曹妃甸深槽斜坡穩(wěn)定性影響因素敏感性分析

方中華，褚宏憲

(1. 青島海洋地質(zhì)研究所 國(guó)土資源部天然氣水合物重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266071；2. 青島海洋科學(xué)與技術(shù)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室 海洋礦產(chǎn)資源評(píng)價(jià)與探測(cè)技術(shù)功能實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266071)

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曹妃甸深槽斜坡穩(wěn)定性影響因素敏感性分析

方中華1，2，褚宏憲1，2

(1. 青島海洋地質(zhì)研究所 國(guó)土資源部天然氣水合物重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266071；2. 青島海洋科學(xué)與技術(shù)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室 海洋礦產(chǎn)資源評(píng)價(jià)與探測(cè)技術(shù)功能實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266071)

海洋災(zāi)害地質(zhì)因素中，雖然海底滑坡發(fā)生頻率不高、但造成的災(zāi)害損失往往會(huì)較嚴(yán)重，斜坡的穩(wěn)定性受眾多因素綜合影響，且各因素對(duì)斜坡穩(wěn)定性的影響程度存在差異，其敏感性分析一直是國(guó)內(nèi)外研究的重要內(nèi)容。本文以曹妃甸深槽海底斜坡為研究對(duì)象，分析了水下斜坡穩(wěn)定性的影響因素。應(yīng)用滑坡穩(wěn)定性分析軟件Geo-Slope對(duì)黏聚力、內(nèi)摩擦角、重度、坡度等內(nèi)在敏感因素以及地震動(dòng)參數(shù)、附加荷載和波高這3個(gè)外在敏感因素進(jìn)行了單因素敏感性分析，認(rèn)為內(nèi)在因素中內(nèi)摩擦角最為敏感，外在因素中地震動(dòng)參數(shù)的敏感度最高。通過對(duì)水下斜坡穩(wěn)定性影響因素及其敏感性分析，可為海底滑坡的防治規(guī)劃提供依據(jù)。

海底斜坡；影響因素；Geo-Slope；敏感性

斜坡穩(wěn)定影響因素的敏感性分析是目前滑坡研究的熱點(diǎn)問題之一，很多專家學(xué)者選擇不同區(qū)域或類型的海底斜坡進(jìn)行了較深入的研究[1-4]。影響斜坡穩(wěn)定性的多種因素，不管是內(nèi)因還是外因，與斜坡穩(wěn)定系數(shù)之間都存在相關(guān)性,對(duì)相關(guān)因素作敏感性分析就是定量分析其變化對(duì)于斜坡穩(wěn)定系數(shù)的影響程度。對(duì)影響因素作敏感性分析，特別是對(duì)主要影響因素作敏感性分析，可以找出斜坡失穩(wěn)的主導(dǎo)因素,使斜坡的滑坡治理和優(yōu)化設(shè)計(jì)更為經(jīng)濟(jì)、安全和有效[5]。因此，對(duì)影響因素作敏感性分析在滑坡及滑坡治理工程中是必要的。

影響水下斜坡穩(wěn)定的因素較多，且各因素存在復(fù)雜性及不確定性。總的來說,海底滑坡災(zāi)害的發(fā)生不僅與地形地貌，地層巖性等內(nèi)因(環(huán)境因子)有關(guān)，而且與波浪等水動(dòng)力條件、地震和人類工程活動(dòng)等外因(觸發(fā)因子)也有較強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性，往往是它們共同作用的結(jié)果[6]。在一定的工程地質(zhì)條件下,影響因素對(duì)滑坡失穩(wěn)的貢獻(xiàn)是存在差異的，有的影響大，有的影響要小很多。

本文以曹妃甸深槽斜坡為研究對(duì)象，在自然狀態(tài)條件下考慮了黏聚力、內(nèi)摩擦角、重度、坡度等內(nèi)在因素對(duì)斜坡穩(wěn)定性的影響，并分析了地震動(dòng)參數(shù)、附加荷載和波高這3個(gè)外在敏感因素的影響，應(yīng)用Geo-Slope滑坡穩(wěn)定性分析軟件對(duì)斜坡進(jìn)行單因素敏感性分析。此敏感性的分析，將為海底滑坡的防治規(guī)劃提供依據(jù)。

