(1.貴州大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550025； 2.貴州省貴陽(yáng)市開(kāi)陽(yáng)縣國(guó)土資源局，貴州 貴陽(yáng) 550300)

山區(qū)地帶崩塌災(zāi)害頻發(fā)，而且發(fā)生時(shí)間不確定，崩落時(shí)間快，可在極短時(shí)間內(nèi)造成巨大的損失，給人民生命財(cái)產(chǎn)安全造成很大威脅[1]。因此，開(kāi)展崩塌災(zāi)害的定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)對(duì)推動(dòng)國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展和防災(zāi)減災(zāi)具有重要意義。

依據(jù)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，崩塌災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)可以定義為人的生命、財(cái)產(chǎn)或環(huán)境遭受崩塌所帶來(lái)不利影響的可能性大小和嚴(yán)重程度[2]。當(dāng)以人為受災(zāi)體時(shí)，崩塌災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)值可以定義為：在考慮崩塌危險(xiǎn)性、人的時(shí)空分布概率和易損性的基礎(chǔ)上，處于崩塌風(fēng)險(xiǎn)中的人員失去生命的概率。相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)值可以通過(guò)一定量級(jí)崩塌發(fā)生的年概率、運(yùn)動(dòng)到達(dá)某位置的概率、人的時(shí)空分布概率和易損性的乘積來(lái)計(jì)算得到[2]。在實(shí)際分析評(píng)估中，這4個(gè)物理量的量化評(píng)價(jià)一直是個(gè)難題，對(duì)此，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了一系列的研究。國(guó)外一些學(xué)者(Hungretal[3];Dussauge[4];Guzzetti[5])根據(jù)崩塌體積與累積發(fā)生頻率的對(duì)數(shù)函數(shù)之間的線性關(guān)系(MCF)，提出了利用歷史崩塌數(shù)據(jù)確定崩塌的年發(fā)生概率的方法,大幅度提高了崩塌發(fā)生的年概率預(yù)測(cè)的可靠性。Agliardi[6]通過(guò)數(shù)值模擬(HYSTONE)獲得崩塌體在建筑物位置處的運(yùn)動(dòng)能量，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，獲得了研究區(qū)建筑物破壞程度與崩塌運(yùn)動(dòng)能量的函數(shù)關(guān)系，從而為崩塌災(zāi)害中建筑物的易損性定量評(píng)估提供了依據(jù)。王學(xué)良[7]等基于不同位置滯留塊石數(shù)目的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，提出并應(yīng)用了崩塌到達(dá)概率的計(jì)算方法，為崩塌到達(dá)概率的定量化分析提供了可靠的依據(jù)。

寨子崩塌歷史上曾多次發(fā)生崩塌，崩塌塊石最遠(yuǎn)運(yùn)移到坡腳附近的居民區(qū)，且寨子崩塌的源區(qū)還殘留著大量的危巖體，嚴(yán)重威脅著下方80戶420名村民的生命財(cái)產(chǎn)安全。開(kāi)展相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)性評(píng)估研究具有緊迫性和必要性。

本文利用無(wú)人機(jī)傾斜攝影、三維實(shí)景建模技術(shù)、三

圖1 研究區(qū)地質(zhì)圖Fig.1 Geological map of the study area

維點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理軟件，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查統(tǒng)計(jì)、反演、數(shù)值模擬的方法，確定了危巖體的位置及體積、年發(fā)生概率、到達(dá)概率、時(shí)空分布概率和易損值。在此基礎(chǔ)上開(kāi)展了貴州寨子崩塌風(fēng)險(xiǎn)定量評(píng)價(jià)(QRA)研究。本文的研究思路和技術(shù)方法可為其他單體崩塌災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)以及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果的可靠性研究提供參考。

