鄂西南地区五峰县凉风洞滑坡灾害风险分析

徐 勇，连志鹏 ，李德营，谢媛华

(1.中国地质调查局 武汉地质调查中心，武汉 430205；2.中国地质大学(武汉) 工程学院，武汉 430074)



鄂西南地区五峰县凉风洞滑坡灾害风险分析

徐 勇1，连志鹏1，李德营2，谢媛华2

(1.中国地质调查局 武汉地质调查中心，武汉 430205；2.中国地质大学(武汉) 工程学院，武汉 430074)

单体滑坡定量风险分析是滑坡领域研究的重要内容。以湖北省西南地区五峰县凉风洞滑坡为例，首先应用Geo-studio软件对不同降雨条件下滑坡渗流场和稳定性进行了模拟分析;然后采用定性与定量相结合的方法分析了室内人员和建筑物的易损性;最后引入年超越概率方法计算滑坡经济与人口年风险，并对滑坡单人风险进行了分区。结果表明：滑坡影响范围内的居民区处于风险极高区。该研究成果有助于提高单体滑坡定量风险分析水平，并为凉风洞滑坡防治提供参考。

单体滑坡；渗流场；易损性分析；定量风险分析；稳定性；凉风洞

1 研究背景

滑坡灾害风险评价经过40余年的研究和完善，已发展成为土地规划和防灾减灾的有效方式。滑坡风险评估的难点和问题一直是国内外学者研究的热点。滑坡与工程边坡联合技术委员会出版了Guidelinesforlandslidesusceptibility,hazardandriskzoningforlanduseplanning，将滑坡风险评估分为4 个层次：滑坡编录、易发性评价、危险性及风险评估；按区域可分为3个尺度：区域评价、场地评价及单体评价[1-2]。吴树仁等[3]提倡实用性技术方法和GIS技术的推广应用，从数据获取与更新、风险评估方法与制图、风险准则与技术方法体系和结果的验证等方面进行了详细的论述，并提出了相应的对策。陈丽霞等[4]利用Gumbel极值分布理论分析了研究区降雨量极值及分布曲线，讨论了不同重现期及降雨极值在滑坡概率分析中的应用。杜娟[5]提出了滑坡变形阶段和失稳阶段的滑坡灾害破坏作用强度及承灾体脆弱性分析的单体滑坡灾害易损性评价模型。陈丽霞[6]针对库岸单体滑坡，以赵树岭滑坡为例，研究了变形和失稳阶段的滑坡风险。滑坡风险评价的基础是对其滑动机理进行研究和分析，汪斌等[7]采用室内蠕变试验对滑坡滑带土建立蠕变模型，分析了蠕变特性和长期强度特征。滑坡灾害为内外因素相互作用的结果，内在因素取决于其自身物质组成，外在因素促进内在因素发展成熟，加快变形破坏进程，决定灾害发生的时间。周永强等[8]运用非饱和土渗流理论和抗剪强度理论，分析了付家坪子滑坡在不同组合工况下滑坡的稳定性。本文以鄂西南五峰县凉风洞滑坡为例，分析了滑坡失稳概率、承灾体易损性、滑坡年风险值等，研究了单体滑坡在不同降雨工况下的风险变化。

2 滑坡危险性分析

2.1 凉风洞滑坡概况

凉风洞滑坡位于湖北西南地区五峰县城，为岩土复合型滑坡，平面形态呈不规则的横长形，主滑方向为300°～325°。滑坡纵长150 m，横宽260 m，面积为3.9×104m2，体积为2.73×105m3(图1)。滑坡后缘高程为655 m，前缘推测高程在580～600 m范围内，纵剖面陡缓相间呈折线状，坡度20°～40°。滑体物质主要由粉质黏土夹碎块石、碎块石土层、层状块裂岩组成，滑带物质主要为遭受剪切滑动挤压揉皱的薄层泥质灰岩及灰黄-褐黄色粉质黏土夹碎砾石，黏土呈可软塑状，层厚30～45 cm。下伏基岩为O2b青灰色瘤状灰岩，中厚层-厚层状构造，发育有溶洞，见泥化现象，基岩产状320°∠21°。滑坡的地形起伏在不同部位有差别，中部坡度相对平缓，两侧坡度较陡，稳定性相对较低。根据凉风洞滑坡的现场调查与稳定性现状及趋势判断，本文稳定性计算剖面如图1。