1　研究區(qū)域背景

研究區(qū)位于曹妃甸甸頭深槽海域，海底的地形和地貌較復(fù)雜，屬于現(xiàn)代海洋動(dòng)力地貌體，曹妃甸深槽地貌由曹妃甸淺灘和甸頭前沿深槽組成[7]。曹妃甸亦名沙壘田島，因島上原有曹妃廟而得名。曹妃甸原是一座帶狀離岸沙島，呈東北、西南走向，原始面積約5 km2，為古灤河入海沖積而成。曹妃甸沙島位于唐山市南部，距離大陸岸線約18 km，地理坐標(biāo)38°55′N，118°30′E。從2003年起為建設(shè)曹妃甸港口工業(yè)區(qū)，開始了大面積填海造陸，原有的灘海地貌已不復(fù)存在，取而代之的是與陸相連的現(xiàn)代工業(yè)港城，但是，曹妃甸原有的岬角地貌特征在大規(guī)模的工程建設(shè)下不僅得以保留,而且岬角效應(yīng)更為突出(圖1)。工程建設(shè)后，甸頭呈三角形突出于海中，甸頭南側(cè)深槽走向呈近東西向分布，是渤海灣最深的水域，深槽底部為侵蝕洼地，洼地呈三角形條帶分布，溝槽北陡南緩，深槽區(qū)域臨近碼頭，30 m等深線距曹妃甸甸頭不足500 m[8]。

圖1　研究區(qū)位置及水深地形圖Fig.1　Location and bathyorographical map of the study area

曹妃甸在早第三紀(jì)時(shí)，它以隆起為主，有較薄的東營(yíng)組沉積。晚第三紀(jì)以來拗陷作用逐步取代了斷陷作用，該區(qū)也逐步形成一個(gè)統(tǒng)一的拗陷沉積區(qū)。接受了厚1.2 km左右的第三系和第四系沉積[9]，其中，第四系厚度普遍在300～450 m。

根據(jù)礦石碼頭勘察資料，海底斜坡區(qū)地層較復(fù)雜，從海底面往下80 m以內(nèi)共劃分6個(gè)層位(圖2)，土的分類標(biāo)準(zhǔn)依照《巖土工程勘察規(guī)范》(GB 50021-2001)[10]，自上而下詳細(xì)描述如下：

圖2　穿過鉆孔的地質(zhì)剖面圖Fig.2　Geological profile through the borehole

1)①粉細(xì)砂

灰褐色～褐色，飽和，松散～中密狀態(tài)，靠近沙島為中密狀態(tài)，遠(yuǎn)離沙島深水區(qū)為松散～稍密狀態(tài)，以粉砂為主，夾粉質(zhì)黏土薄層，含少量貝殼碎片，分布不均勻，主要分布曹妃甸沙島區(qū)。層底標(biāo)高一般在-3.0～-36.5 m，厚度為3～28 m，由曹妃甸向南逐漸變薄。工程地質(zhì)性質(zhì)一般。

2)②-1淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土

灰色，軟～可塑狀，中～中上塑性，頂部混多量粉細(xì)砂，砂粒含量為87.1%，夾粉細(xì)砂薄層，上部土質(zhì)不均?？紫侗绕骄禐?.12。該層分布不連續(xù)，在深水區(qū)該地層缺失。層底標(biāo)高一般在-28～-33 m，厚度為2～5 m。工程地質(zhì)性質(zhì)較差。

3)②-2粉細(xì)砂

灰褐色～褐色，飽和，松散，局部稍密狀，局部以中砂為主，含貝殼碎屑及少量淤泥質(zhì)土，該層層位穩(wěn)定，分布連續(xù)。層底標(biāo)高一般在-34～-45 m，厚度約為5～10 m。工程地質(zhì)性質(zhì)稍好。

