降雨型滑坡定量风险评价研究—以宣恩县干坝滑坡为例
滑坡风险评价及管理是滑坡研究领域重要的课题之一,滑坡风险研究涉及滑坡灾害编录、滑坡危险性、承灾体易损性、风险等级划分等方面内容。自20 世纪70 年代至今, 经过40 多年的研究和完善,在滑坡灾害编录、区域滑坡风险评价、滑坡风险制图、滑坡灾害风险评价系统建设等方面取得了众多研究成果,有些成果已较好地服务于地质灾害防治和国土规划建设方面[1-4] 。 虽然滑坡风险研究取得了一系列进展,但是对于单体滑坡定量风险研究仍有许多问题亟待解决, 如滑坡作用强度的确定、滑坡易损性的定量计算、风险制图标准以及风险结果的实用表述等。陈丽霞研究了三峡库区库岸单体滑坡及次生涌浪灾害的风险,对赵树岭滑坡进行了实例分析[5] ;Ragozin 等建立了不同灾种与室内人员伤亡的统计函数[6] ;吴树仁分析了单体滑坡风险评估的流程和技术方法,对滑坡风险评估与管理主要内容进行了系统论述[7] ;杜鹃等通过建立不同降雨重现期下滑坡发生概率与降雨年超越概率的关系来求解降雨型滑坡发生的年概率[8] ;徐勇等以湖北省西南地区五峰县凉风洞滑坡为例,应用Geo-studio 软件对不同降雨条件下滑坡渗流场和稳定性进行了模拟分析[9] 。
本文结合武陵山区地质灾害风险调查与评价的实践,以湖北宣恩县干坝滑坡为例,进行降雨型滑坡定量风险评价研究,在研究不同降雨重现期下滑坡渗流场和稳定性变化规律及滑坡影响范围分析的基础上,定量分析不同降雨重现期下逐个建筑物和室内人员风险。
1 滑坡基本特征
干坝滑坡位于宣恩县珠山镇三河沟村,场地地理位置及全貌图如图1 所示。干坝滑坡平面形态呈舌形,滑坡体纵长630 m,横宽504 m,面积33.27×104 m2,滑体平均厚约9 m,体积299.43×104 m3。 滑坡左右均以冲沟为界,主滑方向为275°,滑坡前缘直抵龙潭河河床,高程在490 m,滑坡后缘高程650 m。滑坡中后部比较平缓,前缘较陡,坡度在25°左右,干坝滑坡平面图如图2 所示。
AP聚类是数据点间基于消息传递的算法,主要传递两种类型的消息:responsibility(吸引度信息)和availability(归属度信息)[11].该算法无需事先设定聚类数量,可根据数据点间的通信确定最合适的聚心.
该滑坡滑体主要为滑坡堆积物碎块石土,土石比为6:4 ~ 7:3。 滑坡前缘岸坡为第四纪冲洪积物,岩性主要为黄褐色碎块石土夹漂卵砾石,厚度为1~ 2.5 m,碎石块径一般为0.5 ~ 3 cm。 滑体中间厚、前后缘薄,地下水位埋深在1~11 m 间变化,前缘埋深浅,在中后部埋深深。 滑床的组成主要为巴东组岩体,滑坡中上部为巴东组二段(T2b2)紫红色薄层泥质粉砂岩,滑坡中下部为巴东组三段(T2b3)黄灰色泥灰岩夹泥岩,地层代表性产状为295°∠35°,巴东组四段(T2b4)分布集中于斜坡靠河岸一侧,工程地质剖面如图3 所示。
图1 干坝滑坡地理位置及全貌图Fig. 1 The geographic location and geomorphology of Ganba landslide
图2 干坝滑坡平面图Fig. 2 Geological map of Ganba landslide
干坝滑坡于2005 年开始在后缘附近出现拉裂缝,基岩与第四系堆积物呈加速脱离的趋势。 目前主要变形迹象为局部崩落掉块及地裂缝, 滑坡在580 ~ 625 m 高程分布的“S”形公路内侧多处发生小型垮塌,崩落,单个坍滑点方量较小,多在持续降雨过程中或雨后突然发生。滑坡目前整体处于潜在不稳定状态,近期变形特征明显,主要集中在前缘公路内侧剪出口处, 预测滑坡发展趋势为不稳定,在降雨作用下存在整体滑动的可能。
2 滑坡危险性分析
2.1 降雨极值分析
干坝滑坡产生变形破坏的主要诱发因素为降雨,其破坏模型为降雨型。 分析该滑坡的危险性,关键因素是要合理地确定不同重现期的极值降雨量。本文采用耿贝尔分布曲线,其密度函数分布形式为[5] :