1 寨子崩塌概況

1.1 地質(zhì)環(huán)境背景

寨子崩塌位于貴州省開(kāi)陽(yáng)縣金中鎮(zhèn)寨子村寨子組，地理坐標(biāo)為27°04′30.53"N，106°49′57.48″E。區(qū)內(nèi)地貌類型屬淺切割侵蝕溶蝕中山地貌，地勢(shì)陡峻，筆者團(tuán)隊(duì)通過(guò)無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)，對(duì)寨子崩塌的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行了高精度的獲取，利用ArcGIS生成了精度為1 m的數(shù)字高程模型(DEM)，通過(guò)坡度和坡向的分析發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)坡度主要在30°～50°，崩塌源區(qū)坡度主要集中在60°～70°之間。研究區(qū)的坡向較為一致，主要在290°～310°之間。

區(qū)內(nèi)主要構(gòu)造為洋水背斜及其傾伏段、兩翼發(fā)育的斷裂構(gòu)造。在研究區(qū)附近發(fā)育的斷層主要以北東向?yàn)橹鳎瑢?duì)崩塌的起控制性作用的斷層主要為F1(見(jiàn)圖1)。

1.2 崩塌堆積體分布特征

通過(guò)無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)，建立了寨子崩塌三維高清實(shí)景模型，在模型上分別對(duì)崩塌堆積體塊石的大小及數(shù)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，具體的測(cè)量方法是分別測(cè)量塊石的長(zhǎng)、寬、高，再以三者的乘積作為塊石的體積。統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖2所示，崩塌塊石平均體積約10 m3。90%的崩塌塊石在0～30 m3區(qū)間內(nèi)，其中體積在1～5 m3的塊石數(shù)量占比最大，約占75%。

圖2 寨子歷史崩塌塊石分布特征Fig.2 Distribution characteristics of rockfalls in history

1.3 崩塌源區(qū)危巖體調(diào)查

1.3.1危巖體位置的確定

傳統(tǒng)危巖體結(jié)構(gòu)面信息的獲取主要通過(guò)羅盤測(cè)量，但測(cè)量的范圍受場(chǎng)地條件限制，對(duì)于高陡邊坡，若采用這種方法，獲取的信息不夠全面，從而影響危巖體的穩(wěn)定性的分析評(píng)價(jià)[8]。近10 a來(lái)，隨著無(wú)人機(jī)和信息處理技術(shù)的發(fā)展，為上述問(wèn)題的解決提供了新途徑[9]。在保證重疊率和分辨率的情況下，無(wú)人機(jī)可獲取航測(cè)區(qū)多角度帶經(jīng)緯度信息的照片，通過(guò)三維實(shí)景建模技術(shù)可快速構(gòu)建實(shí)景模型和三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)模型[10]，在點(diǎn)云數(shù)據(jù)模型上可進(jìn)行危巖體結(jié)構(gòu)面特征和體積的準(zhǔn)確量測(cè)。

作者通過(guò)無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)，獲取了寨子崩塌多角度的數(shù)碼照片，通過(guò)ContextCapture軟件建立了三維點(diǎn)云模型。基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)，利用ploywork軟件，對(duì)結(jié)構(gòu)面的信息進(jìn)行提取。巖體內(nèi)主要發(fā)育3組優(yōu)勢(shì)節(jié)理面：① 320°∠70°，② 200°∠75°，③ 270°∠60°，結(jié)構(gòu)面的組合關(guān)系見(jiàn)圖3。3組結(jié)構(gòu)面相互組合將巖體切割成塊狀。

基于上述結(jié)構(gòu)面信息分析和現(xiàn)場(chǎng)工程地質(zhì)調(diào)查，確定了3個(gè)危巖體，其中危巖體1受控于三組結(jié)構(gòu)面，危巖體2、危巖體3為不規(guī)則危巖體，不受結(jié)構(gòu)面控制。危巖體特征見(jiàn)表1。

圖3 結(jié)構(gòu)面赤平投影Fig.3 Stereogram of structure planes

編號(hào)形狀規(guī)模/m3崩塌類型危巖體特征及穩(wěn)定性分析W1塊狀53傾倒巖體被結(jié)構(gòu)面切割,整體性遭到破壞,巖體底部多次發(fā)生小型崩塌,巖體下方已形成凹巖腔,在暴雨作用下,可能發(fā)生整體破壞。W2塊狀62傾倒危巖體后緣發(fā)育與坡體走向平行的拉張裂縫,張開(kāi)約15cm,連續(xù)的強(qiáng)降雨入滲可加快裂縫的貫通,造成失穩(wěn)。W3不規(guī)則45傾倒破壞模式與危巖體2類似

