第10章边坡稳定的可靠度和风险分析 10.1边坡稳定的风险分析 10.1.1边坡稳定分析中的不确定因素 随着对结构应力、变形和稳定分析手段的逐步完善,这些分析中包含的不确定因素也暴 露得更加明显。工程师们逐步意识到,在进行工程设计和安全评价时,不仅要很好地了解各 种分析、判断手段,而且要把握在进行这些分析过程中包含的各项不确定因素。工程建设中 的重大决策实际上就是对各项不确定因素造成的风险的评价。 近年来,风险分析成为了结构和岩土工程师日益关注的课题。在岩土和边坡领域一大批 著名学者都以这一题目发表了大量的重要论文。1965年, Casagrande以“土工与地基工程 中计算风险的作用”为题作“太沙基讲座”演讲。同时,围绕风险分析的学术活动也十分活 跃。2000年国际大坝会议将“风险分析在大坝安全和管理中的应用”作为一个重要专题进 行研究、交流,共收到22个国家的48篇论文;2000年在墨尔本召开的世纪岩土工程会议 ( GeoEng2000中,也提交了大量的有关岩土工程和大坝、岩土环境工程中的风险分析方法 的特邀报告或主题报告。在此基础上,各国和各学术机构也在编制有关风险分析的导则、规 范等。 Morgenstern将岩土工程分析中包含的不确定因素分为管理因素、模型因素和参数因素 大类。 1.管理不确定因素( Human uncertainty 管理的不确定因素(按原文直译应为“人为不确定因素”)指由于人们的行为不当导致 的岩土工程失事。最常见例子是施工质量方面的问题。本章第107.2节将讨论青海沟后水库 大坝溃决的实例。这一工程在大坝设计和施工中存在诸多缺陷,是导致失事的主要原因。但 在这些缺陷的背后隐藏着管理方面的问题。有关文献(李君纯,陈祖煜,1996)详细介绍了 这些非技术因素如:①项目管理没有归口由省水利厅领导;②建设单位没有从事水利工程施 工经验,导致防浪墙止水存在严重施工质量问题;③在建设过程中不恰当地将原设计的堆石 面板坝改为砂砾石面板坝;④时值汛期,管理人员疏于职守,闸门启动不灵,导致发现险情 时无法放空水库;⑤通讯不灵,导致人员没有及时疏散等。上述种种在项目管理方面存在的 问题,最终导致了340余人死亡的重大事故。上述因素在风险分析中难以直接定量评估,但 是,所有从事风险分析的技术人员对这类不确定因素都需要有一个清醒的认识,否则,再好 的风险分析也是脱离实际的 2.模型不确定因素( Model uncertainty) 模型的不确定因素反映了我们在设计过程中采用的分析方法在模拟实际情况方面的局
第10章 边坡稳定的可靠度和风险分析 10. 1 边坡稳定的风险分析 10. 1. 1 边坡稳定分析中的不确定因素 随着对结构应力 变形和稳定分析手段的逐步完善 这些分析中包含的不确定因素也暴 露得更加明显 工程师们逐步意识到 在进行工程设计和安全评价时 不仅要很好地了解各 种分析 判断手段 而且要把握在进行这些分析过程中包含的各项不确定因素 工程建设中 的重大决策实际上就是对各项不确定因素造成的风险的评价 近年来 风险分析成为了结构和岩土工程师日益关注的课题 在岩土和边坡领域一大批 著名学者都以这一题目发表了大量的重要论文 1965 年 Casagrande 以 土工与地基工程 中计算风险的作用 为题作 太沙基讲座 演讲 同时 围绕风险分析的学术活动也十分活 跃 2000 年国际大坝会议将 风险分析在大坝安全和管理中的应用 作为一个重要专题进 行研究 交流 共收到 22 个国家的 48 篇论文 2000 年在墨尔本召开的世纪岩土工程会议 (GeoEng 2000) 中 也提交了大量的有关岩土工程和大坝 岩土环境工程中的风险分析方法 的特邀报告或主题报告 在此基础上 各国和各学术机构也在编制有关风险分析的导则 规 范等 Morgenstern 将岩土工程分析中包含的不确定因素分为管理因素 模型因素和参数因素 三大类 1. 管理不确定因素(Human uncertainty) 管理的不确定因素 按原文直译应为 人为不确定因素 指由于人们的行为不当导致 的岩土工程失事 最常见例子是施工质量方面的问题 本章第 10.7.2 节将讨论青海沟后水库 大坝溃决的实例 这一工程在大坝设计和施工中存在诸多缺陷 是导致失事的主要原因 但 在这些缺陷的背后隐藏着管理方面的问题 有关文献 李君纯 陈祖煜 1996 详细介绍了 这些非技术因素如 项目管理没有归口由省水利厅领导 建设单位没有从事水利工程施 工经验 导致防浪墙止水存在严重施工质量问题 在建设过程中不恰当地将原设计的堆石 面板坝改为砂砾石面板坝 时值汛期 管理人员疏于职守 闸门启动不灵 导致发现险情 时无法放空水库 通讯不灵 导致人员没有及时疏散等 上述种种在项目管理方面存在的 问题 最终导致了 340 余人死亡的重大事故 上述因素在风险分析中难以直接定量评估 但 是 所有从事风险分析的技术人员对这类不确定因素都需要有一个清醒的认识 否则 再好 的风险分析也是脱离实际的 2. 模型不确定因素(Model uncertainty) 模型的不确定因素反映了我们在设计过程中采用的分析方法在模拟实际情况方面的局
