福建平潭某海岸邊坡穩(wěn)定性敏感因素評(píng)價(jià)與穩(wěn)定性分析

李 杰 張千貴

（1.西南石油大學(xué)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院；2.西南石油大學(xué)石油與天然氣工程學(xué)院）

我國(guó)東南沿海地區(qū)臺(tái)風(fēng)帶來(lái)的極端天氣較多，從而引發(fā)大量的地質(zhì)災(zāi)害［1-2］。為此，海岸邊坡穩(wěn)定性的研究也是地質(zhì)災(zāi)害防治的關(guān)鍵問(wèn)題。而影響海岸邊坡穩(wěn)定性的因素眾多，如受到邊坡形態(tài)特征、巖土體物理力學(xué)參數(shù)、臺(tái)風(fēng)暴雨、波浪潮汐以及人類(lèi)現(xiàn)場(chǎng)活動(dòng)干擾等內(nèi)外部因素作用的影響［3-5］，致使海岸邊坡失穩(wěn)破壞的機(jī)理更為復(fù)雜。因此，需要對(duì)各類(lèi)影響因子進(jìn)行分析與研究，找到影響邊坡失穩(wěn)的主要誘因，從而對(duì)滑坡變形進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測(cè)。

目前，常用的邊坡敏感性分析研究的方法包括分形理論法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)、單因素分析法等［6-9］。對(duì)于研究單體邊坡穩(wěn)定敏感性分析，正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)較其他方法更有優(yōu)勢(shì)，它以數(shù)理統(tǒng)計(jì)和概率論為基礎(chǔ)［10-11］，挑選具有代表性、合理的試驗(yàn)進(jìn)行分析，能更高效地對(duì)多因素影響的海岸邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性評(píng)價(jià)。而在滑坡預(yù)測(cè)方面經(jīng)驗(yàn)式模型、數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)模型、非線性模型被廣泛應(yīng)用，但單一的預(yù)測(cè)方法效果均有局限，多是運(yùn)用混合模型提高滑坡預(yù)測(cè)的精度。

因此，本文以福建平潭地區(qū)某海岸邊坡為例，基于極限平衡法對(duì)海岸邊坡的內(nèi)部巖土體容重、黏聚力、內(nèi)摩擦角、地下水位、潮水位高度5個(gè)影響因素進(jìn)行正交試驗(yàn)穩(wěn)定性計(jì)算，利用極差、方差分析法對(duì)海岸邊坡各類(lèi)影響因素進(jìn)行評(píng)價(jià)，在此基礎(chǔ)上利用數(shù)值模擬進(jìn)行驗(yàn)證。

1 工程背景

1.1 邊坡概況

研究區(qū)于福建平潭東北部君山岸線環(huán)島路，所處中心地理坐標(biāo)為東經(jīng)119°47′83″，北緯25°37′08″，場(chǎng)地附近東、南、東南側(cè)均為山脊和斜坡，地勢(shì)呈現(xiàn)東高西低。該海岸邊坡單面臨近海域，所在區(qū)鄰近小漁港，面臨長(zhǎng)江澳，背靠環(huán)島公路，坡體上段連接公路岸線。坡體總高度在20～25 m，寬度為80 m，長(zhǎng)度為160 m，坡度為30°～75°。

1.2 巖土特征及影響因素

該邊坡為巖土混合質(zhì)結(jié)構(gòu)，下為熔結(jié)散體構(gòu)造狀凝灰?guī)r，上覆的松散凝灰?guī)r性殘積黏土，下層與殘積土層呈漸變關(guān)系，性能上大致接近于殘積土，易吸水軟化崩解，也導(dǎo)致了該岸坡裂縫較為發(fā)育；由于位置因素，邊坡富水性較好，地下水位變化也會(huì)影響邊坡穩(wěn)定性。因此，裂縫性和巖土強(qiáng)度、地下水位因素應(yīng)作為易觸發(fā)岸坡失穩(wěn)的內(nèi)因考慮。

