地震滑坡風(fēng)險分析研究

王啟亮，孟朝霞

(1.山西水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西運城 044004;2.運城學(xué)院，山西運城 044004)

地震滑坡風(fēng)險分析研究

王啟亮1，孟朝霞2

(1.山西水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西運城 044004;2.運城學(xué)院，山西運城 044004)

為定量評價地震滑坡風(fēng)險管理，對地震滑坡風(fēng)險分析各因子取值方法進(jìn)行了量化分析。針對承災(zāi)體在坡下及距離災(zāi)害體有一定距離的兩種情況分別討論。重點對一次地震過程中滑坡潛在滑移距離及擴展范圍進(jìn)行了計算，從而對風(fēng)險分析中滑坡到達(dá)承災(zāi)體概率這一因子進(jìn)行了量化。研究成果可為地震滑坡風(fēng)險管理的量化分析提供理論依據(jù)，為滑坡風(fēng)險管理由定性評價向定量評價發(fā)展提供參考。

風(fēng)險管理;承災(zāi)體;地震滑坡;定量風(fēng)險分析

0 引言

國內(nèi)外研究學(xué)者對滑坡風(fēng)險進(jìn)行了大量的定性分析及少量量化分析的探討［1－4］，但對于地震滑坡的風(fēng)險分析研究還較少。尤其是2008年“5·12”汶川地震后誘發(fā)的大量滑坡等地震地質(zhì)災(zāi)害，不僅對人民生命財產(chǎn)造成重大損失，而且對震前地質(zhì)災(zāi)害的預(yù)防尤其是震前滑坡地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險評估提出了挑戰(zhàn)。由于目前中國尚無較成熟的滑坡風(fēng)險管理指南性文件出現(xiàn)，以指導(dǎo)滑坡尤其是地震滑坡風(fēng)險管理。本文對地震滑坡風(fēng)險的量化分析進(jìn)行了探討，并以Newmark假設(shè)為基礎(chǔ)，重點對滑坡到達(dá)承災(zāi)體的概率取值方法進(jìn)行了探討。不僅能為滑坡災(zāi)害的防災(zāi)減災(zāi)提供參考，且能為地震滑坡的風(fēng)險管理提供理論支持。

1 風(fēng)險分析方法

滑坡災(zāi)害風(fēng)險管理包括危險性分析、危害性分析、風(fēng)險分析、風(fēng)險評價和風(fēng)險管理等5部分［5］。其中風(fēng)險分析是風(fēng)險管理中最重要的組成部分。它分為定性分析和定量分析兩種分析方法，涉及到風(fēng)險源的識別、災(zāi)害發(fā)生概率估計、承災(zāi)體的確定及其易損性估計、風(fēng)險計算等過程。

2005年5 ～6月加拿大溫哥華“滑坡災(zāi)害風(fēng)險管理國際會議”確定了風(fēng)險計算的公式如下:

式中:PLOL——人口傷亡年概率;

PL——滑坡發(fā)生的概率;

PT:L——滑坡到達(dá)承災(zāi)體的概率;

PS:T——承災(zāi)體的時空概率;

VD:T、Vprop:S——承災(zāi)體對于滑坡事件的易損性;

Rprop——財產(chǎn)的年度風(fēng)險;

E——承災(zāi)體的價值。

當(dāng)涉及到多個滑坡，且滑坡災(zāi)害之間是相互獨立的個體時，其計算公式可表述為:

式中:n——滑坡災(zāi)害的數(shù)量。

2 風(fēng)險分析因子的量化分析

式(1)和式(2)中各因子的量化取值方法如下:

(1)災(zāi)害概率(PL)根據(jù)n年內(nèi)發(fā)生災(zāi)害的概率來取值。n取值依據(jù)為政府及業(yè)主對特定承災(zāi)體在滑坡災(zāi)害威脅下的時間要求。對單個災(zāi)害體來說，發(fā)生概率為:PL=1/n;

(2)時空概率(PS:T)是一個條件概率。是在災(zāi)害發(fā)生時承災(zāi)體在災(zāi)害影響區(qū)內(nèi)的概率，其值介于0和1之間。對于承災(zāi)體為建筑物而言，若其在滑坡體上或在其滑動路徑上，則其時空概率值為1;若對承災(zāi)體為人員狀況而言，時空概率指的是一段時間內(nèi)(通常以一年作為計量單位)人員處于建筑物中的時間。

