将库水位H的水平的选取范围定为145～175m.经过以上分析，得到影响因素水平表，见表2.

表2 影响因素水平表

2.3 模型建立及稳定性计算

根据选取的影响因素，不考虑因素间的交互作用，选取5因素4水平正交表L16(45)安排试验.试验中采用的计算模型如图3所示，模型范围为0＜x＜450m，130＜y＜320m.对其进行有限元划分，滑坡单元网格长度为4m，单元数2575个，节点数2635个.

图3 计算剖面模型

滑坡的岩土体物理参数根据室内试验以及工程地质类比等综合确定，选取的数值见表3.

表3 岩土体物理参数

运用Geo-Studio软件Seep/W 模块进行渗流分析，将计算结果作为初始条件导入Slpoe/W 中，采用Morgenstern-Price计算滑坡的稳定系数，统计各个试验的计算结果——稳定系数Fs，最终统计结果见表4.

表4 正交试验方案及计算结果

续表4 正交试验方案及计算结果

2.4 试验结果分析

2.4.1 极差分析

采用极差分析法对正交试验结果进行分析，见表5.对于滑坡稳定系数而言，各影响因素敏感性由大到小的排列为：内摩擦角φ、降雨量T、粘聚力c、库水位H、滑坡体重度γ.根据稳定系数极差分析结果作出图4，并将各个数据点进行拟合，由图可知，随着内摩擦角φ的增大，滑坡稳定系数呈现上升趋势；随着降雨量T的增大，滑坡稳定系数逐步下降，其他影响因素对滑坡稳定性影响较小；随着影响因素的水平变化，稳定系数未发生较大的变化.

表5 稳定系数极差分析结果

图4 影响因素水平变化趋势图

2.4.2 方差分析

采用方差分析法对试验结果进行分析，由于本次试验的因素列处于饱和状态，没有额外的空列，因此采取以下方法对误差的偏差平方及其自由度进行估计：当试验结果中有一个影响因素的偏差平方和明显偏小时，可以将该影响因素作为误差进行分析检验，所选取的因素的偏差平方和以及对应的自由度，作为误差的偏差平方和与自由度.经过计算分析，将影响因素重度γ作为误差进行显著性检验[6]，见表6.显著性水平α的选取分别为0.1、0.05、0.01，查Fa分布表可知：F1-0.1(3，3)=5.39、F1-0.05(3，3)=9.28、F1-0.01(3，3)=29.5.显著性影响的评判标准为：F值小于F1-0.1(3，3)的值为不显著影响；F值介于F1-0.1(3，3)和F1-0.05(3，3)的值之间为不十分显著影响；F值介于F1-0.05(3，3)和F1-0.01(3，3)的值之间为显著影响；F值大于F1-0.01(3，3)的值为高度显著影响.现将各影响因素的F值与之对比可知，内摩擦角φ、降雨量T、粘聚力c对滑坡的稳定性有高度显著影响；库水位H对滑坡的稳定性无显著影响.

表6 方差分析结果

3 滑坡诱发因素分析

柏堡滑坡初次变形的时间为2017年10月3日，于10月8日安装地表GPS监测点.通过整理滑坡发生滑动时期的一个月内降雨和地表GPS 监测数据(图5)可知：2017年9月底-10月底柏堡滑坡所在区域持续降雨，10月2日滑坡区域的日降雨量达到60mm 以上，10 月12 日滑坡区域的日降雨量达到30mm 以上；在长期持续降雨影响下，柏堡滑坡10月12日变形速率突然增加，并持续到10月16日；10月16日以后随着日降雨量的减小以及降雨持续时间的缩短，滑坡位移量逐步减小.

结合正交试验分析结果可知，滑坡的稳定性对降雨量较为敏感[13]，可推测滑坡的变形原因为：滑坡区域持续多天的降雨在滑坡体表部汇聚了大量的雨水，

图5 滑坡区域2017年9月～10月内降雨量

日降雨量的突然增幅加剧了雨水的入渗，使得滑坡滑带土的抗剪强度减小[14]，因滑带土的抗剪强度也是滑坡稳定性的敏感因素，最终引起滑坡失稳.滑坡的稳定性对库水位不是特别敏感，其主要原因可能是滑坡体前部被库水浸没的体积较小，从而导致库水位的变化对滑坡体的稳定性产生较小的影响，所以库水位的变化并不是滑坡滑动的主要诱因.

4 结 论

1)根据正交试验的极差分析可知，所选取的5个影响因素对滑坡稳定性的敏感性由大到小的顺序依次是：内摩擦角φ、降雨量T、粘聚力c、库水位H、滑坡体重度γ.

2)方差分析结果表明：内摩擦角φ、降雨量T、粘聚力c对滑坡的稳定性影响特别显著；滑坡体重度γ和库水位H对滑坡的稳定性无显著影响.

3)引起滑坡变形的主要因素为降雨，日降雨量强度增大和持续降雨加剧了地表水的入渗，使得滑带土的抗剪强度降低，从而引起滑坡失稳；库水位的变动对于滑坡的稳定性有一定的影响，但影响有限，并非是引起滑坡变形的主要因素.