福建平潭某海岸边坡稳定性敏感因素评价与稳定性分析.pdf

李杰（1997），男，硕士研究生，610500 四川省成都市。福建平潭某海岸边坡稳定性敏感因素评价与稳定性分析李杰1张千贵2（1.西南石油大学地球科学与技术学院；2.西南石油大学石油与天然气工程学院）摘要为探究平潭海岸边坡影响因素的敏感性，基于正交设计和极限平衡法计算了25组多因素交互边坡模型的稳定性系数。分析得到因素敏感性大小次序为内摩擦角、地下水位埋深、潮水位高度、岩土体容重、岩土体黏聚力。根据数值模拟结果，当潮水位不断上升时，坡脚处的非饱和区不断减小，表面孔隙水压力增大，2种稳定性方法的稳定系数曲线均呈现先减小后增大。结合现场变形监测和数值模拟，对滑坡变形阶段进行强度参数试验标定和稳定性系数验证，为边坡后期治理提供指导。关键词海岸边坡影响因素变形预测正交试验DOI：10.3969/j.issn.1674-6082.2023.10.047Evaluation of Sensitive Factors and Stability Analysis of a Coastal Slope Stabilityin Pingtan，Fujian ProvinceLI Jie1ZHANG Qiangui2（1.College of Earth Science and Technology，Southwest Petroleum University;2.College of Petroleum andNatural Gas Engineering，Southwest Petroleum University）AbstractIn order to explore the sensitivity of influencing factors of Pingtan coastal slope，the stability coefficients of 25 groups of multi-factor interactive slope models were calculated based on orthogonal design and limit equilibrium method.The sensitivity order of the factors is internal friction angle，groundwaterdepth，tidal level height，rock and soil bulk density，and rock and soil cohesion.According to the numericalsimulation results，when the tide level rises continuously，the unsaturated zone at the foot of the slope decreases continuously，and the surface pore water pressure increases.The stability coefficient curves of thetwo stability methods decrease first and then increase.Combined with on-site deformation monitoring and numerical simulation，the strength parameter test calibration and stability coefficient verification of the landslide deformation stage are carried out to provide guidance for the later treatment of the slope.Keywordscoast slopes，influencing factor，prediction of deformation，orthogonal test总第 654 期2023 年 10 月第 10 期现代矿业MODERN MININGSerial No.654October.2023我国东南沿海地区台风带来的极端天气较多，从而引发大量的地质灾害1-2。为此，海岸边坡稳定性的研究也是地质灾害防治的关键问题。而影响海岸边坡稳定性的因素众多，如受到边坡形态特征、岩土体物理力学参数、台风暴雨、波浪潮汐以及人类现场活动干扰等内外部因素作用的影响3-5，致使海岸边坡失稳破坏的机理更为复杂。因此，需要对各类影响因子进行分析与研究，找到影响边坡失稳的主要诱因，从而对滑坡变形进行准确预测。目前，常用的边坡敏感性分析研究的方法包括分形理论法、人工神经网络、正交试验设计、单因素分析法等6-9。