274土质边坡德定分析一原理·方法·程序 限。任何一个数学模型在模拟岩土材料的特性时都存在近似性。通过第5章的论述,我们认 识到摩尔-库仑强度准则和室内、外的试验在模拟岩土材料抗剪强度特性方面存在局限性; 第2章和第3章介绍的极限平衡分析方法也包含有多个假定;土石坝设计规范规定对瑞典法 和 Bishop法采用不同的允许安全系数,反映了对模型所包含的误差的处理。这些例子所包 含的误差总体来说是较小的。在边坡稳定分析领域,还有一些更大的模型不确定性因素。例 如对降雨导致的土的饱和或非饱和孔隙水压力特征的模拟;对土在渗流和抗剪强度方面各向 异性的模拟;对在地震动力条件下边坡稳定性的模拟等。沟后大坝溃决后,在残留坝体得到 个难得一见的大坝的横剖面图,从而发现,上坝砂砾料在洒水和震动碾压条件下会发生液 化,导致骨架分离,形成一层细颗粒、一层粗颗粒这样的结构。这些细颗粒层作为相对不透 水带阻止渗入坝体内的水往垂直方向渗透,导致坝体浸润线抬高,这是大坝溃决的主要原因 详见文献(李君纯、陈祖煜,1996)。在没有认识到这一问题以前,人们将筑坝材料视为各 自同性的均匀介质,那么,这样的分析就包含有较大的模型误差。在岩土工程领域,类似这 样认识上的盲区可能还不少。 模型所包含的误差不一定总是不利因素。例如在边坡稳定分析领域,通常采用二维分析 方法,所得安全系数通常较实际值偏低。 3.参数不确定因素( Parameter uncertainty) 参数不确定因素是因岩土材料的极不均匀性决定的。在已经确定了数学模型的基础上 分析由于参数的变异特征,导致边坡工程结构失效的概率,这是本章要研究的重点。我们称 这一分析过程为可靠度分析。 这一领域包括两个步骤: (1)研究影响结构稳定性岩土材料各项参数的变异特征。这一工作必须建立在对岩土材 料基本特性,如干密度、颗粒级配、渗透系数及强度等大量试验的基础上。需要硏究这些 试验本身包括的各种误差。 (2)计算可靠度指标和边坡工程失效概率。该工作是在确定了各影响因子的变异特征的 基础上进行的 综上所述,如果定义由管理因素、模型因素、参数因素导致的系统失效概率分别为P(A) P(M)和P(P,则整个系统的失效概率P(S)为 P(S)=1-[-P(A×[1-P(M)×[1-P(P) (10.1) P(A)、P(M和P(P之间并不独立,例如由于管理上的不确定因素会直接导致参数较大 的变异性,因此,上式只是近似公式。 10.1.2风险分析的基本原理 Casagrande(1965)指出,风险作为一种用来考虑和评估工程实践中诸多不确定和无法预 测因素而导致工程失事的一种手段时,是所有岩土工程中先天固有的。在当今的工程技术还 没有发展到能准确确定这些因素时,工程技术人员应清醒地意识到风险在工程实践中的先天 存在性,并运用安全与经济相平衡的原则对工程失事的风险进行分析计算。 这一工程风险评估的思想,就构成现今岩土工程风险评估的基本理论框架。后来许多学
274 土质边坡稳定分析 原理 ⋅ 方法 ⋅ 程序 限 任何一个数学模型在模拟岩土材料的特性时都存在近似性 通过第 5 章的论述 我们认 识到摩尔−库仑强度准则和室内 外的试验在模拟岩土材料抗剪强度特性方面存在局限性 第 2 章和第 3 章介绍的极限平衡分析方法也包含有多个假定 土石坝设计规范规定对瑞典法 和 Bishop 法采用不同的允许安全系数 反映了对模型所包含的误差的处理 这些例子所包 含的误差总体来说是较小的 在边坡稳定分析领域 还有一些更大的模型不确定性因素 例 如对降雨导致的土的饱和或非饱和孔隙水压力特征的模拟 对土在渗流和抗剪强度方面各向 异性的模拟 对在地震动力条件下边坡稳定性的模拟等 沟后大坝溃决后 在残留坝体得到 一个难得一见的大坝的横剖面图 从而发现 上坝砂砾料在洒水和震动碾压条件下会发生液 化 导致骨架分离 形成一层细颗粒 一层粗颗粒这样的结构 这些细颗粒层作为相对不透 水带阻止渗入坝体内的水往垂直方向渗透 导致坝体浸润线抬高 这是大坝溃决的主要原因 详见文献 李君纯 陈祖煜 1996 在没有认识到这一问题以前 人们将筑坝材料视为各 自同性的均匀介质 那么 这样的分析就包含有较大的模型误差 在岩土工程领域 类似这 样认识上的盲区可能还不少 模型所包含的误差不一定总是不利因素 例如在边坡稳定分析领域 通常采用二维分析 方法 所得安全系数通常较实际值偏低 3. 