黄河下游堤防边坡多因素敏感性分析_王四巍

【防洪·治河】黄河下游堤防边坡多因素敏感性分析王四巍,刘海宁,刘汉东(华北水利水电学院,河南郑州450011)摘　要:采用多因素正交直观敏感性分析方法,对影响黄河下游堤防边坡稳定性的基本因素及其交互作用(黏聚力与内摩擦角的交互作用)进行了研究。

结果表明:土体黏聚力和内摩擦角之间呈现负相关性,黏聚力和水位对堤防边坡稳定性的影响高度显著,内摩擦角的影响显著,容重的影响较小,在边坡稳定性分析中可以忽略黏聚力与内摩擦角的交互作用。

关　键　词:正交试验设计;敏感性分析;黏聚力;内摩擦角;边坡稳定性;堤防;黄河下游中图分类号:T V 871 文献标识码:A d o i :10.3969/j .i s s n .1000-1379.2009.07.008 岩土抗剪强度指标黏聚力c 和内摩擦角φ存在着相关性,已得到工程界的认可[1]。

边坡稳定多因素敏感性分析大都是在选定的多个因素基础上,设定若干个水平,通过多因素在不同水平下的完全组合,分析边坡安全系数的变化程度,据此找出敏感性因素[2-8]。

这些简单的单因素轮换法,无法分析因素间交互作用对边坡安全系数的影响。

对此,笔者采用多因素正交直观敏感性分析方法,对影响黄河下游堤防边坡稳定性的基本因素及其交互作用(c 、φ交互作用)进行度量,实现了真正的多因素敏感性分析。

1　抗剪强度指标相关性研究根据527组土体的快剪试验结果,进行统计分析。

土体主要为黏土、沙壤土、粉土,分析时进行总体统计分析,不进行分类统计。

首先,进行数据合理性分析,剔除异常数据,其标准为x-3s ≤x i≤x +3s 式中:x i 为第i 个数据;x 为均值;s 为标准差。

据此,剔除15组异常数据,得到512组有效数据。

其次,对c 、φ值进行对比分析,可以直观地看出,两者是相对关系,即负相关。

最后,建立c 、φ间的数值关系,利用统计分析方法得到:φ=-0.319c +30.591式中:c 为黏聚力,k P a ;φ为相应的内摩擦角,(°)。

进行F 检验,F =137.972 F 0.99(1,500)=6.68,表明方程拟合效果显著,即内摩擦角和黏聚力是负相关的。

2　正交直观分析设A 为n×m 的矩阵,若矩阵A 的任意两列搭配均衡,则称A 为正交表,记为L n (t 1,t 2,…,t m )。

其中:n 为试验次数;m 为列数(代表因素);t j 为第j 列因素的水平数,当t 1=t 2=…=t m时,简记为L n(t m)。

正交试验设计就是选择适当的正交表,通过正交表的数据来安排试验的设计方法。

基本要求:①试验次数n 不小于基本因素和交互作用因素的自由度之和;②正交表的列数不小于试验设计的基本因素数;③试验水平等于基本因素的水平。

对正交试验设计所得试验数据进行极差分析,得到多个本因素和基本因素间交互作用下安全系数指标的分析方法,即为正交试验设计的直观分析方法。

3　方差分析设有t 个水平的正交表L n(t m),有n -1=m (t -1),设第i 号试验结果为y i(i=1,2,…,n ),r=n /t ,T =∑y i,S j=r ∑(T i j/r -y )2(j =1,2,…,m )。

将所有的空列的误差平方和相加记为S e ,对应的自由度相加记为f e,则:F j =S j /f jS e /f e若F j >F 0.99(f j ,f e ),则表示因素j 的作用高度显著;若F j >F 0.95(f j ,f e),则表示因素j 的作用显著。

4　实例分析对黄河下游堤防山东东明段桩号178+000所对应的断面背水侧边坡进行分析,土层以黏土和壤土为主。

选择4个敏感因素,分别为内摩擦角(φ)、黏聚力(c )、水压力(水位线高度h )和容重(γ),分析黏聚力和内摩擦角的交互作用对边坡稳定性的影响。

每个因素采用2种水平,即边坡在多年平均水位下和在2000年设防水位下,见表1。

4.1　正交试验设计4个因素c 、φ、γ、h 和交互作用c ＊φ的二水平试验,选用L 8(27)正交试验表,敏感因素水平及试验结果(安全系数)见表2。

　收稿日期:2009-02-23　基金项目:河南省创新人才基金资助项目(200108)。

　作者简介:王四巍(1978—),男,河南商水人,博士研究生,研究方向为岩土工程和结构工程。

　E -m a i l :w s w @n c w u .e d u .c n第31卷第7期 人　民　黄　河 V o l .31,N o .7 2009年7月 Y E L L O W　R I V E R J u l .,2009 表1　敏感因素的参数值水位线黏聚力/k P a内摩擦角/(°)容重/(k N·m-3)多年平均3220.319 2000年设防水位2026.821表2　正交试验设计及结果试验号j=1j=2(c)j=3(γ)j=4(φ)j=5(h)j=6(c＊φ)j=7安全系数111111113.049 211122222.933 312211222.055 412222112.047 521212122.710 621221213.219 722112211.871 822121122.420Ⅰ10.08411.91110.2739.68510.73410.22610.186Ⅱ10.2208.39310.03110.6199.56110.07810.118R j0.1363.5180.2420.9341.1730.1480.068S j0.0021.5470.0070.1090.1720.0030.001　注:表中Ⅰ、Ⅱ分别为每个因素在水平1、2下的试验结果之和;R j为各列试验结果的极差;Sj为各列变差平方和。