(3)易損性(VD:T和Vprop:s)是在災(zāi)害影響區(qū)內(nèi)，一個或多個對象受到災(zāi)害影響或破壞的程度。它也是個條件概率，前提是滑坡災(zāi)害發(fā)生，且承災(zāi)體位于滑坡體上或滑坡路徑上。對于承災(zāi)體為財產(chǎn)而言，通常用0－1來描述承災(zāi)體受損的程度;對承災(zāi)體為人而言，通常描述為人處于滑坡體上或其滑動路徑上的概率，亦用0－1來表示。易損性評價分為面評價和點評價。面評價是指采用區(qū)域承災(zāi)體綜合指數(shù)來反映該地區(qū)總易損性。對于地震滑坡而言，同樣可用人口密度、單位面積工農(nóng)業(yè)產(chǎn)值、交通干線密度以及土地資源豐度來評價易損性因子。汶川地震形成的以縣域或鄉(xiāng)鎮(zhèn)為單位的承災(zāi)體易損性評價即可采用面評價的方法，評價方法可參考文獻(xiàn)2。點評價是針對單一災(zāi)害體對特定承災(zāi)體造成的易損性的評價，評價時可根據(jù)滑坡災(zāi)害體的體積，及它們撞擊房屋時的可能速度。根據(jù)專家打分的形式量化災(zāi)害體撞擊房屋后房屋內(nèi)人員傷亡的概率［3］。

(4)承災(zāi)體價值(E)可根據(jù)實體的市場價格予以估算。特殊承災(zāi)體價值計算方式可參考文獻(xiàn)4。

(5)災(zāi)害到達(dá)承災(zāi)體的概率PT:L取值取決于災(zāi)害體與承災(zāi)體各自的位置及災(zāi)害體可能的運動路徑。當(dāng)滑坡災(zāi)害發(fā)生破壞建筑物且人員未能幸免于難時，其取值標(biāo)準(zhǔn)如表1［5］。

當(dāng)滑坡距離承災(zāi)體(人員及建筑物)較遠(yuǎn)時，在地震荷載作用下滑坡到達(dá)承災(zāi)體概率的計算主要基于Newmark假設(shè)，其計算方式如下。

表1 坡底建筑物受到破壞的概率Table 1 Destructive probability of buildings with a slope behind

假設(shè):①滑坡塊體為剛性摩擦塊體;②一次地震坡體水平波動震蕩形成永久位移的時間占地震總持時的1/3;③臨界平衡狀態(tài)為穩(wěn)定系數(shù)Fs=1;④不考慮動孔隙水壓力作用;⑤臨界加速度值不隨地震作用而改變。

地震過程中，動荷作用會增加臨空面方向的負(fù)荷，下滑力隨時間增加的量(ΔN)會消除靜態(tài)狀態(tài)下下滑力N與最大抗滑力Rmax之間的差值，并致使滑坡塊體達(dá)到短暫的臨界平衡狀態(tài)。此時ΔN可表示為質(zhì)量與坡體表面地震加速度的乘積，即ΔN=mac。為簡化計算，可用穩(wěn)定系數(shù)來表述ac，即:

當(dāng)滑面為直線型時，N=mgsinα

式中:g——重力加速度;

α——滑面傾角;

m——塊體質(zhì)量。

故可得

式中:Fs——穩(wěn)定系數(shù)。

當(dāng)滑塊在地震動荷載作用下地表運動時，若塊體相對坡面而言無位移，則在某一時刻t時原來在坡面A點的滑塊應(yīng)到達(dá)B點，由于慣性作用，滑塊將產(chǎn)生一個相對坡面的位移U(t)，此時滑塊位于C點(圖1)。在計算動荷下滑坡體位移時，需要確定的一個重要參數(shù)就是地面加速度時間函數(shù)a(t)(圖2)。

