徐 勇，連志鵬 ，李德營，謝媛華

(1.中國地質調查局 武漢地質調查中心，武漢 430205；2.中國地質大學(武漢) 工程學院，武漢 430074)

?

鄂西南地區(qū)五峰縣涼風洞滑坡災害風險分析

徐 勇1，連志鵬1，李德營2，謝媛華2

(1.中國地質調查局 武漢地質調查中心，武漢 430205；2.中國地質大學(武漢) 工程學院，武漢 430074)

單體滑坡定量風險分析是滑坡領域研究的重要內(nèi)容。以湖北省西南地區(qū)五峰縣涼風洞滑坡為例，首先應用Geo-studio軟件對不同降雨條件下滑坡滲流場和穩(wěn)定性進行了模擬分析;然后采用定性與定量相結合的方法分析了室內(nèi)人員和建筑物的易損性;最后引入年超越概率方法計算滑坡經(jīng)濟與人口年風險，并對滑坡單人風險進行了分區(qū)。結果表明：滑坡影響范圍內(nèi)的居民區(qū)處于風險極高區(qū)。該研究成果有助于提高單體滑坡定量風險分析水平，并為涼風洞滑坡防治提供參考。

單體滑坡；滲流場；易損性分析；定量風險分析；穩(wěn)定性；涼風洞

1 研究背景

滑坡災害風險評價經(jīng)過40余年的研究和完善，已發(fā)展成為土地規(guī)劃和防災減災的有效方式?；嘛L險評估的難點和問題一直是國內(nèi)外學者研究的熱點?；屡c工程邊坡聯(lián)合技術委員會出版了Guidelinesforlandslidesusceptibility,hazardandriskzoningforlanduseplanning，將滑坡風險評估分為4 個層次：滑坡編錄、易發(fā)性評價、危險性及風險評估；按區(qū)域可分為3個尺度：區(qū)域評價、場地評價及單體評價[1-2]。吳樹仁等[3]提倡實用性技術方法和GIS技術的推廣應用，從數(shù)據(jù)獲取與更新、風險評估方法與制圖、風險準則與技術方法體系和結果的驗證等方面進行了詳細的論述，并提出了相應的對策。陳麗霞等[4]利用Gumbel極值分布理論分析了研究區(qū)降雨量極值及分布曲線，討論了不同重現(xiàn)期及降雨極值在滑坡概率分析中的應用。杜娟[5]提出了滑坡變形階段和失穩(wěn)階段的滑坡災害破壞作用強度及承災體脆弱性分析的單體滑坡災害易損性評價模型。陳麗霞[6]針對庫岸單體滑坡，以趙樹嶺滑坡為例，研究了變形和失穩(wěn)階段的滑坡風險?；嘛L險評價的基礎是對其滑動機理進行研究和分析，汪斌等[7]采用室內(nèi)蠕變試驗對滑坡滑帶土建立蠕變模型，分析了蠕變特性和長期強度特征?；聻暮閮?nèi)外因素相互作用的結果，內(nèi)在因素取決于其自身物質組成，外在因素促進內(nèi)在因素發(fā)展成熟，加快變形破壞進程，決定災害發(fā)生的時間。周永強等[8]運用非飽和土滲流理論和抗剪強度理論，分析了付家坪子滑坡在不同組合工況下滑坡的穩(wěn)定性。本文以鄂西南五峰縣涼風洞滑坡為例，分析了滑坡失穩(wěn)概率、承災體易損性、滑坡年風險值等，研究了單體滑坡在不同降雨工況下的風險變化。

2 滑坡危險性分析

2.1 涼風洞滑坡概況

涼風洞滑坡位于湖北西南地區(qū)五峰縣城，為巖土復合型滑坡，平面形態(tài)呈不規(guī)則的橫長形，主滑方向為300°～325°。滑坡縱長150 m，橫寬260 m，面積為3.9×104m2，體積為2.73×105m3(圖1)。滑坡后緣高程為655 m，前緣推測高程在580～600 m范圍內(nèi)，縱剖面陡緩相間呈折線狀，坡度20°～40°?；w物質主要由粉質黏土夾碎塊石、碎塊石土層、層狀塊裂巖組成，滑帶物質主要為遭受剪切滑動擠壓揉皺的薄層泥質灰?guī)r及灰黃-褐黃色粉質黏土夾碎礫石，黏土呈可軟塑狀，層厚30～45 cm。下伏基巖為O2b青灰色瘤狀灰?guī)r，中厚層-厚層狀構造，發(fā)育有溶洞，見泥化現(xiàn)象，基巖產(chǎn)狀320°∠21°?；碌牡匦纹鸱诓煌课挥胁顒e，中部坡度相對平緩，兩側坡度較陡，穩(wěn)定性相對較低。根據(jù)涼風洞滑坡的現(xiàn)場調查與穩(wěn)定性現(xiàn)狀及趨勢判斷，本文穩(wěn)定性計算剖面如圖1。