参数不确定因素(Parameter uncertainty) 参数不确定因素是因岩土材料的极不均匀性决定的 在已经确定了数学模型的基础上 分析由于参数的变异特征 导致边坡工程结构失效的概率 这是本章要研究的重点 我们称 这一分析过程为可靠度分析 这一领域包括两个步骤 (1) 研究影响结构稳定性岩土材料各项参数的变异特征 这一工作必须建立在对岩土材 料基本特性 如干密度 颗粒级配 渗透系数及强度等大量试验的基础上 需要研究这些 试验本身包括的各种误差 (2) 计算可靠度指标和边坡工程失效概率 该工作是在确定了各影响因子的变异特征的 基础上进行的 综上所述 如果定义由管理因素 模型因素 参数因素导致的系统失效概率分别为 P(A) P(M)和 P(P) 则整个系统的失效概率 P(S)为 P(S) =1−[1− P(A)]×[1− P(M)×[1− P(P)] (10.1) P(A) P(M)和 P(P)之间并不独立 例如由于管理上的不确定因素会直接导致参数较大 的变异性 因此 上式只是近似公式 10. 1. 2 风险分析的基本原理 Casagrande (1965)指出 风险作为一种用来考虑和评估工程实践中诸多不确定和无法预 测因素而导致工程失事的一种手段时 是所有岩土工程中先天固有的 在当今的工程技术还 没有发展到能准确确定这些因素时 工程技术人员应清醒地意识到风险在工程实践中的先天 存在性 并运用安全与经济相平衡的原则对工程失事的风险进行分析计算 这一工程风险评估的思想 就构成现今岩土工程风险评估的基本理论框架 后来许多学
第10章边坡稳定的风险分析275 者( Whitman,1984; Morgan.,199,Fell1992)把这一思想继续深化并推广到评定工程安全的风 险分析研究实践中。但是由于公众和工程技术人员对风险分析理解上的差异,相对于业已成 熟的确定性分析方法,风险分析方法在工程实践中的应用远没有达到成熟的地步 1.基本定义 Fell(1993回顾了风险分析在大坝安全评估方面的应用的基础上,介绍了一种用于滑坡 安全的风险评估方法。其中用于滑坡风险分析的主要术语可表述如下: 分类( lassification 对滑坡和潜在滑坡的自然特性的描述; 滑坡规模M( Magnitude)-潜在滑坡体的体积大小,以m3计 发生概率P( Probability 特定的边坡在一段时间的失稳概率(通常为一年); 危害H( Hazard) 对滑坡体积大小和发生概率的总体评估,(从一般意义 来讲,H=MXP) 脆弱度V( ulnerability) 对滑坡发生后所能影响范围内的单一个体损失程度的描 述,通常为0到1之间的一个数 单一风险R1( Specific risk)-等于发生概率和单一个体的脆弱度的乘积,即(R3= Pxn 风险体E( Elements at risk)-处于滑坡潜在影响范围内的人口、财产、经济活动以及 公共服 整体风险Rt( Total risk)-可以预计到的人员伤亡,财产损失,经济活动或者环境 受到破坏的数目 有关风险术语的定义还有很多建议( Australian Geomechanics Society,2000, Stewart,. 2000 2.风险管理 风险管理是对风险和承受者的脆弱度进行分析并作出相应对策的综合体系。这里包括了 对风险的评估和灾害采取的各项应对措施。图10.1给出了基本流程图。 风险管理 减灾决策 风险政策 风险评估 风险分析 灾害后果 频率估计 评估 承受风险 图10.1风险管理基本流程图
第 10 章 边坡稳定的风险分析 275 者(Whitman, 1984; Morgan, 1992; Fell, 1992)把这一思想继续深化并推广到评定工程安全的风 险分析研究实践中 但是由于公众和工程技术人员对风险分析理解上的差异 相对于业已成 熟的确定性分析方法 风险分析方法在工程实践中的应用远没有达到成熟的地步 1. 