岸坡稳定性影响因子分析及权重确定

陈将宏,宛良朋,李建林,金 晶,曹 毅

(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.中国三峡建设管理有限公司乌东德工程建设部,四川成都610000；3.中工武大设计研究有限公司,湖北武汉430000)

岸坡稳定性影响因子分析及权重确定

陈将宏1,宛良朋2,李建林1,金 晶1,曹 毅3

(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.中国三峡建设管理有限公司乌东德工程建设部,四川成都610000；3.中工武大设计研究有限公司,湖北武汉430000)

库水和雨水长期反复渗入和渗出严重影响三峡库区滑坡体的稳定性。为研究不同库水升降速率和不同降雨强度下滑坡局部稳定性和整体稳定变化,将降雨、库水位升降、岩土体抗剪强度参数、容重等因素作为影响岸坡稳定的主要因素进行敏感性分析；各主要因素权重的获取不再通过工程经验或专家打分,而是在工程本身地质模型分析基础上,通过不同因子对滑坡稳定性的敏感性来定义的。量化分析得到滑体和滑带岩土体材料强度对滑坡稳定的控制作用,实现了对三峡库区库岸边坡稳定的客观评价。

库岸边坡；稳定分析；主控因素；诱发因素；权重

0 引 言

边坡稳定性综合评价系统适用范围颇广,在各行各业都得以应用,尤其是对水电工程坝肩边坡以及各类岩土质边坡稳定性评价起到很好的指导作用。在权重方面有以下研究方法：根据理论和大量实测资料对比分析建立每个指标的权重比值[1]；分析边坡的工程地质条件,确定指标权重比值[2]；综合运用专家评分法和王家鼎公式法确定各评价因子的权重[3]；基于有限元分析的边坡稳定性模糊评判方法,对评判因素进行扩宽和修正的同时,通过有限元模型分析,选取适当的参照量,将部分因素的影响进行定量处理,从而确定这些因素的权重[4-5]；运用层次分析法确定评价指标的权重比[6]。运用因子敏感性分析结果,将敏感度作为因子权重确定依据,引用到模糊评判系统中,对库岸边坡稳定性进行评判的研究相对较少[7-12]。

本文以三峡库区库岸边坡白水河滑坡为例,在敏感性分析的基础上,对评价系统的4大要素(降雨、库水位升降、岩土体抗剪强度参数、容重)中权重的获取方式进行一系列的探讨。不同之处在于：权重的获取不再是通过工程经验或专家打分,而是在工程本身的地质模型的分析的基础上,通过不同因子对滑坡稳定性的敏感性来定义的；权重不再是某个因子的固定权重,因子对滑坡稳定性影响大小受环境改变而改变。最重要的是,从不同滑坡状态研究滑坡的稳定性,体现出滑坡在不同时间上的稳定状态；从滑坡浅层和深层研究滑坡的稳定性,体现滑坡在空间上的稳定状态,有利于全面了解滑坡抵御灾害的能力,以期对实际工程有一定的指导作用。

1 岸坡稳定性影响因子分析及权重确定方法

1.1 库岸边坡稳定性敏感性分析

库岸堆积体边坡稳定性影响因素较多,且各因素的影响程度也不一样,有必要通过计算,确定稳定安全系数与有关因素之间的关系,确定最敏感的因素。本文将降雨、库水位升降、岩土体抗剪强度参数、容重等作为主要因素进行敏感性分析。通过敏感度排序,为实际工程建设前期稳定性评估和后期稳定性监测预报及加固提供指导。

边坡敏感性分析是研究影响边坡稳定的各因素与相应的稳定性系数之间的相关关系,由边坡稳定安全系数的相对变化率与各因素的相对变化率的比值来衡量。第i个影响因素的敏感度Si可表示为

(1)

式中,Fs为安全系数；xi为第i个影响因素。

1.2 评价因素敏感度与权重的转化

各项因素在对边坡稳定性的影响中所起作用的大小及重要性不同,综合评判时应对各因素赋予权重。目前,常用定性的德尔菲专家评分法、定量数据统计处理的主成分分析法、定性与定量相结合层次分析法来确定模糊综合评判的因子权重。在传统评价因素及权重的基础上,对可进行敏感性分析的因子,如粘聚力、内摩擦角、容重、降雨和库水升降速率等,按层次进行分类,通过敏感度的比值,综合确定各评价因素的一级权重Ai,计算公式如下

(2)

