何宇航，裴向軍，梁 靖，谷 虎

(成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護國家重點實驗室，四川 成都 610059)

0 引言

崩塌是較陡峭斜坡上的巖土體，在內(nèi)、外力的支配下，突然脫離母巖而劇烈傾倒呈翻滾、跳躍狀的一種破壞[1]。由于崩塌災(zāi)害具有發(fā)生時間不確定性、運動速度極快等特點，可在較短時間內(nèi)造成巨大危害，給人民生命和財產(chǎn)安全帶來極大威脅。

崩塌災(zāi)害的風(fēng)險，是指對生命、財產(chǎn)或環(huán)境遭受崩塌所帶來不利影響的可能性和嚴(yán)重程度的大小[2]。國外崩塌風(fēng)險評估研究開始較早，并取得一定的成績。國外學(xué)者于20世紀(jì)30年代就開始分析和研究風(fēng)險評價，地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險的概念由Varnes最早提出，聯(lián)合國人道主義事業(yè)部(UNDHA)在其基礎(chǔ)上提出風(fēng)險是在特定區(qū)域和時間內(nèi)，由某種自然災(zāi)害造成的人們生命財產(chǎn)損失和社會經(jīng)濟失調(diào)的期望值，并提出了“風(fēng)險度(risk)=危險度(hazard)×易損度(vulnerability)”的表達式，該方法得到了國內(nèi)外學(xué)者的認可、發(fā)展和補充完善[3-4]。美國學(xué)者PIERSON等[5]據(jù)經(jīng)驗評分系統(tǒng)建立了最為簡單的崩塌發(fā)生地點預(yù)測評價模型，并在1993年提出了Rockfall Hazard Rating System(RHRS)的公路崩塌災(zāi)害的評級方法。CROSTA等[6]利用空間分布方法研究了崩塌滾石到達的概率和崩塌的密度，為崩塌危險性評估和分區(qū)奠立了良好的基礎(chǔ)。國內(nèi)研究起步較晚，但在理論和實踐方面也取得了一定的成果。國內(nèi)學(xué)者如胡厚田[7]對各類落石的速度、崩落距離和運動軌跡進行了計算；張路青等[8-9]研究分析了川藏公路滾石的發(fā)生頻率，分析了遭遇滾石的概率、承災(zāi)體的易損性，以及經(jīng)過不同滾石區(qū)時車輛和行人遭遇滾石的風(fēng)險，同時提出了困難條件下公路沿線滾石發(fā)生頻率的經(jīng)驗估計方法。許強等[10]基于蒙特卡羅法原理，編制了可靠度分析程序，計算了危巖體在不同工況下的失穩(wěn)概率，進而通過危巖體威脅范圍以及承災(zāi)體易損性進行風(fēng)險評價。

以上研究極大的豐富了風(fēng)險評價內(nèi)容和方法，但大多數(shù)崩塌的風(fēng)險評估主要集中于對小比例尺區(qū)域性風(fēng)險評估，對崩塌災(zāi)害點的研究較少，而考慮到流動承災(zāi)體的風(fēng)險評價更少，其次很多風(fēng)險評價都是定性評價，因風(fēng)險具有隨機、易變等特性，易定性難定量。導(dǎo)致目前的危巖體風(fēng)險評估缺乏全面的研究分析體系，所得成果所具有的實踐、推廣能力不強，特別是增強流動承災(zāi)體易損評價，這在未來的崩塌風(fēng)險評估中將會著重分析。

基于“8·8”地震在九寨溝景區(qū)內(nèi)引發(fā)了大量的崩塌災(zāi)害，對人員、交通、房屋和旅游基礎(chǔ)設(shè)施都造成嚴(yán)重危害。本文將選取發(fā)生在景區(qū)內(nèi)重點景點下季節(jié)海的懸溝崩塌為研究對象，其崩塌現(xiàn)場非常典型，現(xiàn)場資料較全，是開展崩塌風(fēng)險定量研究的很好實例。

