邊坡風險分析研究綜述

（湖南恒德檢測有限公司，湖南 衡陽 421000）

0 引言

邊坡是自然界中最常見的巖土體賦存形式，隨著我國經(jīng)濟建設的發(fā)展，大型建設工程越來越多，邊坡也面臨著超高超陡等復雜的問題，正是由于邊坡的普遍性，一旦邊坡發(fā)生失穩(wěn)破壞，輕則形成坍塌，重則影響邊坡周邊建筑物的安全，威脅人們生命財產(chǎn)安全。

針對邊坡災害的研宄在全世界范圍內一直處于重要地位，大型邊坡災害事故也一直是國內外報道和研宄的重點。根據(jù)世界地質災害研宄部門的統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，滑坡已成為世界三大主要地質災害之一。隨著人類修建大型水利水電工程進程的加劇，大自然長期塑造的地質環(huán)境被人為改變，這就造成滑坡災害的規(guī)模變得越來越大，災害發(fā)生的頻度也呈現(xiàn)出越來越高的趨勢。

正因為如此，針對邊坡安全的研宄一直是巖土工程的重要課題。邊坡的風險分析主要經(jīng)歷了從早期的定性分析到后來采用安全系數(shù)來表征邊坡的穩(wěn)定性，實現(xiàn)單因素作用下的定量評價，再到近年熱門起來的可靠度分析 方法三個階段的變化。在信息的使用程度上，也經(jīng)歷了從以前的經(jīng)驗主義，“專家說了算”逐漸發(fā)展到后來肯定巖體參數(shù)、力學響應等存在不確定性，卻默認具 有同樣的不確定性特征來計算邊坡的安全裕度，然后再到基于參數(shù)分布正態(tài)或者功能函數(shù)線性的前提進行邊坡可靠度分析的階段。

1 模糊定性分析

“風險”的概念起源于19世紀末的經(jīng)濟學領域，在巖土工程中用來對由于工程失效造成的人們生命、財產(chǎn)、環(huán)境等損害后果的評價。1984年Whitman(1984)[1]將很多巖土工程中的概念引入巖土工程的風險評價中。Dai (2001)[2]對滑坡災害的危險性進行了系統(tǒng)的研宄。朱良峰等（2002)[3]采用層次分析法分析了我國主要 地質災害的危害程度，并以此為依據(jù)進行了全國范圍內的危險性區(qū)劃。謝全敏 (2004)[4]在研宄了各大滑坡特點的基礎上提出了一個滑坡災害復雜大系統(tǒng)的概念，并且詳細說明滑坡危險性、易損性以及災害評估方面的內容。李典慶、吳帥兵 (2006)[5]也提出了考慮時間效應的滑坡風險評估和管理方法。夏路等（2008)[6]對風險管理中的風險分配問題進行了研宄?？偟膩碚f，早期對邊坡風險的評估主要是以定性分析為主。通過對研宄對象的工程地質進行勘察，采用與歷史對比分析、與鄰近工程或者相似工程類比等方法判斷邊坡破壞的可能性。

這一類基于專家經(jīng)驗的風險評估方法雖然在工程中應用起來效率比較高，但過度依賴于專家經(jīng)驗和評審人員的認知水平，表現(xiàn)出來的主觀性較強，只能大致從定性的角度對邊坡的風險進行闡述，這樣的評估結果并不是所有人都能夠接受，所以難以有針對性地在工程實際中進行應用。

2 定量計算

定量計算方法可以分為極限平衡法、數(shù)值分析法以及非數(shù)值分析方法（遺傳算法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡法等），極限平衡法是目前在工程中應用最廣泛的方法，也是理論基礎最為全面的一種方法。極限平衡法將研宄對象細分成條塊，通過對條塊受力的分析，建立靜力、力矩平衡方程進而求解條塊間的力的作用，然后根據(jù) 邊坡下滑力與抵抗下滑能力的比較計算表征邊坡材料強度儲備的安全系數(shù)指標。

采用安全系數(shù)為基礎的邊坡穩(wěn)定性評價逐漸發(fā)展起來并形成了一套從理論到工程實踐到規(guī)范標準的完整體系。然而，這種定量計算的方法對巖土體材料參 數(shù)的不確定性（抗剪強度參數(shù)的相關性、荷載的變異性等）加以考慮，采用單一的安全系數(shù)進行邊坡的穩(wěn)定性評價時，外界因素的影響程度并不能表示出來。根據(jù)安全系數(shù)進行穩(wěn)定性評判的結果也受到經(jīng)驗估計和主觀意識的影響，這就出現(xiàn)了很多安全系數(shù)較大的邊坡發(fā)生了破壞，而安全系數(shù)較小的邊坡卻能長期穩(wěn)定存在的現(xiàn)象。

