_地震与降雨耦合作用下区域滑坡灾害评价方法
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[9] [10-12] [6-7] [5] [5] [5]
。 相比而
言，除诱因不同外，降雨诱发滑坡灾害的关注点和
稳定性及区域灾害等方面的研究鲜见报道[18-19]。本 文针对这一近乎空白的研究领域，通过引入地震动 惯性力和地下水位系数分别考虑地震与降雨对滑坡 稳定性的影响，给出了联合求算滑坡滑动概率的思 路，建立综合坡度、土体类别、地震动强度和地下 水位系数等因素的滑坡滑动概率的理论判定矩阵； 在考虑地震属于小概率事件的基础上，利用理论计 算获得的特定研究区内不同强度地震动的重现概 率，可将该矩阵转化为不同复发年限内实际地震发 生条件下滑坡滑动概率的理论判定矩阵；根据 2 类 理论判定矩阵，结合 GIS 技术和数字地质图与高精 度 DEM 数据，即可实现地震与降雨耦合作用下区 域滑坡灾害的概率性评价。研究结果对滑坡地质灾 害预防和土地利用规划具有科学和应用方面的重要 意义。
， ，
(1. 中国地震局 兰州地震研究所，甘肃 兰州 730000；2. 兰州大学 土木工程与力学学院，甘肃 兰州 730000； 3. 西北电力设计院，陕西 西安 710075；4. 九州大学 土木工程与结构学院，日本 福冈 819–0395)
摘要：基于莫尔–库仑破坏准则，通过引入地震动惯性力和地下水位系数，推导地震与降雨耦合作用下的滑坡安 全系数计算公式。提出应用滑坡体物性、几何参数频度分析和蒙特卡罗模拟联合求算滑坡滑动概率的思路，建立 综合坡度、土体类别、地震动强度和地下水位系数等因素的滑坡滑动概率理论判定矩阵。利用计算获得的特定研 究区内不同强度地震动的重现概率，可将该矩阵转化为不同复发年限内实际地震发生条件下滑坡滑动概率的理论 判定矩阵。依据 2 类理论判定矩阵，结合 GIS 技术、数字地质图和高精度 DEM 数据，即可实现地震与降雨耦合 作用下区域滑坡灾害的概率性评价；以日本北九州市为例，给出应用该方法评价区域滑坡灾害的概率性预测结果。 关键词：边坡工程；地震；降雨；滑坡；滑动概率；区域灾害图 中图分类号：P 642.2 文献标识码：A 文章编号：1000–6915(2011)04–0752–09
• 754 •
岩石力学与工程学报
2011 年
入力学分析框架之中。因此，此处采取了一种简化 分析方式，即假设降雨对滑坡稳定性的影响可通过 地下水位变化情况由有效应力原理近似表征。 图 1 为考虑地震与降雨 2 种诱发因素耦合作用 下坡体受力分析示意图，其中，H 为坡体厚度(m)，h 为坡体内地下水位高度(m)， θ 为坡度(° )，mg 为重 力(kN)，ma 为地震动惯性力(kN)，k = h / H 为地下 水位系数，网格为简化流线， σ 和 τ 分别为重力产 生的正应力与剪应力。
[14]
。同时，J. Chacon 等
[15]
通过
引入数学统计方法(如权重因子法、专家评价法、模 糊理论和人工神经网络 ) 研究并编制了区域滑坡灾 害图。F. Guzzetti 等 认为，数学统计方法非常适用 于区域滑坡灾害的评价研究，尤其对于那些面积大、 地质条件复杂的地区。 作为滑坡的两大天然诱发因素：地震和降雨， 二者的成因机制完全不同。相对而言，地震通常持 时较短，降雨则可能持续很长时间。表面看来，地 震和降雨在持时方面的巨大差异，使二者之间耦合 发生的概率极小，考虑其间的耦合作用似乎没有必 要。但是，2008 年汶川 8.0 级特大地震却为这一看 似成立的推论打上了问号。众所周知，特大地震之 后余震的破坏性影响不容忽视。中国地震信息网的 统计资料显示，截止 2010 年 7 月 26 日，汶川特大
AN ASSESSMENT METHOD FOR REGIONAL SUSCEPTIBILITY OF LANDSLIDES UNDER COUPLING CONDITION OF EARTHQUAKE AND RAINFALL
SUN Junjie1 2，WANG Lanmin1 2，LONG Pengwei3，CHEN Guangqi4
[8]
2
滑坡安全系数计算公式
在推导地震与降雨耦合作用下滑坡安全系数计
算公式时，本文借鉴了物理含义清晰、计算简便的 Newmark 滑块分析方法[20]。 通过引入地震动惯性力 和地下水位系数，分别考虑地震与降雨 2 种诱发因 素对滑坡稳定性的影响。需要说明的是，降雨对滑 坡稳定性的影响过程较为复杂，使其较难被直接纳
， ，
(1. Lanzhou Institute of Seismology，China Earthquake Administration，Lanzhou，Gansu 730000，China；2. Department of Civil Engineering and Mechanics，Lanzhou University，Lanzhou，Gansu 730000，China；3. Northwest Electric Power Design Institute，Xi′an，Shaanxi 710075，China；4. School of Civil and Structural Engineering，Kyushu University，Motooka 744，Fukuoka 819–0395，Japan)
