巴东县文家滑坡稳定性计算及其敏感性分析

第37卷第1期2010年1月水文地质工程地质

HY DROGE OLOGY &E NGI N EER I N G GE OLOGY Vol .37No .1

Jan .2010

巴东县文家滑坡稳定性计算及其敏感性分析

刘长春,殷坤龙,李远耀

(中国地质大学工程学院,武汉　430074)

摘要:在综合分析文家滑坡区域地质条件、基本特征以及滑坡形成机制的基础上,运用Geo -sl ope 软件的渗流模拟模块,分析了不同水位条件下滑坡的地下水位线特征;进而,利用模拟的地下水位线,综合运用多种极限平衡分析方法对滑坡稳定性进行了定量计算。在此基础上,考虑到滑坡稳定计算参数的随机特征,又进一步对滑坡破坏概率进行了分析,利用Monte -Carl o 模型模拟计算得到滑坡的破坏概率。由此综合评判滑坡在不同库水位条件下的稳定性。最后,将正交设计与SPSS 统计软件的方差分析模块相结合,对滑坡稳定性影响因素进行了敏感性分析以指导滑坡的实际治理与监测工作。

关键词:文家滑坡;数值模拟;极限平衡法;破坏概率;敏感性分析

中图分类号:P642122 文献标识码:A 文章编号:100023665(2010)0120113205

收稿日期:2009203205;修订日期:2009204203

基金项目:国家自然科学基金资助项目(40872176);“十一五”

国家科技支撑计划重点项目“极端冰雪气候与地质

灾害相关性研究”

(2008BA C47B01)作者简介:刘长春(19852),女,硕士研究生,主要从事滑坡稳定

性分析方面的研究。

E 2mail:liuchangchun1226@https://www.360docs.net/doc/0f12663834.html,

库岸滑坡既有一般山地滑坡的共性,又有其特殊的一面。其特殊性在于它的活动与库水位的升降有很

大的关系[1]

。因此,研究不同库水位情况下滑坡稳定性的变化显得尤为必要。

本文以湖北省巴东县文家滑坡为例,分别采用有限元法、极限平衡计算法和破坏概率法来对该滑坡进行稳定性计算。并采用敏感性分析方法对影响斜坡稳定性的多个因素进行定量评价和分析,确定影响滑坡稳定的较敏感或最敏感的因素[2]

,找出导致岸坡变形破坏的主导因素,从而使滑坡防治和监测更有针对性,使治理设计更安全、可靠和经济。

1　工程地质背景

111　区域地质背景

巴东县位于湖北省西部,隶属鄂西土家族、苗族自治州,地处大巴山东部,属川鄂褶皱山地,总体地势北西高南东低。

研究区分布的地层有:三叠系、二叠系的碎屑岩和碳酸盐岩及人工堆积层,其中三叠系巴东组(T 2b )紫红色砂岩、泥岩、页岩的质地较软弱,抗风化能力差。

新城区在地质构造上位于扬子地台拗陷褶皱东

端,由一系列近E W 向褶皱及断裂构成,其中官渡口—东壤口向斜轴在临江一带通过,次级褶皱和小断裂较为发育,巴东断裂为城区规模最大的断裂构造。

受地层岩性和地质构造影响,区内地下水主要以巴东组岩溶裂隙水和第四系松散孔隙水形式赋存。112　滑坡基本特征

文家滑坡位于巴东县官渡口镇移民新建镇中心区,发生于残坡积粉质粘土夹碎块石层中,下伏基岩为

巴东组二段(T 2b 2

)泥岩地层,为一大型堆积层土质滑坡(图1)。

滑坡中后部由于大规模的城镇建设及209国道的修建,其地表形态已被人工改造,仅局部可以看出滑坡后壁的形态,滑坡后缘呈圈椅状,坡角38°,高程为220～225m 。

滑体土为紫红色粉质粘土夹碎块石,滑带土为粉质粘土夹泥岩小砾石,滑床为巴东组二段紫红色泥岩,滑面形态呈折线型,埋深为14～20m ,倾角为22～37°。113　滑坡形成机制

