十堰市某滑坡风险分析评价

廖祥东，黄 锐，杨连旗，李 云，王亚男，王 兵，李依平

(湖北省地质局 武汉水文地质工程地质大队,湖北 武汉 430051)

十堰地区位于湖北省西北部,地处秦巴山区腹地,地质条件复杂；由于其特殊的地质环境和强烈的人类工程活动影响,使得区内地质灾害尤为频发。据统计资料显示,十堰地区调查在册的地质灾害隐患点达5 226处,以滑坡灾害类型为主,共3 612处,占地质灾害点总数的69.12%。针对防灾减灾工作的现实需要,应站在滑坡风险管理的角度来评价滑坡灾害对人类生命财产的危害水平,为地方政府经济有效的实施防灾减灾方案及决策提供技术支撑。

滑坡风险评价与管理已成为地质灾害防灾减灾战略的重要手段之一,一直是国际上研究的热点,除了香港地区外,国内其他地区地质灾害风险评价及管理研究与发达国家存在较大差距,起步较晚。目前国内仅湖北省自然资源厅于2019年发布了《湖北省县(市)地质灾害风险调查评价技术要求(1∶5万)》(试行)等系列风险评价技术指南(要求)。

以十堰市某滑坡为实例,开展风险分析评价,根据滑坡风险评价结果,提出滑坡风险管理措施建议,为当地政府提供技术支撑，对今后开展单体滑坡风险分析评价提供方法借鉴。

1 滑坡概况

1.1 滑坡基本特征

该滑坡所在斜坡地处武当山脉和大巴山之间,地貌单元属构造剥蚀中—低山区地貌,北距境内青峰断裂带约3.2 km。该滑坡平面形态呈不规则舌形,剖面形态呈阶梯形,主滑方向280°,整体坡度18°,滑动方式属复合式,规模755.39×104m3,属大型土质滑坡(图1)。

图1 十堰市某滑坡全貌(镜向100°)Fig.1 A landslide in Shiyan City

滑坡体物质主要为第四系滑坡堆积(Qdel)黄褐色粉质粘土夹碎石,滑面为土岩接触面,滑床为中元古界武当山群(Pt2w)变质砂岩、绢云母片岩下,片理产状355°∠28°,斜坡结构类型属横向斜坡(图2)。

滑坡体中后部地势低洼处零星分布有2处泉点,前部居民区后坡体出露1处泉点,均为第四系松散堆积层孔隙潜水,说明滑体含水量较大。

1.2 滑坡变形特征

该滑坡自2005年8月14日以来其前缘就有变形活动迹象,变形逐步由中前部向后部发展,导致滑坡中部居民房屋均出现开裂破坏,部分房屋倒塌,致4户居民被迫搬迁；坡体上电线杆发生倾斜,滑坡左侧中前缘坡体下滑。近年来,滑坡变形加剧,坡体新增大量拉张裂缝坡体,多处出现垮塌,形成多级台阶,坡体见有泉眼,土体较湿润。

图2 十堰市某滑坡A-A′剖面示意图Fig.2 A-A′ section of a landslide in Shiyan City1.第四系滑坡堆积物；2.第四系冲洪积物；3.元古界武当山群；4.粉质粘土夹碎石；5.卵石层；6.变质砂岩；7.绢云母片岩；8.推测滑面；9.岩层产状；10.承灾体及编号。

1.3 滑坡危害情况

滑坡目前威胁坡上和坡下2个村66户约400人,房屋66栋，村委会及村卫生室各1所,坡上耕地和林地合计26.67 hm2，输电线3.7 km，坡下省道S279及王家河；一旦滑坡失稳滑移,堵塞前缘王家河,形成堰塞湖,将严重威胁上、下游乡镇共计4万多人的生命财产安全,其造成的经济损失及不良影响是巨大的。