1.3.2危巖體體積的確定

傳統(tǒng)的高位危巖體積的確定，由于缺少精確的結(jié)構(gòu)面數(shù)據(jù)，往往只考慮危巖體的長(zhǎng)、寬、高，這種方法過(guò)于理想化，對(duì)于受結(jié)構(gòu)面控制的危巖體和不規(guī)則的危巖體，若采用這種測(cè)量方法則會(huì)產(chǎn)生很大的誤差。

對(duì)于受結(jié)構(gòu)面控制的危巖體，其體積應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)面的組合關(guān)系來(lái)確定。先對(duì)軟件擬合出來(lái)的結(jié)構(gòu)面進(jìn)行分組，找出危巖體的主控結(jié)構(gòu)面；再對(duì)結(jié)構(gòu)面進(jìn)行延展，通過(guò)空間組合關(guān)系即可得到危巖體的體積。如危巖體1，圖4為危巖體1的三維模型，結(jié)構(gòu)面1構(gòu)成了危巖體的后緣邊界，結(jié)構(gòu)面2可構(gòu)成危巖體的側(cè)邊界，結(jié)構(gòu)面3可構(gòu)成危巖體的底邊界。通過(guò)ploywork點(diǎn)云處理軟件延伸三組結(jié)構(gòu)面，即可得到3組結(jié)構(gòu)面組合切割圍成的危巖體體積。

對(duì)于不規(guī)則危巖體，其形狀不受結(jié)構(gòu)面控制，在計(jì)算此類危巖體積時(shí)傳統(tǒng)方法仍按規(guī)則幾何體進(jìn)行估算，誤差較大。利用ContextCapture軟件三維建模后，在模型體中假定一個(gè)破裂面，軟件會(huì)自動(dòng)對(duì)平面進(jìn)行擬合，并對(duì)危巖體進(jìn)行切割，從而提取出危巖體體積(見(jiàn)圖5)。作者通過(guò)上述方法對(duì)三塊危巖體的尺寸進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，結(jié)果見(jiàn)表1。

圖4 危巖體(危巖體1)三維模型Fig.4 UAV three-dimensional model for dangerous rock

圖5 不規(guī)則危巖體(危巖體2)體積計(jì)算Fig.5 Volume calculation of irregular dangerous rock

2 崩塌風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法

崩塌的風(fēng)險(xiǎn)值可以通過(guò)式(1)計(jì)算獲得[2,11-12]：

P(LOL)=P(L)×P(T:L)×P(S:T)×V(D:T)

(1)

式中，P(LOL)為風(fēng)險(xiǎn)中人失去生命的年概率;P(L)為崩塌的年發(fā)生概率；P(T:L)為崩塌到達(dá)某位置的概率；P(S:T)為崩塌發(fā)生時(shí)受災(zāi)體在崩塌影響范圍內(nèi)的時(shí)空分布概率；V(D:T)為崩塌作用下受災(zāi)體的易損性(預(yù)期損失度)，可通過(guò)崩塌體運(yùn)動(dòng)特征參量和受災(zāi)體抵抗崩塌沖擊的能力大小來(lái)確定。

3 寨子崩塌風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

3.1 崩塌的年發(fā)生概率

一些學(xué)者(Hungretal[3];Dussauge[4];Guzzetti[5])認(rèn)為，崩塌體積與累積發(fā)生頻率的對(duì)數(shù)函數(shù)之間存在著線性關(guān)系(MFC)(式2)，崩塌的MCF關(guān)系可以通過(guò)對(duì)研究區(qū)歷史上所有崩塌的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析所得：

lgN(V)=N0+blgV

(2)

式中，N(V)為超過(guò)一定體積值的崩塌所發(fā)生的的年累計(jì)頻率，N0為所有崩塌事件的年發(fā)生數(shù)，b為基于研究區(qū)崩塌數(shù)據(jù)計(jì)算得到的冪函數(shù)常數(shù)。

