边坡风险分析研究综述

2020-02-18

四川水泥 2020年8期

（湖南恒德检测有限公司，湖南衡阳 421000）

0 引言

边坡是自然界中最常见的岩土体赋存形式，随着我国经济建设的发展，大型建设工程越来越多，边坡也面临着超高超陡等复杂的问题，正是由于边坡的普遍性，一旦边坡发生失稳破坏，轻则形成坍塌，重则影响边坡周边建筑物的安全，威胁人们生命财产安全。

针对边坡灾害的研宄在全世界范围内一直处于重要地位，大型边坡灾害事故也一直是国内外报道和研宄的重点。根据世界地质灾害研宄部门的统计发现，滑坡已成为世界三大主要地质灾害之一。随着人类修建大型水利水电工程进程的加剧，大自然长期塑造的地质环境被人为改变，这就造成滑坡灾害的规模变得越来越大，灾害发生的频度也呈现出越来越高的趋势。

正因为如此，针对边坡安全的研宄一直是岩土工程的重要课题。边坡的风险分析主要经历了从早期的定性分析到后来采用安全系数来表征边坡的稳定性，实现单因素作用下的定量评价，再到近年热门起来的可靠度分析方法三个阶段的变化。在信息的使用程度上，也经历了从以前的经验主义，“专家说了算”逐渐发展到后来肯定岩体参数、力学响应等存在不确定性，却默认具有同样的不确定性特征来计算边坡的安全裕度，然后再到基于参数分布正态或者功能函数线性的前提进行边坡可靠度分析的阶段。

1 模糊定性分析

“风险”的概念起源于19世纪末的经济学领域，在岩土工程中用来对由于工程失效造成的人们生命、财产、环境等损害后果的评价。1984年Whitman(1984)[1]将很多岩土工程中的概念引入岩土工程的风险评价中。Dai (2001)[2]对滑坡灾害的危险性进行了系统的研宄。朱良峰等（2002)[3]采用层次分析法分析了我国主要地质灾害的危害程度，并以此为依据进行了全国范围内的危险性区划。谢全敏 (2004)[4]在研宄了各大滑坡特点的基础上提出了一个滑坡灾害复杂大系统的概念，并且详细说明滑坡危险性、易损性以及灾害评估方面的内容。李典庆、吴帅兵 (2006)[5]也提出了考虑时间效应的滑坡风险评估和管理方法。夏路等（2008)[6]对风险管理中的风险分配问题进行了研宄。总的来说，早期对边坡风险的评估主要是以定性分析为主。通过对研宄对象的工程地质进行勘察，采用与历史对比分析、与邻近工程或者相似工程类比等方法判断边坡破坏的可能性。

这一类基于专家经验的风险评估方法虽然在工程中应用起来效率比较高，但过度依赖于专家经验和评审人员的认知水平，表现出来的主观性较强，只能大致从定性的角度对边坡的风险进行阐述，这样的评估结果并不是所有人都能够接受，所以难以有针对性地在工程实际中进行应用。

2 定量计算

定量计算方法可以分为极限平衡法、数值分析法以及非数值分析方法（遗传算法、人工神经网络法等），极限平衡法是目前在工程中应用最广泛的方法，也是理论基础最为全面的一种方法。极限平衡法将研宄对象细分成条块，通过对条块受力的分析，建立静力、力矩平衡方程进而求解条块间的力的作用，然后根据边坡下滑力与抵抗下滑能力的比较计算表征边坡材料强度储备的安全系数指标。

采用安全系数为基础的边坡稳定性评价逐渐发展起来并形成了一套从理论到工程实践到规范标准的完整体系。然而，这种定量计算的方法对岩土体材料参数的不确定性（抗剪强度参数的相关性、荷载的变异性等）加以考虑，采用单一的安全系数进行边坡的稳定性评价时，外界因素的影响程度并不能表示出来。根据安全系数进行稳定性评判的结果也受到经验估计和主观意识的影响，这就出现了很多安全系数较大的边坡发生了破坏，而安全系数较小的边坡却能长期稳定存在的现象。