圖1 涼風洞滑坡工程地質剖面示意圖Fig.1 Schematic diagram of engineering geological profile of Liangfengdong landslide

自1969年，涼風洞滑坡存在不同程度的變形。1969年7月11日，該滑坡在特大暴雨下產(chǎn)生順層滑動，滑體堆積物橫穿沿河東路街道進入天池河內(nèi)；1986年8月大暴雨期間，與母巖分離的巖塊產(chǎn)生順層滑動；1996年7月暴雨期間，滑體后緣地面土體出現(xiàn)裂縫，縫寬20～30 cm、下座16～18 cm、延伸長大于40 m；1997年7月14日大暴雨期間，滑體上部民房墻面出現(xiàn)裂縫；1998—2003年每逢大暴雨，滑坡體上就出現(xiàn)寬1～7 cm的裂縫，局部出現(xiàn)小范圍坍滑?；陆谧冃纹茐闹饕獮樾》秶叭浠?，具季節(jié)性活動特點。該滑坡主要受降雨影響，為降雨型滑坡，在暴雨條件下存在整體滑動的可能。

2.2 滑坡破壞概率計算

2.2.1 降雨極值分析

降雨型滑坡的發(fā)生和復活與雨型、雨強和降雨歷時等因素有關，通過對五峰縣地質災害數(shù)據(jù)庫與降雨因子進行相關性分析，發(fā)現(xiàn)五峰縣的滑坡與5 d累計降雨量最相關，且與暴雨的相關性系數(shù)最大。

降雨型滑坡發(fā)生概率研究主要集中在與之相關的特征降雨的極大值分布上。極大值分布函數(shù)有3種類型：指數(shù)型、柯西型和有界型。當原始分布為指數(shù)型分布時，其樣本極值為指數(shù)型的漸進分布(Gumbel分布)，多用于氣象和水文的極值分布研究[4]?？蓪umbel分布寫成式(1)形式，即

(1)

式中：a為尺度參數(shù)；u為分布密度的參數(shù)；y為連續(xù)5 d累計降雨量。首先對公式中的參數(shù)a,u進行估計，采用Gumbel法計算過程，即

(2)

式中σx為樣本標準差，其計算公式為

(3)

(4)

(5)

式中N為樣本量，某一重現(xiàn)期為T的極值降雨強度RT可用式(6)計算。

(6)

采用式(6)計算5 d累計降雨量在不同重現(xiàn)期(10,20,50 a)的對應值見表1。

表1 五峰縣不同重現(xiàn)期5 d累積降雨量

2.2.2 滑坡穩(wěn)定性分析

2.2.2.1 滑坡計算工況與計算參數(shù)

依據(jù)滑坡區(qū)內(nèi)巖土體結構、變形跡象、成因機制等因素進行穩(wěn)定性計算，計算模型采用實測3-3’縱剖面圖作為穩(wěn)定性計算剖面。根據(jù)滑坡荷載的不同組合，確定滑坡穩(wěn)定性的計算工況如下。

(1) 工況1：自重(天然工況)。

(2) 工況2：自重+10 a一遇5 d累積降雨工況。

(3) 工況3：自重+20 a一遇5 d累積降雨工況。

(4) 工況4：自重+50 a一遇5 d累積降雨工況。

根據(jù)室內(nèi)剪切試驗數(shù)據(jù)、反演分析成果并結合臨近地區(qū)工程地質類比數(shù)據(jù)，最終確定滑坡穩(wěn)定性計算參數(shù)的建議值見表2。

