（地质工程专业论文）吉家河滑坡风险分析研究.pdf

华北水利水电学院硕士毕业论文 吉家河滑坡风险分析研究 摘要 随着科技的发展，边坡失稳越来越得到重视，边坡治理的方法也在不断的更新、 改进。对于影响边坡稳定性的不确定因素要进行全面的、系统的考虑，因此，对边坡 进行风险分析和评价，可以避免边坡失稳风险的发生和减轻风险损失。 本文主要介绍了边坡工程风险分析的发展和基本理论知识，风险分析的计算方 法，通过风险识别、风险估计、风险评估和风险决策四个过程对于边坡工程的失稳进 行系统的危险性评价，应用概率论的知识，考虑影响边坡失稳的不确定因素，建立计 算模型结合相关学科理论，计算出边坡发生滑坡的失效概率及可靠指标。并对损失后 果进行了估算，同时提出了相关的处理措施。 本文主要开展以下几个的方面研究： 1 、影响吉家河滑坡的不确定因素分析 风险分析主要考虑了影响滑坡失稳的不确定因素，本文主要考虑了内凝聚力，内 摩擦角、容重、浸润线、降雨和地震等几种因素。 2 、吉家河滑坡的风险分析方法 本文采用蒙特卡罗方法，通过概率分析得到边坡的失效概率和安全系数进行风险 分析研究。 3 、吉家河滑坡k 1 0 5 + 8 4 7 桩号所对应滑坡的风险分析 根据吉家河滑坡的具体资料，该滑坡k 1 0 5 + 8 4 7 桩号所对应的剖面比较典型，选 其作为分析的滑坡体，分别按照天然状态、暴雨状态、地震状态及暴雨和地震状态四 种工况下采用蒙特卡罗方法进行计算和分析，通过上述四种工况的分析，吉家河滑坡 在暴雨和烈度为度的地震情况下容易发生滑坡。 4 、吉家河滑坡失事后果估计 本文对滑坡所造成的危害进行了估计，同时提出了相应的治理措施。 华北水利水电学院硕士毕业论文 关键词】边坡工程，风险分析，失效概率，可靠指标 2 华北水利水电学院硕士毕业论文 t h er i s ka n a l y s i sa n ds t u d yo f j i j i ar i v e rl a n d s l 玎) e w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y ，w eh a v ea t t a c h e dm u c hm o l e i m p o r t a n c et os l o p ei no u rc o u n l 口r y a tt h e $ a l n et i m e ，t h em a u a g m g m e t h o d so fs | o p eh a v e a l s ob e e nu p d a t i n g w es h o u l dm r k ec o m p r e h e n s i v ea n ds y s t e m a t i c a lc o n s i d e r a t i o nt ou n c e r t a i na f f l u e n c e f a c t o rt os l o p es t a b i l i t y , a n dd or i s ka n a l y s i sa n de v a l u a t i o nt oa l lo f t h e mw h i c hc a na v o i d l a n d s i d eo c c 岫, l ga n dd e c r e a s er i s kl o s i n g t h ea r t i c l em a i n l yi n t r o d u c e st h ed e v e l o p m e n to fr i s ka n a l y s i so fs l o p e e n g i n e e r i n g ，b a s i ct h e o r ya n dc a l c u l a t i o nm e t h o d so fr i s ka n a l y s i s , a n de s t i m a t es l o p e e n g i n e e r i n gs t a b i l i t yb a s e do nr i s ki d e n t i f y i n g ，r i s ke s t i m a t i n g ，r i s ke v a l u a t i n ga n dr i s k d e c i s i o n - m a k i n g t h ea r t i c l ea l s oa p p l i e sp r o b a b i l i t yk n o w l e d g e , c o n s i d e r su n o 朗t a i n i n f l u e n tf a c t o r s , e s t a b l i s h e sc a l c u l a t i n gm o d e l ，c a l c u l a t ea b a t e m e n tp r o b a b i l i t ya n d r e l i a b i l i t yi n d e x i nt h ee n d , r e s u l t si se s t i m a t e da n dm a n a g i n gm e ：a s u r e si sp r o d u c e d i nt h e a r t i c l e t h ea r t i c l em a i n l yc a r r i e st h r o n g hs e v e r a la s p e c t so f r e s e a r c h a s 1 、t l n c e r t a i n f a c t o r a n a l y s i s o f j i j i a r i v e r l a n d s l i d e l u s ka n a l y s i sm a i n l yc o n s i d e r su n c e r t a i nf a c t o r so f l a n d s l i d e c o n h e n s i v ef o r c e ， i n t e r n a lf r i c t i o na n g l e , u n i tw e i g h , s a t u r a t i o nl i n e ，r a i n f a l la n de a r t h q u a k ea r ec o n s i d e r e di n t h ea r t i c l e 2 、砒s ka n a l y s i sm e t h o do f j i j i ar i v e rl a n d s l i d e a c c o r d i n g t om o n t ec a r l om e t h o d , t h ea r t i c l eo b t a i n sa b a t e m e n tp r o b a b i l i t ya n d s t a b i l i t yf a c t o r , b a s e do np r o b a b i l i t y 3 、l h s ka n a l y s i so f j i j i ar i v e rl a n d s l i d ea tk 1 0 5 + 8 4 7 3 华北水利水电学院硕士毕业论文 a c c o r d i n g t ob a s i cd a t u mo f 两遮r i v e r l a n d s l i d e , t i l ea r t i c l em a k et h ek 1 0 5 + 8 4 7 s l o p es e c t i o na sl a n d s l i d eb o d y ，b e c a u s eo f i t sr e p r e s e n t a t i v e ，a n dc a l c u l a t ea n da n a l y z ei n f o u rp r o j e c tc o n d i t i o n s ，i nd u r i n gn a l ：u r a lc o n d i t i o n s ，s t o r mr a i n f a l lc o n d i t i o n s 。s e i s m i c c o n d t i o na n ds t o n mm i n f a la n ds e s m cc o n d i t i o n s ，t h e a n d s l i d eb o d yi sm o s te a s i e s tt o s l i d eu 咀d e rs t o r mr a i n f a l la n dv i id e g r e es e i s m i cc o n d i t i o n s 。 4 、t h er e s u l te s t i m a t i o no f j i j i ar i v e rl a n d s l i d e t h ed i 鼢抛o f l a n d s l i d ei se s l j l l l a t e da n d m a n a g i n gm e a s u r t ! si sp r o d u c e di nt h e a r t i e l e k e y w o r d s ：s l o p ee n g i n e e r i n gr i s ka n a l y s i s ，f a i l u r ep r o b a b i l i t y , r e l i a b i l i t yi n d e x 4 独立完成与诚信声明 本人郑重声明：所提交的学位论文，是本人在指导教师的指导下，独立进行研究 工作所取得的研究成果并撰写完成的。没有剽窃、抄袭等违反学术道德、学术规范的侵 权行为。文中除已经标注引用的内容外，本学位论文中不包含其他人或集体已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得华北水利水电学院或其它教育机构的学位或证书所 使用过的材料。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中作了明确的说明 并表示了谢意。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 学位论文作者签名： 厂易形耘签字日期：。