4.2　稳定性计算力学模型稳定性分析选择刚体极限平衡法中的S a r m a法,该方法具有独特的优点,可用于评价各种类型边坡的稳定性,如圆弧面滑动、非圆弧面滑动、平面滑动和楔体滑动等复杂剖面的岩土边坡。

S a r m a法允许各滑块底面及侧面具有不同的抗剪强度值,而且滑块的两侧面可任意倾斜,并不局限于垂直边界,因而能分析各种特殊结构对边坡稳定性的影响,且比较全面、客观地反映各种控制边坡稳定性因素的作用。

4.3　结果分析计算中没有考虑堤身及地基隐患下背水侧边坡的安全系数。

由表2中极差Rj一行可知,各因素及交互作用影响的主次顺序为c、h、φ、γ、c＊φ,即黏聚力对边坡稳定性的影响最大,其次为水位和内摩擦角的影响,γ、c＊φ的影响较小。

方差分析结果见表3。

经F检验,F0.95(1,2)=18.5,F0.99(1,2)=98.5,表明黏聚力和水位对边坡稳定性的影响高度显著,内摩擦角的影响显著,而c＊φ和γ的影响不显著。

表3　方差分析结果变差来源S j自由度f i S j FΔj显著性c1.54711.5471031.3高度γ0.00710.0074.7不显著φ0.10910.10972.7显著h0.17210.172114.7高度c＊φ0.00310.0032不显著误差0.00320.00155　结　论土体黏聚力c和内摩擦角φ之间具有紧密的联系,据512组数据统计分析,其呈现负线性关系,表达式为φ=-0.319c+ 30.591。

各因素对边坡稳定性影响程度由高到低顺序为c、h、φ、γ、c＊φ,即黏聚力和水位影响高度显著,内摩擦角影响显著,c＊φ和容重影响则很小,在边坡稳定性分析中可以忽略c与φ的交互作用。

正交试验设计减少了计算量,同时可以考虑因素之间的交互作用,又能保证结果的普遍性,对边坡稳定性多因素敏感分析有很大的优势。

参考文献:[1]　谢康和,周键.岩土工程有限元分析理论与应用[M].北京:科学出版社,2002.[2]　龚文惠,王平,陈峰.顺层岩质边坡稳定性的敏感性因素分析[J].岩土力学,2007,28(4):812-816.[3]　朱向东,尚岳全.碎石土边坡破坏机理的敏感性分析[J].防灾减灾工程学报,2007,27(1):86-90.[4]　朱杰.岩质边坡的关键块体稳定性影响因素的敏感性研究[J].工程地质学报,2007,15(2):249-252.[5]　张少宏.黄土边坡稳定计算中参数的敏感性分析[J].水利与建筑工程学报,2003(3):40-42.[6]　夏元友,熊海丰.边坡稳定性影响因素敏感性人工神经网络分析[J].岩土力学与工程学报,2004,23(16):2703-2707.[7]　邓华锋,李建林,黄建文,等.影响卸荷岩体边坡稳定性的参数敏感性分析[J].三峡大学学报,2004,26(6):517-519.[8]　张旭辉,龚晓南,徐日庆.边坡稳定影响因素敏感性的正交法计算分析[J].中国公路学报,2003,16(1):36-39.【责任编辑　张智民】(上接第17页)4　结　语黄河下游地区的地质构造活动是影响悬河稳定的主要地质因素。

缓慢下降的济源—开封凹陷和东明断陷内,河道宽浅、河流散乱、河床淤积严重、悬河悬差日益增大;缓慢上升的鲁西中台隆区,河道窄且弯曲,对河流行洪和排沙具有明显的阻滞作用。