表2 滑坡穩(wěn)定性計算參數(shù)建議值

2.2.2.2 滑坡滲流場模擬

計算滑坡穩(wěn)定性的前提是確定滑坡體內(nèi)的孔隙水壓力，本文采用數(shù)值模擬方法分析不同降雨條件下的滑坡滲流場。根據(jù)坡體的結構特征，滑體的飽和滲透系數(shù)建議采用4.051×10-5m/s，采用Van Genuchten模型評價不同基質吸力下滑體的滲透系數(shù)。由于灰?guī)r中巖溶發(fā)育，在滑床中存在不同尺度的溶洞，地下水的流動呈現(xiàn)復雜性，這里假設滑床為均一性材料，取滑床飽和滲透系數(shù)為5.787×10-5m/s?；聺B流涉及地下水在不同尺度的孔洞、孔隙間的復雜流動，這里假定滑坡體和滑床為2種不同滲透性能的均質材料進行滲流分析。滲流場初始邊界條件和水頭對于滑坡滲流的模擬至關重要，根據(jù)勘察期間鉆孔的水位記錄及降雨期間滑坡出水點的情況并結合滲流反分析綜合確定滑坡初始滲流場，如圖2(a)。

在此基礎上，采用Geo-studio軟件的Seep模塊對10,20,50 a一遇5 d累積降雨滑坡的滲流場進行模擬分析。通過對當?shù)鼐用竦恼{查訪問了解滑坡暴雨期間滑坡地下水的情況，采用增加暴雨期間滑坡滲流場分析來校核滑坡在不同重現(xiàn)期滑坡地下水的預測結果，增加預測精度，圖2(b)給出了50 a一遇暴雨時滑坡地下水分布情況。

圖2 滑坡滲流場

2.2.2.3 滑坡穩(wěn)定性分析

在滑坡滲流場分析的基礎上，利用slope模塊對不同工況下滑坡的穩(wěn)定性系數(shù)和破壞概率進行計算，結果見表3。當滑坡處于天然工況，穩(wěn)定性系數(shù)最高，達到1.239；破壞概率最低，為4.40%；在降雨工況下，穩(wěn)定性系數(shù)隨著降雨量的不斷增大而降低，破壞概率也隨之不斷增大。時間尺度越大的暴雨重現(xiàn)期，滑坡的穩(wěn)定性系數(shù)越低，破壞概率越大。

表3 不同工況下穩(wěn)定性系數(shù)與破壞概率

3 易損性量化分析

3.1 承災體調查

根據(jù)現(xiàn)場調查訪問，涼風洞滑坡主要威脅生資公司、工商局、國土所、居民樓、沿街商鋪等，影響240戶共710人。在本次人口調查的基礎上，將年齡結構劃分為>64歲、18～64歲和0～15歲3個層次。根據(jù)涼風洞滑坡經(jīng)濟承災體實地調查，結合當?shù)匚飪r局對經(jīng)濟承災體進行估算，主要涉及居民住宅、室內(nèi)財產(chǎn)、公路以及滑坡影響范圍內(nèi)的土地價值，房屋建筑面積按一層一戶100 m2進行估算，具體取值見表4。

表4 滑坡范圍內(nèi)經(jīng)濟類承災體數(shù)量及價值

注：磚混和磚木的單價為綜合單價。

3.2 滑動距離估算

依據(jù)Cruden等[9]提出的滑坡速度劃分標準，該滑坡滑移的速率屬于很快—極快級，體積為中等—大規(guī)模。根據(jù)滑移距離預測的經(jīng)驗方程和滑坡歷史滑動的記錄，定性估算滑坡可能的最大延伸角αmax和最小延伸角αmin及滑坡到達房屋承災體的概率PT:L。根據(jù)歷史記錄，1969年7月11日，該滑坡在特大暴雨下順層滑動，滑體堆積物橫穿沿河東路街道進入天池河內(nèi)，綜合考慮滑坡地質條件、地形地貌特征及建筑物布局，緊鄰滑坡坡腳的建筑物對滑體有阻礙作用，減弱了到達街道和街道另一旁的建筑物的可能性。根據(jù)該滑坡歷史變形破壞后滑動距離的類比，推測滑移距離最遠到達天池河，最近為緊鄰坡體的建筑區(qū)，得到滑坡滑移距離推測和影響范圍，滑坡到達角α的最大值αmax和最小值αmin分別為24°和18°?；碌竭_承災體的概率與滑坡強度、滑坡與承災體的距離、滑動過程的阻礙等情況相關，難以定量表達，根據(jù)該滑坡特征設定滑坡到達承災體概率分別為PT:L為0.75和0.25。

根據(jù)斜坡結構特征、滑動距離及承災體分布特征，將滑坡影響范圍內(nèi)分成4個區(qū)：整個滑坡體作為1區(qū)，滑坡的坡腳至街道西側建筑區(qū)為2區(qū)，街道及街道東側至天池河沿岸為3區(qū)，滑坡后擴范圍為4區(qū)，滑坡后擴范圍根據(jù)地形地貌、現(xiàn)場調查及工程地質經(jīng)驗得到，具體分區(qū)如圖3所示。