根据高等职业教育学校护理专业学生的培养目标,以及招生现状,校内实训基地的建设显得尤为重要。在临床实践中,专任教师能够对比校内实训基地与临床的异同、环境设置是否合理、实训设备是否改进,用以指导实训中心的建设与不断完善,最终达到技能学习由基础技术过渡到专科技术再转变为职业能力的递进式培养目标。
式中,a 为尺度参数,u 为分布密度参数, 采用Gumbel 方法进行参数估计。
本文提出了一种双DMA缓冲机制,其核心在于采用双DMA缓冲通道读取数据,减少PCIE的空闲等待时间,基本工作原理如图2所示。
其中和σy 为样本χ 的均值及标准差。故可得以某一重现期为T 的极值降雨强度RT:
降雨量采用宣恩县1985-2015 年的降雨数据,可计算出重现期为10 年、20 年和50 年一遇5 日累积降雨量[9-10] ,不同重现期降雨量值如表1。
2.2 滑坡破坏概率计算
根据干坝滑坡现场调查数据、现状稳定性及发展趋势分析,将滑坡稳定性计算工况分为如下四种:
工况Ⅰ:天然工况;
有的资产管理软件太高级,未考虑到实际工作中的变化和情况的复杂性;有的功能太多反而不利于操作和维护,导致花大价钱投入的高级资产管理系统实用价值和回报有限。
(二)在我国经济社会快速发展进程中,强调坚持以人为本、全面可持续发展,提出科学发展观成为党的新指导思想,丰富和发展了中国特色社会主义理论体系
图3 干坝滑坡2-2’工程地质剖面图Fig. 3 Cross-section 2-2’ of the landslide
工况Ⅱ:自重+10 年一遇5 日累积降雨工况;工况Ⅲ:自重+20 年一遇5 日累积降雨工况;工况Ⅳ:自重+50 年一遇5 日累积降雨工况。
根据已有的勘察资料和类似滑坡的经验值,碎石土的饱和渗透系数建议采用1.736×10-5m/s,强风化带饱和渗透系数建议采用3.472×10-5m/s。 采用Geo-studio 软件模拟实现滑坡不同降雨工况下滑坡地下水位的分布情况;不同基质吸力下滑体的渗透系数可采用Van Genuchten 模型求得。 根据勘查期间测得的地下水位确定滑坡的初始地下水位,采用Geo-studio 软件Seep 模块, 模拟分析10 年、20年、50 年一遇5 日累积降雨条件下滑坡渗流场变化,工况Ⅳ条件下滑坡地下水的分布情况见下图4。
在滑坡渗流模拟的基础上计算干坝滑坡不同工况的破坏概率。根据室内土工试验数据和工程类比相邻滑坡工程地质勘查数据,综合确定滑坡稳定性计算参数建议值见表2。 滑坡稳定性计算模型采用摩根斯坦—普瑞斯法,不同工况下滑坡的稳定系数和破坏概率采用蒙特卡罗方法计算,结果如下表3。
3 易损性分析
3.1 承灾体调查
根据该区域历史滑坡变形破坏后滑动距离的类比,推测滑移距离最远至滑坡前缘的第3 排房屋建筑区,最近为紧邻坡体的建筑区,以此确定滑坡滑移距离和影响范围,滑坡到达角α 的最大值和最小值分别为19°和15°, 估算相应的滑坡到达承灾体的概率为P(T:L)为0.89 和0.11。
表1 宣恩县不同重现期5日累积降雨量[9-10] Table1 Cumulative rainfall at different return period
计算参数 重现期/年 降雨量/mm a u 0.0282 117.2631 10 20 30 197 223 256
表2 滑带土计算参数建议值Table 2 Suggested parameter of landslide soil
重度KN/m3 20 C/ kPa均值20标准差2.5 Φ/°均值16标准差2
表3 不同工况下滑坡稳定性计算结果Table 3 Factor of safety and probability
工况Ⅰ 工况Ⅱ 工况Ⅲ 工况Ⅳ稳定系数破坏概率1.152 7.24%1.075 22.78%1.031 38.44%0.981 55.46%
3.2 滑动距离估算
