湘西某红砂岩顺层滑坡风险评估

周斌¹，刘杰¹，何杰¹，杨庆光¹，陈永贵²

(1. 湖南工业大学 土木工程学院，湖南 株洲，412008；

2. 长沙理工大学 土木与建筑学院，湖南 长沙，410004)

摘要：根据边坡风险识别的内容和常用的识别方法，建立红砂岩顺层边坡危险性评价的指标体系和量化标准，提出边坡失稳概率的确定方法，对边坡失稳易损性的构成和评价方法及边坡可接受的风险水平进行研究；结合工程实例，评估湘西某红砂岩边坡1号蠕滑变形体的滑坡风险，并采取移民拆迁、边坡整治、监测预报等风险管理措施。监测结果表明：所采取风险管理措施是可靠的。

关键词：红砂岩；顺层边坡；概率；风险水平；风险评估

中图分类号：TU457           文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2013)01-0356-06

Risk assessment on one red sandstone bedding landslide in western Hunan

ZHOU Bin¹, LIU Jie¹, HE Jie¹, YANG Qingguang¹, CHEN Yonggui²

(1. School of Civil Engineering, Hunan University of Technology, Zhuzhou 412008, China;

2. School of Civil Engineering and Architecture, Changsha University of Science and Technology, Changsha 410004, China)

Abstract: Based on the contents and the commonly used methods of risk identification of the slope, the hazard assessment index system and quantitative criteria of red sandstone bedding slope were built. A method of determining the slope failure probability was put forward. The constitution and evaluation method of the vulnerability, and the acceptable level of risk of slope were studied. Combined with the engineering example, landslide risk of No.1 creep deformation of some red sandstone slopes in western Hunan was assessmented. Demolition, slope treatment, monitoring forecast and other risk management measures were taken. The monitoring results show that the risk management measurements are effective.

Key words: red sandstone; bedding slope; probability; risk level; risk assessment

边坡是公路建设中最普遍也是极重要的地质环境，常吉(湖南常德—吉首)高速公路是长沙至重庆高速公路的组成部分，投资规模大，通车里程长，沿线分布大量缓倾角红砂岩，易风化崩解，长期强度低，普遍分布有1~20 cm厚泥质薄膜及泥化夹层，易沿层面产生顺层滑坡。风险分析是对风险进行识别、分析、估计及处理决策的过程。人们对边坡风险评估起步较晚，从20世纪80年代初开始，国外一些学者对红砂岩进行了研究^[1-3]；Dai等^[4]研究了滑坡灾害的危险性，Ei-Ramly将边坡稳定分析的概率方法应用于岩土工程实际中^[5]。我国李云鹏等^[6-9]对顺层边坡失稳破坏机理进行了研究；朱良峰等^[10]研发了基于GIS的区域地质灾害风险分析系统；石菊松等^[11-15]对边坡灾害进行了风险评估研究。

1  风险评估

1.1  风险识别

风险识别包括收集数据或信息、确定风险事件，并将风险归纳、分类、编制风险识别报告。风险识别的方法主要有专家访谈或问卷的形式、成本分析，还包括检查表法、分解分析法、图解法、头脑风暴法、德尔菲法、情景分析法和故障树分析法等。

1.2  风险估计

1.2.1  危险性评价

危险性评价指标选取原则有主次原则和层次原则。

主次原则是将具有重要作用或直接关系的要素指标纳入潜在危险性分析，次要的、间接性要素指标则舍去；层次原则是将公路边坡失稳的潜在危险性层次指标依次分为背景指标、分析指标和目标指标。危险性评价指标类型见图1。

指标体系中坡角、坡高、日最大降雨量和地下水位高程为定量指标，岩组类型、风化程度、新构造活动性、断层特征、结构面特征、结构类型、爆破震动和工程活动为定性指标。综合分析评价时，主要根据有关统计资料、现场分析和专家打分等方法，结合表1对各指标进行量化。量化各指标时，按最不利情况下的量化结果确定风险评价等级。

若边坡的历史滑坡频数记录完善，则可进行基于历史滑坡频率的概率分析，由此得到相应的边坡失稳概率。然后，将此概率与基于边坡失稳的潜在性概率分析结果进行比较，以两者之中破坏概率大的作为边坡的失效概率。

图1  影响红砂岩顺层边坡稳定性的主要因素

Fig.1  Main stability influence factors of red sandstone bedding slope

表1  岩质边坡稳定性影响因素分级表

Table 1  Table of rock slope of tability influence factors classification

1.2.2  易损性评价

易损性是指滑坡影响范围内承灾体的损失程度。承灾体主要包括该地区受滑坡潜在影响的人员、建筑及工程项目、公共设施、经济活动、地下建筑物和环境配套设施，需估计其存在的可能性与潜在的发展变化性。

1.3  边坡可接受风险水平研究

1.3.1  研究方法

风险的可接受水平与社会背景、文化背景等密切相关。对滑坡可接受风险水平，各个国家有很大差异。在环境污染、交通等安全领域内，评价和确定的可接受风险方法主要有ALARP准则、F-N曲线法等。