4)③粉質(zhì)黏土

褐灰色，灰色，可塑狀為主，中～中上塑性，混夾多量粉細(xì)砂和粉土透鏡體，土質(zhì)不均，該層層位穩(wěn)定，分布連續(xù)。層底標(biāo)高一般在-47～-53 m，厚度約為6～13 m。工程地質(zhì)性質(zhì)稍好。

5)④-1粉土

褐灰色，褐色，密實(shí)狀，含粉細(xì)砂顆粒、少量貝殼碎屑及云母碎片，夾黏性土薄層，分布不連續(xù)，厚薄不均，層面起伏較大，分布不連續(xù)，局部夾有黏土和粉細(xì)砂透鏡體，主要分布曹妃甸沙島和淺水區(qū)。層底標(biāo)高一般在-52～-56 m，厚度約為2～9 m。工程地質(zhì)性質(zhì)較好。

6)④-2亞砂土

灰白色，中密-密實(shí)狀，以粉砂為主，低塑性，含少量黏性土分布不連續(xù)，主要分布遠(yuǎn)離曹妃甸沙島深水區(qū)。層底標(biāo)高一般在-55～-60 m，厚度約為2～9 m。工程地質(zhì)性質(zhì)較好。

7)⑤粉細(xì)砂

淺褐-灰黃色，飽和，中密，均勻，局部為砂質(zhì)粉土，該層層位穩(wěn)定，分布連續(xù)。層底標(biāo)高一般在-63～-66 m，厚度約為6～9 m。工程地質(zhì)性質(zhì)較好。

8)⑥亞黏土

褐灰色，灰褐色，灰色以及褐色，密實(shí)狀，硬塑狀，中塑性，含少量云母碎片，可見少量鐵質(zhì)浸染，夾粉土及粉細(xì)砂薄層，該層分布連續(xù)，層位穩(wěn)定。工程地質(zhì)性質(zhì)較好。

2　水下斜坡穩(wěn)定性影響因素

2.1地形地貌影響因素

曹妃甸近海地形起伏大，在河流和海洋水動(dòng)力條件下形成了極為豐富的地貌類型(圖1)，不僅有水下三角洲、潮流沙脊，還有在強(qiáng)潮流作用下形成的深槽等地貌。曹妃甸深槽海區(qū)地形地貌的發(fā)育受到了地質(zhì)構(gòu)造、古灤河三角洲演變、海洋水動(dòng)力和人類活動(dòng)等內(nèi)外營(yíng)力的共同控制作用。海底深部構(gòu)造的沉陷是形成曹妃甸深槽海區(qū)地形地貌的基礎(chǔ)，在海洋水動(dòng)力作用下古灤河廢棄三角洲演變形成了曹妃甸岬角地貌，曹妃甸工程建設(shè)對(duì)潮灘的淤積作用明顯，并使深槽區(qū)處于沖刷環(huán)境[11]。

通過2004,2008和2013年的水深資料對(duì)比分析，深槽海域等深線總體保持了原有形態(tài)，深槽軸線位置沒有明顯移動(dòng)，深槽洼地區(qū)處于輕微沖刷，近10 a間，35 m等深線向南移動(dòng)約100 m，40 m等深線面積增加1.3倍(圖3)，深槽最大沖淤速率-19 cm/a。海底斜坡在侵蝕作用下會(huì)進(jìn)一步變陡，其穩(wěn)定性將降低，發(fā)生滑坡的危險(xiǎn)性將增大，很可能在風(fēng)暴潮或地震等外力觸發(fā)下發(fā)生滑坡，給曹妃甸港的安全造成隱患和巨大的經(jīng)濟(jì)損失。

圖3　深槽等深線(m)變化圖Fig.3　Bathymetric chart(m) of the Caofeidian deep groove

2.2地層巖性影響因素

在該區(qū)域基底構(gòu)造埋藏很深，其上的第三系、第四系地層廣泛發(fā)育。海底往下有著數(shù)百米的海陸交互相地層，其中第四系全新統(tǒng)(Q4)底高程約在-30 m，上更新統(tǒng)(Q3)底高程約在-140 m。這種地層的形成不僅與第四紀(jì)以來發(fā)生在該區(qū)域的多次海進(jìn)海退有關(guān)，也與古灤河帶來的大量泥沙密不可分。