图1 凉风洞滑坡工程地质剖面示意图Fig.1 Schematic diagram of engineering geological profile of Liangfengdong landslide

自1969年，凉风洞滑坡存在不同程度的变形。1969年7月11日，该滑坡在特大暴雨下产生顺层滑动，滑体堆积物横穿沿河东路街道进入天池河内；1986年8月大暴雨期间，与母岩分离的岩块产生顺层滑动；1996年7月暴雨期间，滑体后缘地面土体出现裂缝，缝宽20～30 cm、下座16～18 cm、延伸长大于40 m；1997年7月14日大暴雨期间，滑体上部民房墙面出现裂缝；1998—2003年每逢大暴雨，滑坡体上就出现宽1～7 cm的裂缝，局部出现小范围坍滑。滑坡近期变形破坏主要为小范围坍塌及蠕滑拉裂，具季节性活动特点。该滑坡主要受降雨影响，为降雨型滑坡，在暴雨条件下存在整体滑动的可能。

2.2 滑坡破坏概率计算

2.2.1 降雨极值分析

降雨型滑坡的发生和复活与雨型、雨强和降雨历时等因素有关，通过对五峰县地质灾害数据库与降雨因子进行相关性分析，发现五峰县的滑坡与5 d累计降雨量最相关，且与暴雨的相关性系数最大。

降雨型滑坡发生概率研究主要集中在与之相关的特征降雨的极大值分布上。极大值分布函数有3种类型：指数型、柯西型和有界型。当原始分布为指数型分布时，其样本极值为指数型的渐进分布(Gumbel分布)，多用于气象和水文的极值分布研究[4]。可将Gumbel分布写成式(1)形式，即

(1)

式中：a为尺度参数；u为分布密度的参数；y为连续5 d累计降雨量。首先对公式中的参数a,u进行估计，采用Gumbel法计算过程，即

(2)

式中σx为样本标准差，其计算公式为

(3)

(4)

(5)

式中N为样本量，某一重现期为T的极值降雨强度RT可用式(6)计算。

(6)

采用式(6)计算5 d累计降雨量在不同重现期(10,20,50 a)的对应值见表1。

表1 五峰县不同重现期5 d累积降雨量

2.2.2 滑坡稳定性分析

2.2.2.1 滑坡计算工况与计算参数

依据滑坡区内岩土体结构、变形迹象、成因机制等因素进行稳定性计算，计算模型采用实测3-3’纵剖面图作为稳定性计算剖面。根据滑坡荷载的不同组合，确定滑坡稳定性的计算工况如下。

(1) 工况1：自重(天然工况)。

(2) 工况2：自重+10 a一遇5 d累积降雨工况。

(3) 工况3：自重+20 a一遇5 d累积降雨工况。

(4) 工况4：自重+50 a一遇5 d累积降雨工况。

根据室内剪切试验数据、反演分析成果并结合临近地区工程地质类比数据，最终确定滑坡稳定性计算参数的建议值见表2。

表2 滑坡稳定性计算参数建议值

2.2.2.2 滑坡渗流场模拟

计算滑坡稳定性的前提是确定滑坡体内的孔隙水压力，本文采用数值模拟方法分析不同降雨条件下的滑坡渗流场。根据坡体的结构特征，滑体的饱和渗透系数建议采用4.051×10-5m/s，采用Van Genuchten模型评价不同基质吸力下滑体的渗透系数。由于灰岩中岩溶发育，在滑床中存在不同尺度的溶洞，地下水的流动呈现复杂性，这里假设滑床为均一性材料，取滑床饱和渗透系数为5.787×10-5m/s。滑坡渗流涉及地下水在不同尺度的孔洞、孔隙间的复杂流动，这里假定滑坡体和滑床为2种不同渗透性能的均质材料进行渗流分析。渗流场初始边界条件和水头对于滑坡渗流的模拟至关重要，根据勘察期间钻孔的水位记录及降雨期间滑坡出水点的情况并结合渗流反分析综合确定滑坡初始渗流场，如图2(a)。

