單體滑坡定量風(fēng)險評估理論與方法

南驍聰，李 寧

（1.山東高速工程檢測有限公司，山東 濟(jì)南 250002；2.山東高速股份有限公司,山東 濟(jì)南 250101）

引言

我國約70%都為山區(qū)，降雨和地震等頻發(fā)，誘發(fā)了大量的滑坡災(zāi)害，平均年經(jīng)濟(jì)損失超過 20 億元，造成超過千人的生命損失。此外，善后處理以及事后整治等費(fèi)用也達(dá)數(shù)十億元，滑坡間接產(chǎn)生的其他經(jīng)濟(jì)損失（如交通中斷）更是無法估計。為了減輕滑坡造成的后果，決策者需要對滑坡災(zāi)害有更好的認(rèn)識，并對滑坡風(fēng)險進(jìn)行管理。要管理風(fēng)險，首先必須對風(fēng)險進(jìn)行量化?；聻?zāi)害定量風(fēng)險評估作為一種更加合理有效的風(fēng)險量化手段，一直是國際上倡導(dǎo)和推廣的有效途徑之一。因此，開展滑坡災(zāi)害定量風(fēng)險評估對保護(hù)人民生命和財產(chǎn)安全以及維護(hù)社會經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展都有著重要的現(xiàn)實意義。

1 滑坡定量風(fēng)險評估框架

滑坡風(fēng)險評價經(jīng)歷了定性-半定量-定量的過程。其中，對于定性及半定量風(fēng)險評價，主要是通過搜集歷史數(shù)據(jù)采用統(tǒng)計方法，并未充分考慮災(zāi)害成因機(jī)制及運(yùn)移特征，且易損性因子的賦值基本依賴于專家經(jīng)驗法，對災(zāi)害風(fēng)險的量化，較少考慮災(zāi)害自身的物理機(jī)制。風(fēng)險定量評價不僅考慮影響災(zāi)害強(qiáng)度的物理力學(xué)參數(shù)的不確定性，同時也應(yīng)考慮影響受災(zāi)體易損性因素的不確定性，量化災(zāi)害風(fēng)險分布。隨著數(shù)值模擬手段的廣泛運(yùn)用，并結(jié)合概率理論等數(shù)學(xué)方法，使得對滑坡災(zāi)害風(fēng)險量化成為可能。風(fēng)險評價不再僅是定性地劃分等級，而是直接得到某一災(zāi)害情境下的損失概率和損失值?；嘛L(fēng)險評估需要解決的問題:（1）滑坡發(fā)生的概率；（2）滑坡的運(yùn)動過程；（3）財產(chǎn)和人的易損性；（4）財產(chǎn)和人的風(fēng)險。

通常用概率方法定量描述滑坡事件的不確定性，單體滑坡定量風(fēng)險評估數(shù)學(xué)模型：

式中：R—單體滑坡風(fēng)險值；P1—滑坡在給定回歸期內(nèi)以某種規(guī)模失穩(wěn)的概率，P2—滑坡物質(zhì)以某種運(yùn)動強(qiáng)度到達(dá)某位置的概率；P3—承災(zāi)體在空間上出現(xiàn)在該位置的概率；P4—承災(zāi)體損壞或人員傷亡的概率；C—承災(zāi)體的價值或人口數(shù)量。

2 單體滑坡定量風(fēng)險評價方法

2.1 發(fā)生概率評價方法

對于單體滑坡發(fā)生概率的基本思路是在傳統(tǒng)的定值分析方法（Slope/W, Slide, Analysis和Flac2D/3D等數(shù)值模擬方法）的基礎(chǔ)上，將輸入?yún)?shù)定義為服從某種概率分布的隨機(jī)變量，得到穩(wěn)定性系數(shù)的概率分布，從而求解出穩(wěn)定系數(shù)小于1的概率，即滑坡發(fā)生的概率。在進(jìn)行滑坡失穩(wěn)概率分析時, 通常需建立極限狀態(tài)函數(shù)（又稱功能函數(shù)）：

