单体滑坡定量风险评估理论与方法

南骁聪，李 宁

（1.山东高速工程检测有限公司，山东 济南 250002；2.山东高速股份有限公司,山东 济南 250101）

引言

我国约70%都为山区，降雨和地震等频发，诱发了大量的滑坡灾害，平均年经济损失超过 20 亿元，造成超过千人的生命损失。此外，善后处理以及事后整治等费用也达数十亿元，滑坡间接产生的其他经济损失（如交通中断）更是无法估计。为了减轻滑坡造成的后果，决策者需要对滑坡灾害有更好的认识，并对滑坡风险进行管理。要管理风险，首先必须对风险进行量化。滑坡灾害定量风险评估作为一种更加合理有效的风险量化手段，一直是国际上倡导和推广的有效途径之一。因此，开展滑坡灾害定量风险评估对保护人民生命和财产安全以及维护社会经济的可持续发展都有着重要的现实意义。

1 滑坡定量风险评估框架

滑坡风险评价经历了定性-半定量-定量的过程。其中，对于定性及半定量风险评价，主要是通过搜集历史数据采用统计方法，并未充分考虑灾害成因机制及运移特征，且易损性因子的赋值基本依赖于专家经验法，对灾害风险的量化，较少考虑灾害自身的物理机制。风险定量评价不仅考虑影响灾害强度的物理力学参数的不确定性，同时也应考虑影响受灾体易损性因素的不确定性，量化灾害风险分布。随着数值模拟手段的广泛运用，并结合概率理论等数学方法，使得对滑坡灾害风险量化成为可能。风险评价不再仅是定性地划分等级，而是直接得到某一灾害情境下的损失概率和损失值。滑坡风险评估需要解决的问题:（1）滑坡发生的概率；（2）滑坡的运动过程；（3）财产和人的易损性；（4）财产和人的风险。

通常用概率方法定量描述滑坡事件的不确定性，单体滑坡定量风险评估数学模型：

式中：R—单体滑坡风险值；P1—滑坡在给定回归期内以某种规模失稳的概率，P2—滑坡物质以某种运动强度到达某位置的概率；P3—承灾体在空间上出现在该位置的概率；P4—承灾体损坏或人员伤亡的概率；C—承灾体的价值或人口数量。

2 单体滑坡定量风险评价方法

2.1 发生概率评价方法

对于单体滑坡发生概率的基本思路是在传统的定值分析方法（Slope/W, Slide, Analysis和Flac2D/3D等数值模拟方法）的基础上，将输入参数定义为服从某种概率分布的随机变量，得到稳定性系数的概率分布，从而求解出稳定系数小于1的概率，即滑坡发生的概率。在进行滑坡失稳概率分析时, 通常需建立极限状态函数（又称功能函数）：

式中：X—随机变量；FS（X）—利用数值模拟在X参数下计算出的稳定性系数。

g（X）＜0的概率即滑坡发生概率。

一旦极限状态函数确定，即可以通过蒙特卡罗模拟方法估计滑坡发生的概率，该方法是求解失效概率最简单、最有效的方法。（1）对影响滑坡稳定性计算的随机变量（如粘聚力、内摩擦角和孔隙水压力等）进行随机抽样；（2）将随机抽样值逐个代入极限状态函数中计算出功能函数值；（3）统计功能函数值小于零的个数，并根据总采样次数确定滑坡的发生频率，当采样次数足够大时，得到的滑坡发生的频率将逼近滑坡发生的概率，从而求解滑坡发生概率。然而，蒙特卡罗模拟方法的计算量非常大，当遭遇小概率问题时（如10-3），需要计算次数将达105次以上，占用大量计算时间。为了减少计算量，一些高效的可靠度方法已经应用于滑坡发生概率的计算，如一阶可靠度方法、二阶可靠度方法以及响应面方法等。