在此基础上，采用Geo-studio软件的Seep模块对10,20,50 a一遇5 d累积降雨滑坡的渗流场进行模拟分析。通过对当地居民的调查访问了解滑坡暴雨期间滑坡地下水的情况，采用增加暴雨期间滑坡渗流场分析来校核滑坡在不同重现期滑坡地下水的预测结果，增加预测精度，图2(b)给出了50 a一遇暴雨时滑坡地下水分布情况。

图2 滑坡渗流场

2.2.2.3 滑坡稳定性分析

在滑坡渗流场分析的基础上，利用slope模块对不同工况下滑坡的稳定性系数和破坏概率进行计算，结果见表3。当滑坡处于天然工况，稳定性系数最高，达到1.239；破坏概率最低，为4.40%；在降雨工况下，稳定性系数随着降雨量的不断增大而降低，破坏概率也随之不断增大。时间尺度越大的暴雨重现期，滑坡的稳定性系数越低，破坏概率越大。

表3 不同工况下稳定性系数与破坏概率

3 易损性量化分析

3.1 承灾体调查

根据现场调查访问，凉风洞滑坡主要威胁生资公司、工商局、国土所、居民楼、沿街商铺等，影响240户共710人。在本次人口调查的基础上，将年龄结构划分为>64岁、18～64岁和0～15岁3个层次。根据凉风洞滑坡经济承灾体实地调查，结合当地物价局对经济承灾体进行估算，主要涉及居民住宅、室内财产、公路以及滑坡影响范围内的土地价值，房屋建筑面积按一层一户100 m2进行估算，具体取值见表4。

表4 滑坡范围内经济类承灾体数量及价值

注：砖混和砖木的单价为综合单价。

3.2 滑动距离估算

依据Cruden等[9]提出的滑坡速度划分标准，该滑坡滑移的速率属于很快—极快级，体积为中等—大规模。根据滑移距离预测的经验方程和滑坡历史滑动的记录，定性估算滑坡可能的最大延伸角αmax和最小延伸角αmin及滑坡到达房屋承灾体的概率PT:L。根据历史记录，1969年7月11日，该滑坡在特大暴雨下顺层滑动，滑体堆积物横穿沿河东路街道进入天池河内，综合考虑滑坡地质条件、地形地貌特征及建筑物布局，紧邻滑坡坡脚的建筑物对滑体有阻碍作用，减弱了到达街道和街道另一旁的建筑物的可能性。根据该滑坡历史变形破坏后滑动距离的类比，推测滑移距离最远到达天池河，最近为紧邻坡体的建筑区，得到滑坡滑移距离推测和影响范围，滑坡到达角α的最大值αmax和最小值αmin分别为24°和18°。滑坡到达承灾体的概率与滑坡强度、滑坡与承灾体的距离、滑动过程的阻碍等情况相关，难以定量表达，根据该滑坡特征设定滑坡到达承灾体概率分别为PT:L为0.75和0.25。

根据斜坡结构特征、滑动距离及承灾体分布特征，将滑坡影响范围内分成4个区：整个滑坡体作为1区，滑坡的坡脚至街道西侧建筑区为2区，街道及街道东侧至天池河沿岸为3区，滑坡后扩范围为4区，滑坡后扩范围根据地形地貌、现场调查及工程地质经验得到，具体分区如图3所示。

图3 滑坡影响范围分区示意图Fig.3 Zoning according to landslide influence

3.3 建筑物易损性

单体易损性研究是滑坡领域的研究热点和难点，Uzielli等[10]提出了考虑滑坡强度和承灾体本身脆弱性的易损性评价公式,即

(7)

式中：I指滑坡灾害作用强度；S指承灾体脆弱性。

杜娟[5]对承灾体的脆弱性和灾害作用强度做了有意义的探索，主要从建筑物的结构类型sstr、维护状况smai、使用年限sser及滑坡作用力方向与建筑物轴向的夹角sdir方面来评价建筑物脆弱性，计算模型为