圖3 滑坡影響范圍分區(qū)示意圖Fig.3 Zoning according to landslide influence

3.3 建筑物易損性

單體易損性研究是滑坡領域的研究熱點和難點，Uzielli等[10]提出了考慮滑坡強度和承災體本身脆弱性的易損性評價公式,即

(7)

式中：I指滑坡災害作用強度；S指承災體脆弱性。

杜娟[5]對承災體的脆弱性和災害作用強度做了有意義的探索，主要從建筑物的結構類型sstr、維護狀況smai、使用年限sser及滑坡作用力方向與建筑物軸向的夾角sdir方面來評價建筑物脆弱性，計算模型為

(8)

考慮滑程內(nèi)各點處運動滑體的最大沖擊力及最大深度，滑坡失穩(wěn)時災害體作用強度評價模型可用式(9)計算。

(9)

式中:Ir為滑坡沖擊力指標；Id為運動滑體厚度指標。

根據(jù)建筑物的分布特征和滑坡體的強度特征，對滑坡不同部位承災體進行如下規(guī)定：

(1) 滑坡前緣建筑物多為磚混結構，樓層數(shù)為2～7層，維護狀況一般，建筑物已使用年限多在10～25 a間，滑體沖擊力方向與建筑物軸向夾角接近于0～5°，結合本滑坡的承災體特點和參考文獻及運用工程地質類比法，參數(shù)具體取值見表5,根據(jù)式(7)—式(9)計算建筑物的易損性值，2區(qū)建筑物易損性計算結果為0.79。

(2) 滑坡上的建筑物由于滑坡整體破壞易于整體倒塌破壞,故易損性取1。

(3) 由于2區(qū)建筑物的阻擋會減小對3區(qū)建筑物的沖擊力，3區(qū)建筑物的易損性值會降低，綜合取該區(qū)的建筑物易損性為0.2。

(4) 后緣房屋離滑坡后壁較近，滑坡發(fā)生后建筑物易于受到損失，建議4區(qū)的建筑物易損性定為0.2。

表5 建筑物易損性評價參數(shù)

3.4 室內(nèi)人員易損性

室內(nèi)人員的易損性隨建筑物的易損性增加而增加，在滑坡體上由于滑坡整體下滑，人員的易損性最高，即1區(qū)人員的易損性取1?；掠绊懛秶鷥?nèi)建筑物多為磚混結構，維護狀況一般；加之在滑坡區(qū)人口結構中老年和幼年人員占總人數(shù)的59.4%，即年幼和年邁的人員比重較大，也為安全出逃和躲避房屋垮塌帶來了困難，即2區(qū)人員的易損性定為0.4。由于2區(qū)建筑物的阻擋作用，3區(qū)室內(nèi)人員的易損性最小，取值0.05。由于滑坡發(fā)生到滑坡不斷后擴有時間間隔，建議4區(qū)室內(nèi)人員的易損性取0.1。

4 風險分析

風險可定義為一定區(qū)域一定時間段內(nèi)，由滑坡災害造成的人員傷亡和財產(chǎn)損失?；碌慕?jīng)濟風險評價模型可采用式(10)計算[11],即

(10)

式中：Pprop為滑坡造成的財產(chǎn)損失；PL為滑坡的發(fā)生頻率，即破壞概率；PT:L為滑坡到達承災體的概率；PS:T為承災體時空概率；Vprop:S為承災體易損性；E為承災體價值。滑坡造成的社會風險，即滑坡造成的人員傷亡概率可按式(11)計算[11],即

(11)

式中：PLOL為人員死亡概率；VD:T為人員易損性。

4.1 室內(nèi)人員風險

該滑坡影響范圍內(nèi)共710人居住，其中30人位于1區(qū)， 396人位于2區(qū)， 264人位于3區(qū)，20人位于4區(qū)。通過對居民對房屋居住情況的調查顯示，按照最大的人員風險估算，假設每人每天有18 h待于房屋內(nèi)，時空概率為PS:T=0.75。根據(jù)以上公式和計算結果，分別計算出不同工況下、滑坡不同區(qū)域的室內(nèi)人口風險，詳細計算情況如表6。

表6 滑坡室內(nèi)人口風險計算結果

由表6可看出，隨著暴雨重現(xiàn)期的增大，滑坡的破壞概率不斷增大，滑坡區(qū)內(nèi)室內(nèi)人員風險也隨之增大，50 a一遇暴雨工況下室內(nèi)人員的風險值最大，達到34.32人。