斜坡為海底土質(zhì)斜坡，多為砂土層，還有淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土等軟弱夾層，地層透水性強(qiáng)，持水性好，在地下水(主要是海水)側(cè)向補(bǔ)給作用下，含水量的增加使堆積物的強(qiáng)度，尤其是抗剪強(qiáng)度下降明顯，地層變得易滑。

2.3波浪影響因素

曹妃甸海域波浪以風(fēng)浪為主，涌浪為次。據(jù)觀測(cè)資料統(tǒng)計(jì)：常浪向?yàn)镾，頻率10.87%；次常浪向?yàn)镾W，頻率7.48%；強(qiáng)浪向?yàn)镹EE，最大波高4.9 m，該方向波高大于或等于1.5 m的出現(xiàn)頻率為1.63%；次強(qiáng)浪向?yàn)镹E，最大波高4.1 m。

包括風(fēng)暴潮在內(nèi)的波浪荷載是海洋地基土受到的最頻繁和最嚴(yán)峻的動(dòng)荷載，海底斜坡土體的失穩(wěn)大多與其相關(guān)。波浪荷載導(dǎo)致海底斜坡失穩(wěn)主要有兩方面的原因：1)大風(fēng)浪和潮位的較大變化往往激發(fā)了海底表層沉積物活動(dòng)性，同時(shí)，也增加了土體的滑動(dòng)剪切應(yīng)力；2)大風(fēng)浪和潮位的較大變化使土體內(nèi)產(chǎn)生超孔隙水壓力，有效應(yīng)力隨之減小，致使斜坡土體的抗剪強(qiáng)度下降。在波浪動(dòng)荷載作用下，隨著下滑力的加大和土體的抗剪強(qiáng)度下降，海底斜坡淺部土層產(chǎn)生滑坡的可能性將大大增加[12]。

2.4地震影響因素

研究區(qū)位于唐山大地震震中東南方約100 km處，為VII度地震烈度區(qū)。地震烈度描述的是地震對(duì)地面及建筑物的破壞程度，這是有別于震級(jí)的，相同震級(jí)的地震發(fā)生在不同區(qū)域，產(chǎn)生的破壞往往有較大的區(qū)別，同一次地震，在不同區(qū)域產(chǎn)生的破壞也不一樣，一般來說，越靠近震源，破壞就大，地震烈度就高；越是遠(yuǎn)離震源，破壞就小，地震烈度就低。研究區(qū)淺表層砂土均為粉質(zhì)砂土，其土的滲透性能差，當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生時(shí)，孔隙水壓力在瞬間上升，又來不及消散，研究區(qū)內(nèi)的淺表層砂土易液化，所以在地震發(fā)生時(shí)，斜坡淺表層穩(wěn)定性將大大降低。

2.5人類工程活動(dòng)影響因素

研究區(qū)內(nèi)人類工程活動(dòng)較強(qiáng)烈，曹妃甸港主體設(shè)施建設(shè)從2004-04-25起在海上吹填造陸，歷時(shí)19個(gè)月，于2005-12-01完工，建成2座25萬噸級(jí)礦石泊位；礦石碼頭從2005-12正式開航運(yùn)營(yíng)，總長(zhǎng)808 m的礦石碼頭采用高樁梁板式結(jié)構(gòu)，其中靠泊岸線長(zhǎng)度735 m，碼頭前沿停泊水域水深超過25 m，碼頭及堆場(chǎng)區(qū)平面標(biāo)高為 5 m。附加荷載作用寬度按碼頭的實(shí)際位置，南至水深25 m處，北至近岸堆場(chǎng)，荷載作用寬度約500 m，因碼頭區(qū)與堆場(chǎng)區(qū)基礎(chǔ)形式不同，荷載存在差異，北側(cè)近岸堆場(chǎng)區(qū)荷載力小，南側(cè)碼頭荷載力作用力大。附加荷載增加了土體的容重，破壞了土體的抗剪強(qiáng)度，可能誘發(fā)滑坡發(fā)生。

