基于正交试验的白泥沟滑坡稳定敏感性分析

2022-03-19刘广辉

国防交通工程与技术 2022年2期

刘广辉

(中铁十九局集团第三工程有限公司,辽宁沈阳 110136)

影响滑坡稳定性的内因和外因相互作用共同影响滑坡的稳定性。从内因角度来看，有研究表明黏聚力和内摩擦角是影响滑坡稳定性的主要因子[1]。从外因来看，降雨入渗坡体，使坡体内的地下水位不断抬升，地下水会软化坡体的抗剪强度参数，从而使得坡体稳定性下降[2-4]；除此之外，位于地震带的滑坡也会受到地震作用的影响，地震作用会产生液化效应，从而使得滑坡稳定性大大降低[5]。

相关研究虽对内因和外因不同因子对滑坡稳定性影响做了一定分析，但各因子对滑坡稳定性的具体影响规律如何仍不充分，本文对此开展针对性研究。

1 白泥沟滑坡基本特征

1.1 滑坡概况

图1 滑坡全貌

1.2 工程地质条件

根据地调及钻探揭露，区内地层岩性由新到老分别为填土、粉质黏土、碎石土和强风化灰岩。

填土：根据现场调查了解，滑坡区沿线地表分布有人工弃渣、人工填土、耕植土等填土，钻孔揭露不明显，主要沿斜坡表层分布，耕植土厚度较小，人工填土分布厚度变化较大，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，对地质环境条件扰动较大。

粉质黏土：呈可塑-硬塑状，局部软塑状，土质结构疏松，含植物根系，碎石含量10%～20%，成分主要为强风化灰岩，局部碎石富集或夹块石，粒径一般1～3 cm，棱角状，以粉质黏土充填，钻孔揭露厚度2～12 m左右。

碎石土：碎石含量60%～80%，成分主要为强风化灰岩，次棱角状，粘性土充填，分布厚度6.6～18.4 m左右，而且分布极为不均匀，差异变化较大，与强风化灰岩没有明显的界线，由于区内岩体风化强烈，表层松散层渗透较深，对岩土体的特征差异影响较大。渗透性强，属强透水层结构松散。

强风化灰岩：钻探岩芯扰动后多呈碎块状、米粒状，少量呈短柱状，岩体基本质量等级为“Ⅴ”级，强度较低，勘察区内受构造活动影响明显，原岩结构大部分被破坏，节理裂隙、风化裂隙发育，斜坡陡壁面多见掉块迹象，勘察钻孔所揭露的强风化灰岩破碎，呈碎块状、米粒状，野外调查勘察区出露的该套岩层强风化带测得岩层产状275°∠22°，主要发育两组大角度节理裂隙面(J1：19°∠70°，J2：181°∠85°)，滑坡区均有分布，勘察中未揭穿该层。

工作区处于金沙江深切割高中山峡谷地貌区、河谷深切、斜坡陡峻，区域构造处于小江活动断裂带，区内断层发育，新构造活动强烈，地震活动频繁，是一个应力非常密集、能量易释放的地区，总体地质环境条件比较脆弱。根据记载巧家县地震动峰值加速度值为0.2g，地震动反应谱特征周期为0.40 s，地震基本烈值为Ⅷ度。

区内地下水主要有松散层孔隙水和岩溶裂隙水，接受大气降水、地表水流以及远场地下水的补给，大气降水和地表水流的补给具有季节性，远场地下水补给稳定，是场区地下水的主要补给源。其中松散层孔隙水主要赋存于第四系崩坡碎石土和粉质黏土，碎石土、含碎石粉质黏土中，透水性强，富水性差，主要接受大气降水补给；岩溶裂隙水赋存于碎裂基岩中，由于区内基岩灰岩为主，裂隙渗透性能差，富水性一般较弱，同时埋深较大，主要接受上层孔隙水补给，地下水总体较复杂，受降水侵蚀活动影响较大，雨季局部可能形成富水带，地表局部形成积水，对斜坡的稳定性影响较大。

2 稳定性计算模型及敏感性分析

2.1 模型建立

选取白泥沟滑坡主剖面为研究对象，建立数值模拟的概化模型，模型结果如图2所示，土层由上到下依次为人工填土、粉质黏土、碎石土、灰岩，模型高程与长度都按照实际情况绘制。为计算结果较为准确且方便设置，模型单元平均大小2 m，总共1 850个节点，1 780个单元网格。

图2 滑坡体概化模型

在GeoStudio中的seep/w模块中，将土层参数均设置为饱和-非饱和计算模型，计算参数见表1所示。

表1 各土层参数

2.2 计算参数及边界条件确定

确定模型边界为：底面为隔水零流量边界，坡体表面的降雨入渗边界根据实际降雨或者降雨边界条件确定[6]。当考虑地震作用时，在模型底部施加地震力模拟地震上传过程，模型底面设置为竖直方向位移约束边界，左、右两个侧面设置为法向位移约束边界。

2.3 技术路线

本项目利用GeoStudio建立二维模型，并赋值相应区域材料。同时选择x方向为滑坡主滑方向，y方向为重力竖直方向，在地面固定x、y约束，在两侧固定x约束，并使模型在重力及外界因子作用下进行计算。