基本定义 Fell (1993)回顾了风险分析在大坝安全评估方面的应用的基础上 介绍了一种用于滑坡 安全的风险评估方法 其中用于滑坡风险分析的主要术语可表述如下 分类(Classification) − 对滑坡和潜在滑坡的自然特性的描述 滑坡规模 M (Magnitude) − 潜在滑坡体的体积大小 以 m 3计 发生概率 P (Probability) − 一特定的边坡在一段时间的失稳概率 通常为一年 危害 H (Hazard) − 对滑坡体积大小和发生概率的总体评估 从一般意义 来讲 H = M×P 脆弱度 V (Vulnerability) − 对滑坡发生后所能影响范围内的单一个体损失程度的描 述 通常为 0 到 1 之间的一个数 单一风险 Rs (Specific risk) − 等于发生概率和单一个体的脆弱度的乘积 即 (Rs = P×V) 风险体 E (Elements at risk) − 处于滑坡潜在影响范围内的人口 财产 经济活动以及 公共服务等 整体风险 Rt (Total Risk) − 可以预计到的人员伤亡 财产损失 经济活动或者环境 受到破坏的数目 有关风险术语的定义还有很多建议(Australian Geomechanics Society, 2000; Stewart, 2000) 2. 风险管理 风险管理是对风险和承受者的脆弱度进行分析并作出相应对策的综合体系 这里包括了 对风险的评估和灾害采取的各项应对措施 图 10.1 给出了基本流程图 图 10. 1 风险管理基本流程图
276土质边坡穗定分析一原理·方法·程序 3.风险分析方法 边坡失稳的发生概率可以按单一值计算,也可以是所有外界诱发因素引起的破坏概率的 总和。单一个体的脆弱度可用式(10.2)给以评估( Morgan,etal,1992),即 =(S)×(T)×(L (102) 式中:I(S)为空间影响的可能性(滑坡体是否影响到建筑物或者正好避开建筑物);V(T为 暂时影响的可能性,比如在影响的一瞬间,一个固定的建筑物和一个运动的车辆的风险的差 别;(L)为受影响个体财产损失或者人员生命损失的可能性;V为单一个体的脆弱度 边坡稳定风险分析的范围和严格程度取决于风险分析本身的目的和用途,它通常是风险 本身的自然特性、灾害后果、不确定因素的类型和它们对决策过程的影响以及风险分析实用 性的一个函数。岩土工程师在开始进行边坡稳定风险分析前,应该和与工程有关的工程技术 人员和要求对边坡稳定进行风险分析的主管部门共同探讨,以期达到双方都可以理解和接受 的风险分析成果。另外,风险分析方法通常分定性和定量分析两种。 10.1.3定性风险分析方法 定性风险分析主要用于土地规划和政策制定阶段滑坡管理分析。分析的结论通常用危险 性极高、高、中等词句表达。表10.1是定性风险分析的主要描述方法。 进行定性风险分析的主要手段有以下三个方面: (1)按发生概率予以量化。该工作是建立在对101节中介绍的各种不确定因素进行分 析的基础上 (2)使用失效树( Fault Tree)的推理方法。可详见文献(Ho.etal,200)0 (3)专家系统。专家评估可以和上述几种定性分析工作相结合。进一步提高定性风险分 析的可靠度 在定性风险分析阶段,不可能作很多详细的工程地质和岩土力学特性参数的勘探和试验 工作,也不可能进行定量的可靠度与分析计算。这一阶段使用的主要手段有以下几种 1.对历史滑坡资料进行调查 滑坡危险性较高的地区,通常可以在历史记载中找到先例。例如,三峡库区是滑坡灾害 髙发区,有关滑坡的书面记载可以追溯到宋朝。收集了历史资料后,可以按滑坡的规模、触 发因素和发生频率来进行滑坡风险分析,这样的分析由于是建立在实际资料基础上的,其成 果十分可信 2.建立在地形、地貌分析基础上的经验方法分析 将边坡的高度、坡度和主要构成物质以及地下水条件、降雨、地震等因素进行逐项量化 评估,然后通过综合分析,给出本地区的滑坡风险性评估。这一工作和滑坡历史调查结合, 同样可能成为有效的手段。香港土木工程署详细记载了大小滑坡3000余个,并邀请Fell(192) 在整理这些资料的基础上,给出对现有的边坡风险分析评估 3.对主要触发因素的风险评估 这一评估同样也是建立在对以往滑坡资料的分析基础上的。例如香港土木工程署在分析 了大量暴雨导致的滑坡的资料基础上,给出了根据降雨评估滑坡风险的方法。这一方法
276 土质边坡稳定分析 原理 ⋅ 方法 ⋅ 程序 3. 风险分析方法 边坡失稳的发生概率可以按单一值计算 也可以是所有外界诱发因素引起的破坏概率的 总和 单一个体的脆弱度可用式(10.2)给以评估(Morgan, et al., 1992) 即 V = V (S)×V (T)×V(L) (10.2) 式中 V(S)为空间影响的可能性 滑坡体是否影响到建筑物或者正好避开建筑物 V(T)为 暂时影响的可能性 比如在影响的一瞬间 一个固定的建筑物和一个运动的车辆的风险的差 别 V(L)为受影响个体财产损失或者人员生命损失的可能性 V 为单一个体的脆弱度 边坡稳定风险分析的范围和严格程度取决于风险分析本身的目的和用途 它通常是风险 本身的自然特性 灾害后果 不确定因素的类型和它们对决策过程的影响以及风险分析实用 性的一个函数 岩土工程师在开始进行边坡稳定风险分析前 应该和与工程有关的工程技术 人员和要求对边坡稳定进行风险分析的主管部门共同探讨 以期达到双方都可以理解和接受 的风险分析成果 另外 风险分析方法通常分定性和定量分析两种 10. 