2.2 滑坡运动过程评价方法

划定滑坡危险区范围是滑坡风险评估的基础。要求准确预测滑坡的运动过程，获得表征滑坡破坏潜力的参数，从而用于单体滑坡的定量风险评估。用于滑坡风险评估参数主要包括：运动距离、运动速度、堆积厚度以及冲击力。随着滑坡运动过程数值模拟的发展，使得滑坡运动过程的精细化模拟得以实现，并能直接输出风险评估所需参数。目前较为常用的数值模拟方法有连续介质力学方法和离散元方法。由于大多数滑坡、岩崩、碎屑流、泥石流都具有像流体一样的性质，Savage和Hutter提出了基于等效流体假设的流体力学方法，基于传统的N-S方程，采用深度积分的方式，选择合适的流体力学模型，实现连续介质力学方法对滑坡动态运动过程的模拟。目前该方法被广泛运用于滑坡的运动过程模拟中，并开发各种不同的计算软件，如DAN3D，MassMov2D，FLO-2D和RAMMS等。该方法具有计算参数少、计算效率高的特点。与连续介质力学方法相比，离散元法能够反映出滑坡运动过程中颗粒之间的分离与聚集效果，可以有效模拟颗粒大变形运动，是分析理解滑坡破坏机制的宝贵工具。该方法由美国学者Cundall和Strack于1971年首次提出，经过近50年的发展，已开发形成多款大型商业软件，如PFC2D与PFC3D等。

2.3 易损性评价方法

在定量风险评估中，易损性通常以在一定灾害强度作用下影响区内承灾体的损失程度或损失价值来衡量。它是一种条件概率，假定发生了具有一定规模的滑坡，承灾体在滑坡的路径上。根据滑坡与工程边坡联合技术委员会对易损性的定义，易损性的值为0（没有损失）和1（完全损失）之间的无量纲系数。易损性主要包括物质易损性、经济易损性、环境易损性和社会易损性等4类。其中，物质易损性主要考虑有形资产（如基础设施和建筑物等），反映的是承灾体的自然特性；而后三者则涉及无形资产（如经济、人口以及资源环境），反映了承灾体的社会特性。易损性评估需要了解滑坡事件和承灾体之间的相互作用，即易损性曲线。目前，易损性研究大多根据滑坡灾害历史资料，运用统计模型构建易损性曲线；也有一部分研究通过对建筑物进行有限元模拟，构建冲击压力与建筑物形变位移的关系，从而建立易损性曲线，这种更加基于物理的易损性曲线建立方法是未来研究的一种趋势。

3 滑坡运动过程分析

在滑坡风险评估中，滑坡运动过程分析是非常重要的一部分。某黄土滑坡位于甘肃省内，处于黄河的第四阶地上。由于长期的灌溉作用，灌溉水下渗，黄土强度软化，发生滑坡。滑坡长217 m，宽176 m，滑坡平均厚度约20 m，滑坡体积大约44.4×104 m3，滑距770 m。数值模拟方法使用基于连续理论的深度积分方法，并通过二维剖面建立计算模型。基底阻力模型使用库伦摩擦模型，包括黏聚力和摩擦角两个参数。考虑到黄土强度发生软化，对于该滑坡，计算模型的黏聚力设置为10 kPa，摩擦角设置为8.5°。计算网格间距2 m，计算总时间40 s，时间步设置为0.001 s。滑坡全过程运动过程模拟结果见图1。可以发现，数值模拟可以细致地重现滑坡的运动过程。根据最后的堆积结果（40 s时）可以发现，滑坡上部仍然有部分残留在滑面上，与实际结果相符。另外，最终模拟运动距离为750 m，与实际运动距离770 m相差不大。

对于风险评估，不仅要关心滑坡是否会失稳，也应该关心滑坡失稳后会造成什么结果，即关心滑坡失稳后潜在的影响范围。滑坡运动过程分析非常关键，比如，重大交通工程遇到滑坡时，如果能够对该滑坡运动距离进行预测，了解潜在的影响范围，可进行有效避让，而不是进行大规模的工程防治，将大大节约成本。因此，未来的研究工作需要集中 在如何对滑坡运动过程进行合理预测方面。

图1 滑坡运动全过程数值模拟

4 发展趋势

目前滑坡灾害的风险定量评价主要是通过搜集历史数据，采用统计方法实现对危险性、易损性取值量化。存在的主要问题是对滑坡灾害的危险性以及易损性评价，较少考虑灾害自身的物理机制。因此在未来的风险定量评价中，应更多考虑灾害自身的物理机制量化滑坡灾害的风险。另外，将风险评估结果用于指导变形监测、滑坡失稳后潜在威胁范围的划定、滑坡灾害预警及应急预案的制定等，以及如何将单体滑坡灾害风险评价与风险管理相结合，制定相关灾害管理办法与流程。

5 结语

滑坡定量风险评估方法将不确定性与受到损失有机结合，为风险量化提供了一种合理有效的手段。评述了单体滑坡定量风险评价的关键组成部分（滑坡发生概率评价、滑坡运动过程评价以及易损性评价），为工程人员在实际工程中对滑坡风险管理提供依据。