1 懸溝崩塌危巖體特征及穩(wěn)定性分析

1.1 工程地質(zhì)條件

“8·8”地震中懸溝崩塌崩落巖體約10 000 m3，造成攔石墻及公路護欄損毀(圖1、圖2)，崩塌滾石掩埋公路，嚴(yán)重威脅到過往游客的生命安全。

圖1 “8·8”地震中損毀的攔石墻Fig.1 Unilateral dike damaged in the “8·8” earthquake

圖2 “8·8”地震中損毀的公路Fig.2 Damaged roads in the “8·8” earthquake

1.2 危巖體分布及特征

危巖體分布在斜坡中上部，南側(cè)為沖溝、北側(cè)懸溝，平面形態(tài)呈帶狀，分布高程2 840～2 950 m，相對高差約110 m，面積約為5.12×104m2，坡度65°～80°，主崩方向105°。巖性為泥盆系益硅溝組的灰?guī)r，表層風(fēng)化較嚴(yán)重，內(nèi)部裂隙極為發(fā)育。巖層產(chǎn)狀252°∠46°，主要發(fā)育三組陡傾裂隙。在三組主要結(jié)構(gòu)面與層面組合切割下，巖體被切割成0.5～3.3 m不等的塊體，且臨空條件好。

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，大致將危巖體分為3塊危巖帶WY1、WY2、WY3及一塊危石W1(圖3、圖4)。

圖4 懸溝崩塌平面圖Fig.4 Plane map of Xuangou Rockfall

其中WY1位于斜坡南側(cè)，高約80 m，寬約75 m，平均厚度1.5 m，體積約9 000 m3。WY2于坡頂展布，高約60 m，寬約110 m，平均厚度4 m，體積約26 400 m3；W1位于WY2下方，高約18 m，寬約14 m，平均厚度1.0 m，體積約252 m3。WY3位于斜坡北側(cè)，高約50 m，寬約25 m，平均厚度2.2 m，體積約2 750 m3。危巖總體積約3.84×104m3。

圖3 物源區(qū)內(nèi)典型危巖Fig.3 Typical unstable blocks in rockfall provenance

1.3 危巖體穩(wěn)定性分析與評價

圖5 赤平投影結(jié)果Fig.5 The stereographic projection result

危巖的自穩(wěn)能力和致災(zāi)能力是其產(chǎn)生災(zāi)害的兩個先決條件。因此，先判定危巖的自穩(wěn)能力。

1.3.1定性分析

利用巖體結(jié)構(gòu)面的赤平投影圖進行定性分析。根據(jù)現(xiàn)場實際調(diào)查及三維激光掃描數(shù)據(jù)，邊坡產(chǎn)狀為252°∠46°。危巖主要發(fā)育三組裂隙：①組：104°～124°∠55°～63°，與坡向平行；②組：186°～188°∠78°，與坡向斜交；③組：10°∠82°，與坡向斜交。各個危巖赤平投影見圖5。

根據(jù)赤平投影圖分析，裂隙①、裂隙②(裂隙③)與主要結(jié)構(gòu)面共同切割邊坡。兩條裂隙的交線傾向與坡向一致，傾角小于坡角，不利于危巖穩(wěn)定性。根據(jù)各個危巖帶裂縫貫穿程度分析，WY1、W1處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，WY2、WY3處于欠穩(wěn)定狀態(tài)。

1.3.2定量分析

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查及定性分析可知，研究區(qū)內(nèi)危巖體失穩(wěn)模式整體以滑移式為主，局部凹腔處以墜落破壞為主。根據(jù)裂隙發(fā)育情況，整體滑移破壞可能性較低，主要是局部墜落式破壞。本文采用陳洪凱[11]推薦的公式進行計算。根據(jù)大量工程實例，結(jié)合規(guī)范要求，主要考慮3種工況和荷載組合：①天然工況(自重)；②暴雨飽和工況(飽和自重+裂隙水壓，其中裂隙充水高度取hw取裂隙深度h的1/2)；③地震工況(自重+地震力)。根據(jù)類比相似工程取參數(shù)值。