基于年發(fā)生概率計(jì)算的MCF方法，作者通過(guò)三維實(shí)景模型對(duì)74塊歷史崩塌塊石尺寸進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并生成了MCF曲線(見(jiàn)圖6)，根據(jù)開(kāi)陽(yáng)國(guó)土局的資料記載，寨子崩塌最早發(fā)生在2002年，2002～2018年期間共發(fā)生3次崩塌，由此可以計(jì)算得到歷史崩塌的年發(fā)生數(shù)(N0=3/16), 根據(jù)崩塌數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)得到的冪函數(shù)關(guān)系求得b=-0.6?；诠?2)求得危巖體1～3的年發(fā)生概率分別為0.124，0.092，0.156。

圖6 基于歷史崩塌數(shù)據(jù)生成的MCF曲線Fig.6 MCF curve for rockfall event occurred in Zhaizi rockfall

3.2 崩塌的到達(dá)概率

3.2.1基于反演分析的恢復(fù)系數(shù)及摩擦系數(shù)

為了對(duì)危巖體1～3進(jìn)行運(yùn)動(dòng)特征模擬，首先需確定模擬過(guò)程的計(jì)算參數(shù)，即碰撞恢復(fù)系數(shù)和摩擦系數(shù)等。本文中，作者采用反演的方法對(duì)相關(guān)系數(shù)進(jìn)行確定。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，選取崩塌堆積體植被覆蓋少的區(qū)域作為反演的剖面(見(jiàn)圖7)。根據(jù)坡面條件，將剖面分為白云巖巖壁、崩塌堆積區(qū)及植被覆蓋土質(zhì)邊坡。反演的參數(shù)初始值取經(jīng)驗(yàn)值。

塊石體積采用基于實(shí)景模型得到的歷史崩塌塊石統(tǒng)計(jì)結(jié)果平均值(10 m3)，由于歷史崩塌塊石的啟動(dòng)位置具有不確定性，在高差近200 m的源區(qū)都有可能發(fā)生過(guò)崩塌?；谶@種不確定性，作者基于蒙特卡羅法進(jìn)行了崩塌隨機(jī)模擬，根據(jù)崩塌停積范圍調(diào)整參數(shù)，直到停積范圍和歷史堆積范圍的重合度大于95%。最終獲得所需的坡面動(dòng)力學(xué)參數(shù)，見(jiàn)表2。

圖7 用于反演分析的剖面Fig.7 Slope profile used for inversion analysis

坡面形狀RtRn摩擦角/(°)白云巖巖壁0.870.5533崩塌堆積區(qū)0.830.4636植被覆蓋土質(zhì)邊坡0.780.3330

3.2.2崩塌運(yùn)動(dòng)特征模擬及到達(dá)概率預(yù)測(cè)

在崩塌運(yùn)動(dòng)特征參數(shù)的計(jì)算和預(yù)測(cè)中，地形數(shù)據(jù)是最關(guān)鍵的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)之一。地形數(shù)據(jù)可通過(guò)數(shù)字高程模型(DEM)提取，地形數(shù)據(jù)的精度影響著崩塌運(yùn)動(dòng)模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，為減少地形數(shù)據(jù)所造成的的誤差，作者采用ArcGIS從無(wú)人機(jī)生成的精度為1 m的DEM中提取出高精度的剖面地形數(shù)據(jù)。

根據(jù)上述分析所確定的參數(shù)表，利用Rockfall軟件對(duì)危巖體1～3的崩塌運(yùn)動(dòng)特征進(jìn)行了模擬(見(jiàn)圖8)，然后基于不同位置滯留塊石數(shù)目的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，將經(jīng)過(guò)某位置的崩塌數(shù)目除以總的崩塌塊石數(shù)，得到各危巖體在不同位置的到達(dá)概率(見(jiàn)圖9)。

