馬河崩塌體邊坡穩定程度敏感性分析

張楚楚，孫少銳，王 帥，唐 凱

(河海大學 地球科學與工程學院，江蘇 南京 211100)

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馬河崩塌體邊坡穩定程度敏感性分析

張楚楚，孫少銳，王 帥，唐 凱

(河海大學 地球科學與工程學院，江蘇 南京 211100)

針對雅礱江楞古水電站邊坡穩定性問題，以馬河崩塌體邊坡為例，選取巖體重度、粘聚力、內摩擦角、水位、地震系數為影響因子，以邊坡的安全系數為指標，基于均勻設計開展數值試驗，對試驗結果進行灰關聯分析，得出各因素與邊坡安全系數之間的關聯系數和關聯度。研究結果表明，各因素對邊坡穩定性的影響大小依次為內摩擦角>水位>地震系數>粘聚力>重度。

馬河崩塌體；均勻設計；灰關聯分析；敏感性分析

在邊坡穩定性分析中，時常要對影響邊坡穩定的各因素進行敏感性分析，以確定其在特定環境下對邊坡穩定的影響程度，從而為邊坡工程進行有針對性的設計、施工、監測、治理等提供依據。一般的敏感性分析主要采用單因子分析法，如楊春發，周文斌利用單因子分析法對剛果(金)SICOMINES銅鈷礦礦區邊坡進行了敏感性分析[1]。但這種方法的前提假設與實際有較大出入，存在明顯的局限性。之后又有人提出了基于正交設計的敏感性分析。莫曉華，趙雙祥[2]利用正交設計對軟弱夾層巖質邊坡的影響因素進行了分析，取得良好的效果；倪恒[3]等討論了正交設計在滑坡敏感性分析中的應用。但正交設計只適用于水平數不多的試驗中[4]。本文采用基于均勻設計的灰關聯分析[5]對楞古水電站馬河崩塌體邊坡進行敏感性分析。近年來，隨著灰色理論的不斷完善與發展，灰色理論和方法被越來越多地應用于工程實踐[6-8]，但其算例多是簡單的土質邊坡模型，非實際工程，且未考慮地震因素對邊坡穩定性的影響。因此，本文將地震因素納入影響因素中，以雅礱江楞古水電站馬河崩塌體邊坡為例，討論了基于均勻設計和灰關聯理論的邊坡敏感性分析方法在實際工程中的應用。

1　工程概況

楞古水電站位于雅礱江干流中游河段上，為典型的高山峽谷地形，兩岸山體雄厚，谷坡陡峭，地形高差大，臨江坡高超過500 m。該河段基巖主要為三疊系變質砂板巖和少量的花崗巖侵入體，第四系松散堆積物主要沿右岸階地和大型沖溝分布，厚度較大，分布范圍較廣。河段沖溝較發育，溝內堆積有大量泥石流、碎石崩塌體等松散堆積物。由于工程區岸坡高聳陡峻，相對高差大，加之風化卸荷影響，岸坡穩定問題突出。根據現場勘察報告，馬河崩塌體邊坡現整體雖處于穩定狀態，但在邊坡前緣發現局部塌滑現象。

馬河崩塌體地形較簡單，地勢較兩邊低，呈下凹的簸箕形。滑坡體整體呈瀑布狀，坡度自上而下較為均一，約為30°～35°。由于為巖石崩塌堆積形成，前緣較不規則。崩塌體物質主要為崩塌的碎石塊，表面土石膠結良好，內部存在架空層，架空層碎石塊松散堆積。崩塌體所在的區域沖溝較為發育，其中一小部分是泥石流溝，一般這些較大的沖溝延伸長，切割深度大，有的甚至達到十幾米，崩塌體附近沖溝中分布的塊石粒徑大小較為統一，巖石有輕微磨圓。崩塌體所在邊坡為變質砂巖反傾邊坡。根據邊坡的風化特征，將邊坡巖體分為四層，分別是微風化的基巖，弱風化的變形巖體，強風化的變形巖體以及表層松散堆積體。各層巖體的物理力學參數取值如表1所示。

針對馬河崩塌體邊坡特點，考慮工程的蓄水要求以及所處地區的抗震設防烈度(VIII度)，選擇巖體重度、粘聚力、內摩擦角、蓄水前后水位以及地震動參數作為邊坡穩定性的影響因子。表2為工程場地設計地震動參數。

2　均勻設計

2.1均勻設計表的構造

均勻設計表的構造方法很多，最常用的是好格子點法，具體方法是：

確定試驗數n，尋找比n小且與n的最大公約數為1的整數h。將符合該條件的正整數組成一個向量h=(h1，h2，…，hm)，稱為生成向量。

均勻設計表的第j列由下法生成：

u1j=ihj[modn]