F-N曲线法用F-N曲线表示死亡的人数N与超过概率之间的关系特征：

≤             (1)

式中：F_N(x)为年死亡人数的概率分布函数；n为风险水平线斜率；C为风险水平线截距。

ALARP准则将风险分为不可接受区、合理可行的最低限度区(ALARP)和广泛接受区3个区域，积分曲线为：

           (2)

ALARP准则是由英国健康和安全委员会确定的，已建设施的可接受风险线以及可忽略风险线分别对应于年死亡概率10^-4和10^-5，而拟建设施分别为10^-4和10^-6。

1.3.2  滑坡个体风险标准

参照Fell的风险标准，我国滑坡被动承担者的可容忍单个风险可定为1.0×10^-4次/a。对于主动承担者，可容忍风险可定为1.0×10^-3次/a。若超过该风险，一般认为是不可容忍的。

1.3.3  滑坡社会风险标准

参照澳大利亚和我国香港特别行政区的相关规定^[16]，充分考虑我国的经济承受力，要求可容忍风险最高不大于1.0×10^-3次/a，可接受风险不高于1.0×10^-5次/a。若1次灾害伤亡超过1 000人，则属于绝对不可容忍风险。

1.4  边坡风险评价和风险管理

通过上述分析，确定了拟评价边坡的风险，然后，将该边坡所处的风险与边坡容许标准和价值标准进行比较，若边坡所处风险未超过其相应的可接受风险水平，则该边坡是安全的；若超过了其相应的可接受风险水平，则该需采取风险减缓措施，制定风险减缓和控制计划。对于公路边坡，常采用风险规避、风险转移、风险缓解、风险自留等风险对策。

2  湘西某红砂岩顺层滑坡风险评估

工程区位于常吉高速公路第21标段沅水沿河段(K169+200 m~K171+900 m)，地处湘西，路基为半挖半填，边坡多为顺层边坡。1号蠕滑变形体分布于公路桩号K169+460 m~K169+735 m。

2.1  风险识别和危险性分级

根据表1中的评定分级标准，对地形地貌、地层岩性、地质构造、水文地质条件和不良物理地质现象等稳定性评级。

2.1.1  地形地貌

该地段是顺向坡段，地形的坡度为17°~20°，相对坡高为115 m左右。公路下方民房较多，地表植被发育。根据坡高和坡度，地形地貌危险性分级评定为稳定较差(Ⅲ级)。

2.1.2  地层岩性

基岩岩性以紫红色泥质粉砂岩、粉砂质泥岩为主，夹厚—巨厚层状砂岩，遇水易软化。地层岩性危险性分级评定为稳定较差(Ⅲ级)。

2.1.3  地质构造

产状为N60°~80°E，NW∠15°~25°，为单斜构造。走向与坡向基本一致，公路内侧发育F1，F2和F3共3条走向与边坡基本正交或大角度相交的断层，破碎带宽0.5~2.0 m。节理裂隙较发育，主要有3组节理：(1) N70°W，SW∠65°；(2) N35°W，NE∠70°；(3) N40°~50°E，SE∠65°。根据岩层产状与边坡的走向和倾角绘制了赤平投影图，投影结果表明岩体有沿交线滑动的危险，因此，地质构造危险性分级评定为稳定差(Ⅳ级)。

为保证边坡的安全与稳定，需进一步对边坡变形岩体稳定性进行估算。

2.1.4  水文地质条件

实测流域日最大降雨量为325 mm，地下水为基岩裂隙水及孔隙水，水量较小，埋深为8~23 m，因此，水文地质条件危险性分级评定为稳定差(Ⅳ级)。

2.1.5  不良物理地质现象

区内不良地质现象主要为岩石风化、边坡开裂及滑坡。次级滑坡位于桩号K169+620 m~K169+735 m段。由于公路开挖切脚后，上覆岩体前缘临空，层面间夹3~5 m厚泥膜，抗剪强度低，岩体易失稳。在K169+460 m~K169+550 m公路上方，边坡开裂，顺F1断层方向。据调查，公路下方约70%的房屋均不同程度地存在开裂现象，这说明该段边坡目前正处于蠕滑变形状态。若外界条件改变，则极有可能产生整体失稳。从地表植被判断，边坡上部有许多树木微微向坡下弯曲，极似 “马刀树”；因此，不良物理地质现象危险性分级评定为稳定差(Ⅳ级)。

2.2  风险估计

2.2.1  危险性评价

该段边坡在历史上发生过变形，且目前正处在蠕滑变形阶段。通过专家评议，简化操作程序，综合判断1号蠕滑变形体稳定性级别为Ⅳ类，稳定性差。

有历史记载的滑坡发生在1987年，但无连续的滑坡事件记录，无法计算该边坡的基于历史滑坡频率的概率，为此，采用边坡失稳的潜在性概率分析来确定边坡失稳概率。

本次分析采用基于可度性分析的MonteCarlo模拟法来计算1号蠕滑变形体的失稳概率。岩土物理力学参数建议值如下：泥化夹层黏聚力的标准差为1.094，平均值为9.44 kPa；摩擦因数的标准差为0.025，平均值为0.217。 计算剖面见图2。