3.3 受災(zāi)體的時(shí)空分布概率

受災(zāi)體的時(shí)空分布概率依賴于風(fēng)險(xiǎn)中受災(zāi)體的遷移率[13]，一天中經(jīng)過(guò)崩塌影響區(qū)的個(gè)體數(shù)受到天氣的影響，本文基于研究區(qū)所在鄉(xiāng)鎮(zhèn)2002～2017年降雨數(shù)據(jù)，對(duì)研究區(qū)16 a間的天氣狀況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得出了晴天和雨天天數(shù)的平均值分別為252 d和113 d。在分析時(shí)空分布概率時(shí)，對(duì)晴天和雨天進(jìn)行分別計(jì)算。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)走訪調(diào)查統(tǒng)計(jì)，受崩塌影響范圍內(nèi)的住戶晴天期每人每天平均待在房屋里的時(shí)間約為10 h，雨天期約為15 h。

則晴天期間的時(shí)空分布概率為

P(S:T)=10/24×252/365≈0.28

雨天期間時(shí)空分布概率為

p(S:T)=15/24×113/365≈0.19

3.4 受災(zāi)體的易損性

受災(zāi)體易損性的計(jì)算是崩塌災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)中的難點(diǎn)，崩塌災(zāi)害易損性受崩塌強(qiáng)度(崩塌體積、速度等)、受災(zāi)體處于崩塌運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)的位置和受災(zāi)體特征等諸多方面影響[14]。本文對(duì)易損性進(jìn)行分析時(shí)綜合考慮了崩塌運(yùn)動(dòng)模擬所獲得的包括崩塌體積、速度、總能量等參數(shù)(見(jiàn)圖8)，采用專家打分的形式進(jìn)行。

圖8 危巖體崩塌運(yùn)動(dòng)模擬Fig.8 Rockfall simulation for potentially unstable blocks.

圖9 寨子崩塌危巖體1～3到達(dá)概率Fig.9 Reaching probability of dangerous blocks 1～3 of Zhaizi rockfall

對(duì)于住戶的易損性，危巖體1和3到達(dá)房屋的總能量相近，危巖體2的總能量明顯大于危巖體1和3。則危巖體2作用下人的易損性為1，危巖體1和3作用下人的易損性為0.5。

3.5 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

基于風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算公式(1)，計(jì)算得到以住戶為受災(zāi)體的崩塌災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)值結(jié)果見(jiàn)表4～5。參考國(guó)際上采用較多的香港土木工程署建議的風(fēng)險(xiǎn)容忍標(biāo)準(zhǔn)(見(jiàn)圖10)，無(wú)論在晴天期還是雨天期，危巖體1～3都處于警告區(qū)間(10-5～10-3/a)。

圖10 香港社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)容忍標(biāo)準(zhǔn)(1998年)Fig.10 Permissible norm for social risk from Hong Kong (1998)

危巖體P(L)P(T:L)P(S:T)P(D:T)P(LOL)10.1240.0020.2816.910-520.0920.0340.280.54.310-430.1560.0020.280.54.310-5

表5 降雨天氣條件下崩塌風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算參數(shù)及結(jié)果Tab.5 Rockfall risk calculation under rainfall weather conditions

4 結(jié) 論

(1) 采用無(wú)人機(jī)傾斜攝影、三維實(shí)景建模技術(shù)、ploywork點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理軟件相結(jié)合的辦法，確定了3塊危巖體的位置和體積，為崩塌的定量評(píng)價(jià)提供了基礎(chǔ)條件。

(2) 利用ArcGIS在精度為1m的DEM提取了剖面信息，并基于現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查統(tǒng)計(jì)，結(jié)合坡面材料物理力學(xué)性質(zhì)反演和隨機(jī)性崩塌運(yùn)動(dòng)模擬，確定了崩塌的年發(fā)生概率、到達(dá)概率、時(shí)空分布概率和易損值，為崩塌的定量評(píng)價(jià)提供了可靠的依據(jù)。

(3) 寨子危巖崩塌風(fēng)險(xiǎn)的定量評(píng)價(jià)結(jié)果表明，無(wú)論在晴天期還是雨天期，危巖體1～3都處于警告區(qū)間(10-5～10-3/a)，建議加強(qiáng)監(jiān)測(cè)以及采取一定的防災(zāi)減災(zāi)措施。