3　斜坡穩(wěn)定性影響因素敏感性分析

3.1影響因素敏感性分析方法

滑坡的發(fā)生往往是內(nèi)因和外因共同作用的結(jié)果[13]，但不同因素對(duì)滑坡的影響是存在差異的，為了弄清不同因素對(duì)滑坡的影響程度，擬采用單因素敏感性分析的方法，結(jié)合該滑坡工程實(shí)踐，對(duì)影響海底滑坡的因素，特別是主要影響因素作敏感性分析和研究?；掠绊懸蛩氐拿舾行砸话阌妹舾卸萐來衡量，它指的是某種因素的相對(duì)變化率與滑坡穩(wěn)定性系數(shù)的相對(duì)變化率之間的比值，可表示如下[14]:

(1)

敏感性分析可通過以下幾步來完成：1)依據(jù)勘察實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來選取一套基準(zhǔn)參數(shù)；2)采用極限平衡理論，通過數(shù)值模擬運(yùn)算方法計(jì)算出基準(zhǔn)條件下的滑坡穩(wěn)定性系數(shù)K；3)保持其他因素水平不變，將滑坡的影響因素中的某一個(gè)參數(shù)在基準(zhǔn)值附近變化，計(jì)算出此情況下的穩(wěn)定性系數(shù)K；4)根據(jù)式(1)求得各因素的敏感度S。

3.2影響因素敏感性分析

在眾多影響海底滑坡穩(wěn)定性的因素中，選取了滑坡體巖土力學(xué)參數(shù)黏聚力c、內(nèi)摩擦角φ、重度γ、坡度i、波高H、地震動(dòng)參數(shù)KE以及附加荷載G等主要影響因素進(jìn)行敏感性分析和研究，其中黏聚力c、內(nèi)摩擦角φ、重度γ、坡度i是內(nèi)在因素(環(huán)境因素)，而波高H、地震動(dòng)參數(shù)KE以及附加荷載G是外在因素(觸發(fā)因素)。

研究區(qū)的勘察資料表明，研究區(qū)內(nèi)土體物理力學(xué)參數(shù)具有較大的分散性，我們采取強(qiáng)度參數(shù)平均值作為基準(zhǔn)，坡度角以現(xiàn)有地形的坡度為基準(zhǔn)，波高以5a一遇波高為基準(zhǔn)，地震動(dòng)參數(shù)以曹妃甸海區(qū)地震設(shè)防烈度VII為基準(zhǔn)。附加荷載作用寬度按碼頭的實(shí)際位置，南至水深25m處，北至近岸堆場(chǎng)，荷載作用寬度約500m，因碼頭區(qū)與堆場(chǎng)區(qū)基礎(chǔ)形式不同，荷載存在差異，北側(cè)近岸堆場(chǎng)區(qū)荷載力小，南側(cè)碼頭荷載力作用力大，依據(jù)《水工建筑物荷載設(shè)計(jì)規(guī)范》(DL5077-1997)[15]，堆場(chǎng)區(qū)荷載按土石壩考慮取20kN/m3，碼頭區(qū)荷載按鋼筋混凝土地基考慮取25kN/m3。以這些基準(zhǔn)參數(shù)作為基準(zhǔn)模型參數(shù)，利用Geo-Slope滑坡穩(wěn)定性分析軟件，計(jì)算出一個(gè)安全系數(shù)作為安全系數(shù)的基準(zhǔn)值，然后在保持其它因素水平不變的情況下，只讓某一個(gè)參數(shù)在基準(zhǔn)值附近指定的范圍以相同的步長(zhǎng)變化，本文選取0～10%范圍內(nèi)變化，計(jì)算出此情況下的穩(wěn)定性系數(shù)；最后根據(jù)式(1)求得各因素的敏感度。

從圖4和表1可以看出，內(nèi)在因素中，內(nèi)摩擦角對(duì)該斜坡穩(wěn)定性最為敏感，坡度次敏感，重度稍敏感，黏聚力的敏感度最低；外在因素中，地震動(dòng)參數(shù)比附加荷載敏感，但附加荷載的敏感性遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于波高的敏感性。其敏感性排序依次為地震動(dòng)參數(shù)KE、內(nèi)摩擦角φ、坡度i、重度γ、附加荷載G、黏聚力c、波高H。