2 滑坡稳定性评价

2.1 滑坡宏观稳定性分析

该滑坡目前处于基本稳定状态,其变形迹象明显,在降雨等不利工况下发生整体失稳滑移的可能性较大；滑坡现阶段总体以复合式变形破坏为主,处于蠕变阶段。

2.2 滑坡稳定性极限平衡法分析

根据对该滑坡的调查分析,认为该滑坡在降雨、地震作用下具有整体活动的可能,破坏模式为崩坡积土体顺基岩面呈折线滑动。根据《滑坡防治工程勘查规范》(GB/T 32864—2016)第13.4条规定,该滑坡属于堆积层滑坡,折线形滑动面,采用传递系数法进行稳定性计算分析。计算模型主要根据滑坡的主滑方向实测A-A′工程地质剖面建立,计算模型见图3。

图3 滑坡A-A′剖面整体稳定性计算条分示意图Fig.3 A-A′ section slice diagram of overall stability calculation of landslide

降雨使滑体、滑带饱水是影响滑坡稳定性的主要因素,区内地震烈度属于Ⅶ度带,重点考虑持续降雨工况及地震工况的稳定系数。因此计算工况考虑以下四种：工况1,自重+地表荷载,全系数取1.15；工况2,自重+地表荷载+暴雨,安全系数取1.10；工况3,自重+地表荷载+地震,安全系数取1.10；工况4,自重+地表荷载+暴雨+地震,安全系数取1.10。

根据岩土样品的物理力学参数室内试验成果,结合工程地质类比法,滑坡稳定性计算的参数选取如表1。

表1 滑坡稳定性计算参数表Table 1 Calculation parameters of landslide stability

根据前述确定的计算参数和计算模型对滑坡A-A′剖面在4个工况条件稳定性计算。滑坡稳定性系数计算成果统计见表2。

表2 滑坡体稳定性系数计算成果统计表Table 2 Statistical table of calculation results of landslide stability coefficient

2.3 滑坡稳定性综合分析评价

结合滑坡稳定性定性分析和定量计算结果综合分析,滑坡目前整体上处于基本稳定状态,在降雨和地震等不利影响因素组合下,滑坡处于欠稳定状态,有发生滑移的可能,说明滑坡稳定性安全储备不足,对其采取防治措施很有必要且势在必行。

3 滑坡危险性评价

单体滑坡危险性评价是对某一地区特定时间内现有滑坡及其扩展的破坏力、影响范围和滑坡概率的定性或定量评价,是在对现有滑坡的空间分布、体积、稳定性状态、可能的扩展及其影响范围进行分析评价的基础上,开展滑坡发生概率的分析评价。

3.1 滑坡发生年概率分析

滑坡发生破坏的概率即滑坡失稳的频率,滑坡失稳的诱因主要是暴雨和地震,于是滑坡发生的年概率即为该条件下滑坡发生的条件概率,可以用频率PH进行定量确定,PH=Pf×P诱因,其中Pf为滑坡失稳破坏概率。可以采用Monte Carlo模拟法和matlab编写的滑坡失稳概率计算程序,对滑坡稳定性进行模拟,得到滑坡失稳概率；也可以根据澳大利亚岩土力学学会发布的《滑坡风险管理理念与指南》(AGS-2007a)给出的滑坡稳定状态与失稳破坏概率关系经验值。本次选用AGS-2007a推荐的经验值方法,参考国内相关文献的经验值,给出滑坡稳定状态与滑坡失稳破坏概率Pf对应关系,见表3。

表3 滑坡稳定性状态与破坏概率关系[1]Table 3 Relationship between landslide stability state and failure probability

