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灾害减缓,预防先行,滑坡灾害风险预测研究的主要目的即在于此。2009年,三峡水库水位将达到设计水位175米,水库库容不断增大,由此将形成长江干流630公里,支流超过5000公里的特大型水库。水库库岸将受到水库蓄水和调洪水位交替作用的冲击,2000多处潜在涉水崩塌滑坡即将面临考验,滑坡及其次生灾害风险预测及风险管理研究迫在眉睫。
论文本着以上实践工作和理论研究的需求,采用理论与实践相结合的方式,紧紧围绕库岸单体滑坡灾害风险预测的各项研究内容展开讨论。论文共六章,第一章阐述了水库库岸单体滑坡风险预测研究的实际意义,详细分析了国内外研究现状,并提出了其中存在的问题。第二章对滑坡灾害风险的最新基本术语进行了归纳总结,并针对水库库岸单体滑坡灾害提出了一套风险预测研究的基本体系。第三章是论文的重点,全面讨论了水库库岸单体滑坡灾害危险性各项指标的确定方法,包括滑坡失稳概率、可靠度指标、滑速、入水体积、初始涌浪高度、传播浪距离及高度、爬坡高程等内容,并以三峡库区巴东县新城区赵树岭滑坡为例,对上述各指标进行了分析计算。第四章是论文的核心部分,也是滑坡灾害风险预测研究需要突破的难点——承灾体易损性研究,主要内容包括承灾体野外调查方法、经济价值评估方法、依据滑坡发生强度确定滑体上承灾体在滑坡变形和失稳阶段的易损性方法、涌浪影响范围内承载体易损性确定方法等,并以赵树岭滑坡为例,重点对建筑物和人口易损性进行了分析讨论。第五章从滑坡灾害风险研究的各个环节入手,分析了滑坡灾害风险动态性的成因,提出时间尺度的风险研究结论的重要性,并以赵树岭滑坡为例,进行了10年尺度的滑坡灾害风险预测分析。第六章是论文的结论部分,对全文研究内容进行了总结,并针对研究过程中尚未很好解决的问题进行了展望,同时也对灾害管理部门提出了相关建议,期望能为我国滑坡灾害风险理论研究提供更好的基础。具体而言,论文在以下方面取得了阶段性成果:
(1)考虑滑带土抗剪强度随机性、不同重现期降雨和库水位升降条件下,滑坡失稳概率及可靠度研究。
论文利用极值分布理论,对降雨量、降雨强度参数进行了重现期分析。在不同重现期降雨强度的基础上,考虑库水位条件,结合滑带土抗剪强度参数的随机变化规律,利用Monte Carlo法和一次二阶矩验算点法进行了滑坡失稳概率和可靠度指标的研究。该思路针对水库库岸滑坡特有的工况条件,所开展的失稳概率和可靠度指标研究不仅仅考虑了滑带土强度参数的随机性,还考虑了降雨和库水位变化这两个重要诱因的变化特征,较纯粹考虑滑带土参数随机性的计算方法更进一步。
根据赵树岭滑坡库水位变化状况,将所有计算划分为4个时间段:十月、十一月初至次年四月底、五月初至六月中旬以及六月中旬至九月底,分别对应145m→175m、175m、175m→145m和145m水位工况。对滑坡所在区1996~2006间日降雨量进行统计分析,得到了滑坡在4个时间段内,分别遭遇5年、10年、20年、50年和100年的多日累积降雨量大小。在分析滑坡工程地质条件的基础上,将滑坡可能的失稳模式划分为3种:整体、前缘局部和后缘局部。论文后续讨论均分别针对这3种模式展开。在降雨量结论的基础上,基于稳定性的确定性计算方法——传递系数法,利用Monte Carlo法和一次二阶矩验算点法,对滑坡3种模式下,遭遇不同强度降雨、不同库水位条件时的失稳概率和可靠度指标进行了计算。
(2)滑坡以不同速度、体积入江的发生概率计算
论文基于前述滑坡概率分析方法和已有的滑速、入江体积计算方法理论,以赵树岭滑坡为实例,分析了滑坡在遭遇10年一遇30日累积降雨和不同库水位工况条件下,分别以1m/s、2m/s、3m/s、4m/s、5m/s速度入江的发生概率和对应的入江体积。
(3)滑坡初始涌浪高度、涌浪传播距离、传播浪高和爬高估算
采用潘家铮提出的滑坡初始涌浪高度估算、涌浪传播距离、传播浪高和爬高计算方法,进行了实例分析。认为,以灾害风险研究为目的灾害危险性研究,应不仅仅包括灾害发生概率,还应包括其他危险性强度指标,如滑速、入江体积、初始涌浪高度、传播浪距离及高度等,完善了灾害风险分析中危险性研究内容。通过对赵树岭滑坡进行计算后的结果表明,当库水位以2m/d的速度从175m降至145m时,滑坡整体和前缘部分滑体以5m/s的速度滑入水库的概率最小,但涌浪传播距离最远。
(4)滑坡变形阶段建筑物易损性研究