[8]
滑坡是影响山区景观演化的重要地貌形成过 程，同时也形成了世界范围广泛分布的一类地质灾 害[1-4]。在许多国家，滑坡每年造成的经济损失和人 员伤亡明显高于其他自然灾害(包括地震、 洪水和暴 风等) 。 通常，滑坡的天然诱发因素为地震和降雨，而 森林采伐、道路切面和开矿等人为因素也可在一定 条件下诱使边坡失稳 。地震诱发滑坡的文献记载 可追溯至公元前 1789 年 ， 在科学研究与工程应用 领域，有关地震滑坡灾害的研究主要致力于确定并 降低地震引发滑坡灾害的风险程度方面 地震滑坡基本一致。 易滑性是描述某地滑坡发生的倾向程度 。在 数学形式上，易滑性是对既有边坡特征条件下滑坡 空间复发概率的表征 。继 A. Carrara 等
Abstract：Based on the Mohr-Coulomb failure criterion，a formula to calculate the factor of safety for landslide under coupling condition of earthquake and rainfall is deduced by introducing the inertia force of ground motion and groundwater factor. Then，by applying frequency analysis of physical and geometric parameters of slip mass and Monte Carlo simulation，a method to estimate sliding probability of landslides under coupling condition is developed. Consequently，the theoretical matrix，which considers influences of ground motion，slope angle，soil type and groundwater factor on sliding probability of landslides synthetically，is established to assess the risk probability of landslides under coupling condition. The earthquake，in fact，is a small probability event. For thinking over the occurrence probability of actual earthquake in any certain research region， it is better to calculate the repeated probabilities of ground motion according to its background seismicity. By the reoccurrence probabilities of ground motion，the above-mentioned theoretical matrix could figure the actual risk probability of landslides associated with earthquake events in any interesting region. According to the two kinds of theoretical matrixes，the probabilistic assessment for regional susceptibility of landslides under coupling condition should be achieved by GIS，data of digital geological map and high-precision DEM in a certain research region. As the case of Kitakyushu City，Japan，the procedure is applied to investigate the regional susceptibility of landslides under
第 30 卷
第4期
孙军杰等：地震与降雨耦合作用下区域滑坡灾害评价方法
• 753 •
coupling condition in this city and the probabilistic assessment results are provided in the end. Key words：slope engineering；earthquake；rainfall；landslides；failure probability；regional hazard map 地震灾区共发生 4.0 级以上余震 316 次，其中 5.0
1
引Hale Waihona Puke Baidu
言