根據(jù)《滑坡防治工程勘察規(guī)范》(DZ/T 0218—2006)取安全系數(shù)值。最終穩(wěn)定性計算分析結(jié)果見表1。

表1 危巖穩(wěn)定性系數(shù)及穩(wěn)定性評價結(jié)果

2 危巖體危險范圍預(yù)測與危險性評價

判斷了危巖的自穩(wěn)能力后，再對危巖的致災(zāi)能力進行分析評價。針對研究區(qū)崩塌災(zāi)害特點，選取三要素法(圖6)對危巖體進行危險性評價。三要素法評價指標(biāo)[12]有：①危巖體的穩(wěn)定性②崩塌體的運動軌跡③崩塌體的規(guī)模。其中，危巖體穩(wěn)定性評價詳見1.3節(jié)，危巖體的運動軌跡采用Rocscience Rockfall軟件進行模擬分析。

圖6 危險性分析流程圖Fig.6 Hazard analysis flow chart

2.1 危巖體失穩(wěn)后運動特征

基于崩塌區(qū)典型剖面圖(圖7)和已有落石軌跡，結(jié)合危巖體發(fā)育特征分析可知，危巖體失穩(wěn)后運動主要有三個階段：失穩(wěn)啟動階段，運動階段，堆積階段。其中失穩(wěn)啟動階段，主要發(fā)生在斜坡上部的危巖體下方臨空區(qū)。啟動方式主要為自由墜落；運動階段，主要表現(xiàn)為碰撞彈跳、滑滾。當(dāng)陡坡段，多為碰撞、滾跳；較緩坡段，主要為滑滾；堆積階段，滾石由于能量消耗及下方植被及堆積物的阻擋作用，停止運動后堆積于斜坡下部或坡腳區(qū)域。部分?jǐn)y帶能量較大的塊石會向下運動到公路及下季節(jié)海中。

圖7 懸溝崩塌工程地質(zhì)剖面圖Fig.7 Engineering geological section of Xuangou Rockfall

使用Rocscience Rockfall軟件對滾石的運動路徑、速度、落石終點進行模擬，分析滾石是否威脅到公路，并計算受威脅路段的長度。將崩塌的剖面圖適當(dāng)簡化成上陡下緩的折線型坡。根據(jù)現(xiàn)場勘查結(jié)果及鐵道部運輸局推薦的法向和切向恢復(fù)系數(shù)的取值選取Rn，Rt。其中斜坡陡峭段：Rn=0.35，Rt=0.85，下方堆積體及植被覆蓋的平緩區(qū)：Rn=0.32，Rt=0.83。斜坡摩擦角φ取30°。根據(jù)裂隙發(fā)育情況及已有落石的統(tǒng)計信息，取落石典型尺寸為2.3 m×2.3 m×2.3 m，密度取2 630 kg/m3,樣本數(shù)20?，F(xiàn)分別針對各個危巖帶的啟動高程2 875 m(WY1)、2 890 m(WY2)、2 931 m(WY3)、2 842 m(W1)進行典型落石的路徑模擬。最后根據(jù)楊威[12]推薦公式利用滾石運動斜長求滾石威脅范圍，景區(qū)內(nèi)是二級公路，偏移比取0.3。威脅范圍=滾石運行斜長×運動偏移比。

WY1落石運動軌跡(圖8)和落石終點水平位置圖(圖9)表明，WY1下方水平距離約193 m處為公路，落石最終落于水平距離165～205 m范圍內(nèi)。最大概率的崩落位置在195～200 m處。有大部分落石可以到達公路。滾石運動斜長286 m，求得威脅范圍長86 m。

圖8 WY1落石運動路徑Fig.8 Movement path of WY1 Rockfall

圖9 WY1落石終點水平位置Fig.9 Final position of WY1 Rockfall

WY2落石運動軌跡(圖10)和落石終點水平位置圖(圖11)表明，WY2下方水平距離約218 m處為公路，落石最終落于水平距離232～237 m范圍內(nèi)。最大概率的崩落位置在235 m處。落石可以到達公路。滾石運動斜長322 m，求得威脅范圍長97 m。

圖10 WY2落石運動路徑Fig.10 Movement path of WY2 Rockfall

圖11 WY2落石終點水平位置Fig.11 Final position of WY2 Rockfall

WY3落石運動軌跡(圖12)和落石終點水平位置圖(圖13)表明，WY3下方水平距離約236 m處為公路，落石最終落于水平距離85～250 m范圍內(nèi)。最大概率的崩落位置在245～250 m處。有大部分落石可以到達公路。滾石運動斜長361 m，求得威脅范圍長108 m。