2 工程背景

2.1 地质背景及边坡破坏模式

三峡库区位于长江上游的宜昌三斗坪至重庆的江津市间,干流总长约690 km,干流控制面积5 500 km2,主要支流控制面积3 200 km2。库区所处的地貌单元为中国三大阶梯形地貌的第二阶梯的东缘,以奉节为界。东部为以中山特征为主体的鄂西地区,长江三峡位于该区,以峡谷为主,属侵蚀溶蚀与侵蚀剥蚀地貌；西部为以低山丘陵特征为主体的四川盆地东缘,以宽谷为主,属侵蚀(局部溶蚀)剥蚀地貌。三峡地区广泛发育有层状地貌,是地壳大面积隆升的产物,发育有三级夷平面和五级阶地以及与之对应的层状溶洞。

三峡库区区域构造分区与地质灾害分区具有一致性,主要表现为：第一,作为三大构造地质单元的分界点或交汇点的奉节,同样是三峡库区地质灾害一级分区界线,奉节向西坡体结构发生巨大变化,地质灾害类型、破坏形式与东部差别巨大,分属不同的坡体演化阶段；第二,区域构造样式对滑坡类型的演化起到明显的控制作用；第三,同时受局部构造样式影响,在局部地段库岸的演化具有一定的方向性,地质灾害的发生及扩展具有一定的方向性演化规律。

2.2 白水河滑坡

2.2.1 地质条件

本文以白水河滑坡为研究对象。白水河滑坡位于长江南岸,谢家包背斜北翼,原始斜坡为中倾顺向坡(坡角26°～28°),其后缘高程为410 m,以基岩与松散堆积物为界,前缘抵长江；东西两侧以基岩山脊为界,总体坡度约26°～28°。滑体平均厚度约30 m,体积1 820×104m3,坡体属顺向坡结构20°,属深层大型土质滑坡。

白水河滑坡破坏过程大致经历了风化阶段(形成残坡积层)、局部蠕动阶段、局部破坏阶段和整体滑动阶段。从坡体结构以及岩土体组合特征分析,滑坡上部斜坡坡角与岩层倾角相近,以残坡积堆积为主,层理构造清楚,但连续性已经遭受破坏,滑体上部滑移距离有限,表明滑坡上部仍然处于一种逐渐发展阶段,至今还没有发生较大规模的滑动破坏,尚未真正成为滑坡体的组成部分,有必要对滑坡体局部稳定和沿滑带滑移的可能性进行研究。白水河滑坡平面及监测点布置见图1。

图1 白水河滑坡平面及监测点布置

白水河滑坡出露地层为侏罗系下统香溪组(J1x)黄绿、灰黄色粉砂岩、砂质页岩、石英砂岩,夹炭质页岩和煤层,岩层产状为15°～20°∠30°～35°。滑体主要是第四系(Q4)崩坡积的碎石、块石、角砾和粉质粘土,结构密实。滑带主要为含碎石、角砾的粉质粘土,呈灰黑、灰黄、褐黄或绿灰色,可塑～软塑状,碎石、角砾成分为砂岩或泥岩,呈次圆状～次棱角状。白水河滑坡工程地质剖面见图2[13]。

表1 白水河滑坡滑体、滑带材料的物理力学指标

图2 白水河滑坡工程地质剖面

2.2.2 后期变形特征分析

2006年10月至2009年2月滑坡累计水平位移-库水位-月降雨量关系见图3[14]。由图3可知,滑坡在库水周期性循环作用下总体位移曲线为阶梯状,呈逐渐增长趋势,高程170 m监测点XD- 03变形最大。整体上,滑坡变形与库水位变化和降雨之间均存在必然相关性。

图3 各监测点累计水平位移-库水位-降雨量关系

3 边坡稳定性影响因素及致灾因子分析

3.1 初始力学参数

白水河滑坡滑体、滑带材料的物理力学指标见表1。

3.2 敏感性分析工况

确定了初始力学参数后,利用软件GEO-Studio中的SEEP/W模块建模,取库岸边坡在静水和动水2种状态下各因子的敏感性作为综合评价系统中各因子权重确定的依据。在静态水位工况下,参考三峡库区水位变化及相关水库调度方案,主要考虑175、162 m和145m等3种库水位分别计算浸润线,浸润线以下岩土体为饱和材料。在影响因素的敏感性分析中,主要考虑滑体和滑带材料的粘聚力c、内摩擦角φ、容重γ这3个内在因素,以及降雨、库水位升降变化这2个外在因素。其中,库水位变化速率为0.2～2 m/d,梯度为0.2 m/d。库水升降模拟方式为：依据初始地下水水位模拟稳定渗流场,以软件自带的等效应力方式来模拟库水的升降；降雨强度Q为15～105 mm/d,梯度为10 mm/d,考虑连续5 d降雨中,取其中最小的安全系数。

表2 各种工况下的敏感因子敏感度

稳定性状态分为局部稳定(自动搜索滑带)和整体稳定性(深层指定滑带)。对主要影响因素进行敏感性分析,并对不同工况下,各因素的敏感性进行排序,比较致灾因子的影响程度,为边坡稳定性评价提供参考。