4.2 滑坡經(jīng)濟風險

由于滑坡范圍內(nèi)承災體位置固定不變，其時空概率都取為1。按照承災體經(jīng)濟價值調查結果和規(guī)定，根據(jù)財產(chǎn)計算公式可計算滑坡不同區(qū)域、不同工況下的財產(chǎn)損失，工況4的具體計算結果見表7。同理可計算工況2的滑坡經(jīng)濟風險為477.65萬元，工況3的滑坡經(jīng)濟風險為567.30萬元。結果表明，隨著降雨重現(xiàn)期的增大，滑坡經(jīng)濟風險值不斷增大,在50 a一遇暴雨工況下經(jīng)濟風險達到821.07萬元，其中土地風險值為211.49萬元，房屋及其室內(nèi)財產(chǎn)風險值為606.69萬元，省道及縣道公路風險值為2.89萬元，天池河道及其它間接經(jīng)濟損失均未計算在內(nèi)。

表7 工況4滑坡經(jīng)濟風險值計算結果

注：N為承災體數(shù)量，E為承災體價值。

4.3 滑坡年風險值

滑坡年風險值是滑坡發(fā)生年概率與期望損失的乘積。Wu等[12]把特定降雨事件的年超越概率作為降雨發(fā)生概率，根據(jù)不同降雨重現(xiàn)期下滑坡發(fā)生的破壞概率與降雨年超越概率的關系建立頻率曲線，曲線下方積分面積為滑坡發(fā)生的年概率。因此，可建立10,20,50 a降雨重現(xiàn)期下涼風洞滑坡發(fā)生概率與降雨年超越概率的曲線關系，計算出滑坡年發(fā)生概率為14.12%。同理，根據(jù)10,20,50 a降雨重現(xiàn)期下滑坡總風險值與降雨年超越概率的關系，建立財產(chǎn)總風險與年超越概率的關系曲線，如圖4所示，曲線下方的積分面積則為滑坡年風險值，計算可得室內(nèi)人員年風險值為15.47人，經(jīng)濟年風險值為370.16萬元。

圖4 滑坡經(jīng)濟年風險值計算示意圖Fig.4 Annual economic risk of landslide

涼風洞滑坡年均概率為14.12%，可計算各區(qū)單人年傷亡概率：1區(qū)為7.94×10-2,2區(qū)為3.18×10-2，3區(qū)為1.32×10-3,4區(qū)為7.94×10-3。根據(jù)國際上關于地質災害單人風險的劃分標準，把個人年傷亡概率>1×10-3的區(qū)域劃分為風險極高區(qū)。由于涼風洞滑坡房屋內(nèi)人員傷亡年概率都超過了10-3，故可劃分為風險極高區(qū)。此風險極高區(qū)只針對滑坡影響范圍內(nèi)居住在房屋內(nèi)的人來劃分，對于其他無人居住區(qū)域即無風險對象區(qū)域可相應進行風險折減，其他區(qū)域風險可劃分為低或極低區(qū)，具體滑坡單人風險分區(qū)如圖5。

圖5 滑坡單人風險分區(qū)示意圖Fig.5 Landslide risk zoning according to annual individual risk

5 結 論

本文以鄂西南地區(qū)的涼風洞滑坡為例對單體滑坡風險定量分析進行了研究，結果表明：

(1) 在50 a一遇降雨工況下滑坡的破壞概率最高，達到31.32%。

(2) 滑坡2區(qū)內(nèi)的人員易損性最高，建筑物的易損性則1和2區(qū)最高。

(3) 滑坡年經(jīng)濟風險為370.16萬元，滑坡室內(nèi)人員年風險值為15.47人；滑坡影響范圍內(nèi)居民居住區(qū)處于極高風險區(qū)。

由于單體滑坡風險計算中滲流場、滑坡發(fā)生概率及承災體易損性的計算存在諸多不確定性，所以計算的滑坡風險值只能代表滑坡特定條件下一定時段內(nèi)的定量估計。

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(編輯：陳 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

國家自然科學基金項目(41302230)；鄂西南地區(qū)重要城鎮(zhèn)地質災害調查項目(12120113007900)

徐 勇(1975-),男,湖北十堰人，工程師，主要從事地質災害調查、評估與防治工作，(電話)13908602013(電子信箱)651369246@qq.com。

10.11988/ckyyb.20150708

2016,33(10):51-56

P642.2

A

1001-5485(2016)10-0051-06