1. 3 定性风险分析方法 定性风险分析主要用于土地规划和政策制定阶段滑坡管理分析 分析的结论通常用危险 性极高 高 中等词句表达 表 10.1 是定性风险分析的主要描述方法 进行定性风险分析的主要手段有以下三个方面 (1) 按发生概率予以量化 该工作是建立在对 10.1.1 节中介绍的各种不确定因素进行分 析的基础上 (2) 使用失效树(Fault Tree)的推理方法 可详见文献(Ho. et al., 2000) (3) 专家系统 专家评估可以和上述几种定性分析工作相结合 进一步提高定性风险分 析的可靠度 在定性风险分析阶段 不可能作很多详细的工程地质和岩土力学特性参数的勘探和试验 工作 也不可能进行定量的可靠度与分析计算 这一阶段使用的主要手段有以下几种 1. 对历史滑坡资料进行调查 滑坡危险性较高的地区 通常可以在历史记载中找到先例 例如 三峡库区是滑坡灾害 高发区 有关滑坡的书面记载可以追溯到宋朝 收集了历史资料后 可以按滑坡的规模 触 发因素和发生频率来进行滑坡风险分析 这样的分析由于是建立在实际资料基础上的 其成 果十分可信 2. 建立在地形 地貌分析基础上的经验方法分析 将边坡的高度 坡度和主要构成物质以及地下水条件 降雨 地震等因素进行逐项量化 评估 然后通过综合分析 给出本地区的滑坡风险性评估 这一工作和滑坡历史调查结合 同样可能成为有效的手段 香港土木工程署详细记载了大小滑坡3000余个 并邀请Fell (1992) 在整理这些资料的基础上 给出对现有的边坡风险分析评估 3. 对主要触发因素的风险评估 这一评估同样也是建立在对以往滑坡资料的分析基础上的 例如香港土木工程署在分析 了大量暴雨导致的滑坡的资料基础上 给出了根据降雨评估滑坡风险的方法 这一方法
第10章边坡德定的风险分析277 表10.1定性风险分析术语表(Fe,1993) 平估指标 极大 >5.000 很大 中高 000和50000和5,000和<50,000 很小 极小 描述 年发生概率 高 破坏概率 高 ≈0.2 8532 极很高中低描极很高中低很 ≈0.05 ≈0.01 述 (exP 高 高 ≥20和<30 危害=大小x破坏概率 ≥10和<20 ≥7和<10 ≥3和<7 低 描述 脆弱度 高 ≥0.9 脆弱度(只考虑财产损失) 很高中低很 ≥0.5和<0.9 中等 ≥0.1和<0 2005和<0.1 低 描述 估计概率 高 单一风险(只考虑财产损失 很高中低 ≥0.02和<0 ≥0005和<0.02 很低 ≥00001和<0001 根据1小时和24小时降雨强度结合所评估滑坡以往发生频繁程度进行风险性分析。类似的 工作可以用于地震滑坡危险性分析。 下面以一实例说明风险定性分析的过程。图102给出澳大利亚纽卡斯尔一滑坡的平面 图。根据资料记录和经验判断,该边坡失稳的发生概率介于004-0.1之间。有迹象表明,边 坡失稳后滑坡体会在影响范围内缓慢滑移(A.1.1区域),但有可能在A1.2区域陡坡以下和 A3区域加速滑移。如果考虑滑坡影响范围内的A,B,C三个建筑物,并分别对边坡的滑体 大小、失稳发生概率、脆弱度、危害大小以及单一风险进行定性分析,其成果列于表10.2
第 10 章 边坡稳定的风险分析 277 表 10. 1 定性风险分析术语表(Fell, 1993) 评估指标 Ms 描述 体积(m3 ) 大小 7 6 5 4 3 2.5 2 极大 很大 中/高 中等 小 很小 极小 >5,000,000 >1,000,000和250,000和50,000和5,000和500和<5,000 500 Ps 描述 年发生概率 破坏概率 12 8 5 3 2 极高 很高 高 中 低 ≈1 ≈0.2 ≈0.05 ≈0.01 ≈0.001 描述 Ms×Ps 危害 = 大小×破坏概率 极高 很高 高 中 低 很低 ≥30 ≥20和<30 ≥10和<20 ≥7和<10 ≥3和<7 <3 描述 脆弱度 脆弱度(只考虑财产损失) 很高 高 中等 低 很低 ≥0.9 ≥0.5和<0.9 ≥0.1和<0.5 ≥0.05和<0.1 <0.05 描述 估计概率 单一风险(只考虑财产损失) 很高 高 中等 低 很低 ≥0.1 ≥0.02和<0.1 ≥0.005和<0.02 ≥0.001和<0.005 ≥0.0001和<0.001 根据 1 小时和 24 小时降雨强度结合所评估滑坡以往发生频繁程度进行风险性分析 类似的 工作可以用于地震滑坡危险性分析 下面以一实例说明风险定性分析的过程 图 10.2 给出澳大利亚纽卡斯尔一滑坡的平面 图 根据资料记录和经验判断 该边坡失稳的发生概率介于 0.04∼0.1 之间 有迹象表明 边 坡失稳后滑坡体会在影响范围内缓慢滑移 A.1.1 区域 但有可能在 A.1.2 区域陡坡以下和 A3 区域加速滑移 如果考虑滑坡影响范围内的 A B C 三个建筑物 并分别对边坡的滑体 大小 失稳发生概率 脆弱度 危害大小以及单一风险进行定性分析 其成果列于表 10.2