滑坡在工况2、3下稳定性状态为“欠稳定”,失稳可能性是“很可能”,Pf为0.70；工况4稳定性状态为“不稳定”,失稳可能性是“一定”,Pf为0.90。事件发生与其重现期T有如下对应关系：P=1/T。根据降雨资料,该区50年出现过2次暴雨级别降水,将暴雨重现期定位20年,那么P暴雨=1/20=0.05；参照《中国地震动参数区划图》(GB-18306-2015),一般图上标注的烈度值,是指一般场地情况下,可能遭遇超越概率为10%的烈度值。区内地震烈度为Ⅶ度,这里将某滑坡50年内遭遇此烈度的超越概率作为地震诱发概率,取值为P地震=0.10。

不同条件下滑坡失稳破坏的年概率与滑坡危险性评价对应关系见表4。

表4 滑坡不同年概率取值范围对应的危险性半定量标准Table 4 Semi quantitative criteria of landslide risk corresponding todifferent annual probability ranges

依据述分析,得到滑坡发生破坏的年概率PH,见表5。

表5 滑坡体稳定性系数及灾害发生概率统计表Table 5 Statistical table of landslide stability coefficient and disaster probability

由于滑坡在工况1下处于基本稳定状态,暂时不存在危险性；在工况2下发生破坏的年概率为3.5%,滑坡具有高危险性；工况3下滑坡发生年概率为7%,滑坡具有极高危险性；工况4下滑坡失稳的概率为0.45%,由于诱发因素同时满足的概率极低,滑坡具有中等危险性。

3.2 滑坡影响范围分析

从滑坡变形特征和发展趋势分析,在不利条件下,滑坡处于欠稳定状态,有失稳滑移的可能。为此,需要在滑坡变形特征定性分析的基础上,利用定量化模型估算滑体滑动的最大距离。

针对某滑坡的特点,选取2个模型进行滑移距离预测,模型介绍如下：

模型1,基于滑坡体积的模型[2]。

lg(H/L1)=-0.094lg(V)+0.1

(1)

式中：H为滑体垂直滑落高度(滑坡前后缘高差)(m)；L1为水平滑移距离(m)；V为滑体体积(m3)。

模型2，基于滑坡物理力学参数的模型[3]。

L2=n×△H/(0.5tanφ)

(2)

式中：L2为滑坡体最大水平滑移距离(m)；△H为滑坡前、后缘高差(m)；滑坡滑出条件系数,根据经验取0.2；φ为土体内摩擦角(°)。

根据上述计算方法,计算结果见表6。

表6 滑坡失稳滑移距离计算结果Table 6 Calculation results of landslide instability slip distance

该滑坡体前缘为王家河,河对岸为山体斜坡,距离滑坡前缘80～120 m,对滑坡体滑动起到一定的阻挡作用,一般不会形成很大的水平位移,因滑坡前缘王家河河水常年较浅,一般不会引起涌浪；但会堵塞前缘王家河,形成堰塞湖,威胁上游、下游乡镇共计4万多人生命财产的安全。

根据滑坡水平位移计算结果并结合地形地貌,修正滑坡影响范围(见图4),将滑坡影响范围分为：高度危险区(A区)——滑坡体范围,中度危险区(B区)——滑坡牵引和压覆范围(两侧从滑坡边界起向外延30 m,下部至滑坡前缘河对岸居民区,上部范围至滑坡后壁以上30 m),低度危险区(C区)——滑坡影响外围(两侧从滑坡边界起向外延50 m,下部王家河上下游,上部范围至滑坡后壁以上50 m)。滑坡发生整体滑动最大影响范围为64.20×104m2,其中A区面积为38.98×104m2,B区面积为13.35×104m2,C区面积为11.87×104m2。

图4 某滑坡影响范围分区示意图Fig.4 Zoning diagram of the influence area of a landslide

4 滑坡易损性评价

4.1 承灾体基本情况

承灾体是指滑坡影响区域内居民及建筑物、公共设施、土地资源、道桥、生命线工程、水利工程、矿山等。对滑坡影响范围内的承灾体进行详细的调查统计后,承灾体财产价值以当地实际经济生产情况并结合当地物价估算得出,得到了承灾体财产的统计值(直接经济损失),统计结果见表7。

