南門灣滑移式危巖體風險評價研究

李 漪，晏鄂川，胡顯明，楊建國

南門灣滑移式危巖體風險評價研究

李 漪1，晏鄂川1，胡顯明1，楊建國2

（1．中國地質(zhì)大學（武漢）工程學院，武漢 430074；2．重慶地質(zhì)礦產(chǎn)研究院，重慶 400042）

位于巫溪縣的南門灣危巖帶曾發(fā)生多次破壞，共造成百余人死亡，嚴重制約了當?shù)氐纳鐣?jīng)濟發(fā)展。在前人研究成果的基礎(chǔ)上，選擇危巖帶中4個滑移式危巖體為研究對象，根據(jù)蒙特卡洛模擬法計算出它們在天然和暴雨工況下的破壞概率，并結(jié)合實際情況分析了危巖體的威脅對象及其易損性，最后根據(jù)以上數(shù)據(jù)計算得出：自然工況下人員傷亡風險為0．30人，經(jīng)濟損失風險為15．16萬元；暴雨工況下人員傷亡風險為0．65人，經(jīng)濟損失風險為31．91萬元。評價結(jié)果可為防災減災服務(wù)。

危巖體；破壞概率；威脅對象；易損性；風險評價

1 概 述

危巖作為一種重要的地質(zhì)災害在我國廣泛分布，隨著工程建設(shè)的開展和生態(tài)環(huán)境的破壞，我國危巖防治形勢日趨嚴重，而進行風險評價則可對災害可能產(chǎn)生的損失做出預測，從而提高防治工程的針對性。位于巫溪縣的南門灣危巖帶，在歷史上發(fā)生過多次破壞，造成了巨大的人員傷亡和經(jīng)濟損失，至今仍嚴重威脅當?shù)厝嗣裆敭a(chǎn)安全，對其進行風險評價方面的研究，對防災減災具有重要意義。

目前針對滑坡的風險評價研究較多，而針對危巖體的風險評價則較少，許強等［1］在危巖失穩(wěn)概率和落石運動軌跡分析的基礎(chǔ)上對危巖單體的風險評價方法做了系統(tǒng)的研究；張路青等［2，3］在對川藏公路南線（八宿至林芝段）滾石發(fā)生頻率估計的基礎(chǔ)上，對公路沿線行人遭遇滾石的風險做了理論和實踐方面的研究。根據(jù)危巖體的破壞形式，可將其分為墜落式、傾倒式和滑移式3類。滑移式破壞的危巖體穩(wěn)定性計算涉及到的巖體強度參數(shù)c和φ值，其概率分布特征易于通過實驗獲得，進而可以分析危巖體的穩(wěn)定概率，因此本文選擇南門灣4個滑移式危巖體作為研究對象，利用蒙特卡洛模擬法計算它們在自然工況和暴雨工況下的破壞概率，并根據(jù)當?shù)厣鐣?jīng)濟情況、危巖帶破壞歷史和各危巖體沿公路方向單位影響長度的方量及最大落差分析了各危巖體的威脅對象及其易損性，從而定量計算出了各種情況下的人員傷亡風險和經(jīng)濟損失風險。對防災減災具有參考意義。

2 南門灣危巖帶概況

南門灣危巖帶位于重慶市巫溪縣新老縣城之間，自1987年以來，先后發(fā)生多次破壞，累計造成百余人死亡。該危巖帶對巫溪通往奉節(jié)、云陽、萬縣的主要干道構(gòu)成了極大威脅，嚴重制約了巫溪縣的社會經(jīng)濟發(fā)展。

危巖帶主要由三疊系嘉陵江組白云質(zhì)角礫狀石灰?guī)r組成，由北到南沿180°－130°方向呈弧形展布，全長630 m，北高南低。北段高程315～335．1 m；南段高程258～320 m。危巖帶頂部坡角10°左右，中部坡角80°左右，下部某些部位形成深度1 m左右的凹巖腔。巖體風化嚴重，溶蝕現(xiàn)象發(fā)育，加之獨特的巖性特點，導致該危巖帶掉塊現(xiàn)象頻繁發(fā)生。危巖帶裂隙較發(fā)育，原生層面不明顯，裂隙由卸荷、重力、溶蝕和風化等作用產(chǎn)生，主要發(fā)育于斜坡表部0．0～6．0 m內(nèi)，其中走向為130°～150°和170°～180°的兩組裂隙最發(fā)育，該兩組裂隙基本與斜坡走向一致；走向為50°～60°和70°～80°的兩組裂隙次之，該兩組裂隙與前兩組裂隙走向近于垂直。這兩個方向上的裂隙控制了危巖體的結(jié)構(gòu)及其穩(wěn)定性。該危巖帶可分為W1至W20共20個危巖單體。其中W1至W5，W16，W19，W20已經(jīng)治理，W17和W18穩(wěn)定性較好，故本次研究限定于W6至W15這10個危巖體，如圖1所示。根據(jù)現(xiàn)場勘察資料可判斷W7，W9，W11，W12，W14為墜落式破壞，W8為傾倒式破壞，W6，W10，W13，W15為滑移式破壞。