278土质边坡稳定分析一原理·方法·程序 10.1.4定量风险分析法 定量风险分析是建立在风险概率和以人员伤亡和财产为定量指标基础上的一个综合决 策系统 (1) Morgan(1992)用以下的条件概率计算公式来评价一个独立个体的风险。 R(IN)=P(H)×P(S/H)×P(T/S)×F(L/T) (10.3) 式中:R(N为一个独立个体发生伤亡的年频率;PH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(例如滑坡对一定距离的建筑物的影响);P(TS)为考虑时间效 应影响的概率;(L/为个体的脆弱程度。 图10.2澳大利亚纽卡斯尔一滑坡平面位置图 表10.2某滑坡单一风险分析 风险滑坡发生危害 脆弱度 个体大小概率程度va 人身财产 大 05很高10005100051.000025 大005很高050.3090.150450007 大005很高0 00100500050.0250.00025 注a为单一个体受滑坡影响的概率(建筑物B与C只有在泥石流发生时才受影响);为在建筑物受到影响 人致死的概率:V为在建筑物受到影响时,单一风险个体价值的比率;为人员伤亡的脆弱度 Vp为财产损失的脆弱度(=axV (2)对于财产的损失。评估公式为
278 土质边坡稳定分析 原理 ⋅ 方法 ⋅ 程序 10. 1. 4 定量风险分析法 定量风险分析是建立在风险概率和以人员伤亡和财产为定量指标基础上的一个综合决 策系统 (1) Morgan (1992)用以下的条件概率计算公式来评价一个独立个体的风险 R(IN) = P(H)× P(S / H)× P(T / S)×V(L / T) (10.3) 式中 R(IN)为一个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(例如滑坡对一定距离的建筑物的影响) 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 图 10. 2 澳大利亚纽卡斯尔一滑坡平面位置图 表 10. 2 某滑坡单一风险分析 风险 脆弱度 单一风险 个体 滑坡 大小 发生 概率 危害 程度 Va Vb Vc VL VP 人身财产 A 大 0.05 很高 1.0 0.05 1.0 0.05 1.0 0.0025 B 大 0.05 很高 0.5 0.3 0.9 0.15 0.45 0.0075 C 大 0.05 很高 0.5 0.01 0.05 0.005 0.025 0.00025 注 Va 为单一个体受滑坡影响的概率 建筑物 B 与 C 只有在泥石流发生时才受影响 Vb为在建筑物受到影响 时 有一人致死的概率 Vc 为在建筑物受到影响时 单一风险个体价值的比率 VL为人员伤亡的脆弱度 ( = Va×Vb) VP为财产损失的脆弱度( = Va×Vc) (2) 对于财产的损失 评估公式为
第10章边坡稳定的风险分析279 P(R)=P(H)×P(S/H)x(P/S)×E (10.4) 式中:P(R)为以货币为单位的每年财产的损失,相应个体是长久存在的,还是临时的,此值 就有明显的不同;I(PS)为建筑物滑坡灾害的脆弱程度;E为以货币为单位的损失(例如该 财产目前的价值);其余变量定义同式(10.3)。 对于滑坡体影响范围内风险个体的脆弱度通常可在历史记录和工程技术人员判断的基 础上进行评估。例如,在高陡边坡坡脚处的建筑物就比远离坡脚处的建筑物具有较高的脆弱 度(即建筑物整体的破坏的概率高)。处于高速度滑坡区影响范围内的建筑物就比位于速度 低滑坡区的同一建筑物的脆弱度高。 定量风险分析方法能比较全面和定量地分析滑坡问题的失稳概率以及相应的灾害后果 能直接面对和处理滑坡问题的风险评估。定量风险分析方法通常有以下几个步骤: (1)建立一滑坡灾害模型。该模型尽可能包含滑坡区的地质条件,各种可能诱发滑坡的 内在和外在因素,以及滑坡区周围的工厂、居民区、交通设施等。 (2)列出所有可能的边坡破坏模式和计算相应的破坏概率。这是定量分析的一个重要内 容,通常称可靠度分析,将在本章其它节中进行详细的讨论 3)建立滑坡后果模型。