7 只沙 i 保证人c 导师，编叫风参签字隰聊，杉 学位论文版权使用授权书 本人完全了解华北水利水电学院有关保管、使用学位论文的规定。特授权华北水 利水电学院可以将学位论文的全部或部分内容公开和编入有关数据库提供检索，并采用 影印、缩印或扫描等复制手段复制、保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关 部门或机构送交论文原件或复印件和电子文档。( 涉密的学位论文在解密后应遵守此规 定) 学位做作者躲_ 多 签字日期：d 7 f 多 导师签名驯免导师签名：f ，知刁， 签字日期：z - , , - 7 厂哆 华北水利水电学院硕士毕业论文 1 。1 前言 第一章绪论 风险普遍存在在自然界及人类社会中，其具有普遍性和客观性。由于客观世界的 复杂性和人类认识的局限性，人类活动和决策不可避免地受不确定性的影响，因而不 可避免地冒着一定的风险。边坡工程建设也不例外，特别是近代的边坡工程建设更是 如此，所以对边坡工程进行风险分析或评估是十分重要的。 在边坡工程中，不仅岩土体的自身条件复杂，而且在边坡稳定性分析中所设计的 各种因素与地质、水文、气候以及人类活动等密切相关，从而导致这些因素具有很大 的不确定性。所以边坡工程分析中，完成确定性分析后( 包括极限平衡法和各种数值 分析方法等) ，再进行不确定性分析( 包括可靠性分析和模糊数学方法、灰色系统方法 以及分行几何方法等) 是必要的。 目前，以边坡的安全系数为衡量指标对边坡工程的安全性进行评价在规范中已有 规定，设计和治理时可以参考使用。这些规范或规定包括水利水电工程地质勘察规 范、水利水电工程地质手册和边坡工程手册等。但在边坡工程的设计和治 理中，还没有形成以可靠性分析为基础的设计规范，从而产生了怎样运用可靠性分析 的结果正确地对边坡进行评价的问题，也即以可靠性分析方法分析边坡工程时缺少一 个统一的可接受的风险水平阀值。 以可靠性指标的形式给出了水电工程高边坡安全度标准建议值( 分别针对重要边 坡、普通边坡和次要边坡三大类) ，但是不同的边坡工程，其所处的地形、地质条件 等各不相同，同时人类对予安全性的要求也各不相同，这远不是简单给出三类边坡要 达到的安全指标所能满足的。前人研究中处理这一问题的途径大致可分为两类：一是 与传统安全系数法进行类比分析，最终稳定性判断主要借鉴基于建筑结构可靠性理论 方面的规范，因为建筑工程的结构设计中已经在使用以可靠性概率为基础的分项系数 来进行设计。二是在所列几个方案中，适当增加可接受的风险水平。简单讨论边坡的 经济问题，进而从中选择一个可按受的可靠指标。第一类处理方法存在的问题是不准 确；第二类处理方法存在的问题是增加的风险水平为多少是适当的，这很大程度上是 主观意愿在起作用，处理问题不科学也不严肃。 边坡风险分析是对边坡工程中存在的各种风险进行风险识别、风险估计和风险评 价，并在此基础上采用各种风险管理技术，做出风险处理和决策，对风险实施有效的 控制和妥善处理所致损失的后果，期望以最小的成本获得最大的安全保障。风险分析 目的是为决策者提出建议，据此权衡风险的大小。根据我国现有高陡边坡数目多，且 多数边坡中存在安全度低、耐久性差、抗震性能弱等现象。因此，开展边坡工程的风 险分析，对局部场地或区域进行边坡失事的风险评价，从而对各类边坡进行有效的风 险管理，以减少边坡失事造成的尘命及财产损失。这是一项极具现实意义的重要研究 课题。 1 2 风险概念 关于风险，学者们下过许多定义。如：美国经济学家奈特认为：风险是可以测定的 不确定性；美国斯坦福大学的劳伦斯教授认为“风险是对出现的可能性大小的综合测 量”。一般地，风险的定义大致可归为四类：第一类是将未来结果的变化视为风险； 第二类是将不确定性视为风险；第三类是将不利事件发生的可能性视为风险；第四类 的定义中，又可分为三种：第一种，将各种可能结果之间差异本身视为风险；第二种 以客观实际结果为参照对象，将风险定义为主观预想与客观实际结果的距离；第三种 以主观预想的结果为参照对象，将风险定义为未来结果现在预期值与期望结果之间的 差距。 从学术上的诸多定义和日常生活对风险的理解中我们知道。人们从风险探索和研 究中得到了这样一些比较正确的认识成果：( 1 ) 风险与不确定性有关；( 2 ) 风险是不确 定性结果中的一种，即可能发生的不利结果中的一种；( 3 ) 风险是可能发生的结果中 的那种不利于人们的结果；( 4 ) 风险是未来可能不利结果与期望结果之间的差异。因 此，不利结果偏离预期发生的可能性及其不利程度。相应地，机会就是有利结果发生 的可能性及其有利程度。其中，不利就是人们认为某个结果会给自己带来损失( 损害 主体或未来有利益) 或者不能实现某个目标，或者阻碍自己实现某个目标等等。判断 某个结果是否不利，完全以主体的期望为标准。无论什么标准都是主体根据社会环 华北水利水电学院硕士毕业论文 境和要求确定的对同样的结果或事情，不同主体有不同的期望，同一主体也有许多 预期因素，面对同样的结果或事情，不利的评价是极不相同的，即不利是相对的。所 以不利因素同时要求给出期望，要求和参照对象，不言自明的可以例外。也就是说， 在没有特别作出说明时，可以认为期望为“大多数人的平均”。