圖1 W 6至W 15立面圖Fig．1 Elevation view of W 6－W 15

3 滑移式危巖單體風險評價

3．1 破壞概率

目前通常采用蒙特卡洛模擬法研究斜坡破壞概率［4，5］，該方法通過隨機模擬和統(tǒng)計試驗得到斜坡破壞概率。其基本原理是根據(jù)已有數(shù)據(jù)的概率分布特征（平均值、標準差等）生成滿足統(tǒng)計分析要求個數(shù)（一般認為2 000組就可以滿足要求［4，5］）的隨機模擬數(shù)據(jù)，并根據(jù)生成的隨機數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計試驗就可得到較精確的概率值。這種方法精度高，避免了大數(shù)量采樣而且易于利用計算機程序?qū)崿F(xiàn)，所以得到了廣泛應(yīng)用。

影響危巖體穩(wěn)定性的因素眾多，大致可分為內(nèi)在因素如巖體強度、巖體組構(gòu)、地形地貌等，外在因素如坡腳開挖、降雨、地震等。一般而言，巖土體的強度對危巖體穩(wěn)定性起控制作用，且受取樣情況和實驗條件等多種因素影響，強度參數(shù)具有較大的不確定性。所以本文擬根據(jù)強度參數(shù)的概率分布特征分析危巖體的破壞概率。墜落式破壞和傾倒式破壞的危巖體穩(wěn)定性與巖體抗拉強度密切相關(guān)，而巖體抗拉強度的概率分布特征較難獲取，目前工程實踐中通常采用巖石抗拉強度的折減來近似代替巖體抗拉強度，因此本文只對南門灣危巖帶中的滑移式危巖體，即W6，W10，W13，W15進行研究。

區(qū)域內(nèi)地震基本烈度為Ⅵ度，可不考慮地震作用，因此本文僅分析天然工況和暴雨工況下各危巖體的穩(wěn)定性，穩(wěn)定性計算采用《地質(zhì)災害防治工程勘察規(guī)范》（DB50／143－2003）中的相應(yīng)公式。

對危巖體結(jié)構(gòu)面和巖石試驗參數(shù)加權(quán)求和，可得到危巖體裂隙的c和φ值并計算出它們的平均值、標準差，然后用蒙特卡洛模擬法進行隨機模擬。首先產(chǎn)生2 000組在（0，1）平均分布的隨機數(shù)ai，再利用以下公式產(chǎn)生2 000組c和φ值。

式中：μc和δc分別為c的平均值和標準差；μφ和δφ分別為φ的平均值和標準差。將以上產(chǎn)生的2 000組c和φ值進行統(tǒng)計試驗，代入《地質(zhì)災害防治工程勘察規(guī)范》中相應(yīng)公式就可生成各危巖體的2 000個穩(wěn)定性系數(shù)FS模擬值。根據(jù)伯努利大數(shù)定理，危巖體的破壞概率為

P＝N／2 000 ，

式中N為FS＜1的個數(shù)。由此得到各滑移式危巖體的破壞概率如表1所示。

表1 各危巖體破壞概率Table 1 Failure probability of dangerous rock masses under different conditions

各滑移式危巖體模擬穩(wěn)定系數(shù)的分布密度如圖2所示。

圖2 危巖體穩(wěn)定系數(shù)分布圖Fig．2 Distribution of the stability coefficients of dangerous rock masses

3．2 威脅對象及其易損性

危巖體的威脅對象E可分為人和經(jīng)濟對象，要視其影響范圍而定。假設(shè)影響范圍的面積集合為A，而可能存在威脅對象的面積集合為B，那么災害真正能威脅到的范圍（可以定義為有效威脅范圍）只能是A和B的交集。根據(jù)估算并結(jié)合危巖體破壞歷史可以知道，南門灣危巖體影響范圍明顯包括且大于其下方的公路，而公路以外并沒有人和經(jīng)濟對象，這樣就可以認為各危巖體的有效威脅范圍為其下方相應(yīng)影響長度的公路。