评估特定滑坡破坏模式下的灾害后果 (4)计算风险个体的单一风险和滑坡影响范围内的整体风险 10.1.5大坝和边坡的允许风险 制定一个合适的允许风险程度,是风险管理的一个重要组成部分。通常用以下两种指标 规定大坝和边坡的允许风险 1.允许风险 允许风险通常以每年每一单独生命被摧毁的概率来描述。例如,假定我国人口以12×10 计,每年因滑坡、泥石流死亡人数为1200人,则以年计的风险为1200÷(1.2×10°)=10°。 在风险分析领域,还需要区分单独生命是主动的还是被动的风险承受者。例如对登山者、 主动吸烟者这样的主动风险承担者,设定其允许风险时自然要比大坝下游的居民、被动吸烟 者等被动风险承担者要高得多。Reid(1989)介绍了英国CIRA( Construction Industry and Research association)在1977年规定的建筑物以年计的允许风险社会指数,见表103。 表10.3英国CIRA规定的以年计的允许风险社会指数 建筑物类型大坝,人群聚居处办公室,商业,工业区桥梁塔,近海结构 0.005 0.05 0.5 Fel(1993)在英国CIRA规定的建筑物以年计的允许风险社会指数的基础上,提出了各 种行业允许风险的确定方法,如下式: )=x×10 式中:K为社会指数,见表10.3;N为受影响的人数
第 10 章 边坡稳定的风险分析 279 P(R) = P(H)× P(S / H)×(P / S)× E (10.4) 式中 P(R)为 以货币为单位的每年财产的损失 相应个体是长久存在的 还是临时的 此值 就有明显的不同 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 例如该 财产目前的价值 其余变量定义同式(10.3) 对于滑坡体影响范围内风险个体的脆弱度通常可在历史记录和工程技术人员判断的基 础上进行评估 例如 在高陡边坡坡脚处的建筑物就比远离坡脚处的建筑物具有较高的脆弱 度 即建筑物整体的破坏的概率高 处于高速度滑坡区影响范围内的建筑物就比位于速度 低滑坡区的同一建筑物的脆弱度高 定量风险分析方法能比较全面和定量地分析滑坡问题的失稳概率以及相应的灾害后果 能直接面对和处理滑坡问题的风险评估 定量风险分析方法通常有以下几个步骤 (1) 建立一滑坡灾害模型 该模型尽可能包含滑坡区的地质条件 各种可能诱发滑坡的 内在和外在因素 以及滑坡区周围的工厂 居民区 交通设施等 (2) 列出所有可能的边坡破坏模式和计算相应的破坏概率 这是定量分析的一个重要内 容 通常称可靠度分析 将在本章其它节中进行详细的讨论 (3) 建立滑坡后果模型 评估特定滑坡破坏模式下的灾害后果 (4) 计算风险个体的单一风险和滑坡影响范围内的整体风险 10. 1. 5 大坝和边坡的允许风险 制定一个合适的允许风险程度 是风险管理的一个重要组成部分 通常用以下两种指标 规定大坝和边坡的允许风险 1. 允许风险 允许风险通常以每年每一单独生命被摧毁的概率来描述 例如 假定我国人口以 1.2×109 计 每年因滑坡 泥石流死亡人数为 1200 人 则以年计的风险为 1200÷(1.2×109 )=10-6 在风险分析领域 还需要区分单独生命是主动的还是被动的风险承受者 例如对登山者 主动吸烟者这样的主动风险承担者 设定其允许风险时自然要比大坝下游的居民 被动吸烟 者等被动风险承担者要高得多 Reid (1989)介绍了英国 CIRA (Construction Industry and Research Association)在 1977 年规定的建筑物以年计的允许风险社会指数 见表 10.3 表 10. 3 英国 CIRA 规定的以年计的允许风险社会指数 建筑物类型 大坝 人群聚居处 办公室 商业 工业区 桥梁 塔 近海结构 Ks 0.005 0.05 0.5 5 Fell (1993)在英国 CIRA 规定的建筑物以年计的允许风险社会指数的基础上 提出了各 种行业允许风险的确定方法 如下式 r s N K P f 4 10 ( ) − × = (10.5) 式中 Ks为社会指数 见表 10.3 Nr为受影响的人数
280土质边坡穗定分析一原理·方法·程序 表104摘录了Red(1989)对各类主动和被动风险承受者建议的允许风险 表10.4各种行业对生命伤害的风险统计(Reid,1989) 风险种类 单独个体以年计死亡的概率(×10) 桥梁破坏 结构破坏桥墩(UK) 0.14 桥梁火灾 自然灾害(US) 暴风雨 龙卷风 雷电 地震 2 火车旅行 电击 飞机旅行 中毒 溺水 火灾 990000 落石 公路旅行 300 职业风险 制衣业 汽车制造业 化工业 85 造船业 农业 110 建筑业 150 铁道 180 采石 295 近海石油 1.650 海捕鱼 2,800 运动风险 洞穴探险 滑翔 潜水 赛艇 00 高空滑翔 1.500 跳伞 所有的原因 整体 12,000 30岁男性 1,000 60岁女性 10.000 60岁男性 20,000