图2  1号蠕滑变形体稳定性分析计算剖面

Fig.2  Analysis calculation profile of No.1 creep deformation stability

该边坡安全等级为Ⅰ级，在正常工况(自重+地表荷载+正常库水位108 m)和非正常工况(自重+地表荷载+扩机库水位114 m+10年一遇暴雨)时的边坡安全系数、可靠指标和失效概率的计算结果见表2。

表2  边坡安全系数、可靠指标和失效概率的计算结果

Table 2  Calculation results of slope safety factor, reliability index and failure probability calculations

2.2.2  易损性评价

(1) 对承灾体中人员的价值进行核算。承灾体的类型和数量见表3。

总人口为476人，承灾人口为228人。参照《人身伤亡赔偿方法》，平均年龄按35岁，人均赔偿金额为76.3万元。根据历史滑坡人身伤亡水平，取平均伤亡率为0.76，采用Morgan提出的评价1个独立个体的风险计算公式进行计算：

     (3)

式中：R(IN)为独立个体发生伤亡的年频率；P(H)为灾害(这里指滑坡)的年发生频率；P(S/H)为灾害的空间破坏频率；P(T/S)为考虑时间效应影响的概率；V(L/T)为个体的脆弱程度。取P(H)为0.107 2，P(S/H)为1，P(T/S)为0.667(设1个人每天呆在屋内或处在危险区的时间为16 h)，V(L/T)为0.8，则独立个体发生伤亡的年频率为：

生命损失量为：

(人)

人员价值损失为：

(万元)

(2) 对承灾体中物的价值损失进行核算。承灾体中物的价值损失核算见表3。

表3  承灾体类型及数量

Table 3  Disaster bearing body type and number

采用Morgan提出的评价财产损失的风险计算式进行计算：

       (4)

式中：P(R)为以货币为单位的每年财产的损失；V(P/S)为建筑物滑坡灾害的脆弱程度；E为以货币为单位的损失。

(万元)

风险总值为：

(万元)

2.3  蠕滑变形体风险水平

2.3.1  边坡风险评价

1号蠕滑变形体的个体生命风险R(IN)=0.057 2＞10^-3，为不可接受风险。

生命损失量N(IN)=10(人)，在边坡服役期内，若不采取措施，则可能有10人丧失生命，因此，该边坡需采取风险减缓措施。

2.3.2  风险管理

为保证居民的生命财产安全，首先需移民拆迁。

1号蠕滑变形体失稳的影响主要涉及大里溪村的75户村民，种植业是当地农民的主要经济收入，社会经济结构以农业为主。目前农民的收入还处于较低水平，社会经济发展相对滞后。此次拆迁共移民75栋476人，补偿金额2 719 067元，拆迁安置人口采用本村分散安置形式进行安置。

为控制坡体变形，移民拆迁完成后，对1号蠕滑变形体的治理进行专项设计，具体的处治措施如下：开挖坡面设置15 m深排水孔，间距为5 m；设置2~3 m抗滑桩1排，水平间距为6 m；2 MN级锚索4~8排，水平间距为4~6 m。公路上部开挖坡面采用草皮护坡，回填反压区水下塞克格宾护脚，水上雷诺护垫护坡。公路以上边坡削坡减载+挡土墙支护，后缘拉裂缝采用黏土回填处理，河岸坡脚回填反压。

为确保边坡安全，采取可靠监测预报。采用的主要监测项目有地表位移监测(GPS)、桩身应力应变监测、桩侧土压力监测、深部位移监测、锚索应力监测、地下水位监测、孔隙水压力监测、水库库水位监测和地面裂缝位错监测。监测结果表明：监测前期地表位移及深部位移的最大变化量达8 mm，地表变化速率达0.13 mm/d，但后期位移稳定。这说明蠕滑变形体的变形已得到有效控制，边坡治理方案是合理的。

3  结论

(1) 分析了红砂岩顺层边坡风险识别的内容和常用的识别方法，建立了红砂岩顺层边坡危险性评价的指标体系和量化标准。

(2) 提出并实例分析了边坡失稳概率的确定方法，对滑坡易损性的构成和评价方法进行了研究。承灾体中人员的价值核算和财产的价值核算在滑坡风险评估中至关重要。

(3) 参照澳大利亚和香港政府的风险标准，结合我国的经济承受力，对边坡可接受的风险水平进行了研究。

(4) 应用防治—监测—检查—反馈的思路，评估了湘西某红砂岩边坡1号蠕滑变形体的滑坡风险。监测结果表明所采取风险管理措施是可靠的。

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(编辑  陈灿华)

收稿日期：2012-04-11；修回日期：2012-06-23

基金项目：湖南省自然科学基金资助项目(10JJ6005)

通信作者：周斌(1972-)，男，湖南新化人，博士，副教授，从事岩土工程的教学和科研工作；电话：13054092969；E-mail: 13973730022@139.com