式中：X—隨機(jī)變量；FS（X）—利用數(shù)值模擬在X參數(shù)下計算出的穩(wěn)定性系數(shù)。

g（X）＜0的概率即滑坡發(fā)生概率。

一旦極限狀態(tài)函數(shù)確定，即可以通過蒙特卡羅模擬方法估計滑坡發(fā)生的概率，該方法是求解失效概率最簡單、最有效的方法。（1）對影響滑坡穩(wěn)定性計算的隨機(jī)變量（如粘聚力、內(nèi)摩擦角和孔隙水壓力等）進(jìn)行隨機(jī)抽樣；（2）將隨機(jī)抽樣值逐個代入極限狀態(tài)函數(shù)中計算出功能函數(shù)值；（3）統(tǒng)計功能函數(shù)值小于零的個數(shù)，并根據(jù)總采樣次數(shù)確定滑坡的發(fā)生頻率，當(dāng)采樣次數(shù)足夠大時，得到的滑坡發(fā)生的頻率將逼近滑坡發(fā)生的概率，從而求解滑坡發(fā)生概率。然而，蒙特卡羅模擬方法的計算量非常大，當(dāng)遭遇小概率問題時（如10-3），需要計算次數(shù)將達(dá)105次以上，占用大量計算時間。為了減少計算量，一些高效的可靠度方法已經(jīng)應(yīng)用于滑坡發(fā)生概率的計算，如一階可靠度方法、二階可靠度方法以及響應(yīng)面方法等。

2.2 滑坡運(yùn)動過程評價方法

劃定滑坡危險區(qū)范圍是滑坡風(fēng)險評估的基礎(chǔ)。要求準(zhǔn)確預(yù)測滑坡的運(yùn)動過程，獲得表征滑坡破壞潛力的參數(shù)，從而用于單體滑坡的定量風(fēng)險評估。用于滑坡風(fēng)險評估參數(shù)主要包括：運(yùn)動距離、運(yùn)動速度、堆積厚度以及沖擊力。隨著滑坡運(yùn)動過程數(shù)值模擬的發(fā)展，使得滑坡運(yùn)動過程的精細(xì)化模擬得以實現(xiàn)，并能直接輸出風(fēng)險評估所需參數(shù)。目前較為常用的數(shù)值模擬方法有連續(xù)介質(zhì)力學(xué)方法和離散元方法。由于大多數(shù)滑坡、巖崩、碎屑流、泥石流都具有像流體一樣的性質(zhì)，Savage和Hutter提出了基于等效流體假設(shè)的流體力學(xué)方法，基于傳統(tǒng)的N-S方程，采用深度積分的方式，選擇合適的流體力學(xué)模型，實現(xiàn)連續(xù)介質(zhì)力學(xué)方法對滑坡動態(tài)運(yùn)動過程的模擬。目前該方法被廣泛運(yùn)用于滑坡的運(yùn)動過程模擬中，并開發(fā)各種不同的計算軟件，如DAN3D，MassMov2D，F(xiàn)LO-2D和RAMMS等。該方法具有計算參數(shù)少、計算效率高的特點(diǎn)。與連續(xù)介質(zhì)力學(xué)方法相比，離散元法能夠反映出滑坡運(yùn)動過程中顆粒之間的分離與聚集效果，可以有效模擬顆粒大變形運(yùn)動，是分析理解滑坡破壞機(jī)制的寶貴工具。該方法由美國學(xué)者Cundall和Strack于1971年首次提出，經(jīng)過近50年的發(fā)展，已開發(fā)形成多款大型商業(yè)軟件，如PFC2D與PFC3D等。

2.3 易損性評價方法

在定量風(fēng)險評估中，易損性通常以在一定災(zāi)害強(qiáng)度作用下影響區(qū)內(nèi)承災(zāi)體的損失程度或損失價值來衡量。它是一種條件概率，假定發(fā)生了具有一定規(guī)模的滑坡，承災(zāi)體在滑坡的路徑上。根據(jù)滑坡與工程邊坡聯(lián)合技術(shù)委員會對易損性的定義，易損性的值為0（沒有損失）和1（完全損失）之間的無量綱系數(shù)。易損性主要包括物質(zhì)易損性、經(jīng)濟(jì)易損性、環(huán)境易損性和社會易損性等4類。其中，物質(zhì)易損性主要考慮有形資產(chǎn)（如基礎(chǔ)設(shè)施和建筑物等），反映的是承災(zāi)體的自然特性；而后三者則涉及無形資產(chǎn)（如經(jīng)濟(jì)、人口以及資源環(huán)境），反映了承災(zāi)體的社會特性。易損性評估需要了解滑坡事件和承災(zāi)體之間的相互作用，即易損性曲線。目前，易損性研究大多根據(jù)滑坡災(zāi)害歷史資料，運(yùn)用統(tǒng)計模型構(gòu)建易損性曲線；也有一部分研究通過對建筑物進(jìn)行有限元模擬，構(gòu)建沖擊壓力與建筑物形變位移的關(guān)系，從而建立易損性曲線，這種更加基于物理的易損性曲線建立方法是未來研究的一種趨勢。