(8)

考虑滑程内各点处运动滑体的最大冲击力及最大深度，滑坡失稳时灾害体作用强度评价模型可用式(9)计算。

(9)

式中:Ir为滑坡冲击力指标；Id为运动滑体厚度指标。

根据建筑物的分布特征和滑坡体的强度特征，对滑坡不同部位承灾体进行如下规定：

(1) 滑坡前缘建筑物多为砖混结构，楼层数为2～7层，维护状况一般，建筑物已使用年限多在10～25 a间，滑体冲击力方向与建筑物轴向夹角接近于0～5°，结合本滑坡的承灾体特点和参考文献及运用工程地质类比法，参数具体取值见表5,根据式(7)—式(9)计算建筑物的易损性值，2区建筑物易损性计算结果为0.79。

(2) 滑坡上的建筑物由于滑坡整体破坏易于整体倒塌破坏,故易损性取1。

(3) 由于2区建筑物的阻挡会减小对3区建筑物的冲击力，3区建筑物的易损性值会降低，综合取该区的建筑物易损性为0.2。

(4) 后缘房屋离滑坡后壁较近，滑坡发生后建筑物易于受到损失，建议4区的建筑物易损性定为0.2。

表5 建筑物易损性评价参数

3.4 室内人员易损性

室内人员的易损性随建筑物的易损性增加而增加，在滑坡体上由于滑坡整体下滑，人员的易损性最高，即1区人员的易损性取1。滑坡影响范围内建筑物多为砖混结构，维护状况一般；加之在滑坡区人口结构中老年和幼年人员占总人数的59.4%，即年幼和年迈的人员比重较大，也为安全出逃和躲避房屋垮塌带来了困难，即2区人员的易损性定为0.4。由于2区建筑物的阻挡作用，3区室内人员的易损性最小，取值0.05。由于滑坡发生到滑坡不断后扩有时间间隔，建议4区室内人员的易损性取0.1。

4 风险分析

风险可定义为一定区域一定时间段内，由滑坡灾害造成的人员伤亡和财产损失。滑坡的经济风险评价模型可采用式(10)计算[11],即

(10)

式中：Pprop为滑坡造成的财产损失；PL为滑坡的发生频率，即破坏概率；PT:L为滑坡到达承灾体的概率；PS:T为承灾体时空概率；Vprop:S为承灾体易损性；E为承灾体价值。滑坡造成的社会风险，即滑坡造成的人员伤亡概率可按式(11)计算[11],即

(11)

式中：PLOL为人员死亡概率；VD:T为人员易损性。

4.1 室内人员风险

该滑坡影响范围内共710人居住，其中30人位于1区， 396人位于2区， 264人位于3区，20人位于4区。通过对居民对房屋居住情况的调查显示，按照最大的人员风险估算，假设每人每天有18 h待于房屋内，时空概率为PS:T=0.75。根据以上公式和计算结果，分别计算出不同工况下、滑坡不同区域的室内人口风险，详细计算情况如表6。

表6 滑坡室内人口风险计算结果

由表6可看出，随着暴雨重现期的增大，滑坡的破坏概率不断增大，滑坡区内室内人员风险也随之增大，50 a一遇暴雨工况下室内人员的风险值最大，达到34.32人。

4.2 滑坡经济风险

由于滑坡范围内承灾体位置固定不变，其时空概率都取为1。按照承灾体经济价值调查结果和规定，根据财产计算公式可计算滑坡不同区域、不同工况下的财产损失，工况4的具体计算结果见表7。同理可计算工况2的滑坡经济风险为477.65万元，工况3的滑坡经济风险为567.30万元。结果表明，随着降雨重现期的增大，滑坡经济风险值不断增大,在50 a一遇暴雨工况下经济风险达到821.07万元，其中土地风险值为211.49万元，房屋及其室内财产风险值为606.69万元，省道及县道公路风险值为2.89万元，天池河道及其它间接经济损失均未计算在内。