3 可靠度分析

可靠度分析是一种基于概率理论的评估结构物安全程度的方法，可靠度理论的发展经历了漫长的过程，所以以此为基础的风险评估工作也开始的比较晚。美国的卡萨格兰德在1967年首先提出了基础工程及土工设计计算中的风险问题，掀起了岩土工程中可靠度理论研宄的热潮。1990年之后，基于概率思想的可靠度设计方法逐渐在美国和日本等地方发展起来，法国率先将其应用于边坡的风险分析上。Duncan (1996)[7]、Elramly (2001)[8]等研宄了可靠度概率方法在岩土工程中的应用，后者更是将其应用的边坡稳定分析中。在此基础上，邱贤德（1998)[9]尝试采用随机变量的方式对岩体强度参数进行处理，然后类比分析确定了边坡的破坏概率。桂重等（2008)[10]通过三种方法计算边坡失效概率，提出了边坡稳定分析的新方法。随着可靠度理论的拓展，又逐渐发展起来基于蒙特卡洛模拟（彭兴等，2016[11];张浮平等，2016[12])、响应面法（傅方煜等，2014[13]; 李典庆等，2010[14]; 陈昌富等，2008[15])、随机有限元法（蒋水华等，2013[16])等的边坡可靠度分析方法。

目前，水利水电工程规范中已明确规定“一级边坡应该进行可靠度设计”，然而，规范采用的是基于安全系数的可靠度分析方法，主要是在安全系数的基础上考虑正态分布和对数正态分布时的可靠指标计算，然后转化为失效概率。这就导致在安全系数计算时忽略的风险在可靠度分析时也没有考虑，最后计算的失效概率与实际经历综合风险的边坡失效概率还有一定的距离。

4 现有研究的不足

鉴于岩土体的特殊性质，岩土工程的研宄对象往往具有“一次性”、“不可重复性”的特点，任何一个工程都是新的研宄对象，在没有足够多的信息的条件下，工程师经验占有非常重要的地位。但是如何将这种主观的，经验性的，定性的或者半定量的判断融合到考虑多种因素综合作用的边坡风险中，并且随着收集信息的增加逐渐消除经验的影响对边坡的风险评估意义重大。目前相关方面的研究工作严重缺乏。

5 后续研究建议

随着科学家对人工智能中不确定性研宄的深入，贝叶斯网络方法逐渐发展起来。美国加州大学JedeaPearl (1998)教授系统分析了前人的研宄工作，首次提出了贝叶斯网络的概念，并且给出了早起的贝叶斯网络计算方法。1990年以后，贝叶斯网络推理算法的发展更是大大带动了贝叶斯网络的发展。贝叶斯网络的理论根源可追溯至1763年提出的贝叶斯理论，在随后的过程中，贝叶斯理论被逐渐完善发展成为现在的贝叶斯网络最重要的理论基础。

贝叶斯网络具有坚实的数学基础，无论变量的状态是单/多态，或者变量的分布是连续还是离散，都不影响贝叶斯网络利用其节点间的条件概率分布来表达逻辑关系；与贝叶斯网络匹配的推理模式和推理算法种类很多，这就为利用贝叶斯网络进行因果推理和诊断推理提供了便利；贝叶斯网络擅长自我整合，可以对定性的专家经验或者是定量的测试信息进行综合，并且能够通过后期输入样本的信息实现参数或者网络结构的更新。

正是因为贝叶斯网络具有上述特点和优势，使得该方法在多个学科方向和社会实践中应用开来。可以说，贝叶斯网络模型是目前可以用来表征和推理不确定性信息的重要模型之一，也是目前国内外用于系统可靠性评估研宄的主要方法之一。

综合以上分析不难看出，贝叶斯网络方法有着坚实的理论基础，并且在多个领域的研宄取得了重要的成果。它将专家知识和实验数据有效结合，实现信息不全面条件下的不确定性推理，以概率推理为基础，推理结果说服力强，还可以随着新信息的融入完成推理结果的更新。面对岩土工程中信息缺乏，岩体参数及其力学响应存在各种不确定性，综合风险对边坡的影响限于经验定性，难以科学量化的问题，无疑是比较好的选择。