式中，[modn]表示同余運算，若ihj超過n，則用它減去n的一個倍數，使其差落在[1，n]中。uij可以通過遞推來生成：

u1j=hj

(1)

i=1,2,…,n-1

2.2設計過程

確定巖石重度(□)、粘聚力(C)、內摩擦角(φ)、水位(H)、地震動參數作為試驗因素，其中地震動參數按地震系數(α)考慮。邊坡的安全系數K作為試驗指標。值得注意的是，由于馬河崩塌體邊坡是由松散堆積體、強變形巖體、弱變形巖體和基巖四種不同物理力學參數的物質組成，理論上選擇影響因子時需分別考慮，但實際上在同一邊坡中，不同層巖體的同一參數指標變化應當具有一致性，即若基巖的重度增大，由其風化所得的強、弱變形巖體的重度也應相應增大。本文僅選取基巖的參數作為影響因子，而堆積體、強變形巖體和弱變形巖體的參數水平取值根據基巖參數水平取值的變化而近似等比例變化，這樣既可以避免不同巖體的同一參數指標變化不一致而對因素的關聯分析產生干擾，又有效地減少了試驗次數。表3為試驗因素的范圍和水平。

表1　邊坡組成物質的物理力學參數

表2　場地設計地震動參數

表3　試驗因素水平表

表4　均勻設計表

表5　均勻設計計算結果

本次試驗共設置8水平因素4個，4水平因素1個，2水平因素1個，試驗次數定為8次，采用混合水平設計。試驗表由數據處理系統(DPS)生成[9]，表4為本文采用的均勻設計表。

根據上表代入邊坡的各項影響因素，利用SLIDE軟件采用簡化Bishop方法進行邊坡穩定性計算，得出邊坡安全系數K作為試驗指標。如第一次試驗，各項因素1(重度)、2(粘聚力)、3(內摩擦角)、4(地震系數)、5(水位)的水平分別取3、2、3、4、1，對照表3，即重度取24kN/m3，粘聚力取640 kPa，內摩擦角取47°，地震系數取0.393，水位取2400 m，計算在該條件下的邊坡安全系數。表5為均勻設計計算結果。

3　灰關聯分析

3.1關聯系數與關聯度

若經數據變換的母數列為{x0(t)}，子數列為{xi(t)}，則在時刻t=k時，{x0(t)}與{xi(t)}的關聯系數φ0i(k)可以用下式進行計算：

(2)

式中：Δoi(k)-k時刻兩個序列的絕對差，即Δoi(k)=|x0(k)-xi(k)|；Δmin-各個時刻的絕對差中的最小值；Δmax-各個時刻的絕對差中的最大值；ρ-分辨系數，其作用在于提高關聯系數之間的差異顯著性，取值在0～1之間，一般取0.5，本文中為提高關聯系數之間的差異顯著性，ρ取0.1。

兩序列的關聯度用兩比較序列各個時刻關聯系數的平均值來計算，即：

(3)

式中：r0i為子序列i和母序列0的關聯度；N為序列的長度，即數據個數。

在進行邊坡因素的關聯性分析時，由于不存在時間序列，故上式簡化為：

(4)

3.2數據處理與分析

(1)數據預處理。由于系統中各因素量綱不一致，且數值的數量級相差較大，因此在進行關聯度分析前需對數據進行無量綱化處理，避免造成非等權情況，常用的無量綱化方法有初值化、均值化、區間值化、歸一化等。本文采用均值化處理，具體方法是將所有因素各水平數據取平均值，再用各個數據去除這個平均值，得到一個新的數列，新數列中各個值的大小反映了各因素的變化幅度。表6為均值化處理之后的數據表。

(2)計算關聯系數和關聯度。將表6數據代入上述公式進行計算，得出各因素各水平值關于邊坡安全系數的關聯系數，再取平均值即得出各因素與邊坡安全系數之間的關聯度，計算結果見表7。

