滑坡风险分析实例研究.pdf

1 滑坡风险分析实例研究 ① 滑坡风险分析实例研究 ① G.Lsivakumar Babu1 M.D.mukesh 1 著 赵玉军 2 译 朱汝烈2 校 （1 Department of Civil Engineering,Indian Intitute of Science.Bangalore,India; 2中国地质调查局水文地质工程地质技术方法研究所，河北保定，071051） [摘 要] [摘 要] 在喜马拉雅地区，通过运用随机现场模型，结合斜坡稳定性分析，对由于土体参 数易变性引起的滑坡风险不确定性进行研究。 在滑坡地区一个典型斜坡的水平方 向和垂直方向上，就试验样品数量、承压水位的变化和地震效应等的准确程度的 空间差异性影响进行了研究。结果表明土体参数的偏差程度、土体参数的空间分 异、试验样品的数量和承压水位的变化对滑坡地区斜坡稳定性的影响尤为显著。 结果同时表明，用均匀变化的假说来判断斜坡稳定性是保守的。研究成果是一个 有益的成功的范例；同时应指出，地下排水形式的缓解措施能改善滑坡地区斜坡 稳定性。 [关键词] [关键词] 滑坡，孔隙压力变化，安全性，斜坡稳定性，空间变化。 符号目录符号目录 Fν－－－－－－累积概率分布 Eν分布预期平均值 σ （ ν）－－－－ 分布标准偏移 m，δ－－－－－ 分布系数 ρ －－－－－－ 自相关函数 α－－－－－－－离散系数 δx，δv，δz－ 距离偏置 Dh，Dν－－－－ 水平和垂直相关性距离 P（ƒ）－－－事故概率 1.1. 前言 前言 在喜马拉雅地区， 滑坡已成为导致人们生活和财产大量损失的主要灾害问题。 滑坡通常 是因存在诸多触发机制而产生的，例如下雨引起斜坡内承压水位的升高、地震、植被类型改 变及人类建造活动等。通常情况下，对山区地带的公路沿线和住宅区的斜坡，都按传统的安 全因素边界条件进行了稳定性评价。同时，考虑到滑坡地区的土体参数的变化无常，所以为 ①本文译自 Geotechnical and Geological Engineering 2003（21） 116127 2 了更优良的工程施工， 着力进行有关土体参数变化影响的研究， 与研究承压水位变化和地震 强度同属必需。就斜坡安全性方面而论，这比用传统的安全因素边界条件方式来阐述，显得 更较为全面。 本文主要介绍对一个典型滑坡进行的研究。 通过使用类似于 Vanmarcke （1977） 和 Calle （1985）公式的一个随机抽样现场模型，对土体参数变化的影响进行研究，并计算事故发生 的概率。 在喜马拉雅地区国道公路的一个路段斜坡安全性评价中， 探讨了水平方向和垂直方 向上的空间差异性。 研究成果在确定水平方向和垂直方向上土样的最佳采样间距， 以及为稳 定斜坡目的而设计地下排水缓解措施等方面，都很适用，从而提了高斜坡稳定性。 2.2. 背景资料 背景资料 对斜坡稳定性的不确定性已做了长期的研究。 一些研究者对斜坡稳定性问题提出了各自 具有影响的见解。Chowdhury（1984）提出的斜坡概率分析，对评价多种斜坡稳定措施的设 计方案很有帮助。Christian 等（1992）认为，概率原理应用得是否恰当，取决于对事故相 对概率或对设计不确定性影响的鉴别。Mostyn 和 Li（1993）指出，概率分析为指导斜坡设 计者制定方案提供了信息指南。根据 Morgenstern（1997） ，滑坡问题受不确定性困扰，出 现在包括从位置判定、 物质参数评价到分析与设计等环节， 贯穿于用概率法进行的评价的各 个阶段。这些研究对解决不确定性影响问题提供了有益见解。 3.3. 可忍受风险标准 可忍受风险标准 在多数情况下，基于 f－N 比率〔灾害频度（f）和灾害总数（N） 〕的年事故概率观点， 是按安全性和稳定性极限标准对斜坡现有的稳定状况进行判定的有用基准。 单纯的滑坡定量 风险分析包括判断导致不良后果的潜在事故的风险。滑坡事故描述（尤其为了分区目的）应 该包括滑坡特征和发生滑坡的概率。 一旦了解了具体事故的发生概率， 就可对风险进行评估。 很多研究者和工程师已拟定了一些有关可忍受风险标准的准则。 他们指出， 滑坡事故增添的 风险与其它各种风险相比起来，并不显著突出，其它那些风险是应当减小至“既低而又合理 适用” ①程度的。 