3 可靠度分析

可靠度分析是一種基于概率理論的評估結構物安全程度的方法，可靠度理論的發(fā)展經(jīng)歷了漫長的過程，所以以此為基礎的風險評估工作也開始的比較晚。美 國的卡薩格蘭德在1967年首先提出了基礎工程及土工設計計算中的風險問題，掀起了巖土工程中可靠度理論研宄的熱潮。1990年之后，基于概率思想的可靠度設計方法逐漸在美國和日本等地方發(fā)展起來，法國率先將其應用于邊坡的風險分析上。Duncan (1996)[7]、Elramly (2001)[8]等研宄了可靠度概率方法在巖土工程中的應用，后者更是將其應用的邊坡穩(wěn)定分析中。在此基礎上，邱賢德（1998)[9]嘗試采用隨機變量的方式對巖體強度參數(shù)進行處理，然后類比分析確定了邊坡的破壞概率。桂重等（2008)[10]通過三種方法計算邊坡失效概率，提出了邊坡穩(wěn)定分析的新方法。隨著可靠度理論的拓展，又逐漸發(fā)展起來基于蒙特卡洛模擬（彭興等，2016[11];張浮平等，2016[12])、響應面法（傅方煜等，2014[13]; 李典慶等，2010[14]; 陳昌富等，2008[15])、隨機有限元法（蔣水華等，2013[16])等的邊坡可靠度分析方法。

目前，水利水電工程規(guī)范中已明確規(guī)定“一級邊坡應該進行可靠度設計”，然而，規(guī)范采用的是基于安全系數(shù)的可靠度分析方法，主要是在安全系數(shù)的基礎上 考慮正態(tài)分布和對數(shù)正態(tài)分布時的可靠指標計算，然后轉化為失效概率。這就導致在安全系數(shù)計算時忽略的風險在可靠度分析時也沒有考慮，最后計算的失效概率與實際經(jīng)歷綜合風險的邊坡失效概率還有一定的距離。

4 現(xiàn)有研究的不足

鑒于巖土體的特殊性質，巖土工程的研宄對象往往具有“一次性”、“不可重復性”的特點，任何一個工程都是新的研宄對象，在沒有足夠多的信息的條件下，工程師經(jīng)驗占有非常重要的地位。但是如何將這種主觀的，經(jīng)驗性的，定性的或者半定量的判斷融合到考慮多種因素綜合作用的邊坡風險中，并且隨著收集信息的增加逐漸消除經(jīng)驗的影響對邊坡的風險評估意義重大。目前相關方面的研究工作嚴重缺乏。

5 后續(xù)研究建議

隨著科學家對人工智能中不確定性研宄的深入，貝葉斯網(wǎng)絡方法逐漸發(fā)展起來。美國加州大學JedeaPearl (1998)教授系統(tǒng)分析了前人的研宄工作，首次提出了貝葉斯網(wǎng)絡的概念，并且給出了早起的貝葉斯網(wǎng)絡計算方法。1990年以后，貝葉斯網(wǎng)絡推理算法的發(fā)展更是大大帶動了貝葉斯網(wǎng)絡的發(fā)展。貝葉斯網(wǎng)絡的理論根源可追溯至1763年提出的貝葉斯理論，在隨后的過程中，貝葉斯理論被逐漸完善發(fā)展成為現(xiàn)在的貝葉斯網(wǎng)絡最重要的理論基礎。

貝葉斯網(wǎng)絡具有堅實的數(shù)學基礎，無論變量的狀態(tài)是單/多態(tài)，或者變量的分布是連續(xù)還是離散，都不影響貝葉斯網(wǎng)絡利用其節(jié)點間的條件概率分布來表達邏輯關系；與貝葉斯網(wǎng)絡匹配的推理模式和推理算法種類很多，這就為利用貝葉斯網(wǎng)絡進行因果推理和診斷推理提供了便利；貝葉斯網(wǎng)絡擅長自我整合，可以對定性的專家經(jīng)驗或者是定量的測試信息進行綜合，并且能夠通過后期輸入樣本的信息實現(xiàn)參數(shù)或者網(wǎng)絡結構的更新。

正是因為貝葉斯網(wǎng)絡具有上述特點和優(yōu)勢，使得該方法在多個學科方向和社會實踐中應用開來?？梢哉f，貝葉斯網(wǎng)絡模型是目前可以用來表征和推理不確定性信息的重要模型之一，也是目前國內外用于系統(tǒng)可靠性評估研宄的主要方法之一。

綜合以上分析不難看出，貝葉斯網(wǎng)絡方法有著堅實的理論基礎，并且在多個領域的研宄取得了重要的成果。它將專家知識和實驗數(shù)據(jù)有效結合，實現(xiàn)信息不全面條件下的不確定性推理，以概率推理為基礎，推理結果說服力強，還可以隨著新信息的融入完成推理結果的更新。面對巖土工程中信息缺乏，巖體參數(shù)及其力學響應存在各種不確定性，綜合風險對邊坡的影響限于經(jīng)驗定性，難以科學量化的問題，無疑是比較好的選擇。

6 結語

本文采用歸納總結方法對邊坡風險分析方法進行分類，對每種方法的優(yōu)缺點進行了歸納總結，并且明確了現(xiàn)有相關研究工作的不足及進一步研究的建議。主要得出如下結論

1）目前邊坡風險分析方法主要可以分為模糊定性分析、定量計算和可靠度分析三類。

2）目前邊坡風險分析方法所面臨的主要問題是如何將主觀的，經(jīng)驗性的，定性的或者半定量的判斷融合到考慮多種因素綜合作用的邊坡風險中，并且隨著收集信息的增加逐漸消除經(jīng)驗的影響。

3）建議后續(xù)可以將貝葉斯網(wǎng)絡方法引入邊坡風險分析工作中。