滑坡发生的最初年代不详,且近几十年来该滑坡亦没有发生过变形破坏,处于相对稳定状态,在库水蓄水至139m 后,未发生变形迹象。

滑坡的形成经历了蠕动、拉裂变形及滑移多个阶段,组成该滑坡体的主要物质成分为残坡积粉质粘土夹碎块石,此类地层岩性较弱,透水性好,在水和其他

因素的影响下,往往构成潜在的滑动面(带)[3]

。长江深切形成峡谷地形,在临近长江一线形成高陡临空面,为滑坡的形成提供了良好的临空面,在强降雨作用下,

?114

　?刘长春,等:巴东县文家滑坡稳定性计算及其敏感性分析2010

年

图1　文家滑坡工程地质平面图

F i g.1　Eng i n eer i n g geolog i ca l pl ane v i ew

of the W en ji a l andsli de

1—滑坡周界;2—175m回水线;3—等高线;4—剖面线;

5—135m回水线;6—滑坡堆积;7—巴东组第二段:

紫红色泥岩;8—地质界线;9—巴东组第三段:

含泥质灰岩;10—规划街区

地表水极易下渗,使滑带土软化,强度降低,产生滑移。2　滑坡稳定性分析

211　滑坡稳定性计算

21111　计算模型与剖面

根据地质勘探资料,考虑稳定性计算模型与滑坡特点的适应性,本次计算模型分别采用B ishop法、Janbu法、O rdinary法、M2P法以及适合于任意形态滑面的传递系数法[4]。

其中,B ishop法、Janbu法、O rdinary法、M2P法采用Geo2sl ope软件计算;传递系数法采用自编V isual Basic1NET计算程序。

将主滑方向A2A′剖面作为计算剖面。

21112　计算参数

根据试验资料,选取天然状态(不考虑库水位)工况(根据勘察资料,滑坡处于较稳定状态,F

s

取1115[5]),通过对文家滑坡A2A′剖面进行反算,得出c、φ值对稳定性系数的敏感性,这样进行反算时就知道调整参数幅度的大小[6]。

对文家滑坡采取反分析方法确定其参数,采取综合φ法[5]。

结合实验数据以及c、φ天然值与饱和值的变化规 律最终确定滑坡稳定性计算参数[7](表1)。

表1　滑坡稳定性计算参数表

Table1　St ab ility param eter va lues of the l andsli de

状态粘聚力c(kPa)内摩擦角φ(°)重度γ(kN/m3)

天然状态281752311720148

饱和状态231020122112

21113　计算工况

(1)天然状态(自重)

(2)天然状态+135m水位(水线以下滑体饱水)

(3)天然状态+145m水位(水线以下滑体饱水)

(3)天然状态+156m水位(水线以下滑体饱水)

(4)天然状态+175m水位(水线以下滑体饱水) 21114　计算结果分析

表2为文家滑坡渗流及稳定性有限元分析计算参数表,根据此数据对文家滑坡进行地下水渗流模拟,并将结果用于稳定性计算。地下水位模拟见图2,Geo2 sl ope计算剖面图见图3。

表2　文家滑坡渗流及稳定性有限元分析计算参数

Table2　Param eter va lues of seepage and st ab ility f i n ite

elem en t ana lysis of the l andsli de

地层

重度

(kN/m3)

粘聚力

(kPa)

内摩擦角

(°)

天然饱和天然饱和天然饱和

渗透系数

(m/s)

饱和体积

含水量

(%)

滑带上

岩土体

201482112281752310231172012213E2532

基岩23102519200101501023102010110E28

20

图2　滑坡地下水位模拟

F i g.2　Groundwa ter level si m ul a ti on of the l andsli de

在进行稳定性计算结果分析时,为了便于对比,基于各种稳定性分析方法的简化假定力学分析及适用范围,选取M-P法作为其他各种方法的基准,来进行误差分析,结果见表3。

第1期水文地质工程地质

?115　?