圖12 WY3落石運動路徑Fig.12 Movement path of Rockfall WY3

圖13 WY3落石終點水平位置Fig.13 Final position of Rockfall WY3

W1的落石運動軌跡(圖14)和落石終點水平位置圖(圖15)表明，W1下方水平距離約193 m處為公路，落石最終落于水平距離145～205 m范圍內(nèi)。最大概率的崩落位置在145～153 m處。有大部分落石可以到達公路。滾石運動斜長264 m，求得威脅范圍長79 m。

圖14 W1落石運動路徑Fig.14 Movement path of W1 Rockfall

圖15 W1落石終點水平位置Fig.15 Final position of W1 Rockfall

2.2 危巖體危險性分析

根據(jù)景區(qū)實際情況，由于受災(zāi)體大多數(shù)是游客，考慮到人的承受力的脆弱性，本文把100 kg以上的危巖體稱為中大型規(guī)模危巖體。根據(jù)已有落石的統(tǒng)計信息，崩塌區(qū)一般塊徑危巖體重量都超過100 kg，屬于中大型規(guī)模。根據(jù)三要素法(表2)對各個危巖進行危險性分級，其中危險性大，等級Ⅰ，賦值3分；危險性中等，等級Ⅱ，賦值2分；危險性小，等級Ⅲ，賦值1分。評價結(jié)果如表3。

表2 危險性等級評價標(biāo)準(zhǔn)表(三要素法)

表3 危巖危險性分級

3 危巖崩塌災(zāi)害易損性評價

易損性是指在一定區(qū)域內(nèi)由于自然災(zāi)害可能造成的損失程度，取值范圍在0～1。易損性評價是承災(zāi)體屬性的表現(xiàn)，沒有易損性，也就沒有災(zāi)難。評價區(qū)主要受災(zāi)體為：固定承災(zāi)體景區(qū)公路，流動承災(zāi)體過往車輛及游客。運用概率計算公路受損程度，并把固定受損運用到流動受損中，計算出最終的易損性。

3.1 固定承災(zāi)體易損性分析

易損性評價目的是確定承災(zāi)體受損的可能性。在計算固定承災(zāi)體公路易損性時選取沖擊力作為崩塌災(zāi)害的強度指標(biāo)。選取常用的日本道路公團公式[13]計算滾石沖擊力。

落石沖擊力I：

(1)

式中：m——落石質(zhì)量/t；

λ——拉梅系數(shù)，建議取1 000 kPa;

H——落石墜落的垂直高度/m;

根據(jù)王林峰在滾石沖擊作用下公路破壞機制研究，結(jié)合其提出的極限承載力計算方法，計算公路極限承載力：

Q=0.4γ2b2Nr+qNq+1.2CNc

(2)

b2=b1+2h1tanθ

(3)

式中：γ2——路基容重；

b2——危巖寬度；

N——承載力系數(shù),參照《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》GB50007—2011；

q——超載；

C——路基黏聚力；

h1——路面寬度；

θ——擴散角。

根據(jù)吳越等[14]的承災(zāi)體易損性評價模型可知：將承災(zāi)體破壞狀態(tài)劃分標(biāo)準(zhǔn)推廣為：

(4)

景區(qū)混凝土路面厚0.25 m，容重24 kN/m3，應(yīng)力擴散角45°，抗拉強度為3.2 MPa，路基土的黏聚力為30 kPa，內(nèi)摩擦角18°，容重20 kN/m3,高度6 m。根據(jù)公式計算沖擊力和易損性值。損性等級評價標(biāo)準(zhǔn)表見表4。各個危巖的固定易損性值見表5。

表4 易損性等級評價標(biāo)準(zhǔn)表

表5 固定承災(zāi)體易損性值

根據(jù)現(xiàn)場勘查，8·8地震崩塌發(fā)生后，崩塌下方公路上有多處滾石碰撞的痕跡，但是不影響公路的正常使用。本次計算結(jié)果比較符合實際。