表7 滑坡承灾体财产价值统计情况表Table 7 Statistics of property value of landslide disaster bearing body

其中坡脚省道S279采用双向两车道二级公路标准,可直达武当山风景区,是当地重要的交通线路；一旦滑坡失稳滑移,堵塞前缘王家河,形成堰塞湖,将严重威胁上游、下游乡镇共计4万多人生命财产的安全。

据初步统计,滑坡失稳滑移破坏造成的直接经济损失达2 679万元,潜在经济损失约6 000万元,直接威胁的人口数约400人,潜在的危害程度相当严重。

4.2 承灾体易损性评价

根据地质灾害的特点及灾害造成的可能破坏对象,可以把地质灾害易损性归并为两大类：人口易损性、财产易损性。易损性分析包括：识别承灾体的种类以及对其包括财产和人口在内的定量化,根据人口易损性指数Vpi和经济易损性指数Vei,估算承灾体的易损性。

不同类型的承灾体,其易损性评价特点各不相同,简述如下：

4.2.1人口的易损性

对人员的损伤程度可用生命死亡率Vei表示,其值介于0(无死亡)到1(完全死亡)之间。人口易损性评价方法,采用公式(3)计算,其中Wa、Wq、Wg、Wh之和为1：

Vpi=Wa×Ca+Wq×Cq+Wg×Cg+Wh×Ch

(3)

式中：Vpi为人口易损性指数,Vpi=0～1；Wa为人口年龄评价因素的权重,根据专家打分法取值0.45；Ca为人口年龄系数,Ca=0～1,用评价单元内老年人(>60岁)和少年儿童(0—13岁)人口与总人口的比例来表示。老人和儿童对地质灾害的防御能力比成年人低,老人和儿童的比例越大,表示这一地区人口易损性越高。Wq为文化程度评价因素的权重,根据专家打分法取值0.15；Cq为文化程度系数,Cq=0～1,用评价单元内只接受小学及以下教育的人口与总人口的比例表示。一个地区居民受教育程度越高,对地质灾害的认识程度越高,该地区人口易损性越低,反之则易损性越高；Wg为政府重视程度评价因素的权重,根据专家打分法取值0.1；Cg为政府重视程度系数,Cg=0～1,0表示政府非常重视评价区的地质灾害防治工作,1表示政府部门漠视评价区的地质灾害防治工作。近年来,十堰市地方政府高度重视地质灾害防治工作,逐步推进地质灾害防治“四位一体”地质灾害网格化管理体系建设,形成“专群结合”地质灾害防治体系,故Cg取值为0。Wh为健康程度评价因素的权重,根据专家打分法取值0.3；Ch为健康状况系数,Ch=0～1,0表示健康,1表示丧失行为能力。

该滑坡直接威胁66户400人,影响人口易损性要素见表8。

表8 滑坡威胁人员要素表Table 8 Elements of landslide threat personnel

由于该滑坡所处位置并非城镇或旅游景区,因此其乡村道路及道路上行人行车一般为常住人口,因此不考虑流动人口的易损性。

4.2.2经济易损性

经济易损性研究的重要内容是确定承灾体价值损失率,它是指承灾体遭受破坏损失的价值与受灾前承灾体价值的比例。对财产的损失程度可用财产损失率Ve表示,其值介于0(没有损失或破坏)到1(完全损失或破坏)之间。根据承灾体本身的特征及与灾害体的空间位置关系等定性或半定量地评估给定。

该滑坡承灾体综合经济易损性按照滑坡影响分区A、B、C区进行分别评价,综合经济易损性评价方法采用公式(4)计算:

(4)

式中：Ve为单元综合易损性；S为单元面积；A、B、C区面积分别为38.98×104m2、13.35×104m2、11.87×104m2。Vij为第i类承灾体遭受j类危害的损失程度,即分项易损性；Sij为第i类承灾体遭受j类危害的平面分布面积；Pij为第i类承灾体遭受j类危害的损失程度概率；按照泥石流灾害损失程度为0.80,崩塌损失程度为0.85,滑坡损失程度为1。