活动性断裂的缓变和突变对悬河稳定都将产生严重影响,尤其是穿黄、邻黄的深、大活动性断裂与黄河的交切部位是险工集中分布的部位和历史上容易决口改道的河段。

自郑州以下黄河两岸大堤附近有饱和粉细沙和粉土分布,在发生烈度Ⅶ度以上的地震时有产生液化的可能。

参考文献:[1]　马国彦,王喜彦,李宏勋.黄河下游河道工程地质及淤积物物源分析[M].郑州:黄河水利出版社,1997.[2]　张克伟.黄河冲积扇上部新构造运动与河道变迁的关系[G]∥黄土黄河黄河文化.郑州:黄河水利出版社,1998:102-109.[3]　胡一三,宋玉杰,赵天义,等.黄河防洪[M].郑州:黄河水利出版社,1996.[4]　王学潮,向宏发.聊城—兰考断裂综合研究及黄河下游河道稳定性分析[M].郑州:黄河水利出版社,2001.【责任编辑　翟戌亮】·19·　第7期 王四巍等:黄河下游堤防边坡多因素敏感性分析Y E L L O W R I V E R　2009　V o l.31　N o.7V i e w i n g C h i n a F l o o d C o n t r o l S t a n d a r d B a s e d o n Q u a n t i t y o f D a m-F a i l u r eW A N GG u o-a n,Z H A N GZ h i-h o n g,L I R o n g-r o n g,L I B a o-g u o(Y e l l o wR i v e r E n g i n e e r i n gC o n s u l t i n gC o.,L t d.,Z h e n g z h o u,H e n a n450003)A b s t r a c t:I n1981,t h e t o t a l e x i s t e d r e s e r v o i r s i n C h i n a i s86881,o f w h i c h,s m a l l a n d m e d i u ms i z e d o n e s81215.I n2006,t h e t o t a l n u m-b e r i s85849,o f w h i c h,s m a l l a n dm e d i u m s i z e d o n e s82367.D u r i n g52-y e a r p e r i o d f r o m1954t o2006,t h e r ea r ea l l t o g e t h e r3496d a m f a i l u r e s,o f w h i c h,1800d a mb r e a k s b e c a u s e o f f l o o d o v e r t o p p i n g,m a k i n g u p51.49%o f t h e t o t a l.Wh i l e o n l y316d a m s,i n c l u d i n g2l a r g e o n e s,17m e d i u ms i z e da n d297s m a l l s i z e d o n e s b u r s t b e c a u s e o f o v e r s t a n d a r df l o o d s.T h e p a p e r c a l c u l a t e s a n da n a l y z e s t h e i s s u e b y u s i n g t w om e t h o d s o f t r a n s c e n d e n t a l p r o b a b i l i t y a n d t h e e f f e c t i v e s e r v i c e l i f e o f p r o j e c t.T h e o u t c o m e s s h o wt h a t t h e r e a r e297s m a l l s i z e d d a m s f a i l-u r eb e c a u s e o f o v e r s t a n d a r d f l o o d s a m o n g80000o n e s d u r i n g40-50y e a r s a n d t h e r e l e v a n t f l o o d f r e q u e n c y h a s r e a c h e d t o o n e s h a p p e n e d i n 10000-13000y e a r s.T h e r e a s o n s a r e a s f o l l o w s:a)d u r i n g t h e c a l c u l a t i o n o f d e s i g n f l o o d,i t i s g e t t i n g g r e a t e r a n d g r e a t e r f o r s a f e t y p u r p o-s e s a n df i n a l l y t h e r e s u l t s o f c a l c u l a t i o n b e c o m e m u c hg r e a t e r a n d;b)o nh y d r a u l i c d e s i g n,t h e d a m a l l h a s a c e r t a i nl i m i t o f f r e e b o a r d.K e y w o r d s:d a m f a i l u r e;f l o o dc o n t r o l s t a n d a r d;d e s i g nf l o o d;t r a n s c e n d e n t a l p r o b a b i l i t yC o n t r o l F u n c t i o n o f G e o l o g i c S t r u c t u r e t o t h e S t a b i l i t y o f E l e v a t e d S e c t i o no f t h e L o w e r Y e l l o wR i v e rY A NZ h e n-p e n g(H e n a n I n s t i t u t e o f G e o l o g i c a l S u r v e y,Z h e n g z h o u,H e n a n450001)A b s t r a c t:T h e p a p e r a n a l y z e s t h e i n f l u e n c e o f v a r i o u s g e o l o g i c a l f a c t o r s t h a t a f f e c t t h es t a b i l i z a t i o no f e l e v a t e ds e c t i o n o f t h e l o w e r Y e l l o w R i v e r t o t h e c o n t r o l f u n c t i o no f s t a b i l i t y o f e l e v a t e ds e c t i o n s t a r t i n g w i t h t h e p a t t e r n o f r e g i o n a l g e o l o g i c a l s t r u c t u r e a n d a c t i v i t y b a s e d o n g e o-l o g i c a l s u r v e y o f r e g i o n a l e n v i r o n m e n t.T h eo u t c o m e s s h o wt h a t J i y u a n-K a i f e n g u n d e r c u t t i n g a n dD o n g m i n g r i f t a r ea ni m p o r t a n t g e o l o g i c a l f a c t o r t o f o r mt h e e l e v a t e ds e c t i o no f t h e Y e l l o wR i v e r a n dw h e r et h es t a b i l i t y i s t h e w o r s t;s l o wr i s i n g o f t h e p l a t f o r m i nc e n t r a l a n dw e s t S h a n d o n g h a s a g g r a v a t e d t h e f o r m a t i o n o f t h e e l e v a t e d r i v e r a n d;t h e i n t e r s e c t s e c t i o n o f d e e p a n d b i g a c t i v e f a u l t s t h a t c r o s s o v e r a n d n e a r t h e Y e l l o wR i v e r w i t h t h e r i v e r i s t h e m o s t u n s t a b l e p a r t o f t h e s e c t i o na n dw h e r e a 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