該地區(qū)波浪潮增水頻繁，岸坡腳受到海水侵蝕易產(chǎn)生臨空區(qū)發(fā)生剪切破壞，并且受到常年臺(tái)風(fēng)暴雨極端天氣影響，進(jìn)而導(dǎo)致巖土體容重增加和地下水位得到補(bǔ)充，引發(fā)局部張拉裂縫、頂部羽狀裂縫破壞和巖體垮塌等，如圖1 所示。因此，極端天氣影響下的潮水位高度、巖土體容重增加成為觸發(fā)岸坡失穩(wěn)的外因。

1.3 監(jiān)測(cè)深部位移分析

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘查，該地區(qū)極端天氣時(shí)常發(fā)生，引發(fā)滑坡變形的成因復(fù)雜。故分別在監(jiān)測(cè)點(diǎn)JC1、JC2 的3、5、7m 深度處（分別記為JC1-A、JC1-B、JC1-C、JC2-D、JC2-E、JC2-F）進(jìn)行監(jiān)測(cè)，確定邊坡潛在滑動(dòng)面和深部變形。

在8月的監(jiān)測(cè)期間，JC1累計(jì)位移-深度曲線總體呈現(xiàn)“D”字型，且在JC1-B 變形量最大，約為13 mm。JC2 點(diǎn)累計(jì)位移-深度曲線主要呈現(xiàn)“r”字型，且在JC2-A 的位移變形量最大，變形量約為21 mm（圖2）。

2 邊坡穩(wěn)定性影響因素的正交試驗(yàn)分析

2.1 敏感性評(píng)價(jià)理論

2.1.1 極差分析法

在正交試驗(yàn)計(jì)算時(shí)，需要對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析和評(píng)價(jià)，極差分析法是指每列因素的不同水平試驗(yàn)值求和再取平均值，再利用單列因素的試驗(yàn)中平均數(shù)的最大值減去最小值即為極差［12-13］。假設(shè)正交試驗(yàn)有i列影響因素，每個(gè)因素中都含j個(gè)水平數(shù)，用qij（x）表示試驗(yàn)結(jié)果，那么Kij為第i列因素j個(gè)水平數(shù)計(jì)算結(jié)果之和表示為

Kij的平均數(shù)為

用Rj表示第i列因素的極差，即為第i列因素各水平下所計(jì)算的穩(wěn)定性系數(shù)結(jié)果的最大值與最小值之差：

水平數(shù)的變化對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響呈現(xiàn)正相關(guān)，Rj越大，表明此因素敏感性越高。因此，極差較大的因素為影響邊坡穩(wěn)定性的主要因素，極差較小的因素為影響邊坡穩(wěn)定性的次要因素。

2.1.2 方差分析法

為評(píng)價(jià)每個(gè)因素對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響是否顯著及顯著性的大小，可采用方差分析，其基本思路為將數(shù)據(jù)的總變差平方和分解成因素的變差平方和與隨機(jī)誤差的平方和，用各因素的變差平方和與隨機(jī)誤差平方和相比作F檢驗(yàn)，即可判斷因素的作用是否顯著［14］。通常取F分布顯著性水平α分別為0.01、0.05、0.1，F(xiàn)值與以上3 種顯著性水平的F1-α比較。可將因素對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)影響的顯著性水平劃分為4個(gè)等級(jí)：①若F≥F1-0.01為高度顯著影響，記為“* * *”；②若F1-0.01＞F≥F1-0.05為顯著影響，記為“**”；③若F1－0.05＞F≥F1-0.1為不十分顯著影響，記為“*”；④若F＜F1-0.1為無(wú)顯著影響，記為“×”。

2.2 試驗(yàn)參數(shù)選取與設(shè)計(jì)

根據(jù)海岸邊坡的上述分述情況，選取邊坡內(nèi)部巖土的黏聚力c、內(nèi)摩擦角φ、容重γ、地下水位埋深H、潮水水位高度h共5 個(gè)因素作為敏感分析對(duì)象。巖體材料參數(shù)取值見(jiàn)表1。

通過(guò)增加或減小取值來(lái)設(shè)計(jì)因素的水平，為使同一個(gè)因素不同水平之間構(gòu)成等差數(shù)列，從而實(shí)現(xiàn)均勻化、合理化，每列因素設(shè)計(jì)5個(gè)水平數(shù)，取值間隔均為3，正交設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)見(jiàn)表2。采用SPSS 數(shù)據(jù)分析軟件內(nèi)置的正交表進(jìn)行設(shè)計(jì)，可設(shè)計(jì)25次試驗(yàn)，記為L(zhǎng)25（55）。