根据图4滑坡影响范围分区,统计经济类承灾体结构类型、面积或长度等数据,得出单项经济承灾体易损性指数；根据公式(4)计算各区域内综合经济易损性,详见表9。

表9 承灾体分布及单项易损性指数一览表Table 9 List of hazard bearing body distribution and single vulnerability index

该滑坡危险分区综合易损性加权计算得到全区综合易损性Ve=0.380；根据易损性分级标准表(表10),滑坡影响分区A区易损性分级为 Ⅱ 级,B区为 Ⅳ 级,C区为Ⅳ级,滑坡全区影响范围综合易损性分级为 Ⅲ 级(见表11)。

表10 易损性分级标准表Table 10 Vulnerability classification standard table

表11 滑坡危险性分区综合易损性一览表Table 11 Comprehensive vulnerability list of landslide risk zoning

5 滑坡风险评价

滑坡风险是指滑坡对生命、健康、财产或环境产生的不利影响的概率和严重程度的度量,重大地质灾害(隐患)点风险评价利用国际上通用的公式进行定量评估计算,主要分析计算汛期降雨量地灾风险、极端降雨量地灾风险和人工切坡作用下地灾风险[4]。

5.1 个体生命死亡风险分析

对于每年单个个体生命死亡概率,相应的表达方式是：

PDI=PH×PS×PT×Vpi

(5)

式中：PDI为每年的个体生命死亡概率；PH为地质灾害发生的年概率；即不同工况下滑坡发生破坏的概率。PS为事件发生的空间影响概率；当人员处于滑坡影响区域内时,滑坡危及人员空间概率为1,故滑坡影响分区中A区PS取1,B区PS取0.75,C区PS取0.5；滑坡全区空间概率按照加权计算得到PS=0.86。PT为承灾体的时间概率；根据不同情况确定,如：位于灾害体上或灾害运移路径上的建筑物,其PT=1；对于灾害影响范围内的交通工具,时间概率就是其一年来在该影响范围内通行的时间概率；对于建筑物中的人员来说,其时间概率就是一年内这些人员待在建筑物中的时间概率,对于每个人来说,概率可能不同,需要分类分析估算。Vpi为人口易损性指数,按照滑坡不同影响分区计算。

根据公式(5)计算各区域内每年单个个体生命死亡概率,滑坡A区、B区、C区、滑坡全区PDI和平均每年人员损失见表12。

表12 滑坡年单个个体生命死亡概率和年人员损失一览表Table 12 Annual individual life death probability and annual personnel loss of landslide

根据表12可以得到,滑坡在工况3下,滑坡最大人口风险为1.599人/年,其中滑坡A区达到1.656人/年。

5.2 经济损失风险分析

对于经济损失风险,年财产值的损失RPD表达方式是：

RPD=PH×PS×PT×Vei×E

(6)

式中：RPD为年财产值的损失；PH为地质灾害发生的年概率；即不同工况下滑坡发生破坏的概率。PS为事件发生的空间影响概率；对于坐落在灾害体上的建筑来说,一般可以直接确定PS=1；故滑坡影响分区中A区PS取1,B区PS取0.75,C区PS取0.5；滑坡全区空间概率按照加权计算得到PS=0.86。PT为承灾体的时间概率；位于灾害体上或灾害运移路径上的经济类承灾体其PT=1。Vei为经济易损性指数；按照滑坡不同影响分区计算。E为承灾体价值或现存的净财产价值。