建立可接受标准的一条途径， 是考察相关地区诸如工业事故和大坝等所采取的标准。 在 英国，土地使用计划的风险标准，是基于附近工业区的相关事故年基准 f－N 关系加以制定 的，并建议其年下限和上限分别为每年 10ˉ 4 和 10ˉ 6。大坝风险评估已有长足发展，并在 如美国和加拿大等很多国家使用， 中国香港将其引用于评价斜坡。 经常推荐那些风险要求尽 ① 原文为 As Low As Reasonably Practicable（ALARP） 3 可能低，但又可行的地区类似的可接受极限，同时可举出财政费用损失的极限。Cruden 和 Fell 在这方面提出了杰出见解。最近，美国陆军工程兵军团US Army Corps of Engineers 特别推荐了针对事故和水资源的相关安全指数和基础设施项目概率目标（表 1） 。 表 1.堤坝安全性标准指标（美国陆军工程兵军团，1999） 预期性能水平 安全性指标 事故概率 高的 5 0.0000003 良好的 4 0.00003 高于平均水平 3 0.001 低于平均水平 2.5 0.006 差的 2.0 0.023 不能解决问题、令人不满的 1.5 0.07 冒险的 1.0 0.16 通常， 安全性评价是参数和模型不确定性的一个函数。 根据事故概率参数的不确定性影 响得出易变性影响的概念。由于不能准确的了解事故过程，模型不确定性的影响非常复杂。 在本文实例中， 对滑坡地区滑动斜坡的背景分析表明， 可把其滑动面视为弧形滑动或大直径 滑动，因而使用必肖普（Bishop’s）法进行分析。 4. 地貌学地貌学 由于构造运动、褶皱、断层和褶皱基岩地层的原因，沿喜马拉雅地区 Sutlej 峡谷内、22 号国道公路（National Highway NH－22）两旁的斜坡是破碎脆弱的。沿 Sutlej 河岸上的国道 公路受破碎斜坡影响的不稳定路段长约 500m，滑坡顶部高出河岸约 200m。斜坡表面坡度 在 35到 50范围内变化。该地区经常发生滑坡事故， Jagannatha Rao 等人详细描述过滑 坡地区的地质详图和地质岩土特性（1998） 。作为地质岩土野外勘察项目的一部分，提前钻 了 4 个深度 6－23m 的钻孔。图 1 所示为该地区斜坡的土体层次。在斜坡的坡顶和坡脚分别 钻了一个钻孔。在滑坡地区的中间位置进一步钻进了两个钻孔。然而，沉重的钻机需占用较 大的空间， 且在易碎斜坡上安装钻机非常困难。 崎岖斜坡陡峭的地形也阻碍了在这类地区钻 孔的可能。滑坡区的土体由挟有破碎岩块的粉砂质砂组成。直剪试验得到的剪切系数显示， 其内内摩擦角范围为 30－47，粘聚力为 0－100kPa。鉴于滑坡频繁发生，和维持滑坡稳 4 定的重要性，必需在滑坡区使用安全性和风险观念进行评价，进而建立准则。以下内容主要 介绍滑坡区现场模型的应用，并对所获成果进行了讨论。 5. 随机现场模型随机现场模型 早期背景资料表明 ，对包括随机无序样品的不确定性，通常使用随机现场模型进行评 价。在稳定性分析时输入参数的不确定性，对事故发生概率分析的影响很大。安全系数低于 1.00 的斜坡，发生滑坡的概率属潜在事故概率。结合必肖普法，使用 “ 先正常状态、然后 瞬间” ①的法则对事故概率进行评估。粘聚力和内内摩擦角的概率分布采用对数形式表示。 ∫ v x vF 0 2 1 δ π ）（e ]/ /[-1/2]ln 22 δmz（ dx v0≥ 1 2 2/1δ mevE）（, 和1 2 − δ δevEv 2 式中，m 和δ为分布系数；Fν是作为随机变化ν预期平均值和标准偏差 E ν和σ（ν） 的累积概率分布。 已有文献证实了剪切强度参数使用对数分布的有效性。 早期的概率分析表 明,单位重量的变化不太重要，故无需考虑单位重量的变化。自相关函数ρ（ δx， δy， δz） 系作为距离偏置函数的任意两点间相互的关系，可写为 ]1[ 22 222 / / yx yx hzx D D z ee δ δδ ααδδδρ − − −）（ 3 式中Dh和 Dv为自相关系数，它们与高差起伏比例有关。δx， δy和δz分别为在 x，y， z 方向任意两点间的空间距离。参数α是垂直变量（相对于沿铅垂线的平均值的波动变化） 与整体变量（相对于整个覆盖堆积物的平均值的变量）之比值。