3.3 敏感性分析结果

3.3.1 静态水位工况

白水河滑坡各种工况下因子敏感度分析结果见表2。从表2可知：

(1)滑坡浅层局部稳定性受滑带和滑体材料强度控制。其中,滑带材料强度控制作用比滑体大,内摩擦角φ控制作用大于粘聚力c。

(2)滑坡深层整体稳定性主要受滑带材料强度的控制。其中,内摩擦角φ控制作用约是粘聚力c的4倍。

(3)滑带材料对滑坡整体稳定的控制作用较局部稳定高。容重γ对滑坡浅层稳定的影响小于深层,随着水位的升高,容重γ的影响逐渐加大：涉水岩体受水的渗入,岩体达到饱和,强度变弱,对滑坡体支撑作用减弱；岩体容重γ改变时,容易打破整个体系力的平衡,导致失稳。

(4)随着库水位的上升,在浅层稳定敏感性分析中,降雨强度敏感度一直减小；在深层敏感性分析中,降雨强度敏感度先增加后减小。

(5)175 m水位时,滑移剪出口在170 m高程处,与监测点XD- 03变形最大相互印证。

(6)随着库水位的升高,滑坡潜在的破坏概率逐渐增加,且潜在滑裂面向上部发展,主要体现在滑移剪出口高程和后缘拉裂面高程范围的加大及深度的加深上。库水位对滑坡稳定的影响是主要的。

3.3.2 评价因素敏感度与权重的转化

白水河滑坡有6种计算工况,每种工况下,各评价因子有不同的敏感度。根据式(2)计算得到一级权重(见表3)。

表3 不同工况下评价因子一级权重

从表3可知,不同工况下,各因子对边坡稳定性发挥的作用不一,对工程支护起到一定的指导意义。不同库水位下,主控因素对滑坡整体稳定和局部稳定的控制作用变化不大；而库水位变化速率与降雨对滑坡稳定性的诱发作用受初始库水位影响较大,低水位时,降雨对滑坡稳定的诱发作用大；高水位时,库水位下降速率对滑坡稳定性的诱发作用大。

4 结 语

本文在不同工况下,对导致滑坡失稳的5个主要影响因素进行敏感性分析,归一化后得到各因素的敏感性权重,得出以下结论：

(1)通过局部稳定和整体稳定敏感性分析,可以得出不同因子在滑坡稳定中的重要程度。滑带材料强度影响局部稳定和整体稳定,在实际工程中,应重点加强材料的内摩擦角,并加强监测。

(2)静态工况和动态工况滑坡稳定敏感性分析结果对比分析可知,白水河滑坡为降雨敏感型滑坡；高水位时,为库水敏感型滑坡。

(3)对参与评价的因素进行分类,并根据各因素对边坡稳定的敏感度的不同,进行一级权重赋值,符合层次分析的原理,较传统经验分配法更具说服力。

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(责任编辑 杨 健)

Influencing Factor Analysis and Weight Determination for Slope Stability

CHEN Jianghong1, WAN Liangpeng2, LI Jianlin1, JIN Jing1, CAO Yi3

(1. Key Laboratory of Geological Hazards on Three Gorges Reservoir Area, Ministry of Education,China Three Gorges University, Yichang 443002, Hubei, China; 2. Department of Wudongde Project Construction,China Three Gorges Construction Management Co., Ltd., Chengdu 610000, Sichuan, China;3. Camce Whu Design and Research Co., Ltd., Wuhan 430072, Hubei, China)

The stability of landslides in Three Gorges Reservoir area is seriously influenced by long-term repeated infiltration and seepage of reservoir water and rainfall. In order to study the local stability and global stability of landslides under different reservoir water-lifting speed and rainfall intensity, the factors of rainfall intensity, reservoir water-lifting speed, rock and soil shear strength parameters and bulk density are taken as the main factors which affecting the stability of landslides for sensitivity analysis. The weight of each main factor are defined on the basis of the sensitivity of different factor on the stability of landslide which based on the analysis of geological model of project, but no longer gained by engineering experience or expert scoring. The quantitative analyses of sliding body and sliding zone material strength on landslide stability are finally obtained, which achieves the objective evaluation of slope stability in Three Gorges Reservoir area．

reservoir slope; stability analysis; main control factor; inducing factor; weight

2016- 08- 18

水利部公益性行业科研专项经费项目(201401029)；国家自然科学基金资助项目(51439003,51309141)

陈将宏(1979—),男,湖北武汉人,讲师,博士研究生,主要从事防灾减灾工程和岩土工程的研究工作；宛良朋(通讯作者)．

TU457(263)

A

0559- 9342(2017)03- 0034- 04