表3　稳定性计算结果及误差表

Table 3　Results and error of st ab ility

工况

M 2P 法

Janbu 法B ishop 法

O rdinary 法

传递系数法

F s

误差

F s

误差

F s

误差

F s

误差

天然状态

11156111401138%111812116%111391147%111450195%天然+135水位11039110281106%110370119%110241144%110975158%天然+145水位11032110201116%110310110%110151165%110895148%天然

+156水位11020110071127%110200100%110041157%110694176%天然+175水位

11014

01997

1168%

11015

0110%

01995

1187%

11116

10111%

图3　滑坡计算剖面图

F i g .3　Ca lcul a ti on prof ile of the l andsli de

212　滑坡的破坏概率21211　破坏概率模型

P f =P (F s <1)=∫

1

f (F S )d F S

(1)

式中:f (F s )———F s 的概率密度函数。

这种随机分布用Monte 2Carl o 模型可模拟计算得到滑坡的破坏概率P f :

P f =N 1/N

(2)

式中:N ———模拟的总次数;

N 1———出现F s <1的次数。

当模拟总次数足够多时,模拟结果就趋于稳定。计算机随机模拟是依据参数的分布类型,产生[0,1]区间的均匀分布随机数,再经适当的变换来实现的。对于大多数服从正态分布的c,φ参数模拟,采用如下抽样与变换公式:

R =

-2?ln R 1?cos2πR 2(3)x =σr +μ

(4)

式中:R 1、R 2———(0,1)区间的均匀分布随机数;

R ———服从标准正态分布N (0,1)的随机变量;x ———服从均值为μ、标准差为σ的正态分布随机变量。μ、σ值主要根据大量土工试验资料的统计分析来估计[8]

。21212　参数分析

在概率计算的过程中,考虑滑带土的抗剪强度参数的随机分布。如前所述,该滑坡滑带土为三叠系中统巴东组二段粉质粘土夹泥岩小砾石。采用工程地质类比法,对三峡库区内具备该类滑带土的滑坡进行统计分析表明,该类滑带土天然状态和饱和状态下的粘聚力和内

摩擦角服从正态分布[9]

。具体参数如表4所示。

表4　滑带土抗剪强度参数统计表

Table 4　St a tisti cs of shear strength param eter of sli p so ils

工况参数

均值

标准差

变异系数

天然状态

c (kPa )

3017

1218641189%φ(°)

2211218212

176%饱和状态

c (kPa )

241361928140%φ(°)

1912

3102

15173%

21213　计算破坏概率

破坏概率的计算基于传递系数法计算滑坡稳定性

系数并利用Monte 2Carl o 模型进行随机模拟,采用自编V isual Basic 1NET 和MAT LAB 计算程序。结果见图4

～5、表5。

图4　滑坡稳定性系数分布图

F i g .4　D istr i buti on map of s afety factor of the l andsli de

表5　各种工况下滑坡破坏概率计算结果

Table 5　Results of fa ilure probab ility of the l andsli de

under the var i ous work i n g cond iti on s 工况破坏概率P

均值μ

标准差σ

变异系数δ

天然状态

21109%11243013398012733天然+135水位28151%11118012462012202天然+145水位39167%11088012651012439天然+156水位40194%11059012413012275天然+175水位

21195%

11251

01324

1

01259

1

?116

　?刘长春,等:巴东县文家滑坡稳定性计算及其敏感性分析2010

年

图5　滑坡破坏概率图

F i g.5　Fa ilure probab ility of the l andsli de

3　基于正交设计的敏感性分析

滑坡稳定性受各种内在因素和外动力作用的影响,诸如滑坡的形态、滑坡岩体的物理力学特性、地震力的作用、地下水和地表水的变化以及各种气象条件,人类活动等[10]。

311　滑坡稳定性影响因素及其变化范围

对于文家滑坡,选择粘聚力c、内摩擦角φ,潜在滑体重度γ和水位变化H等4个因素进行敏感性分析[11～12]。由正交设计的思想,选择L

25

(56)正交表。因素水平表见表6。

表6　因素水平表

Table6　Factor level chart

水平粘聚力

c(kPa)

内摩擦角

φ(°)

重度γ

(kN/m3)

库水位

H(m)

120175(15)19117(16119)18148(1912)135

224175(19)21117(18119)19148(2012)139

328175(23)23117(20119)20148(2112)145

432175(27)25117(22119)21148(2212)156

536175(31)27117(24119)22148(2312)175

312　计算各因素对稳定性系数影响程度

根据正交表所确定的计算方案,利用传递系数法计算稳定性系数。需要说明的是,因素中设置了两列空白列,作为误差项,这是由正交设计方差分析的特点决定的(表7)。

313　求解敏感因素

由于所分析的数据量巨大,可采用SPSS统计软件的方差分析模块进行数据分析。经大量其他领域的应用实践,该软件处理正交试验设计数据分析简单,只需输入参数和结果,即可获得因素变量表、方差分析表、单因素统计量表[13],并可从表中得到所需的结果。方差分析的结果见表8。