对于研究单体边坡稳定敏感性分析，正交试验设计较其他方法更有优势，它以数理统计和概率论为基础10-11，挑选具有代表性、合理的试验进行分析，能更高效地对多因素影响的海岸边坡进行稳定性评价。而在滑坡预测方面经验式模型、数学统计模型、非线性模型被广泛应用，但单一的预测方法效果均有局限，多是运用混合模型提高滑坡预195现代矿业2023 年 10 月第 10 期总第 654 期测的精度。因此，本文以福建平潭地区某海岸边坡为例，基于极限平衡法对海岸边坡的内部岩土体容重、黏聚力、内摩擦角、地下水位、潮水位高度5个影响因素进行正交试验稳定性计算，利用极差、方差分析法对海岸边坡各类影响因素进行评价，在此基础上利用数值模拟进行验证。1工程背景1.1边坡概况研究区于福建平潭东北部君山岸线环岛路，所处中心地理坐标为东经 11947 83，北纬 253708，场地附近东、南、东南侧均为山脊和斜坡，地势呈现东高西低。该海岸边坡单面临近海域，所在区邻近小渔港，面临长江澳，背靠环岛公路，坡体上段连接公路岸线。坡体总高度在 2025 m，宽度为 80m，长度为160 m，坡度为3075。1.2岩土特征及影响因素该边坡为岩土混合质结构，下为熔结散体构造状凝灰岩，上覆的松散凝灰岩性残积黏土，下层与残积土层呈渐变关系，性能上大致接近于残积土，易吸水软化崩解，也导致了该岸坡裂缝较为发育；由于位置因素，边坡富水性较好，地下水位变化也会影响边坡稳定性。因此，裂缝性和岩土强度、地下水位因素应作为易触发岸坡失稳的内因考虑。该地区波浪潮增水频繁，岸坡脚受到海水侵蚀易产生临空区发生剪切破坏，并且受到常年台风暴雨极端天气影响，进而导致岩土体容重增加和地下水位得到补充，引发局部张拉裂缝、顶部羽状裂缝破坏和岩体垮塌等，如图1所示。因此，极端天气影响下的潮水位高度、岩土体容重增加成为触发岸坡失稳的外因。1.3监测深部位移分析根据现场勘查，该地区极端天气时常发生，引发滑坡变形的成因复杂。故分别在监测点JC1、JC2的3、5、7m 深度处（分别记为 JC1-A、JC1-B、JC1-C、JC2-D、JC2-E、JC2-F）进行监测，确定边坡潜在滑动面和深部变形。在8月的监测期间，JC1累计位移-深度曲线总体呈现“D”字型，且在JC1-B变形量最大，约为13 mm。JC2 点累计位移-深度曲线主要呈现“r”字型，且在JC2-A的位移变形量最大，变形量约为21 mm（图2）。2边坡稳定性影响因素的正交试验分析2.1 敏感性评价理论2.1.1 极差分析法在正交试验计算时，需要对结果进行分析和评价，极差分析法是指每列因素的不同水平试验值求和再取平均值，再利用单列因素的试验中平均数的最大值减去最小值即为极差12-13。假设正交试验有i列影响因素，每个因素中都含j个水平数，用qij（x）表示试验结果，那么Kij为第i列因素j个水平数计算结果之和表示为Kij=i=1jqij(x).（1）Kij的平均数为196李杰张千贵：福建平潭某海岸边坡稳定性敏感因素评价与稳定性分析2023 年 10 月第 10 期kij=Kijj.（2）用Rj表示第i列因素的极差，即为第i列因素各水平下所计算的稳定性系数结果的最大值与最小值之差：Rj=max(kij)-min(kij).（3）水平数的变化对试验指标的影响呈现正相关，Rj越大，表明此因素敏感性越高。因此，极差较大的因素为影响边坡稳定性的主要因素，极差较小的因素为影响边坡稳定性的次要因素。2.1.2方差分析法为评价每个因素对试验指标的影响是否显著及显著性的大小，可采用方差分析，其基本思路为将数据的总变差平方和分解成因素的变差平方和与随机误差的平方和，用各因素的变差平方和与随机误差平方和相比作 F检验，即可判断因素的作用是否显著14。通常取F分布显著性水平分别为0.01、0.05、0.1，F值与以上3种显著性水平的F1-比较。可将因素对试验指标影响的显著性水平划分为4个等级：若 FF1-0.01为 高 度 显 著 影 响，记 为“*”；若F1-0.01FF1-0.05为显著影响，记为“*”；若F10.05FF1-0.1为不十分显著影响，记为“*”；若F地下水位埋深潮水位高度岩土体容重岩土体黏聚力。2.4.2方差分析敏感评价由表4、图6可得到各影响因素的显著性结果，根据实际情况设置的显著水平分为0.01、0.05、0.1，查阅F检验临界值表可知：F1-0.01（5，4）=15.522，F1-0.05（5，4）=6.256，F1-0.1（5，4）=4.051。通过分析发现，岩土体内摩擦角、地下水位埋深、潮水位高度对边坡稳定性具有高度显著影响，其 F 值分别为 35.768、21.837、15.526；岩土体容重和黏聚力具有显著影响，其F值197现代矿业2023 年 10 月第 10 期总第 654 期分别为14.766和8.472。同样，可以发现方差敏感分析与极差敏感分析结果一致，表明了正交设计的合理性。