福建平潭某海岸边坡稳定性敏感因素评价与稳定性分析

时间：2024-07-28

李杰张千贵

（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）

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119°47′83″，北纬25°37′08″，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20～25 m，宽度为80 m，长度为160 m，坡度为30°～75°。

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的平均数为

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：

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α分别为0.01、0.05、0.1，F值与以上3 种显著性水平的F1-α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：①若F≥F1-0.01为高度显著影响，记为“* * *”；②若F1-0.01＞F≥F1-0.05为显著影响，记为“**”；③若F1－0.05＞F≥F1-0.1为不十分显著影响，记为“*”；④若F＜F1-0.1为无显著影响，记为“×”。

2.2 试验参数选取与设计

根据海岸边坡的上述分述情况，选取边坡内部岩土的黏聚力c、内摩擦角φ、容重γ、地下水位埋深H、潮水水位高度h共5 个因素作为敏感分析对象。岩体材料参数取值见表1。

通过增加或减小取值来设计因素的水平，为使同一个因素不同水平之间构成等差数列，从而实现均匀化、合理化，每列因素设计5个水平数，取值间隔均为3，正交设计结构见表2。采用SPSS 数据分析软件内置的正交表进行设计，可设计25次试验，记为L25（55）。

在计算时可分为2步：

（1）需要在seep/w 模块输入不同容重、地下水位埋深，计算潮水位达到目标高度的渗流场。

（2）将seep/w 模块的渗流场结果导入slope/w 模块中，设置不同物理力学强度参数，采用摩尔-库仑本构模型，以摩根斯坦（m-p）法计算的稳定性系数作为敏感性分析和评价指标。

2.3 计算模型及边界

根据JC1点位置的边坡工程剖面图，取计算模型宽度为78 m，高为40 m。考虑到稳定性计算的精度和准确性，取模型坡角到左端边界的距离为坡高的1.5倍，坡顶到右端边界的距离为坡高的2.5倍。渗流计算边界设置时，还需在模型左右边界一定高度施加一个定水头，保证地下水位在渗流分析时是稳定变化的，左右水头边界上部分施加零流量边界，此时坡体最大的基质吸力为80 kPa，模型网格尺寸为1 m，共3 420个单元，如图3所示。

2.4 正交试验结果与分析

2.4.1 极差分析敏感评价

由表3 和图4、图5 所示，通过对各试验条件下稳定系数计算结果进行极差分析可得，岩土体的内摩擦角极差为0.74；地下水位埋深极差为0.568，潮水位高度极差为0.487，容重极差为0.467，黏聚力极差为0.249。因此，各影响因素的极差大小进行敏感性排序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。

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。