否则，风险是可能没 有意义的，而且还可能产生意想不到的困难和错误。 在边坡工程风险分析中，并没有普通接受的一致定义。为此，美国风险分析协会 专门成立一个委员会，确定“风险”的定义。经过三四年的工作，这个委员会列出1 4 种关于“风险”的定义，结果也未能得到一致的结论。( k a p l a n ，1 9 9 1 ) 澳大利亚对于 滑坡风险评价的定义也不尽相同。但在1 9 9 2 年2 月第6 0 次澳大利亚一新西兰岩土力学 国际会议上( c h r i s t c h u r c hn z ) 达成一条共识：“灾害”和“风险”是指滑坡发生以 及由滑坡造成损失的概率。1 。事实上，滑坡风险评价有许多定义和方法，但基本大同 小异，只是细节不尽相同 m o r g e n s t e r n o ”( 1 9 6 5 ) 和f e l l m ( 1 9 9 4 ) 对风险评估的概念和风险的定义进行了讨 论，而加拿大国家标准c a n c s a - q 6 3 4 - 9 1 ( 加拿大标准协会，1 9 9 1 ) 和澳大利亚、新西 兰国家标准a s n z s 4 3 6 0 ：1 9 9 5 ( 澳大利亚和新西兰标准，1 9 9 5 ) 中，给出了整套风 险管理的基本框架，m o r g e n s t e r n ( 1 9 6 5 ) 和f e l l ( 1 9 9 4 ) 提倡使用定量的风险评估( q r a ) 作为这套风险管理框架的一部分。关于风险术语的定义有很多建议，为避免争议，本 文使用主要风险定义如下。这些术语定义来源于加拿大标准协会“”( c s a ，1 9 9 1 ) 、国 际科学理事会滑坡工作组( i u g s ，1 9 9 7 ) ，f e l l 和h a r t f o r d ( 1 9 9 7 ) 。 分类( c l a s s i f i c a t i o n ) ：对滑坡和潜在滑坡的自然特性的描述： 滑坡规模m ( m a g n i t u d e ) ：潜在滑坡体的体积大小，以m 3 计； 发生概率p ( p r o b a b i l i t y ) ：特定的边坡在一段时间的失稳概率( 通常为一年) ； 危害h ( h a z a r d ) ：对滑坡体积大小和发生概率的总体评估( 一般来讲，h = m xp ) ； 脆弱度v ( v u l n e r a b i l “y ) ：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l 之间的一个数： 风险体e ( e l e m e n t sa tr i s k ) ：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； 单一风险r s ( s p e c i f i cr i s k ) ：等于发生概率和单一个体的脆弱度的乘积， 华北水利水l u 学院坝l 毕业论立 即( r s - p v ) ； 整体风险r ，( t o t a lr i s k ) ：可以预计到的人员伤亡，财产损失，经济活动以及 或者环境受到破坏的数目； 风险：对健康、财产或环境产生不利影响的程度和概率的一个度量； 风险分析；使用有效的信息判断风险对个人或全体、财产、环境的危害； 风险评估：风险分析和风险评价的过程； 风险评价：考虑估计的风险及其产生社会、环境和经济后果的重要性，给出明确 的或含蓄的判断和意见，方便决策过程，目的去寻找一系列可选方法来管理风险。 边坡风险就是边坡破坏产生不良后果的可能性，即边坡风险包括边坡发生破坏的 可能性及其所产生的后果( 损失) 两方面。其风险“可表示为： r = f ( p ，c ) ( 1 1 ) 式中，r 一边坡风险： p 一边坡发生破坏的概率： c 一边坡失效的损失。 风险是在一定时空条件下的非期望事件，根据概率论，风险大小取决于所致损失 概率分布的期望值和标准差。边坡风险是伴随着人类的工程活动而存在的，是由不确 定性因素决定的，边坡失效直接危及生命和财产安全，这就构成边坡工程风险。边坡 工程风险分析是对边坡失效危害进行风险识别、风险估计、风险评价，并在此基础上 优化组合各种风险管理技术，作出风险决策。对边坡风险实施有效的控制和处理风险 所致损失的后果，期望以最小的成本获得最大的安全保障。能否实现上述目的，不仅 取决于风险决策前的边坡风险识别、评价是否全面正确，而且还取决于选择最佳风险 管理技术组合。由于风险具有动态性，对风险的认识水平和风险管理技术处在不断完 善的过程中，因此，边坡工程风险分析是一个动态过程。 1 3 风险分析的背景和内容 风险分析的起源可以追述到2 0 世纪中期，当时风险分析这个术语基本上还没有 人昕说过，而可靠性这个词只是在航字和武器工业界的一些部门里才用到，人们靠经 华北水利水电学院硕士毕业论文 验来进行安全分析。由于显而易见的原因，最早使可靠性定量化的动力来自飞机工业。 第一次世界大战以后，由于空中交通和空中失事的增加，要求制订飞机性能的可靠性 准则和必要的安全规范。从保证飞行成功的观点出发，对单发动机和多发动机进行了 比较，并提出了对每飞行小时事故率的要求。 5 0 年代，在航宇和核领域开始按失效率、寿命期望、设计合理性和成功率预测 等来研究元件的可靠性。 