280 土质边坡稳定分析 原理 ⋅ 方法 ⋅ 程序 表 10.4 摘录了 Reid (1989)对各类主动和被动风险承受者建议的允许风险 表 10. 4 各种行业对生命伤害的风险统计(Reid, 1989) 风险种类 单独个体以年计死亡的概率(×10-6) 桥梁破坏 结构破坏桥墩(UK) 0.14 桥梁火灾 4 自然灾害(US) 暴风雨 0.4 龙卷风 0.4 雷电 0.5 地震 2 一般风险 火车旅行 4 电击 6 飞机旅行 9 水上旅行 9 中毒 20 溺水 30 火灾 40 落石 90 公路旅行 300 职业风险 制衣业 5 汽车制造业 15 化工业 85 造船业 105 农业 110 建筑业 150 铁道 180 煤矿 210 采石 295 采矿 750 近海石油 1,650 深海捕鱼 2,800 运动风险 洞穴探险 45 滑翔 400 潜水 420 赛艇 800 高空滑翔 1,500 跳伞 1,900 所有的原因 整体 12,000 30岁女性 600 30岁男性 1,000 60岁女性 10,000 60岁男性 20,000
第10章边坡稳定的风险分析281 Fl分析了各种行业风险的基础上认为,对于被动风险承受者,以年计允许风险应小 于10-6,最大也不得超过105 图103为南非、荷兰和澳大利亚对大坝允许风险的规定( Kreuzer,2000°。从中可以看到 允许的风险程度是和一个国家的经济发展程度以及人口密度等情况密切相关的。例如,在图 103中,南非和荷兰均以1000人作为横坐标N最大的度量,而澳大利亚则取10000人,在 我国则横坐标至少要外延至10万人 对于滑坡灾害,澳大利亚岩土力学学会和香港政府分别建议如表105和图104所示的 允许风险( Australian Geotechnics Society,200,Ho.etal.,2000 F1.00E-03 被动承受风险区 00E-04 1.00-05 1.00E-07 =0.01 B=0,1 1.00E-06 1.00E-07 1.00E-02p F1 不可接受的风险区 1.00-07般可接受的风险区 图10.3一些国家对大坝允许风险的规定 (a)南非;(b)荷兰;(c)澳大利亚,N为失效个体的数量 °图10.3(原文纵坐标似有误,己根据作者理解改正
第 10 章 边坡稳定的风险分析 281 Fell 在分析了各种行业风险的基础上认为 对于被动风险承受者 以年计允许风险应小 于 10−6 最大也不得超过 10−5 图 10.3 为南非 荷兰和澳大利亚对大坝允许风险的规定(Kreuzer, 2000)Ο 从中可以看到 允许的风险程度是和一个国家的经济发展程度以及人口密度等情况密切相关的 例如 在图 10.3 中 南非和荷兰均以 1000 人作为横坐标 N 最大的度量 而澳大利亚则取 10000 人 在 我国则横坐标至少要外延至 10 万人 对于滑坡灾害 澳大利亚岩土力学学会和香港政府分别建议如表 10.5 和图 10.4 所示的 允许风险(Australian Geotechnics Society, 2000; Ho. et al. , 2000) 图 10. 3 一些国家对大坝允许风险的规定 a 南非 b 荷兰 c 澳大利亚 N 为失效个体的数量 Ο 图10.3(a)原文纵坐标似有误 已根据作者理解改正
282土质边坡穗定分析一原理·方法·程序 1.00E+00 叮接受风险区 1,00E-0 1.00E…06 1.00E 可接受风险 失效个体数量(N) 1.00E0 00E…0 日不可接受风险区 1.00E-0 1.00E…0 1.00E 1.00E-08 1.00E09 失效个体数(N) 图10.4香港政府对边坡允许风险的规定 (a)二层次评价方法;(b)三层次评价方法 表10.5澳大利亚岩土力学学会建议的以年计的允许风险 情况 建议的允许风 已建边坡 处于高危地区的人群 10 般人群 新建边坡 处于高危地区的人群 10 一般人群
282 土质边坡稳定分析 原理 ⋅ 方法 ⋅ 程序 图 10. 4 香港政府对边坡允许风险的规定 (a) 二层次评价方法 (b) 三层次评价方法 表 10. 5 澳大利亚岩土力学学会建议的以年计的允许风险 情况 人群属性 建议的允许风险 处于高危地区的人群 10-4 已建边坡 一般人群 10-5 处于高危地区的人群 10-5 新建边坡 一般人群 10-6