令α＝1，自相关函数呈现 出文献中经常推荐的传统高斯（Gaussian）形态 。概率分布和自相关函数确定了随机模型 的彻底完善。参数分析旨在研究垂直和水平相关距离、粘聚力和内摩擦角系数变化、承压水 位的变化和地震活跃系数变化等对相关事故概率的影响。 对参数进行分析可以导出在倾角为 47的斜坡上临界剖面的标准计算值（F1.06） 。表 2 所示为研究中使用的变量和相关值的 变化范围。 从直接剪切试验得出强度参数值， 用于分析的材料的平均参数 粘聚力为 50kPa， 内内摩擦角为 35，单位重量为 18kN/m 3 。 （Calle，1985）在文献中曾提到，在其它地区 使用这一模型也很适宜。 ① 原文为 First Order Second Moment（FOSM） 5 表 2.参数研究中使用的变量及其数值变动范围 变量 数值范围 粘聚力 c 和内内摩擦角变化率 0.1～0.5 水平相关距离 10～200 垂直相关距离 0.1～10 试验样本数量 5～100 水压测量线的坡角 35和 50 水压测量线的标准偏差 1～10 水平方向地震影响 0.05～0.2 6.6. 结果和讨论 结果和讨论 本项研究的主要目的是滑坡地区土体斜坡有关特性的影响，并指出其定量地的重要性。 只有对滑坡地区进行详细的勘察， 才能获得准确的易变性评估。 在现有分析中使用了粘聚力 和内摩擦角变化率（C.O.V） 、空间相关距离和承压水位的变化，主要是为了在滑坡区尽可能 地控制破坏范围。 6.1.试验样品数量（试验样品数量（N）的影响）的影响 所有试验样品都影响概率分析的结果。大量的试验增强分析中所使用的强度参数输入值 的置信度水平。然而，大量试验也导致过土样的过量采集。所以，在对场地进行勘察之前， 预先确定试验样品的数量是很重要的。 这在对相似项目进行稳定性分析并建立准则方面也很 有用。在该滑坡地区共进行了 25 次试验，主要意图是检查参数对事故概率的影响。图 2（a） 所示为若干试验样品的数量对事故概率的影响。从图 2（a）可看出，试验样品对事故概率 的影响很显著。图 2（b）所示为与样品数量相关联的粘聚力和内摩擦角系数变化因素对事 故概率的影响。当粘聚力和内内摩擦角变化系数范围为 0.1 到 0.3 时，影响最显著。 6.2.空间非均质性空间非均质性 土体的不同内在性质特性引起土体参数在水平和垂直方向上发生变化。若按传统的稳定 6 性计算，则不能确定土体参数的空间变异。然而，通过对该场地进行详细的勘察，在概率采 样网范围内对斜坡稳定性进行分析， 可以更好地记录和融合土体参数变化情况。 用空间相关 间距和变异函数来表示既定土体剖面的非均质性界限是适宜的。 判定空间相关间距， 要求对 场地进行全面、详细的勘测和试验，这对每个项目而言并不一定适宜。根据以往的研究可确 定这些参数的分布，并指导样品的采集。土体特性的相关间距，对土体变化来说是一个有用 的描述符值。它表明，如果土体采样的距离低于相关间距，可很好的获得真实的土体特性变 化情况。所以，空间相关间距对现场勘察很有帮助。也可把它作为土体内在变化的一种定量 参数，用于土体斜坡风险的分析。所以，为了揭示空间相关间距对稳定性分析的敏感性，应 使水平和垂直相关间距都在额定值范围内变动。 6.3.水平相关间距（水平相关间距（Dh）的影响）的影响 水平相关间距相当于在水平方向上，土体性质达到稳定时的最小距离。本研究中，水平 相关间距的变化范围为 10m 到 200m，同时其它所有参数保持为恒量。图 3（a）所示为水平 相关间距在粘聚力和内摩擦角变化率不同时对事故概率的影响。从图 3（a）可看出，若增 大水平相关间距，可能稍微降低事故概率，尤其在变化率低的时候更为显著。图 3（b）更 清楚地表明了，在变化率数值微小的变动范围内（0.1～0.3） ，事故概率增大的情形，直到水 平相关间距为 50m 时，事故概率才会降低，并随后保持恒量。这表明在上述或相似情况下， 将采样间距定为 50m 是最适宜的。 6.4. 垂直相关间距（垂直相关间距（Dv）的影响）的影响 垂直相关间距的变化范围是 0.1m～10m，为研究垂直相关间距对事故概率的影响，设 令其余参数均为常量。图 4（a）所示，为垂直相关间距在粘聚力和内摩擦角变化系数不同 时，对事故概率的影响。