表7 工况4滑坡经济风险值计算结果

注：N为承灾体数量，E为承灾体价值。

4.3 滑坡年风险值

滑坡年风险值是滑坡发生年概率与期望损失的乘积。Wu等[12]把特定降雨事件的年超越概率作为降雨发生概率，根据不同降雨重现期下滑坡发生的破坏概率与降雨年超越概率的关系建立频率曲线，曲线下方积分面积为滑坡发生的年概率。因此，可建立10,20,50 a降雨重现期下凉风洞滑坡发生概率与降雨年超越概率的曲线关系，计算出滑坡年发生概率为14.12%。同理，根据10,20,50 a降雨重现期下滑坡总风险值与降雨年超越概率的关系，建立财产总风险与年超越概率的关系曲线，如图4所示，曲线下方的积分面积则为滑坡年风险值，计算可得室内人员年风险值为15.47人，经济年风险值为370.16万元。

图4 滑坡经济年风险值计算示意图Fig.4 Annual economic risk of landslide

凉风洞滑坡年均概率为14.12%，可计算各区单人年伤亡概率：1区为7.94×10-2,2区为3.18×10-2，3区为1.32×10-3,4区为7.94×10-3。根据国际上关于地质灾害单人风险的划分标准，把个人年伤亡概率>1×10-3的区域划分为风险极高区。由于凉风洞滑坡房屋内人员伤亡年概率都超过了10-3，故可划分为风险极高区。此风险极高区只针对滑坡影响范围内居住在房屋内的人来划分，对于其他无人居住区域即无风险对象区域可相应进行风险折减，其他区域风险可划分为低或极低区，具体滑坡单人风险分区如图5。

图5 滑坡单人风险分区示意图Fig.5 Landslide risk zoning according to annual individual risk

5 结 论

本文以鄂西南地区的凉风洞滑坡为例对单体滑坡风险定量分析进行了研究，结果表明：

(1) 在50 a一遇降雨工况下滑坡的破坏概率最高，达到31.32%。

(2) 滑坡2区内的人员易损性最高，建筑物的易损性则1和2区最高。

(3) 滑坡年经济风险为370.16万元，滑坡室内人员年风险值为15.47人；滑坡影响范围内居民居住区处于极高风险区。

由于单体滑坡风险计算中渗流场、滑坡发生概率及承灾体易损性的计算存在诸多不确定性，所以计算的滑坡风险值只能代表滑坡特定条件下一定时段内的定量估计。

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(编辑：陈 敏)

Risk Analysis of Liangfengdong Landslide in Wufeng County,Southwest Hubei Province

XU Yong1, LIAN Zhi-peng1,LI De-ying2,XIE Yuan-hua2

(1.Wuhan Institute of Geological Survey,China Geological Survey,Wuhan 430205, China; 2.Faculty of Engineering, China University of Geosciences,Wuhan 430074, China)

Risk analysis of individual landslide is a very important content in the field of landslide risk research. Liangfengdong landslide in Wufeng County, Hubei Province was taken as an example to study individual landslide risk. The seepage field and stability change in different rainfall return periods were firstly simulated by Geo-studio software. The vulnerability of building and indoor individual was analyzed by combining qualitative and quantitative analysis. Furthermore, the annual economic risk and individual risk were calculated quantitatively by using exceeding probability method.Finally, risk zoning of individual landslide was also done. The results show that the area of residence affected by landslide was located in extremely high risk zone.The research results could improve the analysis of individual landslide risk, and offer an important reference for the prevention of Liangfengdong landslide.

individual landslide; seepage field; vulnerability analysis; quantitative risk analysis; stability; Liangfengdong landslide

2015-08-26 ；

2015-10-22

国家自然科学基金项目(41302230)；鄂西南地区重要城镇地质灾害调查项目(12120113007900)

徐 勇(1975-),男,湖北十堰人，工程师，主要从事地质灾害调查、评估与防治工作，(电话)13908602013(电子信箱)651369246@qq.com。

10.11988/ckyyb.20150708

2016,33(10):51-56

P642.2

A

1001-5485(2016)10-0051-06