3 滑坡運(yùn)動過程分析

在滑坡風(fēng)險評估中，滑坡運(yùn)動過程分析是非常重要的一部分。某黃土滑坡位于甘肅省內(nèi)，處于黃河的第四階地上。由于長期的灌溉作用，灌溉水下滲，黃土強(qiáng)度軟化，發(fā)生滑坡?；麻L217 m，寬176 m，滑坡平均厚度約20 m，滑坡體積大約44.4×104 m3，滑距770 m。數(shù)值模擬方法使用基于連續(xù)理論的深度積分方法，并通過二維剖面建立計算模型?；鬃枇δＰ褪褂脦靷惸Σ聊Ｐ停ぞ哿湍Σ两莾蓚€參數(shù)?？紤]到黃土強(qiáng)度發(fā)生軟化，對于該滑坡，計算模型的黏聚力設(shè)置為10 kPa，摩擦角設(shè)置為8.5°。計算網(wǎng)格間距2 m，計算總時間40 s，時間步設(shè)置為0.001 s?；氯^程運(yùn)動過程模擬結(jié)果見圖1?？梢园l(fā)現(xiàn)，數(shù)值模擬可以細(xì)致地重現(xiàn)滑坡的運(yùn)動過程。根據(jù)最后的堆積結(jié)果（40 s時）可以發(fā)現(xiàn)，滑坡上部仍然有部分殘留在滑面上，與實際結(jié)果相符。另外，最終模擬運(yùn)動距離為750 m，與實際運(yùn)動距離770 m相差不大。

對于風(fēng)險評估，不僅要關(guān)心滑坡是否會失穩(wěn)，也應(yīng)該關(guān)心滑坡失穩(wěn)后會造成什么結(jié)果，即關(guān)心滑坡失穩(wěn)后潛在的影響范圍。滑坡運(yùn)動過程分析非常關(guān)鍵，比如，重大交通工程遇到滑坡時，如果能夠?qū)υ摶逻\(yùn)動距離進(jìn)行預(yù)測，了解潛在的影響范圍，可進(jìn)行有效避讓，而不是進(jìn)行大規(guī)模的工程防治，將大大節(jié)約成本。因此，未來的研究工作需要集中 在如何對滑坡運(yùn)動過程進(jìn)行合理預(yù)測方面。

圖1 滑坡運(yùn)動全過程數(shù)值模擬

4 發(fā)展趨勢

目前滑坡災(zāi)害的風(fēng)險定量評價主要是通過搜集歷史數(shù)據(jù)，采用統(tǒng)計方法實現(xiàn)對危險性、易損性取值量化。存在的主要問題是對滑坡災(zāi)害的危險性以及易損性評價，較少考慮災(zāi)害自身的物理機(jī)制。因此在未來的風(fēng)險定量評價中，應(yīng)更多考慮災(zāi)害自身的物理機(jī)制量化滑坡災(zāi)害的風(fēng)險。另外，將風(fēng)險評估結(jié)果用于指導(dǎo)變形監(jiān)測、滑坡失穩(wěn)后潛在威脅范圍的劃定、滑坡災(zāi)害預(yù)警及應(yīng)急預(yù)案的制定等，以及如何將單體滑坡災(zāi)害風(fēng)險評價與風(fēng)險管理相結(jié)合，制定相關(guān)災(zāi)害管理辦法與流程。

5 結(jié)語

滑坡定量風(fēng)險評估方法將不確定性與受到損失有機(jī)結(jié)合，為風(fēng)險量化提供了一種合理有效的手段。評述了單體滑坡定量風(fēng)險評價的關(guān)鍵組成部分（滑坡發(fā)生概率評價、滑坡運(yùn)動過程評價以及易損性評價），為工程人員在實際工程中對滑坡風(fēng)險管理提供依據(jù)。