6 0 年代出现了新的可靠性技术，更广泛地用于各种专门用途。包括各元件的效 能，包括机械的、电气的和液压的元件，而后则扩大到研究元件失效对于其所组成的 各级组织系统的影响。到了发展洲际导弹和其后的“水星”和“双子星座”等载入火 箭计划的时代，加速提出了“必保成功”的要求。火箭发射必须一次成功，以加剧了 这种要求，而火箭发射前对发射台上的火箭发动机笔各种系统的功能进行倒计数则将 此种要求发展到了顶点。 7 0 年代，伴随着产品责任制，环境约束，政府部f l ( 特别是在欧洲) 大规模干预工 厂的设计、建造和运转程序等各种情况所提出的问题，产生了- f - 崭新的技术一风 险分析。由于这门技术的文献繁难，并且其中所用的某些数学方法又是许多工程师所 不熟悉的，这就使得它的传播普及缓慢而困难。 8 0 - - - 9 0 年代随着风险分析的应用，这一技术逐渐被引入大型水利建设工程、防洪 减灾等领域，大型建设工程中风险分析主要用于不仅对己建成的水利工程存在着安全 性等方面的风险分析和风险管理问题，在工程建设过程中进行有关风险的分析并采取 相应对策也同样重要和必要。譬如，作为工程规划与设计中一项必不可少的技术决策， 施工导流设计以信息和预测为依据，其中必然包含不确定性，如超标准洪水的发生等。 正是由于存在这些不确定因素，加之一些工程技术因素的作用，使导流风险不可避免， 导流标准的确定从本质上讲就是典型的风险决策。通过概率模拟分析，可以正确模拟 和评估各种不确定性，得出每一个导流方案对应的风险及其后果，以此判定它们对确 定导流标准的影响。因此，在施工导流设计的决策中引入风险决策方法必然较之其他 传统方法更科学更合理，也显得至关重要。在防洪减灾领域，作为其中一个重要内 容的风险问题研究也取得了迅速进展，不断地由定性描述向定量分析发展：研究工作 从水文风险一直拓宽到水力、经济、社会、环境、运行管理、保险等一系列风险问题， 扛北水利水l u 学院帧 j 毕业论支 取得了较为丰硕的成果。 1 3 1 国外的背景 从二十世纪8 0 年代初开始，国外的一些学者开始了岩土和边坡工程的风险研究。 在w h i t m a n ( 1 9 8 4 ) 的论文中介绍了岩土工程的诸多概念以及在岩士工程风险评价中 的应用。m o r g e n s t e m ( 1 9 9 5 ) 讨论岩土工程风险的不确定性以及风险管理问题。l a c a s s e f 1 9 9 4 ) 研究可靠性及概率方法在岩土工程中的应用。v i c k ( 1 9 9 2 ) 对岩土工程实践中存 在的风险问题进行了研究。v a m e s ( 1 9 8 4 ) f e u ( 1 9 9 4 ) 和w u 等人( 1 9 9 6 ) 对滑坡风险的专 门名词进行了总结。h a r t l e n 和v i b e r g ( 1 9 8 8 ) 对滑坡定性风险评价作了评述，它是通 过对各风险因素的详细程度和复杂性等特征进行排序来进行的。b r a n d ( 1 9 8 8 ) 介绍了 香港一个定性风险评价系统，孩系统使用一个表示破损概率的非稳定性分数和一个表 示破损影响的潜在严重性的影响分数。p i e r s o n ( 1 9 9 2 ) 也提供另一个用于管理公路沿线 边坡的例子。 在定量风险评价中，主要进行随机稳定分析和影响分析两个方面的分析对于稳 定边坡的专门场地评价，随机稳定分析一般可满足要求。边坡随机稳定分析理论框架 己经建立了一段时间，q b a c c h e r _ j c h r i s t i a n h e i n s t e i n w t a n g th wu 等人在理论 基础、研究实例以及提供指导原则方面作出了贡献，使我们能够萨确理解边坡稳定性 的可靠性表述。f e l l ( 1 9 9 4 ) 绘出适合滑坡风险评估的定义，对滑坡风险的可接受水平 进行了讨论。f i n l a yp j 和f e l lr o b i n ( 1 9 9 7 ) 从滑坡风险识别和可接受滑坡风险水平出 发，对澳洲和香港的滑坡灾害风险进行了研究，其成果包括滑坡灾害的调查、土地开 发原则、滑坡灾害的分类、滑坡灾害造成的生命财产损失可接受概率等。f i n l a y ( 1 9 9 6 ) 深入研究全面的风险评估，估计区域房屋的总风险和每年期望的人员伤亡，并在对房 屋数量，建筑类型和占有率的调查的基础上进行后果分析。p j f i n l a y gr m o s t y n 和 r f e l l ( 1 9 9 9 ) 用统计学原理，对香港1 9 8 4 1 9 9 3 年的3 0 0 0 多个滑坡灾害纪录数据库进 行了统计分析研究，建立了基于滑坡灾害几何条件的预测滑坡灾害水平运动距离的多 元回归模型。f c d a i 和c r l e e ( 20 0 1 ) 对滑坡灾害的危险性进行了研究，研究了降雨 与滑坡灾害频率及其体积问的关系。h e i r a m l y ( 2 0 0 1 ) 将概率边坡稳定分析方法综合 应用于岩土实际中，并将这一方法作为个实际的设计和决策工具。 华北水利水电学院硕士毕业论文 b t e m e s g e n 和m u m o h a m m m e d ( 2 0 0 1 ) 利用g i s 和遥感技术研究了滑坡灾害 与致灾因子之间的统计关系，并用风险系数值【o ，1 】来评价滑坡灾害风险。 