3.2 流動承災(zāi)體易損性分析

參考Bounce(1997)和Peila(2008)利用概率計算崩塌發(fā)生后8種可能性事件的概率。8種可能性事件見圖16。

圖16 事件樹分布圖Fig.16 Event tree distribution

本次考慮概率事件的前提是景區(qū)正常營業(yè)狀況。根據(jù)2017年地震前景區(qū)每日進溝人數(shù)估計平均日車流量約有4 000。景區(qū)內(nèi)限速40 km/h。所以當(dāng)車流量過大或景點人較多，車輛在行進、緩行或停滯，都有可能發(fā)生事故。當(dāng)落石沒有擊中行進中的車輛，停留在路面穿過路面時，因車速過小，撞上去可能性太小，不單獨考慮，這里整體考慮路面損壞情況，嚴(yán)重時車輛可能發(fā)生事故，這里路面損壞情況參照前面的公路易損性值。

本次概率計算假設(shè)車輛在時間和空間上均勻分布并和崩塌相獨立。假設(shè)所有的車輛具有相同的長度和款式。假設(shè)崩塌在崩塌威脅區(qū)的時間和空間上均勻分布并和交通情況相獨立。根據(jù)Peila和Guardini研究，車輛被落石擊中后的死亡概率0.2。下面以危巖帶WY2為例，計算流動承災(zāi)體的易損性值。

(1)車輛在威脅區(qū)緩行或滯留被砸中的概率：參考Bounce對堵塞半個小時的一輛車被砸概率計算。巖石滾石時，車輛在威脅范圍內(nèi)時間概率為停滯半個小時占全年時間比值，即0.5/8 760=5.7×10-5，空間上被擊中的概率為單輛車長度(理想體4.5 m)與車所占道路長度的(車間距1.5 m)比值4.5/(4.5+1.5)=0.75，本文設(shè)崩塌次數(shù)為1次。將時間概率和空間概率相乘可算出車輛在威脅區(qū)內(nèi)半個小時被落石擊中的概率為：

(5)

即P停滯=5.7×10-5×0.75=4.28×10-5

(2)車輛穿過威脅區(qū)行進過程中被擊中的概率。這一事件是兩個并列時間的函數(shù)。落石和車輛在空間和時間上一致。

空間一致概率：假設(shè)落石在危巖帶內(nèi)分布均勻，這時候空間一致概率這取決于車輛長度和威脅區(qū)長度的關(guān)系。為計算簡便，假設(shè)每年到達公路的巖塊數(shù)量為1。WY2威脅長度為97 m。則4.5/97=4.64×10-2。

時間一致概率：根據(jù)Peila和Guardini假設(shè)，落石和行進中的車輛時間一致的年概率等于單輛車通過威脅區(qū)所用的時間占全年時間的比例。危巖帶2威脅長度97 m，車速為40 km/h，故年概率是(0.097/40)/8 760=2.77×10-7。

則單輛車被擊中的年概率：

(6)

行進中車輛被擊中的年概率(P3)為一輛車年概率與該公路每年通過的車輛數(shù)的乘積。則P3=P單車單程被擊中×日均車流量×365天=4.64×10-2×2.77×10-2×4 000×365=1.88×10-2

(3)落石沒有擊中車輛但擊中公路面的年概率P′3=1-P3=0.981 2。當(dāng)公路嚴(yán)重損壞時，車輛路過時可能導(dǎo)致事故。其中公路嚴(yán)重損壞的的概率P5根據(jù)固定承災(zāi)體量化計算中的公路易損性取值。危巖帶2下P5=0.50。

(4)路面嚴(yán)重損壞導(dǎo)致事故的概率根據(jù)Peila和Guardin(2008)的對意大利道路事故統(tǒng)計分析結(jié)果取事故概率為1.11×10-2，死亡事故為4.9×10-2。

(5)根據(jù)Peila和Guardini的假設(shè)取事故后有人員死亡的年概率是0.2。

(6)根據(jù)每個事件的概率值計算每條路徑的概率值，得到死亡事故概率、無死亡事故概率及無事故概率。例如路徑3發(fā)生死亡事故的概率為落石擊中車輛的概率(P3)乘以此事件導(dǎo)致人員死亡的概率(P4)：P(路徑3)=P3×P4=1.88×10-2×0.2=0.376×10-2