从图 4（a）可明显地看出，在 0.1～5m 很短的间距范围内，事故 概率随垂直相关间距的增加而增大。然而，当垂直相关间距的变化率很大时，对事故概率的 影响并不太明显。图 4（b）也证实，仅当粘聚力和内摩擦角变化率达到 30％时，对事故概 率的影响才显著。得出的结论是，垂直相关间距应为 5m 或低于设计值。同时，在取样困难 的岩层内，相邻孔段很难采集样品，且很费钱。本成果建议，相邻孔段的更多信息对垂直剖 面是有用的，能更明确地说明事故概率。和水平相关距离不同，垂直相关距离对事故概率的 影响非常大。结果表明，该场地采用 5m 为相关距离最为适宜。然而在另外一些地区，参数 的变化通常须视具体场地而定。 这一结果进一步证实了在水平和垂直方向上， 与土体参数变 化相关的资料数据的重要性。 7 6.5.空间非均质性中的各向异性影响空间非均质性中的各向异性影响 在一些研究中，通过用均质性假说（此处 Dh＝D v）来确定空间非均质性的影响。当 Dh＝Dv，并无限扩大时，可假定强度参数在空间范围完全相关。然而，这种假定与非均质 性并不一致。 仅仅当水平和垂直方向所有信息对非均质特性都适合时， 才能简单地阐述水平 和垂直相关距离的相对影响。在表 3 中总结了此方面的研究。结果表明，空间均质性变化假 说过度评估了事故概率，所以是保守的，尤其当变化系数很小时。很明显，可对分析中使用 的强度参数在水平和垂直方向的变化情况进行单独研究， 通过对土体的非均质性描述来进行 稳定性评价。 上述内容清楚表明，在土体斜坡风险分析中，与描述试验数量和钻孔水平和垂直距离 一样，研究土体强度特性的空间变化是很重要的。 6.5. 孔隙压力的影响孔隙压力的影响 通常根据渗透性评估来研究孔隙压力。 很多研究者已经认识到了有关孔隙水压力的不确 定性以及孔隙水压力与斜坡稳定性关系的重要性。 有人通过规定平均孔隙压力和孔隙压力比 变化率，来研究孔隙水压力的不确定性影响。在现有研究中，通过测定水压坡降线的标准偏 移来研究孔隙压力的影响。 假定其孔隙压力一般按照承压水位的预期平均值分布。 图 5 所示 为关于水压坡降线标准偏移的事故概率变化。滑坡剖面坡角约近似为 47， 因此对坡角为 25、 30和 35的三个水压坡降线，和 1m～10m 的标准偏移进行研究。对 25的水压坡 降线进行观察发现，事故概率在标准偏移超过 6m 时的增加很大。然而，对 30和 35的 水压坡降线进行监测发现，孔隙压力的影响超过了所有水压坡降线的范围。很明显，水压坡 降线中很小的增加值， 都将增大事故发生的概率。 成果强调了在斜坡研究中对孔隙压力变化 进行适当观察的必要性；同时指出，研究水压坡降线的角度和水压坡降线的标准偏移，对斜 坡进行安全性评估是有可能的。 6.7.地震系数的影响地震系数的影响 在该地区经常发生不同等级的地震，造成额外的损失。图 6 所示为地震系数对事故概 率的影响。通过水平地震相关系数的变化（从 0.05 到 0.25）来研究地震对滑坡事故概率的 影响。例如，在变化系数为 10％的情况下，事故概率的增加很大。当地震系数从 0.05 增加 到 0.25 时， 事故概率从 8.410 23－ 增加到 0.3。 结果表明当发生了相关系数为 0.2 的地震时， 8 在滑坡区可能发生斜坡事故。 7. 结束语结束语 本报告力图对一个典型滑坡区的不稳定性风险进行评估。 结果表明， 概率分析对判定土 体天然变化性、斜坡性质和评价不稳定性是一种有力工具。进一步研究表明，确定所需试验 样品数量、水平和垂直采样距离和滑坡触发因素（如孔隙压力变化和地震力） ，对滑坡稳定 性评价也很有帮助。滑坡稳定性评估也可用于帮助设计缓解措施。 对滑坡区稳定性评估的研究提出以下几点建议 （1） 若有更多的采样点条件及其在水平和垂直方向位置的数据， 可为安全性评估提供更 适宜的根据。 （2） 成果清楚地表明， 空间变化对事故概率的影响极为显著， 而均质性变化的假设是守 旧的。垂直相关距离比水平相关距离的影响更显著。 （3） 需要清楚地确定位承压水位， 分析渗入点和降雨入渗， 与相应标准偏移一起恰当的 确定水压坡降线。 （4） 当地震等级与最大水平的相关系数为 0.2 或更大、 且相一致时， 容易发生滑坡事故。