爆破振動作用下節理巖體邊坡變形破壞因素敏感性分析

范新宇，張 爭，陳國將，楊天俊

(中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司,西安 710065)

0 前 言

巖體變形破壞往往會造成重大的財產損失及人員傷亡，研究影響巖體穩定的主次因素，可為其支護及治理提供重要的參考[1-2]。在巖體影響因素敏感性分析方面，國內外專家學者進行了諸多研究，朱維申[3]等早期針對黃河拉西瓦水電站地下廠房，采用單因素分析法，對節理巖體參數與破損區關系進行敏感性分析，結果表明強度參數對破損區范圍影響最大，內摩擦角的影響比粘聚力更大；申艷君[4]等針對大崗山水電站地下廠房，選取5個指標進行敏感性分析，結果表明變形模量對圍巖變形影響較大；陳源等[5]在分析柏堡滑坡變形影響因素基礎上，選取5個指標，通過正交設計方法進行分析，結果表明，內摩擦角和降雨量對邊坡穩定影響最大。以上專家學者對巖體破壞因素進行分析，取得了諸多有意義的成果，根據研究[6-8]，正交試驗與灰關聯分析相結合的方法較為適合多因素敏感性分析，但巖體變形破壞的因素眾多，不同地質環境下巖體破壞因素及模式不盡相同，因此對具體工程進行分析時，其重點為合理確定巖體變形破壞影響因素。

本文在分析老撾某水電站溢洪道邊坡穩定的影響因素基礎上，結合現場地質工程師的判斷，確定巖體重度、結構面粘聚力、內摩擦角為影響邊坡巖體穩定的內因，施工區爆破振動作用為主要外部影響因素，針對爆破作用難以量化的問題，基于擬靜力法將爆破作用轉化為加速度參與邊坡穩定計算，利用正交試驗方法對數據進行交互處理，對交互結果進行灰關聯分析，通過關聯度結果確定影響邊坡穩定的主次因素，為類似邊坡工程設計及治理提供參考。

1 敏感性分析的基本原理

敏感性分析的基本思路為：根據工程實際合理確定影響因素，將各因素量化為區間值，因素區間等分為數個水平值，利用正交試驗表對各因素水平值并進行交互組合，計算各試驗組合的穩定系數，根據灰關聯理論，計算各因素對穩定性系數的關聯度，依據關聯度大小進行敏感性排序。分析流程如圖1所示。

圖1 敏感性分析流程

由上述步驟可知，最關鍵的步驟為正交設計及灰關聯分析，其基本理論如下。

1.1 正交設計

正交設計是研究多因素問題的一種方法，它基于正交設計表，把各因素參數范圍等分為幾個水平值，對水平值進行重新排列，形成新的參數組合，從而進行多因素評價。根據以往研究，正交設計可以用較少的試驗組合反映較全面的問題，并實現較高的精度，且可對非線性問題進行分析，因此在巖土領域應用廣泛[8]。

正交設計的關鍵是選取合適的試驗表[9]，正交試驗表記作Ln(qs)，其中n為設計試驗次數；q為變量取值范圍內數據均勻分段的個數；s為列的個數。利用正交試驗表Ln(qs)對各因素水平值進行重新組合，計算各項組合下邊坡穩定系數，便可通過灰關聯法分析各因素水平值的變化對邊坡穩定系數的影響程度。

1.2 灰關聯分析

設矩陣X為邊坡穩定性影響因素集合，集合X中包含n個因素，根據正交設計，每個因素中劃分q個水平值；集合Y為評價指標，本次分析中即為邊坡穩定性系數。數列X、Y可用下列矩陣形式表示：

Y=[Y1,Y2,…,Yq]

(2)

1.2.1數據均值化處理

為消除量綱影響，利用公式(3)對各項參數進行均值化處理，使其變為可比較的無量綱數據[10-11]：

1.2.2敏感性分析

設矩陣Δij有如下關系：

|Δij|的最大值和最小值可表示為：

Δmax=max(Δij)

Δmin=min(Δij)

(5)

則Xi對Y在k點的關聯系數可表示為：

其中，η為分辨系數，一般取0.5。

Xi對Y關聯度可以表示為：

以上各公式中，Xi為影響因素，Y為評價指標，即邊坡穩定系數，利用公式(4)～(7)可得各項因素對穩定系數的關聯度，關聯度處于區間[0,1]，關聯度越接近1，表明該因素與穩定性系數關系越大，該指標對邊坡穩定越敏感，反之敏感性小[2]。

2 工程實例分析

2.1 工程概況

某在建水電站位于老撾萬象省，壩高210m，壩型為面板堆石壩，電站總裝機容量480MW。該電站溢洪道邊坡開挖揭露巖性為片麻巖，坡體范圍內無斷層通過。塌滑主要發生于高程549.00～589.00m，塌滑區范圍內主要發育2組裂隙：①J1:NE18°∠70°，與邊坡斜交，裂隙寬度0.1～0.3cm，充填巖屑及泥質，延伸長度15～20m；②J2:SW250°∠44°，與邊坡傾向近似，傾角緩于坡腳，裂隙寬度0.1～0.5cm，充填巖屑及泥質，延伸長度約15m。

該溢洪道邊坡已開挖成型1a時間，邊坡發生破壞時，附近溢洪道底板正采用爆破方式開挖。高程549.00～569.00m邊坡開挖坡比3∶1，高程569.00～589.00m邊坡開挖坡比1∶1，邊坡坡面傾向SW274°，塌滑區地質縱剖面如圖2所示。