干坝滑坡所威胁的承灾体主要是规划的教育城用地,主要威胁对象为居民楼、幼儿园、三河沟小学、艺术楼以及初中和高中陪读公寓等。 根据规划资料及现场调查结果,小学楼3 栋,幼儿园4 栋,住宅楼43 栋,艺术楼1 栋,陪读公寓2 栋,估算威胁的人口约为2700 人。 滑坡影响范围内经济类承灾体价值估算见表4。
根据斜坡结构特征、滑动距离及承灾体分布特征,将滑坡体和影响范围分成4 个区:整个滑坡体作为1 区,滑坡坡脚至前缘体育馆为2 区,体育馆及足球场西侧至艺术楼为3 区,滑坡的后扩范围为4 区,滑坡的后扩范围根据地形地貌、现场调查及工程地质经验得到。
分组要遵循互补原则,使不同层次的学生不同性格的学生通过合作学习,达到互相补充,互相促进,在合作探究中提升学习能力与效率。学习小组既要保持一定的稳定性,又要根据实际进行适当的调整,以达到最佳效果。在分组基础上,教师要引导学生合理分工合作,明确每一位组员学习任务,确保所有小组成员都能够参与合作学习,避免出现个别成员随意附和现象,培养学生团队协作能力。
3.3 易损性分析
易损性分析的核心是灾害体与承灾体的相互作用, 其大小不仅取决于灾害体本身的作用力,还与承灾体抵抗能力有关。本文结合国内外学者的研究成果并结合干坝滑坡实际情况[4,7] ,对滑坡影响范围内不同区域房屋和人员易损性进行如下规定:
图4 工况Ⅳ滑坡地下水分布图Fig. 4 Seepage field at scenario 4
表4 滑坡范围内经济类承载体单价Table 4 Amount and value of elements at ris
注:承灾体经济价值参考当地物价局标准,室内财产以调查为准
承灾体类型建筑单位 单价/万元m2 m2 m2公路土地土木砖混钢混县道耕地km m2 0.01 0.08 0.133 20 0.02
(2)滑坡体上的建筑物由于滑坡的整体破坏易于整体倒塌破坏,故易损性取1。
(1)干坝滑坡前缘紧邻健身场地和公路,建筑物较密集,多为砖混结构,楼层数为1~4 层,维护状况一般,滑体冲击力方向与建筑物轴向夹角接近于0~5°,结合本滑坡的承灾体特点、已有经验并运用工程地质类比法, 建筑物位于2 区易损性定为0.84。
由上可知,“农业为主”论在教育界乃至政界均有一定的共识,他们认为中国“以农立国”,而且现实国情也要求中国应当重点发展农业,因此发展生产教育应当以农业为主。其中又有“农业为主,工业为辅”与单纯强调“农业为主”两种观点的区别。
(5)室内人员的易损性随建筑物的易损性增加而增加,在滑坡体上由于滑坡的整体下滑,人员的易损性最高,即1 区人员的易损性取1。 干坝滑坡前缘影响范围内建筑物多为规划区新建钢混结构,滑坡区前缘为教育文化区幼年儿童分布密集,为安全出逃和躲避房屋垮塌带来了困难, 即2 区人员的易损性定为0.4。 由于2 区建筑物的阻挡作用,3 区室内人员的易损性最小,取值0.1。 由于4 区没有房屋建筑,因此该滑坡不考虑4 区的室内人员易损性。
(4)滑坡后缘由于没有房屋建筑,因此该滑坡不考虑4 区的建筑易损性。
(3)由于2 区建筑物的阻挡作用,会减小对3区建筑物的冲击力,3 区建筑物的易损性值会降低,综合取该区的建筑物易损性为0.2。
4 滑坡风险评价
4.1 单体滑坡风险分析
滑坡风险可定义为一定区域一定时间段内,由滑坡灾害造成的人员伤亡和财产损失。滑坡风险分析可分为经济风险和人员风险分析。滑坡经济风险评价模型可采用下式计算:
式中,R(prop)为滑坡造成的财产损失;P(L)为滑坡的发生频率,即破坏概率;P(T:L)为滑坡到达承灾体的概率;P(S:T)承灾体的时空概率;V(prop:S)为承灾体易损性;E 为承灾体价值。 滑坡造成的社会风险,即滑坡造成的人员伤亡概率可按下式计算:
(二)抗体检测 通过新城疫抗体检测比较发病前后的抗体情况,如果发病前抗体水平高,且抗体滴度比较均匀,而发病后新城疫抗体变得参差不齐,即可作出诊断。
式中,P(LOL)为人员伤亡概率;V(D:T)为人员易损性。
图5 滑坡室内人员年风险值计算示意图Fig. 5 Annual population risk of thelandslide