(3)灰關聯分析。由于關聯系數受數據變換方式、數列長度、分辨系數等因素的影響，因此即使是同一組數列得到的關聯度也并不唯一，因此關聯度數值本身的多少并不是關鍵，而各因素關聯度大小的排列順序更為重要，稱為關聯序。由表7可知，影響馬河崩塌體邊坡穩定性的因素與其安全系數之間的關聯序為內摩擦角(φ)>水位(H)>地震系數(k)>粘聚力(C)>重度(□)。故邊坡組成物質的內摩擦角是本次試驗中的優勢因素。其次，水庫蓄水對邊坡的穩定性具有較大影響，具體表現為當庫水位由2400 m高程升高至正常蓄水位2479 m高程時，邊坡的破壞概率大大增加。分析其原因可能是水位上升導致邊坡坡角被浸沒，降低坡角巖體粘聚力的同時還加強了對岸坡的侵蝕作用，從而加速了坡角處巖體的塌滑；地震系數對邊坡的影響與水位相差無幾，因此地震也是影響馬河崩塌體穩定性的重要因素。由于馬河崩塌體邊坡表面巖體本身較松散破碎，地震產生的水平向動力加速度，可能導致邊坡表面的堆積體沿坡面發生滑塌，甚至可能產生涌浪的危險。工程區的抗震設防烈度為VIII度，因此需慎重考慮地震作用的影響，做好抗震設計；另外，從關聯度來看，邊坡組成巖體的粘聚力和重度變化對邊坡穩定性的影響較小。將此結果與其他學者對邊坡敏感性的研究結果對比發現，在不同的工程背景下，即使取相同的影響因子，其對邊坡穩定性影響的大小關系不盡相同，說明邊坡穩定性對各因素的敏感程度受其所處的具體環境控制，但具體關系仍無定論。

表6 均值化數據表

表7 關聯系數與關聯度計算結果

4　結論

1)采用均勻設計對楞古水電站馬河崩塌體邊坡進行敏感性分析，在確保準確性的基礎上大大減少了試驗次數。

2)各因素對邊坡穩定性的影響大小依次為內摩擦角>水位>地震系數>粘聚力>重度，因此在進行邊坡治理時應當加強水庫蓄水前后邊坡的監測工作，避免水位上升對邊坡產生不利影響；另外，充分考慮當地抗震設防烈度，合理設計，采用合適的加固支護手段，確保邊坡的穩定性。邊坡穩定性對各影響因素的敏感程度在不同條件下差別較大，與其所處的環境有關，具體關系有待進一步研究。

[1]楊春發，周文斌.剛果(金)SICOMINES銅鈷礦礦區邊坡敏感性分[J].水利與建筑工程學報，2011，9(1)：148-151.

[2]莫曉華，趙雙祥.基于正交設計的軟弱夾層巖質邊坡影響因素分析[J].北方交通，2014(10)：66-68.

[3]倪 恒，劉佑榮，龍治國.正交設計在滑坡敏感性分析中的應用[J].巖石力學與工程學報，2002，21(7)：989-992.

[4]方開泰.均勻設計與均勻設計表[M].北京：科學出版社，1994.

[5]易德生，郭 萍.灰色理論與方法[M].北京：石油工業出版社，1992.

[6]閆計瑞，劉 海，王 強.灰色理論在偏壓連拱隧道中的應用[J].河北工程大學學報：自然科學版，2015，32(3)：75-77.

[7]井培登，范付松，宋義亮，等.基于均勻設計的邊坡敏感性灰色關聯分析[J].安全與環境工程，2011，18(2)：116-118.

[8]陳高峰，盧應發，陳 龍，等.基于均勻設計的邊坡敏感性灰色關聯分析[J].水力發電，2010，36(4)：20-22.

[9]TANG Qiyi，ZHANG Chuanx.Data Processing System( DPS) software with experimental design, statistical analysis and data Mining developed for use in entomological research[J].Insect Science，2013(20)：254-260.

(責任編輯王利君)

Sensibility analysis of stability of Mahe deposit slope

ZHANG Chuchu，SUN Shaorui，WANG Shuai，TANG Kai

(Institute of Earth Science and Engineering，Hohai University，Nanjing 211100，China)

Lenggu hydropower station is located in alpine valley region of Yalong River. Due to the complex geological environment, the stability problem is sever and it is influenced by numerous factors. With slope safety factor chosen to be the index, the unit weight, cohesion, internal friction angle, water level and seismic coefficient were selected to be the factors. Then, the numerical experiments based on uniform design were done and the results were analyzed with grey correlation theory. The result show that the sequence of magnitude of correlation with slope stability is : internal friction angle>water level >seismic coefficient > cohesion> unit weight.

Mahe deposit slope;uniform design;grey correlation analysis;sensibility analysis

2016-04-27

國家自然科學基金資助項目(41102162)

張楚楚(1992-)，男，江蘇南通人，碩士，主要研究方向為巖石力學等。

1673-9469(2016)03-0052-05

10.3969/j.issn.1673-9469.2016.03.011

TV223

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