根據(jù)以上算法計算出各個危巖的最終易損性值(表6)。

表6 易損性計算結(jié)果

根據(jù)Bounce得出的可接受的個人年死亡概率范圍為1×10-4到1×10-5。經(jīng)計算本區(qū)的年死亡率都高于這個可接受的值。根據(jù)危巖區(qū)所有危巖體計算數(shù)據(jù)，將死亡概率分為3個區(qū)域，分級標(biāo)準(zhǔn)見表7。最終WY2易損性結(jié)果為Ⅰ級，得分3分。WY1、WY3、W1易損性結(jié)果為Ⅱ級，得分2分。

表7 危巖體易損性分值表

4 崩塌災(zāi)害的風(fēng)險性評價

UNDHA公布的自然災(zāi)害風(fēng)險的定義為：“風(fēng)險是在一定區(qū)域和時段內(nèi)，由于自然災(zāi)害而導(dǎo)致的人們生命財產(chǎn)和經(jīng)濟活動的損失值”。國際上普遍承認的風(fēng)險性評價模型：

Risk(風(fēng)險)=Vulnerability(易損)×Hazard(危險)

本文選擇以災(zāi)害的危險性為列，以災(zāi)害的易損性為行，組成風(fēng)險評價矩陣評價危巖體的風(fēng)險性。矩陣中的各個元素被稱為風(fēng)險指數(shù)。計算結(jié)果見表8。

根據(jù)計算所得風(fēng)險指數(shù)Ri,j(i=1，2，3；j=1，2，3)對危巖體災(zāi)害的風(fēng)險性進行分級(表9)。

表9 危巖風(fēng)險性分級

最終風(fēng)險評價如下： WY1、W1分值2，為低風(fēng)險。WY3分值6，為高風(fēng)險。WY2分值9，為極高風(fēng)險。

5 結(jié)論

(1)本文在危巖發(fā)育環(huán)境、自身特征的基礎(chǔ)上，通過計算危巖體穩(wěn)定性→失穩(wěn)后運動軌跡及威脅范圍預(yù)測→固定及流動承災(zāi)體易損性分析來完成危巖崩塌風(fēng)險評價。

(2)懸溝崩塌災(zāi)害發(fā)育3個典型危巖帶和1個危巖體。崩塌的失穩(wěn)模式主要以整體滑移式和局部凹腔墜落為主。通過定性定量分析危巖的穩(wěn)定狀態(tài)。最終結(jié)果，WY2、WY3在天然工況下處于穩(wěn)定狀態(tài)，在暴雨、地震工況下處于欠穩(wěn)定狀態(tài)。WY1、W1在天然工況下處于穩(wěn)定狀態(tài)，在暴雨、地震工況下處于基本穩(wěn)定狀態(tài)。與現(xiàn)場實際調(diào)查結(jié)果相符。運用Rockfall模擬失穩(wěn)后滾石運動軌跡，得到最遠水平運動距離及威脅寬度。

(3)針對危巖失穩(wěn)后形成的落石，采用Rockfall對落石運動軌跡進行模擬，確定滾石的威脅范圍。根據(jù)三要素法確定危巖危險性等級。最終評價結(jié)果為：WY1、W1危險性等級Ⅲ，得1分。WY2、WY3危險性等級Ⅰ，得3分。

(4)使用Peila和Guardini事件樹概率分析計算固定承災(zāi)體(公路)與流動承災(zāi)體(來往游客)的易損性值。將固定承災(zāi)體的易損性值運用到流動承災(zāi)體中，計算出每年事故死亡率。根據(jù)死亡率來區(qū)分易損性高低。最終WY2易損性等級Ⅰ，得分3分。WY1、WY3、W1易損性等級Ⅱ，得分2分。

(5)根據(jù)危險性與易損性分析，建立風(fēng)險評價矩陣，最終WY1、W1風(fēng)險分值2，為低風(fēng)險。WY3風(fēng)險分值6，為高風(fēng)險；WY2風(fēng)險分值9，為極高風(fēng)險，均要高度重視，盡快著手防護措施設(shè)計，避免造成更大的損失。