3边坡数值模拟稳定性分析及预测3.1模型建立及边界极限平衡法分析不能表示坡体的位移、应力应变分布特征，故选取数值模拟法进行稳定性比对分析。基于FLAC3D软件模拟水平Ki3工况下的稳定性，采用表1计算参数，其中岩土材料同样采用m-c弹塑性本构模型，进行单元格划分后施加边界条件。3.2渗流场和稳定性结果与分析如图 7、图 8所示，受到潮水位和地下水位分布影响，在渗流场方面，水位不断上升时，坡脚处的非饱和区不断减小，表面孔隙水压力增加，饱和度增大，此时最小基质吸力为-77.3 kPa，最小饱和度为0.06。在稳定性方面，受到水压力荷载影响，水位线以下岩体向下变形，水位线上部岩土体向上变形，最大水平位移为0.146 mm，剪应变区主要集中在水位线部分，最大应变为0.847。如图9所示，可以发现数值模拟和极限平衡法计算曲线规律趋势较为接近。前3 h稳定性不断下降，这是由于库水位上升过程中，孔隙水压力作用导致浸水滑动面强度参数的减弱；在后3 h，随着水位继续上升，水压力荷载起到支撑作用，使边坡抗滑力与下滑力相平衡，稳定性系数不断上升。3.3临界位移预测3.3.1坡变形阶段标定滑坡变形往往会经历初始变形阶段、等速变形阶段、加速变形阶段15；目前，海岸边坡稳定性较好，为掌握临界滑坡特征，可利用J1-B的累计位移数据198和数值模拟手段，不断调试岩土体的强度值，对当前边坡剖面所处变形状态进行标定；同时，判断当前计算稳定系数是否符合滑坡的临界状态安全系数16。根据上述稳定性计算结果和深部位移数据分析，岸坡目前处于等速变形阶段，状态相对稳定（图10），当计算循环约3 000步时，模拟的JC1-B累积位移量与实际监测点的累积位移量趋势吻合；此时坡体最大位移量为24.4 mm，坡体上出现小部分应变集中区，并未完全贯通（图11），这表明模型破坏为拉裂的变形特征，这与边坡当前实际变形特征较为吻合。3.3.2临界位移预测结果与分析由图12、图13可知，当计算至3 000步时，此时强度折减下的边坡稳定性系数为0.992，与边坡失稳状态的安全系数符合；后续利用强度折减法，边坡处于加速变形阶段，直至9 000步时，边坡失稳破坏，最大位移量为1 500 mm。坡顶表面出现拉张区和完全贯通区，符合临界失稳状态。4结论（1）使用极差分析、方差分析得到边坡稳定性敏感性由大到小依次为岩土体内摩擦角、地下水位埋深、潮水位高度、岩土体容重、岩土体黏聚力，在后期李杰张千贵：福建平潭某海岸边坡稳定性敏感因素评价与稳定性分析2023 年 10 月第 10 期199的监测可重点关注这几类因素的变化。（2）用数值模拟和极限平衡法对比分析得到，海岸边坡渗流场变化规律：潮水上升时，坡脚基质吸力变小，非饱和不断向饱和发展；稳定性变化规律：前半段浸水滑动面强度参数的减弱，稳定性系数先下降，后半段水压力荷载的支撑作用，使边坡抗滑力与下滑力相平衡或增大，稳定性系数逐渐增加。（3）结合现场监测变形数据对滑坡变形阶段，对模型参数和稳定状态反复调试，利用强度折减法得到临界滑坡时的位移量和滑面深度，为实际工程的防治和修复提供一定指导。参考文献1闫金凯，黄俊宝，李海龙，等.台风暴雨型浅层滑坡失稳机理研究 J.地质力学学报，2020，26（4）:481-491.2张泰丽，周爱国，孙强，等.台风暴雨条件下滑坡地下水渗流特征及成因机制 J.地球科学，2017，42（12）:2354-2362.3刘立鹏，于红杰，陈奇.力学、几何参数对土质边坡稳定的敏感性分析 J.岩土工程技术，2008（3）:123-126.4石诚，阮永芬，施炳军，等.降雨入渗对边坡稳定性影响的敏感性分析 J.防灾减灾工程学报，2016，36（6）:1002-1007.5郝忠，周峰，付操，等.基于正交实验的库水位骤降边坡渗透稳定敏感性分析 J.三峡大学学报（自然科学版），2019，41（5）:29-35.6王森，许强，罗博宇，等.基于分形理论的南江县滑坡敏感性分析与易发性评价 J.水文地质工程地质，2017，44（3）:119-126.7倪恒，刘佑荣，龙治国，等.正交设计在滑坡敏感性分析中的应用 J.岩石力学与工程学报，2002（7）:989-992.8梅岭，季佩祥，张太玥，等.基于FLAC-3D强度折减法的边坡稳定性影响因素敏感性分析 J.江苏科技大学学报（自然科学版），2014，28（3）:220-224.9赵保宁.基于GIS和RS的滑坡灾害敏感性分析 D.延吉:延边大学，2017.10 王玄静.正交试验设计的应用及分析 J.兰州文理学院学报（自然科学版），2016，30（1）:17-22.11 刘瑞江，张业旺，闻崇炜，等.正交试验设计和分析方法研究 J.实验技术与管理，2010，27（9）:52-55.12 邓振伟，于萍，陈玲，等.SPSS软件在正交试验设计、结果分析中的应用 J.电脑学习，2009（5）:15-17.13 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