爆破振动作用下节理岩体边坡变形破坏因素敏感性分析

范新宇，张 争，陈国将，杨天俊

(中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司,西安 710065)

0 前 言

岩体变形破坏往往会造成重大的财产损失及人员伤亡，研究影响岩体稳定的主次因素，可为其支护及治理提供重要的参考[1-2]。在岩体影响因素敏感性分析方面，国内外专家学者进行了诸多研究，朱维申[3]等早期针对黄河拉西瓦水电站地下厂房，采用单因素分析法，对节理岩体参数与破损区关系进行敏感性分析，结果表明强度参数对破损区范围影响最大，内摩擦角的影响比粘聚力更大；申艳君[4]等针对大岗山水电站地下厂房，选取5个指标进行敏感性分析，结果表明变形模量对围岩变形影响较大；陈源等[5]在分析柏堡滑坡变形影响因素基础上，选取5个指标，通过正交设计方法进行分析，结果表明，内摩擦角和降雨量对边坡稳定影响最大。以上专家学者对岩体破坏因素进行分析，取得了诸多有意义的成果，根据研究[6-8]，正交试验与灰关联分析相结合的方法较为适合多因素敏感性分析，但岩体变形破坏的因素众多，不同地质环境下岩体破坏因素及模式不尽相同，因此对具体工程进行分析时，其重点为合理确定岩体变形破坏影响因素。

本文在分析老挝某水电站溢洪道边坡稳定的影响因素基础上，结合现场地质工程师的判断，确定岩体重度、结构面粘聚力、内摩擦角为影响边坡岩体稳定的内因，施工区爆破振动作用为主要外部影响因素，针对爆破作用难以量化的问题，基于拟静力法将爆破作用转化为加速度参与边坡稳定计算，利用正交试验方法对数据进行交互处理，对交互结果进行灰关联分析，通过关联度结果确定影响边坡稳定的主次因素，为类似边坡工程设计及治理提供参考。

1 敏感性分析的基本原理

敏感性分析的基本思路为：根据工程实际合理确定影响因素，将各因素量化为区间值，因素区间等分为数个水平值，利用正交试验表对各因素水平值并进行交互组合，计算各试验组合的稳定系数，根据灰关联理论，计算各因素对稳定性系数的关联度，依据关联度大小进行敏感性排序。分析流程如图1所示。

图1 敏感性分析流程

由上述步骤可知，最关键的步骤为正交设计及灰关联分析，其基本理论如下。

1.1 正交设计

正交设计是研究多因素问题的一种方法，它基于正交设计表，把各因素参数范围等分为几个水平值，对水平值进行重新排列，形成新的参数组合，从而进行多因素评价。根据以往研究，正交设计可以用较少的试验组合反映较全面的问题，并实现较高的精度，且可对非线性问题进行分析，因此在岩土领域应用广泛[8]。

正交设计的关键是选取合适的试验表[9]，正交试验表记作Ln(qs)，其中n为设计试验次数；q为变量取值范围内数据均匀分段的个数；s为列的个数。利用正交试验表Ln(qs)对各因素水平值进行重新组合，计算各项组合下边坡稳定系数，便可通过灰关联法分析各因素水平值的变化对边坡稳定系数的影响程度。

1.2 灰关联分析

设矩阵X为边坡稳定性影响因素集合，集合X中包含n个因素，根据正交设计，每个因素中划分q个水平值；集合Y为评价指标，本次分析中即为边坡稳定性系数。数列X、Y可用下列矩阵形式表示：

Y=[Y1,Y2,…,Yq]

(2)

1.2.1数据均值化处理

为消除量纲影响，利用公式(3)对各项参数进行均值化处理，使其变为可比较的无量纲数据[10-11]：

1.2.2敏感性分析

设矩阵Δij有如下关系：

|Δij|的最大值和最小值可表示为：

Δmax=max(Δij)

Δmin=min(Δij)

(5)

则Xi对Y在k点的关联系数可表示为：

其中，η为分辨系数，一般取0.5。

Xi对Y关联度可以表示为：

以上各公式中，Xi为影响因素，Y为评价指标，即边坡稳定系数，利用公式(4)～(7)可得各项因素对稳定系数的关联度，关联度处于区间[0,1]，关联度越接近1，表明该因素与稳定性系数关系越大，该指标对边坡稳定越敏感，反之敏感性小[2]。

2 工程实例分析

2.1 工程概况

某在建水电站位于老挝万象省，坝高210m，坝型为面板堆石坝，电站总装机容量480MW。该电站溢洪道边坡开挖揭露岩性为片麻岩，坡体范围内无断层通过。塌滑主要发生于高程549.00～589.00m，塌滑区范围内主要发育2组裂隙：①J1:NE18°∠70°，与边坡斜交，裂隙宽度0.1～0.3cm，充填岩屑及泥质，延伸长度15～20m；②J2:SW250°∠44°，与边坡倾向近似，倾角缓于坡脚，裂隙宽度0.1～0.5cm，充填岩屑及泥质，延伸长度约15m。

该溢洪道边坡已开挖成型1a时间，边坡发生破坏时，附近溢洪道底板正采用爆破方式开挖。高程549.00～569.00m边坡开挖坡比3∶1，高程569.00～589.00m边坡开挖坡比1∶1，边坡坡面倾向SW274°，塌滑区地质纵剖面如图2所示。