調(diào)查顯示，南門灣危巖帶下方公路的平均人流量大約為2 000人次／d。假定危巖體破壞與人在其下方行走為兩個相互獨立事件，即當人流量一定時，其在空間及時間上的分布變化對危巖失穩(wěn)造成的人員傷亡數(shù)目和傷亡程度沒有影響，則可假定公路上的行人在空間及時間上是平均分布的，危巖體威脅的人員對象就是人在危巖體下方的時間占一天總時間T的比值與一天的人流量乘積，有

式中：Ep為危巖體失穩(wěn)威脅的人員對象；V0為人的步行速度，取1．4 m／s；L為危巖體破壞時沿公路方向的影響長度，取危巖體沿公路方向長度的2倍，具體如表2所示。

受此滑移式危巖體威脅的經(jīng)濟對象包括其下方的公路、公路沿線埋設(shè)的管道、公路上行駛的車輛等?？紤]到此路段車輛大多繞道而行，車流量很小，本文對公路上車輛遭受的風險不做考慮。即受滑移式危巖體威脅的經(jīng)濟對象為各滑移式危巖體下方相應(yīng)影響長度內(nèi)的公路E1及公路兩側(cè)的供水管道E2和污水管道E3，經(jīng)實際情況分析后，對其價值估計如表2所示。

易損性V的定義為災害現(xiàn)象發(fā)生時對受威脅對象所造成的損失程度。易損性可以用0～1來表示，0表示無損失、1表示完全損失。

危巖體失穩(wěn)時，其下方人的易損性受人的年齡、性別、受教育程度、體能條件以及失穩(wěn)危巖體規(guī)模大小、沖擊能量等因素影響，要得出精確的理論值比較困難，本文根據(jù)南門灣危巖帶歷史曾經(jīng)發(fā)生的規(guī)模大于500 m3的危巖體失穩(wěn)造成行人傷亡的情況，并結(jié)合各危巖體沿公路方向單位影響長度的方量和最大落差對人的易損性進行分析。南門灣方量大于500 m3的危巖體失穩(wěn)造成行人傷亡的情況，有記錄的只有1998年8月發(fā)生的規(guī)模為1 100m3的破壞，造成8個行人受傷。各危巖體沿公路方向單位影響長度方量F和最大落差HL如表2所示，假定V主要由F和HL決定，可對各種情況下人的易損性V進行估計，結(jié)果如表2所示。

表2 人員傷亡風險Table 2 The risk of casualties

該危巖體下方污水管道、供水管道、公路在危巖體失穩(wěn)時的易損性受失穩(wěn)危巖的規(guī)模大小、沖擊能量大小、受威脅對象的位置與質(zhì)量等因素影響，采用和人的易損性估計相似的方法對各經(jīng)濟對象在各種情況下的易損性進行估計取值，具體如表3所示。

3．3 風險計算

風險的定義為特定災害現(xiàn)象對生命、財產(chǎn)、經(jīng)濟活動等可能造成的損失，風險評價即在災害發(fā)生前對這種可能的損失做出定量的計算分析，本文對危巖體失穩(wěn)造成的人員損失和經(jīng)濟損失風險分別計算。根據(jù)風險的計算公式

式中：R為危巖體的人員傷亡或經(jīng)濟損失的風險；P為危巖體失穩(wěn)概率；V為危巖體失穩(wěn)時人或經(jīng)濟對象的易損性；E為危巖威脅的人員或經(jīng)濟對象。各滑移式危巖體失穩(wěn)造成的人員傷亡風險Rp和經(jīng)濟損失風險RE計算結(jié)果分別如表2、表3所示。

由表可知，天然工況下4個滑移式危巖體的人員傷亡風險為0．30人，經(jīng)濟損失風險為15．16萬元，暴雨工況下人員傷亡風險為0．65人，經(jīng)濟損失風險為31．91萬元。

表3 經(jīng)濟損失風險Table 3 The risk of econom ic loss

以上分析得出的人員傷亡風險比一般危巖體失穩(wěn)計算出的人員傷亡風險小，這是由于本文研究的危巖體威脅的人員對象是公路上的行人，具有流動性，即當危巖失穩(wěn)時威脅人員在其下方的概率較小，而危巖體的威脅人員為民房內(nèi)居住人員的情況，危巖失穩(wěn)時人員對象在其下方的概率要大得多。