模拟过程为：①对原始地质模型施加初始应力边界条件，使其在初始条件下到达地应力平衡；②从内因和外因两个角度，分别分析影响滑坡体稳定性各因子之间的敏感性大小；③从降雨强度、降雨历时、地震作用三个不同外因影响因子角度出发，分析滑坡稳定性影响规律。

2.4 影响因子敏感性分析

从内外因两个角度分别选取地层黏聚力、内摩擦角、地震加速度和降雨强度四因素，开展各因素四水平的边坡稳定性正交计算，正交试验因素水平如表2所示。其中，地震加速度时程曲线如图3所示，通过调整最大加速度实现地震烈度的水平变化；降雨强度选取气象局确定的24 h内降雨工况为大雨、暴雨、大暴雨及特大暴雨进行划分，降雨时长设置3 d。

表2 正交试验因素水平

图3 地震加速度

本文选取4因素4水平的正交表H16(44)进行试验，采用GeoStudio模块建立白泥沟滑坡渗流模型，计算并记录各个工况下的稳定性系数Fs。正交设计方案及稳定性计算结果见表3。

表3 正交设计方案及计算结果

本文采用极差分析法分析正交计算结果，结果见表4。对稳定性而言，各影响因子的敏感性大小为：内摩擦角>地震强度>降雨强度>黏聚力。分析表明：内摩擦角对白泥沟滑坡稳定性影响最大；白泥沟滑坡稳定性最主要受内因的影响,外因的改变对白泥沟稳定性的影响作用也不能忽略[7]。

表4 各因素稳定系数及极差分析结果

3 不同影响因子对滑坡稳定性的影响

影响白泥沟滑坡稳定性的最主要因子是内摩擦角，但由于坡体本身的内在属性不容易改善，故不能忽视外因对滑坡的影响。在此主要从降雨强度、降雨历时、地震强度三个方面分别分析，为后期滑坡防治以及监测工作提供相关依据。

3.1 降雨强度

降雨强度是指在某一历时内的平均降落量，它可以用单位时间内的降雨深度或降雨体积表示。分析过程中依次设置5种不同的降雨强度：10、20、30、40、50 mm/d，设置降雨时长为5 d，降雨停止后稳定期5 d，总时长为10 d，并控制其他条件不变，只改变降雨强度一个参数。

图4为不同降雨强度下的稳定性系数变化趋势，由图可知，白泥沟滑坡在不同的降雨强度下整体变化趋势是随着降雨作用的增加稳定性系数逐渐下降，当降雨停止后，稳定性系数随之缓慢上升。

图4 不同降雨强度下的稳定性变化

图5为不同降雨强度下的孔隙水压力变化趋势，由图可知，白泥沟滑坡在不同降雨强度下的整体变化趋势是随着降雨作用的增加孔隙水压力逐渐上升，当降雨停止后，孔隙水压力随之下降。

图5 不同降雨强度下的孔隙水压力变化

3.2 降雨历时

设计单位时间内降雨强度为30 mm，降雨历时依次经过3 d、6 d、9 d、12 d及15 d，总时长为20 d，除设置降雨强度外其余降雨为0，并控制其他条件不变，只改变降雨历时一个参数。

图6为不同降雨历时下的稳定性系数变化趋势，由图可知，白泥沟滑坡在不同的降雨历时下整体变化趋势是随着降雨时长的增加稳定性系数逐渐下降，当降雨停止后，稳定性系数随之缓慢上升。

图6 不同降雨历时下的稳定性变化

图7为不同降雨历时下的孔隙水压力变化趋势，由图可知，白泥沟滑坡在不同的降雨历时下整体变化趋势是随着降雨时长的增加孔隙水压力逐渐上升，当降雨停止后，孔隙水压力随之下降。

图7 不同降雨历时下的孔隙水压力变化

分析原因认为：随着降雨过程持续，连续降雨使得一部分降雨量以地表径流的形式冲刷坡体表面，另一部分则下渗进入白泥沟滑坡内部，使得白泥沟滑坡内部地下水位随之抬升，地下水会软化坡体强度参数，从而使得白泥沟滑坡稳定性系数降低。降雨强度越大，降雨历时越长，地下水抬升越明显，强度参数软化程度也越明显：在后期停止降雨之后，坡体内部分地下水逐渐排出坡体，坡体强度参数的软化效应逐渐降低，稳定性系数逐渐上升[8-9]。

3.3 地震强度

由于研究区区域构造处于小江活动断裂带，区内断层发育，新构造活动强烈，地震活动频繁，是一个应力非常密集、能量易释放的地区。分别选择地震加速度为0.1g、0.2g、0.3g下的地震强度作为变量，并控制其他条件不变。

由地震加速度下白泥沟滑坡稳定性计算结果可知，白泥沟滑坡在地震加速度为0.1g下的最小稳定性系数为1.042，在0.2g下的最小稳定性系数为0.928，在0.3g下的最小稳定性系数为0.895。可以明显看出，随着地震强度的增加，地震震动力会明显影响白泥沟滑坡的稳定性，主要表现在：随着地震强度的增加，白泥沟滑坡土体颗粒之间会不断摩擦软化，从而使白泥沟滑坡的抗滑能力降低，导致滑坡稳定性系数降低[10-11]。