在計(jì)算時(shí)可分為2步：

（1）需要在seep/w 模塊輸入不同容重、地下水位埋深，計(jì)算潮水位達(dá)到目標(biāo)高度的滲流場(chǎng)。

（2）將seep/w 模塊的滲流場(chǎng)結(jié)果導(dǎo)入slope/w 模塊中，設(shè)置不同物理力學(xué)強(qiáng)度參數(shù)，采用摩爾-庫(kù)侖本構(gòu)模型，以摩根斯坦（m-p）法計(jì)算的穩(wěn)定性系數(shù)作為敏感性分析和評(píng)價(jià)指標(biāo)。

2.3 計(jì)算模型及邊界

根據(jù)JC1點(diǎn)位置的邊坡工程剖面圖，取計(jì)算模型寬度為78 m，高為40 m。考慮到穩(wěn)定性計(jì)算的精度和準(zhǔn)確性，取模型坡角到左端邊界的距離為坡高的1.5倍，坡頂?shù)接叶诉吔绲木嚯x為坡高的2.5倍。滲流計(jì)算邊界設(shè)置時(shí)，還需在模型左右邊界一定高度施加一個(gè)定水頭，保證地下水位在滲流分析時(shí)是穩(wěn)定變化的，左右水頭邊界上部分施加零流量邊界，此時(shí)坡體最大的基質(zhì)吸力為80 kPa，模型網(wǎng)格尺寸為1 m，共3 420個(gè)單元，如圖3所示。

2.4 正交試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.4.1 極差分析敏感評(píng)價(jià)

由表3 和圖4、圖5 所示，通過(guò)對(duì)各試驗(yàn)條件下穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行極差分析可得，巖土體的內(nèi)摩擦角極差為0.74；地下水位埋深極差為0.568，潮水位高度極差為0.487，容重極差為0.467，黏聚力極差為0.249。因此，各影響因素的極差大小進(jìn)行敏感性排序依次為巖土體內(nèi)摩擦角＞地下水位埋深＞潮水位高度＞巖土體容重＞巖土體黏聚力。

2.4.2 方差分析敏感評(píng)價(jià)

由表4、圖6可得到各影響因素的顯著性結(jié)果，根據(jù)實(shí)際情況設(shè)置的顯著水平分為0.01、0.05、0.1，查閱F檢驗(yàn)臨界值表可知：F1-0.01（5，4）=15.522，F(xiàn)1-0.05（5，4）=6.256，F(xiàn)1-0.1（5，4）=4.051。通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，巖土體內(nèi)摩擦角、地下水位埋深、潮水位高度對(duì)邊坡穩(wěn)定性具有高度顯著影響，其F值分別為35.768、21.837、15.526；巖土體容重和黏聚力具有顯著影響，其F值分別為14.766 和8.472。同樣，可以發(fā)現(xiàn)方差敏感分析與極差敏感分析結(jié)果一致，表明了正交設(shè)計(jì)的合理性。

3 邊坡數(shù)值模擬穩(wěn)定性分析及預(yù)測(cè)

3.1 模型建立及邊界

極限平衡法分析不能表示坡體的位移、應(yīng)力應(yīng)變分布特征，故選取數(shù)值模擬法進(jìn)行穩(wěn)定性比對(duì)分析。基于FLAC3D軟件模擬水平Ki3工況下的穩(wěn)定性，采用表1計(jì)算參數(shù)，其中巖土材料同樣采用m-c彈塑性本構(gòu)模型，進(jìn)行單元格劃分后施加邊界條件。

3.2 滲流場(chǎng)和穩(wěn)定性結(jié)果與分析

如圖7、圖8 所示，受到潮水位和地下水位分布影響，在滲流場(chǎng)方面，水位不斷上升時(shí)，坡腳處的非飽和區(qū)不斷減小，表面孔隙水壓力增加，飽和度增大，此時(shí)最小基質(zhì)吸力為-77.3 kPa，最小飽和度為0.06。在穩(wěn)定性方面，受到水壓力荷載影響，水位線以下巖體向下變形，水位線上部巖土體向上變形，最大水平位移為0.146 mm，剪應(yīng)變區(qū)主要集中在水位線部分，最大應(yīng)變?yōu)?.847。