1 3 2 国内的背景 在我国，近年在地质灾害领域，风险评价开始兴起。二十世纪8 0 年代以前，地 质灾害研究主要局限于对灾害分布规律、形成机理、趋势预测等方面的分析，基本依 附于水文地质、工程地质及有关的研究工作。二十世纪8 0 年代以后，随着灾害对社 会经济影响的日益严重和国际灾害研究的迅速发展，我国灾害风险评价研究开始兴 起。地质灾害研究开始突破传统的研究模式，研究水平不断提高，研究内容日益丰富， 开始向新的独立学科发展，随之，灾害风险评价开始起步。 张业成、张梁【2 6 】( 1 9 9 6 ) 在对中国近年地质灾害灾情分析的基础上，运用层次分析 ( a f i p ) 法分析评价了中国地质灾害的危害程度，进行了全国范围的危险性区划，刘希 林翰( 1 9 9 3 ) 根据大量调查统计资料，提出了判断泥石流危险程度和评估泥石流泛滥 堆积范围的方法。 胡瑞林【2 封( 1 9 9 4 ) 将计算机技术应用于地质灾害评价。初步提出了地质灾害评价的 计算机模型预测系统与应用方法。罗元华( 1 9 9 4 ) 、张梁( 1 9 9 6 ) 、孟荣( 1 9 9 4 ) 等在借鉴国 外和国内其它领域研究成果的基础上，根据环境经济理论，对地质灾害风险评价与经 济损失分析的理论基础进行了探讨。 马宗晋p ( 1 9 9 3 ) 提出了用灾度表示自然灾害破坏损失规模的看法。高庆华( 1 9 9 1 ) 提出了建立自然灾害评估系统的总体构想。予光远( 1 9 8 7 ) 在全国灾害经济学讨论会 上，对自然灾害经济理论进行了阐述，提出了灾害经济学属于守业经济学，减灾的经 济效果表现为“负负得正”的经济效益的观点。黄崇福等( 1 9 9 4 ) 提出了自然灾害风险 评价的模型体系。李永善( 1 9 9 1 ) 、张显东( 1 9 9 6 ) 。于庆东( 1 9 9 6 ) 、罗云( 1 9 9 2 ) 等分别对 自然灾害经济损失、防治工程效益等评价方法进行了探讨。白海玲、黄崇福( 2 0 0 0 ) 提 出了自然灾害分析系统的复杂性，宜用模糊系统的观点进行自然灾害的风险分析。刘 希林( 2 0 0 0 ) 研究了区域泥石流的风险评价，将风险度分为5 级，以四川凉山州为例， 对该地区泥石流风险进行了评价边坡稳定性分析的专家系统研究也得到应用( 夏元 友，1 9 9 7 t 吴景坤，1 9 9 3 ；张金山，1 9 9 5 ) 卜：亿水利水1 u 学院坝j 毕业硷又 风险分析技术在大型工程项目( 如地铁、越江隧道) 中的应用较多。同济大学丁士 昭教授( 1 9 9 2 ) 主持编制了广州地铁首期工程、上海地铁一号线等工程的风险管理及工 程保险方案，探讨了地铁的保险模式。同济大学黄宏伟教授、陶履彬教授等( 2 0 0 3 ) 主 持完成了武汉越江隧道( 含地铁) 的风险评估。黄宏伟教授等( 2 0 0 3 ) 完成苏州轨道交通 试验段的初步风险评估等项目。 在香港，滑坡被作为影响公众安全的主要危害。香港岩土工程署( g e o ) 采取风险 管理技术，尤其是定量风险分析技术，作为管理滑坡风险的手段。h a r d i n l 曲a m 等( 1 9 9 8 ) 描述鲤鱼门村后边坡的一个定量滑坡风险分析。w o n g 和h o ( 1 9 9 8 ) 给出了另外一个关 于香港老人工边坡和维护墙( 香港岩土工程署1 9 7 7 年成立之前的边坡) 的整体风险的 定量风险分析研究。 汪敏例等( 2 0 0 0 ) 进行了港渝版地滑坡灾害及防治方法对比研宄，兑：于2 0 0 1 年在 其博士论文中对滑坡灾害风险分析系统理论及在港渝地区应用研究。详细分析了港渝 两地的滑坡灾害及水文地质特征，总结了影响边坡稳定性的各主要因素，并对两地的 边坡类型及变形破坏特征进行了研究，给出了两地可借相互借鉴的诸多方面。文中用 滑坡灾害风险分析理论建立了香港地区的滑坡灾害风险评价系统框架，并对重庆醒糟 坪滑坡群进行了灾害风险评价计算。 赵其华( 2 0 0 2 ) 等以川藏公路= 郎山隧道西出口的和平沟滑坡灾害为研究对象，对 滑坡灾害的可能失稳规模、方式及其危害性进行了研究； 朱良峰( 2 0 0 2 ) 等研究开发了基于g i s 的区域地质灾害风险分析系统，对全国范围 的滑坡灾害进行了危险性分析、易损性分析和最终的风险评价。 陈祖煜( 2 0 0 3 ) 介绍了边坡稳定的可靠度和风险分析方法，并给出了相应的工程应 用。他指出应当恰当地应用风险分析的概念和方法，通过可靠度分析，可以使工程设 计建立在更为科学的论证基础上。 麻荣永( 2 0 0 4 ) 对土坝滑坡风险分析进行研究，详细给出了传统风险分析方法和模 糊分析方法在土石坝水库工程中的应用。灾害进行了风险分析 谢全敏( 2 0 0 5 ) 从系统理论的观点出发。提出了滑坡灾害复杂大系统的概念，并以 这一概念为基础，探讨了滑坡灾害风险特征及滑坡灾害风险评价的基本内容，提出并 系统地阐述了以滑坡危险性分析、j x l 险体易损性分析和滑坡灾害破坏损失评估为核心 华北水利水电学院硕七毕业论文 内容的滑坡灾害风险评价的系统理论。