引入矿山开采沉陷导致建筑物变形破坏的理论成果,讨论了建筑物破坏率与地表水平变形、倾向变形和沉降之间的确定关系,提出了滑坡变形阶段,产生不同变形量时建筑物易损性的确定方法。论文以赵树岭滑坡为例,对滑体范围内各类建筑物进行了全面、详细的调查后,采用数值模拟方法,研究了未来10年一遇30日累计降雨条件下,滑坡在不同库水位条件下的最大可能变形量以及滑体上建筑物的破坏损失情况。
(5)滑坡变形和失稳阶段滑体上相对固定人口的易损性研究
论文分滑坡变形和失稳两个阶段,对位于滑体上数量和属性特征基本不变的人口进行了易损性定量分析研究。分析过程中,除考虑人口年龄、健康状况、防灾意识等基本属性特征以外,还考虑了人口出现在滑坡危害范围内的空间的概率和时间概率。论文以赵树岭滑坡为例,定量分析了滑坡在变形和失稳阶段滑体上相对固定人口的易损性。
滑坡变形阶段人口易损性的定量确定。由于在滑坡发生破坏之前的变形阶段,人口的伤亡并非由于滑坡的直接破坏而导致,而是由于人所处的建筑物发生变形或破坏而间接导致。因此,论文从分析滑体上建筑物发生不同程度变形破坏的概率、人处于建筑物内的时间概率入手,提出了相应的定量计算公式,解决了滑坡变形阶段人口易损性定量确定的问题。
滑坡失稳时人口易损性的定量确定。在滑坡失稳时,人口易损性大小与滑体运动速度关系密切。论文在前述研究的基础上,增加考虑滑坡速度的大小和预警措施的有无,提出了人口易损性定量确定的概化公式。
(6)滑坡失稳阶段位于交通道路上人口伤亡风险研究
交通道路上的人群在数量上、时间上是变化的。论文在考虑交通道路上的平均车流量、车辆的类型(如巴士、小车等)、车辆的平均速度、车辆内的平均人数等的基础上,提出了交通道路上行驶车辆内的人口伤亡数量的定量估算公式。论文以赵树岭滑坡为例,对滑体范围内各交通道路上的车流量、车类型、车辆内平均等进行了实地调查统计,并运用该估算公式进行了人口伤亡数量预测研究。
(7)涌浪灾害影响范围内承灾体易损性分析
论文在滑坡涌浪传播距离、传播浪高度和爬坡浪高度估算的基础上,从涌浪对大坝、码头、船舶、沿岸居民和建筑物影响的角度出发,分别讨论了各类承灾体易损性的分析方法。引入船舶航行和控制领域的基础理论,重点提出了船舶易损性的确定方法,推进了涌浪影响范围内承灾体的易损性定量分析的研究工作。
(8)风险的动态性与时间尺度研究
论文从滑坡灾害风险分析的重要环节入手,讨论了滑坡灾害风险动态的成因。认为滑坡灾害危险性、承灾体基本特征、承灾体易损性和减灾防灾措施效果的动态变化是风险动态变化的重要影响因素。并从承灾体“价值”存在的有效时间尺度出发,提出了一定时间尺度的风险预测分析的必要性。
(9)10年尺度的赵树岭滑坡主灾区灾害风险预测
在前述各理论与实例分析的基础上,考虑人口数量及属性特征以及其他类型承灾体随时间的变化特点,以10年时间尺度对赵树岭滑坡进行了风险预测实例分析。根据库岸滑坡灾害影响范围的特殊性,分滑体和涌浪影响范围两种方式展开风险预测分析。
在滑坡体本身的范围内,风险分析主要包括人口伤亡风险和经济风险两部分内容。论文得到了滑坡在不同工况条件下,以不同速度滑入水库时,其可能的人口伤亡数量和经济损失值随时间的动态变化结论。对滑坡整体失稳时的风险分析结果表明,在175m→145m+10年一遇30日累积降雨工况下,滑坡以1m/s速度滑入水库时导致的人口伤亡风险和经济风险最大;对滑坡前缘局部失稳时的风险分析结果表明,在175m→145m+10年一遇30日累积降雨工况下,滑坡以5m/s速度滑入水库时导致的人口伤亡风险最大,以1m/s速度滑入水库时的经济风险最大。
(10)10年尺度的赵树岭滑坡涌浪灾害风险预测
在涌浪危险性分析和易损性分析理论的基础上,以赵树岭滑坡为例,选取影响范围最大的工况进行承灾体数量及属性特征进实地调查。在承灾体类型划分的基础上,对145m→175m+年一遇30日累积降雨工况下,滑坡以5m/s速度滑入水库时,对大坝、码头、船舶以及沿岸居民、建筑物进行了风险预测。
滑坡整体和局部失稳时的涌浪灾害风险分析结论均表明,赵树岭滑坡涌浪不会对大坝产生威胁。但是,对于沿岸码头、停靠船舶以及居民危害性较大。滑坡整体失稳时,位于滑坡上游0.6km处的货运码头可能遭遇的风险最大;巴东港、中国石化石油码头和Y1014码头停靠的船只有倾覆的风险;滑坡上游将会有约88人、20栋居民建筑物受到威胁;滑坡下游将会有约59人,9栋建筑物受到威胁。滑坡前缘局部失稳时,位于滑坡上游0.7km和2.3km处的货运码头和巴东客运港可能遭遇的风险最大,其受威胁人口约为35人;巴东港、中国石化石油码头和Y1014码头停靠的船舶有倾覆的风险:滑坡上游将会有约278人、55栋居民建筑物受到威胁;滑坡下游将会有1186人,69栋建筑物受到威胁。