根据显著值的大小,确定各因素影响的次序。对

表7　正交设计计算方案及结果

Table7　Ca lcul a ti on sche m e and results of the

orthogona l desi gn

方案

因素0

(err or)

因素1

(err or)

因素

2(c)

因素

3(φ)

因素

4(γ)

因素

5(H)

稳定性

系数F

s 111111101871 212222201981 313333311089 41444441118 515555511344 621234511049 722345111154 823451211384 924512311042 10251234019 1131352411249 1232413511005 1333524111083 1434135201987 1535241311155 164142531102 1742531411207 1843142511113 1944253111225 2045314201918 2151543211116 2252154311158 2353215401844 2454321511082 255543211116

表8　方差分析结果SPSS输出表

Table8　Results of var i a nce ana lysis 来源平方和自由度均方F值显著值修正模型01438(a)160102722190301000交互291847129184724946113501000

c0108540102117167401001φ0132840108268158601000γ010194010054107101043

H010064010021128001354误差010********

总和30129525

修正总和0144824

注:自变量为稳定性系数F

s

于文家滑坡的稳定性而言,各因素的影响次序依次为:φ>c>γ>H。

同时,可以对SPSS输出的单因素统计量进行分

析。表9中所谓的稳定性系数F

s

(均值)是指在同一因素的某个水平下计算结果的平均值,实际上是计算结果的直观反映,可以确定某因素各水平的优劣、最有

利(或最不利)因素组合以及考查指标(F

s

)在某因素

变化时的变化趋势(图6)。

表9　滑体各因素不同水平下的稳定系数均值

Table 9　St ab ility coeff i c i en t m ean under var i ous

factor level of the l andsli de

水平

粘聚力

(kPa )F s

内摩擦

角(°

)F s

重度

(kN /m 3

)F s

库水位

(m )F s

12017511011911701941814811141351110224175110521117110119148111113911083

2817511102311711102014811071451109432175111525117111421148110815611085

36175

1116

27117

1127

22148

1107

175

1112

图6　各因素变化对滑坡稳定性的影响

F i g .6　Effect on l andsli de st ab ility by

change of each factor

考查比较各因素在不同水平时滑坡稳定性系数的

变化情况:随着粘聚力c,内摩擦角φ的增加,滑坡的稳定系数相应增大,它们之间的变化关系基本上是线性的,无敏感区间。

库水位H 和潜在滑体重度γ在统计意义上对滑体的稳定影响均不显著,因此,不能考查当这些因素线性变化时稳定性的相应变化,但可以确定各因素不同水平对稳定性的影响程度。滑体重度为20148k N ?m 时,是最危险的工况,而滑体重度为18148kN ?m 时,稳定性最好。库水位为156m 是最危险的工况,而库水位为175m 时稳定性最好。

4　结论

从滑坡稳定性系数与破坏概率的计算结果可以看

出,各种工况下滑坡的稳定性系数基本上均大于1,传递系数法计算结果与其他几种方法的误差较大。各种工况下滑坡的破坏概率均在20%～40%之间。总的

来说,文家滑坡目前处于较稳定状态,与现场调查情况

基本相符。

基于正交设计的敏感性分析结果说明粘聚力c,内摩擦角φ的变化对滑坡稳定性影响较为显著,且它

们之间的变化关系基本上是线性的,无敏感区间。库

水位H 和潜在滑体重度γ在统计意义上对滑体的稳定性影响均不显著,但是存在相对较危险工况,在治理过程中应重点考虑。参考文献:

[1]　朱冬林,任光明,聂德新.库水位变化下对水库滑坡

稳定性影响的预测[J ].水文地质工程地质,2002,

29(3):6-9.

[2]　文宝萍,申健,谭建民.水在千将坪滑坡中的作用机

理[J ].水文地质工程地质,2008,35(3):12-18.

[3]　晏同珍,杨顺安,方云,等.滑坡学[M ].武汉:中国

地质大学出版社,2000:10-13.