滑坡单体风险计算涉及的时空概率计算参数说明如下:假设每人每天有18 小时待于房屋内,人员的时空概率为P(S:T)=0.75。而对于滑坡影响范围内的房屋和土地等承灾体, 它们的位置固定不变,故其时空概率都取为1。 根据滑坡危险性和承灾体易损性的规定,可按公式(7)、(8)计算滑坡影响范围内的经济和人员风险, 计算过程以50 年一遇降雨工况为例说明,具体的计算参数如表5、表6。 在50年一遇暴雨工况下, 室内人员总风险值达到了566.71 人,滑坡总经济风险值达到了5548.8 万元,其中土地风险值为2905.4 万元, 房屋及其室内财产风险值为2624.6 万元, 省道及县道公路风险值为18.8万元,河道及其它间接经济损失均未计算在内。
4.2 滑坡年风险值计算
滑坡在不同降雨重现期下的风险值是一种条件风险,转化为一定时间尺度的风险值可采用超越概率的方法。 根据上述公式可分别计算出滑坡10年、20 年、50 年降雨重现期下滑坡的经济和人员总风险值,根据10 年、20 年和50 年降雨重现期下滑坡损失值与降雨年超越概率的关系,可分别建立人口总风险、财产总风险与年超越概率的关系曲线如下图5、图6 所示,曲线下方的积分面积则为滑坡相应的经济、人员年风险值,计算可得室内人员年风险值为125.57 人,滑坡经济年风险值为1229.69 万元。
4.3 滑坡风险表达
图6 滑坡经济年风险值计算示意图Fig. 6 Annual economic risk of the landslide
以ARCGIS 为平台, 利用DEM 数字高程模型制作滑坡体及影响区三维模型,将10 年、20 年、50年不同降雨条件下建筑物和室内人员风险计算结果显示在三维模型上(图7),根据不同建筑物、室内人员风险损失值的差异,可将房屋风险和室内人员风险进行不同等级划分,并用不同的颜色标注于三维模型上, 可以明显看出随着降雨量的增大,室内人员和建筑物的风险值也随之增大。该模型能直观的展示滑坡不同部位随降雨量的改变滑坡房屋、室内人员风险值的变化,且能迅速查询滑坡影响范围内各个建筑物的风险值和滑坡不同部位人员的风险值, 该风险评价成果便于国土主管部门快捷、直观地做出最优处置方案。
5 结论
表5 工况4滑坡经济风险值计算表Table 5Economic risk at scenario 4
区 P(L)/%P(T:L) P(S:T)1 2 3 55.460.89 55.46 55.46 0.89 0.11 1 1 1合计V(prop:s) R(prop)/万土地1房屋1县道1房屋0.84房屋0.2 2905.4 1878.7 11.4 720.6 25.3 7.4 5548.8
表6 工况4滑坡室内人员风险值计算表Table 6 Population risk at scenario 4
区 P(L)/%1 2 3 55.46 55.46 55.46 P(T:L) V(D:T)0.89 0.89 0.11合计1 0.4 0.1 P(S:T) 损失人数/人0.75 0.75 0.75 554.21 10.96 1.54 566.71
根据降雨资料确定了不同重现期的极值降雨量,模拟分析了干坝滑坡不同降雨工况下滑坡渗流场特征及稳定性状况。 随着降雨量的持续增大,滑坡稳定性逐步降低,破坏概率逐步增大,在50 年一遇暴雨工况下滑坡破坏概率为55.46%。 根据滑坡作用强度的差异和建筑物承灾能力,将滑坡影响范围分为4 个区,定性确定建筑物和室内人口的易损性值。从人口和经济两个方面计算了滑坡10 年、20年、50 年一遇降雨条件下建筑物和室内人员的风险值, 并采用超越概率的方法计算了滑坡年风险值。 以DEM 数字高程模型为基础制作滑坡三维模型展示不同降雨工况下房屋和室内人员风险的分布,该模型能直观、快捷地显示和查询滑坡影响范围内不同部位的建筑物和人员风险值,有助于国土主管部门对单体滑坡风险的管理。
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