通过国内外的文献研究可知，目前有关边坡工 程风险研究的内容主要涉及到边坡失稳的定性的和定量的分析，以及边坡失效发生概 率评价、边坡失效风险的易损性评价、特定场地的风险计算、确定边坡的允许风险标 准、边坡失效损失估计以及工程保险等。总结近l o 年来风险评价在边坡工程领域的 应用及发展，取得的进展主要表现在以下几个方面： ( 1 ) 随着科技的发达，对于风险评价得到了越来越广泛的重视 在边坡工程风险评价的初期，只是极少数专家认识到它对减少边坡失效的重要意 义和广阔的发展前景，随着减灾活动的深入，这些认识逐渐变为多数部门和专家的共 识。风险分析的技术、方法和手段被广泛的采用。 ( 2 ) 风险评价所涉及的内容越来越广泛 越来越多的学科融入边坡风险研究中，最突出的表现是强化了社会经济研究。除 了对边坡失效强度( 危险性) 的分析定量化外，对风险体易损性的分析也不断加强，而 且这种分析不仅局限于风险体个体分析，而且逐渐扩大到社会经济等多学科、多领域 的研究。 ( 3 ) 研究的方法手段越来越丰富 随着风险评价研究的发展，研究方法也不断发展，除了危害动力学分析方法外， 开始融入多种数理分析和社会经济评价方法。如概率分析、相关分析、趋势分析、聚 类分析、数值分析、系统分析、层次分析、工程分析、价值分析等。与此同时，计算 机技术得到越来越广泛应用。因此，使岩土和边坡工程风险分析理论不断向定量化方 面发展。但在边坡工程风险分析这一领域的研究还远不成熟，不同学者对风险的认识 角度也不一样，目前边坡工程风险研究的理论也还不完善。这些研究还存在许多需要 解决的问题。如：( 1 ) i 程边坡项目( 如大型基坑边坡( 壁) 、采矿边坡) 的风险分析研究 还未涉及；( 2 ) 边坡失效破坏损失评价只考虑了直接经济损失，对滑坡灾害间接经济 损失评价方法的研究还未见报道；( 3 ) 对边坡失效次生灾害破坏损失评价方法研究还 是空白；( 4 ) 没有规范涉及边坡允许风险水平值，边坡允许风险水平研究是近几年国 际上一个令人关注的新学术课题，但在国内对该问题的研究尚属空白；( 5 ) 无论是边 坡失稳的危险性评价模型，还是边坡失效易损性评价模型，以及边坡失效破坏损失评 价模型，其理论方法还需要不断完善和发展；( 6 ) 关于边坡风险管理和保险的研究还 f ：l t ：水利水l u 学院锄 j 毕业论文 未涉及。 总之，在边坡风险分析这一领域的研究还远不成熟，边坡风险分析评价理论方法 还没建立起来，国内在这一领域的研究尤其薄弱。 1 3 3 本课题主要研究的意义及工作 随着科技的进步，人类对边坡失稳的治理越来越专业，同时对于边坡工程的风险 分析也越来越多，但是不同领域对于风险研究的深度不一，有的起步较早，有的研究 较晚，目前我国在地质灾害方面的风险分析、研究较多，对边坡工程进行风险分析、 评价和预测，可以指导大量工程项目的建设，因此，进行边坡工程的风险分析具有重 要的现实意义，本文主要通过j x l 险分析对边坡工程进行研究，主要研究内容如下： 、了解旧、内外风险分析的发展情况及现阶段边坡工张风险研究的成果； 二、总结了目前对于边坡工程风险分析的常用的方法； 三、对边坡工程的风险分析和评价进行了总结，并对各阶段的具体内容和任务做 了详细的说明； 四、阐述了影响边坡工程失稳的影响因素并建立了相应的数学计算模型； 五、吉家河滑坡进行风险分析研究 ( 1 ) 通过对影响吉家河滑坡的不确定性因素的分析，计算得到不同工况下的失 效概率和安全系数，判断边坡是否需要加固治理，若需要治理时可得出最优治理方案。 ( 2 ) 根据吉家河滑坡的具体资料，该滑坡k 1 0 5 + 8 4 7 桩号所对应的剖面比较典 型，选其作为分析的滑坡体，分别按照天然状态、暴雨状态、地震状态及暴雨和地震 状态四种工况下采用蒙特卡罗方法进行计算和分析。 ( 3 ) 吉家河对滑坡所造成的危害进行了估计。同时提出了相应的治理措施。 华北水利水电学院硕上毕业论文 2 1 蒙特卡罗方法 第二章风险分析的计算方法 蒙特卡洛方法【1 0 1 1 2 1 亦称为随机模燃( r a n d o ms i m f l m i o n ) 方法，有时也称为随 机抽样( r a n d o ms a m p l i n g ) 技术或统汁试验( s m t i s f i c f lt e s t i n g ) 方法。它的基本思想是， 为了求解数学、物理、工程技术以及生产管理等方面的问题，首先建立一个概率模型 或随机过程，使它的参数等于问题的解，然后通过对模型或过程的观察或抽样试验来 计算所求参数的统计特征，最后给出所求解的近似值。而解的精确度可用估计值的标 准误差来表示。其基本原理如下： 由概率定义知，某事件的概率可以用大量试验中该事件发生的频率来估算，当样 本容量足够大时，可以认为该事件的发生频率即为其概率。因此，可以先对影响其可 靠度的随机变量进行大量的随机抽样，然后把这些抽样值组一组地代入功能函数 式，确定结构是否失效，最后从中求得结构的失效概率。蒙特卡洛方法正是基于此思 路进行分析的。 蒙特卡洛方法是风险评估中常用的一种方法。它是对未来情况的幕景分析和模 拟。由于对大型工程项目不能进行物理实验，蒙特卡洛方法也可看作是一种实验研究 的方法。这种方法的精度和有效性如何，决定于仿真计算模型的精度和各输入量概率 分布估计的准确度。 