图2 溢洪道左边坡塌滑区地质剖面

由于塌滑区边坡处于溢洪道泄流雨雾区，其稳定性对后续溢洪道功能的正常发挥至关重要，因此研究影响边坡稳定的主次因素，并对高敏因素处理，是保证边坡后续稳定的关键。

2.2 影响因素分析

(1) 结构面抗剪强度参数(粘聚力、内摩擦角)：根据以往研究[4]，边坡失稳可归结为剪切破坏问题，岩质边坡往往受结构面控制，因此结构面抗剪强度对边坡稳定影响较大。

(2) 容重：根据极限平衡理论，当下滑力大于抗滑力，即γVsinα> γVcosα×tgφ+cL时，边坡会发生失稳，可以看出，容重包含于下滑力和抗滑力中，其对边坡稳定影响重大。

(3) 爆破振动：由于边坡下部溢洪道底板采用爆破方式开挖，爆破振动作用会使结构面张开，弱化结构面的胶结作用，进而降低岩体及结构面的抗剪强度，因此爆破作用对边坡稳定影响较大，但其难点在于如何将爆破振动因素量化并引入边坡稳定性计算当中。

2.3 振动加速度计算

爆破振动作用对边坡稳定的影响较为复杂，为简化分析，可采用拟静力法，将爆破振动作用力等效为施加于边坡上的外力(静力)，从而利用刚体极限平衡法求解边坡稳定。根据相关学者的研究成果[12-13]，拟静力法各项参数可用公式(8)表达：

式中:x为质点位移，m；A为振幅，m；V为振动速度，m/s；a为振动加速度，m/s2；f为振动主频，Hz。其中，f及V可通过现场爆破振动测试获得。

溢洪道底板采用爆破方式开挖，溢洪道边坡与爆破施工区距离15～30m，利用以上公式并结合爆破振动测试成果，算得节理边坡振动加速度在0.20～0.36g之间。

2.4 正交试验计算

根据前文分析，选取岩体容重、结构面粘聚力、内摩擦角、爆破振动加速度4项指标作为该边坡稳定性主要影响因素，边坡岩体及结构面参数范围值如表1所示。

表1 参数取值范围

采用正交设计表可实现对4因素3水平值的交互组合分析， 正交试验如表2所示，试验水平值划分如表3所示。

表2 正交设计

利用表2对各因素水平值进行组合，可得9组正交试验参数，通过Swedge软件对9组参数进行稳定性计算，得到相应的稳定性系数Fs，正交试验组合及评价指标Fs计算结果如表4所示。

表3 各因素水平值

表4 正交试验影响因素组合及计算结果

2.5 灰关联分析计算

根据表4正交试验结果，将4个影响因素作为子序列，边坡稳定性系数Fs作为母序列，计算各项因素与稳定系数Fs之间的关联度。为消除量纲因素的影响，计算前应对各项指标进行均值化处理，均值化处理后的数据如表5所示；根据公式(4)～(7)，各项影响因素对稳定系数的关联度计算结果如表6所示。

2.6 敏感性分析

由表6关联度计算结果可知，4项影响因素与边坡稳定均有一定关联，其中振动加速度与Fs关联度最大，其次为结构面内摩擦角和粘聚力，各项指标的敏感性排序为：振动加速度>内摩擦角>粘聚力>容重。

表5 数据的均值化处理结果

表6 关联度计算结果

通过对影响边坡稳定的4项因素进行敏感性分析，认为该边坡变形破坏是内因和外因共同作用的结果。由于施工爆破对边坡的影响是长期、累加的，因此若要保证后续边坡稳定，需加强施工爆破的控制，以降低爆破振动作用对边坡的不利影响。根据计算分析结果，边坡结构面抗剪强度指标对边坡稳定也有重要影响，应采取一定的工程处理措施，增强边坡结构面的抗剪强度，及时对坡表及马道进行封闭处理，防止雨水渗入岩体降低结构面抗剪强度。该研究方法可为类似工况下节理岩体边坡的治理提供一定的参考。

3 结 论

在分析边坡影响因素基础上，运用正交设计试验及灰关联分析法，针对老挝某在建水电站溢洪道边坡，进行边坡稳定性影响因素的敏感性分析，可得如下结论：

(1) 爆破振动作用对边坡稳定影响最大，其次为结构面抗剪强度指标，容重对边坡稳定影响最小，敏感性排序为：爆破振动作用>内摩擦角>粘聚力>容重。

(2) 基于正交试验，对各项边坡影响因素进行交互组合，通过灰关联法分析边坡影响因素的敏感性，2种理论分析方法相互结合，减少了计算次数，提高了计算效率，使分析结果更为可靠。

(3) 鉴于爆破振动作用及结构面抗剪强度对边坡稳定影响较大，控制爆破振动影响、提高结构面抗剪强度是保证该边坡稳定的重要前提，后续施工过程中，应严格控制爆破药量，并通过工程措施对结构面进行补强处理，及时封闭坡表并对马道进行防护处理，防止雨水灌入，从而保证边坡后续的稳定。