根据公式(6)计算各区域内每年财产损失,滑坡A区、B区、C区、滑坡全区RPD见表13。

表13 滑坡年财产损失一览表Table 13 Annual property loss list of landslide

根据表13可以得到,滑坡在工况3下,滑坡最大财产损失为61.292万元/年,其中滑坡A区达到77.590万元/年。

5.3 地质灾害风险分析

按照表7和表9数据分析,不同工况下,根据风险等级划分标准表(表14),滑坡影响分区A、B、C区及滑坡全区风险分级见表15。

表14 风险等级划分标准表[5]Table 14 Risk classification standard table

表15 滑坡分区风险评价一览表Table 15 List of landslide zoning risk assessment

根据计算结果分析,滑坡最大风险不是出现在工况4下,而是出现在工况3下,虽然工况4的破坏性强,但是其风险值反而不大,这表明小概率事件的破坏力虽然巨大,但对滑坡区域居民的日常生活并无太大影响。而工况3下其发生概率相对较大,所造成的影响风险较大。

根据计算结果分析,某滑坡最大财产损失为61.292万元/年,最大人口风险为1.599人/年,风险等级为Ⅰ级(极高风险)。

5.4 地质灾害风险管理措施建议

某滑坡失稳破坏所造成的的最小人口风险为0.103人/年,与国际上目前暂定的社会容许标准10-3相比(见图5),处于不可接受范围区域,建议当地政府采取相应的措施进行风险管理,使其降为可接受的风险区,减少人员财产伤亡损失。目前公路管理部门在坡下S279省道修建过程中采取了公路内侧设置挡土墙的防护措施,降低了公路遭受滑坡危害的风险。

图5 社会风险容许标准Fig.5 Social risk tolerance standard

该滑坡的风险管理措施建议为：①加强群测群防监测工作,开展地质灾害防治知识宣传培训和应急演练工作。②局部搬迁避让和绿化改造。建议针对滑坡中后部变形严重的大片土木结构居民区搬迁避让,场地改造为林地。③建立专业监测预警体系。在群测群防体系的基础上,在滑坡范围内建立集成地下水位监测、深部位移、应力应变监测、高精度GPS地表位移监测,构建专业级立体滑坡灾害监测和预警网络体系。④积极争取国家或省市地质灾害防治专项经费,多渠道争取资金,逐步落实重点地段的工程防治措施。通过上述措施进行风险管理和控制,达到防灾减灾的目的。

6 结语

(1) 对十堰市某滑坡进行稳定性评价、影响范围和失稳概率分析,分析滑坡在天然状态、暴雨、地震、暴雨+地震工况下的危险性；滑坡发生整体滑动最大影响范围为64.20×104m2；滑坡在工况1下处于基本稳定状态,暂时不存在危险性；在工况2下发生破坏的年概率为3.5%,滑坡具有高危险性；工况3下滑坡发生年概率为7%,滑坡具有极高危险性；工况4下滑坡失稳的概率为0.45%,由于诱发因素同时满足的概率极低,滑坡具有中等危险性。

(2) 对滑坡承灾体易损性和风险进行分析评价,得出最大财产损失为61.292万元/年,最大人口风险为1.599人/年,风险等级为Ⅰ级(极高风险)；其最小人口风险超过了社会可容许风险标准,应采取加强监测、搬迁避让或适当工程治理等方法进行风险管控,达到防灾减灾的目的。

(3) 单体滑坡风险分析评价的基本步骤可以分为“稳定性分析—危险性分析—易损性分析—风险评价”4个步骤进行,目前单体滑坡风险评价存在很多技术难点和问题,加强滑坡编录是定量风险评价的关键。本文开展的单体滑坡风险分析评价实例,有许多有待改进之处或多有谬误,仅作交流参考。

(4) 滑坡风险分析评价是一门涉及多领域的学科,集成多种理论和方法；本次风险结果主要考虑了直接受威胁对象,对于滑坡堵塞河流带来的堰塞湖或泥石流等此生灾害风险有待进一步研究；将单体滑坡灾害风险结果纳入防灾减灾管理工作中,以提高地质灾害管理工作的有效性,仍有待进一步实践与研究。