4 結(jié) 論

（1）利用蒙特卡洛模擬法得到了南門灣4個滑移式危巖體在自然工況和暴雨工況下的失穩(wěn)概率，根據(jù)實際情況分析了各危巖體的威脅對象及其易損性。

（2）在各危巖體失穩(wěn)概率、威脅對象及其易損性分析結(jié)果的基礎(chǔ)上，計算出各滑移式危巖體在2種工況下的人員傷亡風險和經(jīng)濟損失風險：天然工況下為0．3人，15．16萬元，暴雨工況下為0．65人，31．91萬元。南門灣滑移式危巖體人員傷亡風險評價結(jié)果較小，這是由于其威脅的人員為流動的行人。

（3）危巖體的穩(wěn)定概率計算主要基于強度參數(shù)的概率分布特征，而墜落式和傾倒式危巖穩(wěn)定性與巖體抗拉強度密切相關(guān)，目前實際應(yīng)用中巖體抗拉強度通常由巖石抗拉強度通過折減代替，所以墜落式和傾倒式危巖體穩(wěn)定性概率及其風險評價有待進一步研究。而且本危巖帶時常發(fā)生的掉塊導致的風險也有待進一步研究。

［1］ 許 強，陳 偉．單體危巖崩塌災害風險評價方法——以四川省丹巴縣危巖崩塌體為例［J］．地質(zhì)通報，2009，28（8）：1039－1046．（XU Qiang，CHEN Wei．Risk As-sessment Method for Single Rock Collapse Geo-Disaster：a Case Study on the Rock Collapse in Danba County，Si-chuan，China［J］．Geological Bulletin of China，2009，28（8）：1039－1046．（in Chinese））

［2］ 張路青，楊志法．公路沿線遭遇滾石的風險分析——案例研究［J］．巖石力學與工程學報，2004，23（21）：3700－3708．（ZHANG Lu-qing，YANG Zhi-fa．Risk Analysis of Encountering Rock Fall Along Highway——a Case Study［J］．Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering．2004，23（21）：3700－3708．（in Chinese））

［3］ 張路青，楊志法，張英?。费鼐€遭遇滾石的風險分析——方法研究［J］．巖石力學與工程學報，2004，24（增2）：5543－5548．（ZHANG Lu-qing，YANG Zhi-fa，ZHANG Ying-jun．Risk Analysis of Encountering Rock Fall Along Highway——Method Study［J］．Chinese Jour-nal of Rock Mechanics and Engineering．2004，24（S2）：5543－5548．（in Chinese））

［4］ 謝全敏，朱瑞賡，池秀文．危巖塊體穩(wěn)定性分析的蒙特卡羅邊界法［J］．災害學，1998，13（2）：37－41．（XIE Quan-min，ZHU Rui-geng，CHI Xiu-wen．Monte-Carlo Boundary Method in Stability Analysis of Dangerous Rock Masses［J］．Journal of Catastrophology，1998，13（2）：37－41．（in Chinese））

［5］ 羅文強，晏同珍．斜坡穩(wěn)定系數(shù)的概率分析［J］．地球科學，1996，21（6）：653－655．（LUOWen-qiang，YAN Tong-zhen．Probability Analysis of Stability Coefficient of Slope［J］．Earth Science，1996，21（6）：653－655．（in Chi-nese） ）

（編輯：曾小漢）

Risk Assessment for Nanmenwan Sliding Dangerous Rock M asses

LIYi1，YAN E-chuan1，HU Xian-ming1，YANG Jian-guo2
（1．Engineering Faculty，China University of Geosciences，Wuhan 430074，China；2．Chongqing Institute of Geology＆Mineral Resources，Chongqing 400042，China）

Located in Wuxi county，Nanmenwan dangerous rock zone has encountered failure formany timeswhich caused deaths ofmore than 100 people and restricted local social and economic development．On the basis of previ-ous researches，four sliding dangerous rock masses from the zone were chosen as research objects，and their failure probability in normal and rainstorm conditionswere calculated by Monte Carlo simulation．The elementat risk of the rock masses aswell as their vulnerabilitywere also analyzed based on the actual situation．Finally，according to the computation of the above data，the authors concluded that under normal condition，the casualty risk was0．30 per-son，and the economic loss risk was 151，600 yuan；while under rainstorm condition，the casualty risk was 0．65 person，and the economic loss risk was319，100 yuan．Risk assessment results can be used as reference for disaster prevention and reduction．

sliding dangerous rock；failure probability；element at risk；vulnerability；risk assessment

P642

A

1001－5485（2011）05－0014－04

2010-05-26

教育部新世紀“優(yōu)秀人才支持計劃”資助項目（NCET－07－0775）

李 漪（1987-），男，土家族，湖北神農(nóng)架人，碩士研究生，主要從事地質(zhì)災害防治研究，（電話）15337129517（電子信箱）ly77401＠163．com。