圖4　各因子敏感性分析結(jié)果Fig.4　Results of sensitivity analysis of the influencing factors

參 數(shù)敏感度值敏感性排序黏聚力0.136內(nèi)摩擦角0.642重 度0.434坡 度0.613波 高0.077地震動(dòng)參數(shù)0.721附加荷載0.415

4　結(jié)　論

滑坡的發(fā)生不僅與原生地質(zhì)條件息息相關(guān)，而且外部觸發(fā)因素往往起著至關(guān)重要的作用。本文采用單因素敏感性分析方法和Geo-Slope滑坡分析軟件對(duì)滑坡穩(wěn)定影響因子進(jìn)行敏感性分析,這種方法對(duì)工程技術(shù)人員來說是一種較實(shí)用的分析方法，因?yàn)樗哂泄ぷ髁啃?、易于完成，具有一定的通用性的特點(diǎn)。實(shí)例分析表明,影響曹妃甸甸頭深槽斜坡穩(wěn)定性的主要因素其敏感性排序依次為地震動(dòng)參數(shù)KE、內(nèi)摩擦角φ、坡度i、重度γ、附加荷載G、黏聚力c、波高H。

在海底斜坡區(qū)進(jìn)行海洋工程建設(shè)時(shí)，對(duì)影響斜坡穩(wěn)定性的敏感性因素進(jìn)行敏感度分析是十分必要的，它有助于我們分析研究滑坡發(fā)生變形破壞的形成機(jī)制，弄清楚誘發(fā)主因，這對(duì)海底斜坡的治理設(shè)計(jì)具有重要意義。本文沒有考慮參數(shù)的相關(guān)性對(duì)其穩(wěn)定性的影響,考慮參數(shù)的相關(guān)性可以使穩(wěn)定性分析模型更接近于工程實(shí)際,提高對(duì)滑坡穩(wěn)定系數(shù)的計(jì)算精度,在今后的工作可以考慮進(jìn)行因素間有交互作用時(shí)的分析，這有助于提高滑坡治理的效果，使其更可靠、經(jīng)濟(jì)和合理。

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Sensitivity Analysis of the Factors Affecting Slope Stability in the Caofeidian Deep Groove

FANG Zhong-hua1,2, CHU Hong-xian1,2

(1.KeyLaboratoryofMarineHydrocarbonResourcesandEnvironmentalGeology,MinistryofLandandResources,QingdaoInstituteofMarineGeology, Qingdao 266071, China;2.LaboratoryforMarineMineralResources,QingdaoNationalLaboratoryforMarineScienceandTechnology, Qingdao 266071, China)

Of marine geological disaster factors, the submarine landslides do not occur frequently, but the disaster losses caused by them are often more serious. The slope stability can be comprehensively influenced by many factors and the influence degree of these factors is different. Therefore, the sensitivity analysis of factors influencing the slope stability has always been one of the important aspects at home and abroad. By taking the slope of the Caofeidian deep groove as the research object, the factors influencing the stability of underwater slope are analyzed. By using the software Geo-Slope, a single-factor sensitivity analysis is made of intrinsic sensitivity factors such as cohesive strength, internal friction angle, density and falling gradient and three external sensitive factors including seismic coefficient, additional load and wave height. The results show that the internal friction angle of the intrinsic sensitivity factors is the most sensitive and the seismic coefficient of the external sensitive factors is the highest in sensitivity. This sensitivity analysis will provide the basis for the control program of submarine landslides.

submarine slope; influencing factors; Geo-Slope; sensitivity

April 28, 2016

1002-3682(2016)03-0023-09

2016-04-28資助項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目——曹妃甸甸頭深槽海底滑坡及穩(wěn)定性研究(41276060)作者簡(jiǎn)介：方中華(1982-)，男，工程師，碩士，主要從事海洋地質(zhì)地球物理調(diào)查方面研究. E-mail: fzhouc@sina.com(李燕編輯)

P75

Adoi:10.3969/j.issn.1002-3682.2016.03.003