m o l i t e c a d o 模拟的步骤： 1 、确定随机变量及其分布规律； 2 、建立问题的数学模型； 3 、确定随机数产生的方法和模拟次数； 4 、抽样模拟； 5 、统计分析。 设有统计独立的随机变量j ，( f = 1 , 2 ，3 ，k ) ，其对应的概率密度函数分别为 扛，i l t l , 刺承l u 学院坝i 毕业论文 厶、正：、厶，功能厂数式为z = g 扛。，x ：，屯) 。 首先根据各随机变量的相应分布，产生组随机数五，石：，以值，计算功能函 数值互：互= g ( x ，x ：，以) 若其中有组随机数对应的功能函数值互0 ，则寸o 。 时，根据伯努利大数定理及正态随机变量的特性有： 结构失效概率哆；j p 皓b - ，x ：，) o l = 专 ( 2 1 ) 可靠指标= 。( 1 一p ，) ( 2 2 ) 从蒙特卡洛方法的思路可看出，孩方法回避了结构可靠度分析中的数字困难，无 论状态函数是否非线性、随机变量是否正态，只要模拟的次数足够多，就可得到一个 比较精确的失效 | 率和可靠指标。特别在岩土体分析中，若随机变量的变异系数大于 3 0 ，可靠指标法的计算结果往往远离精确解。然而，蒙特卡洛法却不受这个约束。 而且，由于蒙特卡洛法的计算是通过大量而简单的重复抽样实现的，故方法和程序都 很简单。 在用蒙特卡洛法计算失效概率时，有两个关键问题要解决：一是如何进行随机变 量的抽样：二是确定最低的样本容量( 抽样次数) 。 应用m o n t e c a r l o 模拟法的前提条件是确定工作持续时间所遵循的规律。其优 点： l 、允许把风险和不确定性作为每一个未知因素的分布来描述，而不是单个值， 可通过研究每一变量的变化来计算风险和不确定性的不同水平，使每一活动的风险因 素得到更具体量化的表述。 2 、它能够用于包括随机变量在内的任何计算类型。 3 、考虑的变量数目不受限制。 4 、用于计算的随机变量可以根据具体数据采用任何分布形式。 5 、可以更有效地发挥专家的作用，因为关于每一随机变量的分布的判断可由对 参数最熟悉的专家来做出。 6 、这个方法可在计算机上实现。 这种方法既有对项目结构的分析，又有对风险因素的定量评价，因此比较适合在 华北水利水电学院硕士毕业论文 大中型项目中应用。蒙特卡罗模拟的优点是可以解决许多复杂的概率运算闯题，以及 适合于不允许进行真实试验的场合，它使人们能够根据实际情况的环境条件建立模型 进行实验而无须介入实际过程。对于那些费用高的项目或费时长的实验，更是显示了 它的优越性虽然用蒙特卡洛方法可以大大简化复杂问题的计算，显著提高计算效率， 但它仍然需要较复杂的计算，所以蒙特卡洛方法一般只在进行较精细的系统分析时才 使用，它适用于问题比较复杂，要求精度较高的场合，特别是对少数几个可行方案实 行精选比较对更为必要。 同时，蒙特卡罗法也有很多不足之处，主要缺点： 1 、蒙特卡罗法所得到的解是边坡在特定条件下和特定设计参数下的特解，而不 是通解。 2 、蒙特卡罗法把空间变量简化成集总参数，忽略相互之间的关系。 3 、蒙特卡罗法收敛速度慢，花费时间长。 2 2 优化法 由改进的一次二阶矩法可知，可靠指标口是标准正态坐标原点到极限状态面的最 短距离，而极限状态方程为： z = g “，而，x ) - - o ( 2 3 ) 可见，是在约束条件z = g g ，而，毛) = o 下的条件极小值。 可将目标函数写成： ，g ) = d = 厂( 黾，屯，矗) = ( x ，2 + x 2 2 + 靠2 ) ( 2 4 ) 分别将g g ) 和厂b ) 对而，吻，矗进行求导，并将视为一，屯，一。得函数， 求得有五，而，稚，和的关系如下： # 1 l 水利，t i 也牛院坝l 毕、j l ! l 仑卫 旦h ：一且 a 5 j“ 旦毡：一! d 0 2“ 器一等 寿= _ + 岳= 0 蕞= + 鲁= 0 彘= 五。+ 工者= o i 一工羔= o 凡一f ，熹= 0 h f ，丧：= 0 ( 2 5 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) 式中，g j ，z ( f = 1 2 ， 一1 ) 分别表示g e ) 、( ) 对x ，( f = 1 , 2 ，珂一1 ) 的偏导数。 将( 2 5 ) 带入式( 2 6 ) ，则可得式( 2 7 ) 联合式( 2 4 ) 和( 2 ，7 ) ，则了解出验算点 五，工：，x 。，并由下式求出可靠指标b 值： ：m 州：赂，弩+ 0 ，+ + + k + ) 2 f c z 失效概率为： p ，= 1 一中p ) ( 2 9 ) 优化法常常需要解高次方程组，但是，即使解单一的单变量超越方程就已不易， 对于超越方程就更难，更何况解超越方程组，而且对于小概率情况，方程组常常不会 收敛。故而对于多变量系统，此方法一般不采用。 2 3 直接积分法 在这种方法中，风险可直接通过对荷载和抗力的概率密度函数进行解析和数值积 分得到。一般风险16 】可表示为： 华北水利水屯学院硕。毕业论文 p ，= 妊b ，r 5 0 ，s ) d r d l q 1 0 ) 其中厶。p ，j ) 是r 和s 的联合概率密度函数，当r 和s 统计独立时，那么只要知道 厶( ，) 和磊国即可，上式可简化为 o = 弦弦厶( r 机( s 胁