[4]　程建军,廖小平,王浩.滑坡推力计算方法的对比研

究与应用[J ].水文地质工程地质,2008,35(1):44

-48.

[5]　徐邦栋.滑坡分析与防治[M ].北京:中国铁道出版

社,2001:544,603-609,663-665.

[6]　庞明.三峡库区滑坡稳定性计算方法适宜性研究

[D ].武汉:中国地质大学,2007:48-49.

[7]　刘佑荣,唐辉明.岩体力学[M ].武汉:中国地质大

学出版社,1999:178-179.

[8]　殷坤龙.滑坡灾害预测预报[M ].武汉:中国地质大

学出版社,2004:52-53.

[9]　李远耀,殷坤龙,柴波,等.三峡库区滑带土抗剪强

度参数的统计规律研究[J ].岩土力学,2008,29

(5):1419-1424.

[10]　李智毅,唐辉明.岩土工程勘察[M ].武汉:中国地

质大学出版社,2000:144-146.

[11]　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,2002,21

(7):989-992.

[12]　Tan Zhuoying,Cai Meifeng .Multi 2fact or sensitivity

analysis of shall ow unsaturated clay sl ope stability [J ].M ineral,2005,12(3):193-202.

[13]　李远耀.三峡库首区顺层基岩岸坡变形机制与稳定

性研究[D ].武汉:中国地质大学,2007:42-45.

(下转第123页)

Deter m i n ati on of soil hydrauli c parameters based on experi m ent of

si n gle r i n g i n filtrati on per meameter and nu meri cal i n verse method

CHENG Q in2bo,CHEN Xi,L I N G M in2hua,W E IL ing2na

(S tate Key L aboratory of Hydrology W ater R esources and Hydraulic Engineering,

Hoha i U niversity,N an jing　210098,China)

Abstract:Field infiltrati on experi m ent of a single ring per mea meter is widely used f or measuring s oil hydraulic para meters.I n this study,the32di m ensi onal nu merical model of unsaturated z one s oil moisture(VSF)is

i m p r oved by coup ling the modular of the infiltrati on water fr om the single ring per mea meter.The i m p r oved

VSF was integrated with the op ti m izati on p r ogra m(LE VMAR)t o p r oduce an inverse model(VSF2LEVMAR)

f or s oil hydraulic para meter op ti m izati on.The infiltrati on experi m ents of fixed water head and variable water

head within the ring per mea meter are conducted in the indoor tr ough.The observati on data are used t o op ti m ize s oil hydraulic para meters,such as horiz ontal and vertical hydraulic conductivities.The study results indicate that the p r oposed method can be used t o deter m ine hydraulic parameters during the s oil wetting peri od on the basis of infiltrati on experi m ents of fixed water head,and hydraulic para meters during the s oil wetting and dry peri ods by integrating observati on data fr om ex peri m ents of fixed and variable water heads.

Key words:numerical model of s oil moisture;single ring per mea meter;s oil hydraulic para meters;hysteresis

责任编辑:汪美华(上接第117页)

St ability calcul ati on and sensiti vity analysis of

W enji a l andsli de,Badong Country

L I U Chang2chun,YI N Kun2l ong,L I Yuan2yao

(Faculty of Engineering,China U niversity of Geosciences,W uhan　430074,China)

Abstract:Based on the study of comp rehensive analyses of regi onal geol ogical conditi ons,basic characteristics and the f or mati on mechanis m of the W enjia landslide,this paper analyzes characteristics of landslide gr ound water line under different water level conditi ons using seepage si m ulati on module of s oft w are Geo2sl ope.

The gr ound water line and other li m it equilibriu m methods are used t o quantitatively analyze the landslide stability.Considering the random characteristics of landslide stable calculati on para meters,the failure p r obability of landslide is further calculated.The Monte2Carl o model is used t o si m ulate the failure p r obability of landslide.The landslide stability under different water level conditi ons is comp rehensively evaluated.

Finally,orthogonal design and analysis module of variance of the s oft w are SPSS are combined t o carry out sensitivity analyses f or affecting fact ors of landslide stability t o guide the p ractical governance and monit oring work of landslide.

Key words:W enjia landslide;nu merical si m ulati on;li m it equilibrium method;failure p r obability;sensitivity analysis

责任编辑:汪美华