圖2 溢洪道左邊坡塌滑區地質剖面

由于塌滑區邊坡處于溢洪道泄流雨霧區，其穩定性對后續溢洪道功能的正常發揮至關重要，因此研究影響邊坡穩定的主次因素，并對高敏因素處理，是保證邊坡后續穩定的關鍵。

2.2 影響因素分析

(1) 結構面抗剪強度參數(粘聚力、內摩擦角)：根據以往研究[4]，邊坡失穩可歸結為剪切破壞問題，巖質邊坡往往受結構面控制，因此結構面抗剪強度對邊坡穩定影響較大。

(2) 容重：根據極限平衡理論，當下滑力大于抗滑力，即γVsinα> γVcosα×tgφ+cL時，邊坡會發生失穩，可以看出，容重包含于下滑力和抗滑力中，其對邊坡穩定影響重大。

(3) 爆破振動：由于邊坡下部溢洪道底板采用爆破方式開挖，爆破振動作用會使結構面張開，弱化結構面的膠結作用，進而降低巖體及結構面的抗剪強度，因此爆破作用對邊坡穩定影響較大，但其難點在于如何將爆破振動因素量化并引入邊坡穩定性計算當中。

2.3 振動加速度計算

爆破振動作用對邊坡穩定的影響較為復雜，為簡化分析，可采用擬靜力法，將爆破振動作用力等效為施加于邊坡上的外力(靜力)，從而利用剛體極限平衡法求解邊坡穩定。根據相關學者的研究成果[12-13]，擬靜力法各項參數可用公式(8)表達：

式中:x為質點位移，m；A為振幅，m；V為振動速度，m/s；a為振動加速度，m/s2；f為振動主頻，Hz。其中，f及V可通過現場爆破振動測試獲得。

溢洪道底板采用爆破方式開挖，溢洪道邊坡與爆破施工區距離15～30m，利用以上公式并結合爆破振動測試成果，算得節理邊坡振動加速度在0.20～0.36g之間。

2.4 正交試驗計算

根據前文分析，選取巖體容重、結構面粘聚力、內摩擦角、爆破振動加速度4項指標作為該邊坡穩定性主要影響因素，邊坡巖體及結構面參數范圍值如表1所示。

表1 參數取值范圍

采用正交設計表可實現對4因素3水平值的交互組合分析， 正交試驗如表2所示，試驗水平值劃分如表3所示。

表2 正交設計

利用表2對各因素水平值進行組合，可得9組正交試驗參數，通過Swedge軟件對9組參數進行穩定性計算，得到相應的穩定性系數Fs，正交試驗組合及評價指標Fs計算結果如表4所示。

表3 各因素水平值

表4 正交試驗影響因素組合及計算結果

2.5 灰關聯分析計算

根據表4正交試驗結果，將4個影響因素作為子序列，邊坡穩定性系數Fs作為母序列，計算各項因素與穩定系數Fs之間的關聯度。為消除量綱因素的影響，計算前應對各項指標進行均值化處理，均值化處理后的數據如表5所示；根據公式(4)～(7)，各項影響因素對穩定系數的關聯度計算結果如表6所示。

2.6 敏感性分析

由表6關聯度計算結果可知，4項影響因素與邊坡穩定均有一定關聯，其中振動加速度與Fs關聯度最大，其次為結構面內摩擦角和粘聚力，各項指標的敏感性排序為：振動加速度>內摩擦角>粘聚力>容重。

表5 數據的均值化處理結果

表6 關聯度計算結果

通過對影響邊坡穩定的4項因素進行敏感性分析，認為該邊坡變形破壞是內因和外因共同作用的結果。由于施工爆破對邊坡的影響是長期、累加的，因此若要保證后續邊坡穩定，需加強施工爆破的控制，以降低爆破振動作用對邊坡的不利影響。根據計算分析結果，邊坡結構面抗剪強度指標對邊坡穩定也有重要影響，應采取一定的工程處理措施，增強邊坡結構面的抗剪強度，及時對坡表及馬道進行封閉處理，防止雨水滲入巖體降低結構面抗剪強度。該研究方法可為類似工況下節理巖體邊坡的治理提供一定的參考。

3 結 論

在分析邊坡影響因素基礎上，運用正交設計試驗及灰關聯分析法，針對老撾某在建水電站溢洪道邊坡，進行邊坡穩定性影響因素的敏感性分析，可得如下結論：

(1) 爆破振動作用對邊坡穩定影響最大，其次為結構面抗剪強度指標，容重對邊坡穩定影響最小，敏感性排序為：爆破振動作用>內摩擦角>粘聚力>容重。

(2) 基于正交試驗，對各項邊坡影響因素進行交互組合，通過灰關聯法分析邊坡影響因素的敏感性，2種理論分析方法相互結合，減少了計算次數，提高了計算效率，使分析結果更為可靠。

(3) 鑒于爆破振動作用及結構面抗剪強度對邊坡穩定影響較大，控制爆破振動影響、提高結構面抗剪強度是保證該邊坡穩定的重要前提，后續施工過程中，應嚴格控制爆破藥量，并通過工程措施對結構面進行補強處理，及時封閉坡表并對馬道進行防護處理，防止雨水灌入，從而保證邊坡后續的穩定。