圖1 滑塊滑動示意圖Fig 1Sketch of slip mass

圖2 地震滑坡位移計算示意圖Fig 2Sketch for displacement calculating

由圖2可見，滑坡在動荷作用下的運動狀態(tài)可分為未滑動(0－tA)、開始滑動(此時t=tA)、滑動階段(tA－tC)及停止滑動(t=tC)幾個時段，當(dāng)a(t)＜aC時，滑塊處于穩(wěn)定階段;a(t)＞aC時，滑塊具有剩余加速度Δa，此時Δa=a(t)－aC，隨地震波的傳播過程，Δa逐漸增大至Δamax，隨后減至aC以下(圖2中B點)。此時滑塊速度可用塊體相對加速度Δa通過對時間積分的形式計算得到，即B點塊體速度為:

其位移可相應(yīng)求得［6］:

為簡化計算，假設(shè)地面震動加速度a= amaxsinωt，其中amax為地面最大加速度，ω為圓頻率，此時的臨界加速度ac=g(Fs－1)sinα，根據(jù)Newmark假設(shè)，可推導(dǎo)得到一次地震由于坡體水平波動振蕩產(chǎn)生總位移計算公式如下［6］:

由上式可以看出，地震持時越長，地震周期越長，其位移量越大。承災(zāi)體距離滑坡越近，災(zāi)害到達(dá)承災(zāi)體的概率越大。其易損性值越趨向于1。當(dāng)滑坡距離承災(zāi)體(人員及建筑物)較遠(yuǎn)時，在地震荷載作用下滑坡到達(dá)承災(zāi)體的概率，可依據(jù)位移計算公式予以計算后，進(jìn)行量化分析。

3 結(jié)論

充分的滑坡定量風(fēng)險分析，目前還存在一些難點。如對滑坡災(zāi)害特征的把握具有很大的主觀性;滑坡災(zāi)害發(fā)生概率分析具有不確定性;承災(zāi)體時空概率的確定具有隨機性等因素，是導(dǎo)致目前滑坡風(fēng)險定性分析較成熟，而定量分析較難推廣的主要原因。近幾年地震滑坡的大量出現(xiàn)已經(jīng)造成了重大的人員及財產(chǎn)損失。本文通過對地震滑坡風(fēng)險分析各因子進(jìn)行量化分析研究，希望能促進(jìn)滑坡風(fēng)險分析由定性研究向定量研究拓展。同時，在地震多發(fā)區(qū)于地震前進(jìn)行滑坡災(zāi)害風(fēng)險分析，結(jié)合地質(zhì)災(zāi)害防治工程便易做到防患于未然，大大降低地震災(zāi)害由于滑坡造成的人員傷亡及財產(chǎn)損失。

［1］Fell·R，Ho·K·K·S，Lacasse·S，et al..A Framework for Landslide Risk Assessment and Management［C］// Hunger·O，F(xiàn)ell·R，Couture·R，et al..Proceedings of theInternationalConferenceonLandslideRisk Management.Vancouver，Canada，31May－3June，2005.Taylor and Francis，London:3－25.

［2］張梁.地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險評價理論與方法［J］.中國地質(zhì)礦產(chǎn)經(jīng)濟，1996，(4):43－44.

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Abstract:For quantitatively assessing risk management of a slope under earthquake.Impact，quantitative analysis was studied by choosing factors of slope risk management.For two scenarios，objects just under the slop and objects have a distance to the slop.Sepecially，sliding distance and its incidence during one earthquake were calculated.Then the factors of probability for the slope reaching the objects was quantitatively assessed.Results of the discussion can provide not only theoretical foundation for quantitative analysis for risk management of a slope under earthquake impact，but reference for the process from a qualitative evaluation to a quantitative assessment for risk management. Key words:risk management;objects at risk;slope under earthquake;QRA

Risk analysis for slopes induced under by earthquake impact

WANG Qi－liang1，MENG Zhao－xia2
(1.Shanxi Water Conservation Professional Technology Institute，Yuncheng044004，China; 2.Yuncheng University，Yuncheng044004)

1003－8035(2010)03－0014－03

P642

A

2010－05－11;

2010－06－16

國土資源大調(diào)查項目(1212010740907)

王啟亮(1964—)，男，山西臨猗人，副教授，研究方向為環(huán)境地質(zhì)。

E－mail:wql.976@163.com