如圖9所示，可以發(fā)現(xiàn)數(shù)值模擬和極限平衡法計(jì)算曲線規(guī)律趨勢(shì)較為接近。前3 h 穩(wěn)定性不斷下降，這是由于庫(kù)水位上升過(guò)程中，孔隙水壓力作用導(dǎo)致浸水滑動(dòng)面強(qiáng)度參數(shù)的減弱；在后3 h，隨著水位繼續(xù)上升，水壓力荷載起到支撐作用，使邊坡抗滑力與下滑力相平衡，穩(wěn)定性系數(shù)不斷上升。

3.3 臨界位移預(yù)測(cè)

3.3.1 坡變形階段標(biāo)定

滑坡變形往往會(huì)經(jīng)歷初始變形階段、等速變形階段、加速變形階段［15］；目前，海岸邊坡穩(wěn)定性較好，為掌握臨界滑坡特征，可利用J1-B 的累計(jì)位移數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬手段，不斷調(diào)試巖土體的強(qiáng)度值，對(duì)當(dāng)前邊坡剖面所處變形狀態(tài)進(jìn)行標(biāo)定；同時(shí)，判斷當(dāng)前計(jì)算穩(wěn)定系數(shù)是否符合滑坡的臨界狀態(tài)安全系數(shù)［16］。

根據(jù)上述穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果和深部位移數(shù)據(jù)分析，岸坡目前處于等速變形階段，狀態(tài)相對(duì)穩(wěn)定（圖10），當(dāng)計(jì)算循環(huán)約3 000 步時(shí)，模擬的JC1-B 累積位移量與實(shí)際監(jiān)測(cè)點(diǎn)的累積位移量趨勢(shì)吻合；此時(shí)坡體最大位移量為24.4 mm，坡體上出現(xiàn)小部分應(yīng)變集中區(qū)，并未完全貫通（圖11），這表明模型破壞為拉裂的變形特征，這與邊坡當(dāng)前實(shí)際變形特征較為吻合。

3.3.2 臨界位移預(yù)測(cè)結(jié)果與分析

由圖12、圖13可知，當(dāng)計(jì)算至3 000步時(shí)，此時(shí)強(qiáng)度折減下的邊坡穩(wěn)定性系數(shù)為0.992，與邊坡失穩(wěn)狀態(tài)的安全系數(shù)符合；后續(xù)利用強(qiáng)度折減法，邊坡處于加速變形階段，直至9 000 步時(shí)，邊坡失穩(wěn)破壞，最大位移量為1 500 mm。坡頂表面出現(xiàn)拉張區(qū)和完全貫通區(qū)，符合臨界失穩(wěn)狀態(tài)。

4 結(jié)論

（1）使用極差分析、方差分析得到邊坡穩(wěn)定性敏感性由大到小依次為巖土體內(nèi)摩擦角、地下水位埋深、潮水位高度、巖土體容重、巖土體黏聚力，在后期的監(jiān)測(cè)可重點(diǎn)關(guān)注這幾類(lèi)因素的變化。

（2）用數(shù)值模擬和極限平衡法對(duì)比分析得到，海岸邊坡滲流場(chǎng)變化規(guī)律：潮水上升時(shí)，坡腳基質(zhì)吸力變小，非飽和不斷向飽和發(fā)展；穩(wěn)定性變化規(guī)律：前半段浸水滑動(dòng)面強(qiáng)度參數(shù)的減弱，穩(wěn)定性系數(shù)先下降，后半段水壓力荷載的支撐作用，使邊坡抗滑力與下滑力相平衡或增大，穩(wěn)定性系數(shù)逐漸增加。

（3）結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)變形數(shù)據(jù)對(duì)滑坡變形階段，對(duì)模型參數(shù)和穩(wěn)定狀態(tài)反復(fù)調(diào)試，利用強(qiáng)度折減法得到臨界滑坡時(shí)的位移量和滑面深度，為實(shí)際工程的防治和修復(fù)提供一定指導(dǎo)。