级以上强余震 48 次。汶川特大地震的余震之多、之 强，使地震的持续影响时间大大超出了已有的认知。 与此同时，汶川特大地震灾区属于降雨较为充沛的 区域，强降雨天气常遇[16-17]；在地震有效持续影响 时间内，常时间的强降雨使滑坡的潜在危害增加。 2010 年舟曲特大山洪泥石流灾害便与此种耦合效 应不无关系。地震动应力对其作用范围内边坡体强 度有影响，而持续降雨则同样能够造成边坡体强度 的降低。在这 2 种削弱边坡体稳定性的天然因素影 响下，地震或降雨在时间上的作用次序已不重要， 问题的关键在于： 某种特定条件下(降雨充沛地区发 生特大地震时)， 地震和降雨的持续影响效应可能会 对边坡体稳定性产生耦合削弱作用，由此造成的与 滑坡有关的潜在灾害不容忽视。 目前，国内外对于地震与降雨耦合作用下滑坡
的开创
性研究工作之后，GIS 技术以及许多数学方法已被 广泛应用于滑坡区域灾害的评价和区划等研究之 中。D. E. Alexander
[13]
基于大量文献较好地综述了利
用 GIS 研究滑坡灾害的发展过程。近年来，蒙特卡 罗模拟方法在研究滑坡失稳数据的概率性分析方面 应用较多，极大改善了应用 GIS 技术进行区域滑坡 灾害评价的相关结果
收稿日期：2010–08–24；修回日期：2011–02–11 基金项目：甘肃省科技计划资助项目(1007RJYA003)；中国地震局地震预测研究所基本科研业务费资助项目(2010A88–6) 作者简介：孙军杰(1979–)，男，博士，2001 年毕业于吉林大学地球科学学院地质学专业，现任副研究员，主要从事岩土地震工程方面的研究工 作。 E-mail ： sunnjunj@163.com
第 30 卷 第 4 期 2011 年 4 月
岩石力学与工程学报 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering
Vol.30 No.4 April，2011
地震与降雨耦合作用下区域滑坡灾害评价方法
孙军杰 1 2，王兰民 1 2，龙鹏伟 3，陈光齐 4
。 相比而
言，除诱因不同外，降雨诱发滑坡灾害的关注点和
稳定性及区域灾害等方面的研究鲜见报道[18-19]。本 文针对这一近乎空白的研究领域，通过引入地震动 惯性力和地下水位系数分别考虑地震与降雨对滑坡 稳定性的影响，给出了联合求算滑坡滑动概率的思 路，建立综合坡度、土体类别、地震动强度和地下 水位系数等因素的滑坡滑动概率的理论判定矩阵； 在考虑地震属于小概率事件的基础上，利用理论计 算获得的特定研究区内不同强度地震动的重现概 率，可将该矩阵转化为不同复发年限内实际地震发 生条件下滑坡滑动概率的理论判定矩阵；根据 2 类 理论判定矩阵，结合 GIS 技术和数字地质图与高精 度 DEM 数据，即可实现地震与降雨耦合作用下区 域滑坡灾害的概率性评价。研究结果对滑坡地质灾 害预防和土地利用规划具有科学和应用方面的重要 意义。
， ，
(1. 中国地震局 兰州地震研究所，甘肃 兰州 730000；2. 兰州大学 土木工程与力学学院，甘肃 兰州 730000； 3. 西北电力设计院，陕西 西安 710075；4. 九州大学 土木工程与结构学院，日本 福冈 819–0395)
摘要：基于莫尔–库仑破坏准则，通过引入地震动惯性力和地下水位系数，推导地震与降雨耦合作用下的滑坡安 全系数计算公式。提出应用滑坡体物性、几何参数频度分析和蒙特卡罗模拟联合求算滑坡滑动概率的思路，建立 综合坡度、土体类别、地震动强度和地下水位系数等因素的滑坡滑动概率理论判定矩阵。利用计算获得的特定研 究区内不同强度地震动的重现概率，可将该矩阵转化为不同复发年限内实际地震发生条件下滑坡滑动概率的理论 判定矩阵。依据 2 类理论判定矩阵，结合 GIS 技术、数字地质图和高精度 DEM 数据，即可实现地震与降雨耦合 作用下区域滑坡灾害的概率性评价；以日本北九州市为例，给出应用该方法评价区域滑坡灾害的概率性预测结果。 关键词：边坡工程；地震；降雨；滑坡；滑动概率；区域灾害图 中图分类号：P 642.2 文献标识码：A 文章编号：1000–6915(2011)04–0752–09
• 754 •
岩石力学与工程学报
2011 年
入力学分析框架之中。因此，此处采取了一种简化 分析方式，即假设降雨对滑坡稳定性的影响可通过 地下水位变化情况由有效应力原理近似表征。 图 1 为考虑地震与降雨 2 种诱发因素耦合作用 下坡体受力分析示意图，其中，H 为坡体厚度(m)，h 为坡体内地下水位高度(m)， θ 为坡度(° )，mg 为重 力(kN)，ma 为地震动惯性力(kN)，k = h / H 为地下 水位系数，网格为简化流线， σ 和 τ 分别为重力产 生的正应力与剪应力。
[14]
。同时，J. Chacon 等
[15]
通过
引入数学统计方法(如权重因子法、专家评价法、模 糊理论和人工神经网络 ) 研究并编制了区域滑坡灾 害图。F. Guzzetti 等 认为，数学统计方法非常适用 于区域滑坡灾害的评价研究，尤其对于那些面积大、 地质条件复杂的地区。 作为滑坡的两大天然诱发因素：地震和降雨， 二者的成因机制完全不同。相对而言，地震通常持 时较短，降雨则可能持续很长时间。表面看来，地 震和降雨在持时方面的巨大差异，使二者之间耦合 发生的概率极小，考虑其间的耦合作用似乎没有必 要。但是，2008 年汶川 8.0 级特大地震却为这一看 似成立的推论打上了问号。众所周知，特大地震之 后余震的破坏性影响不容忽视。中国地震信息网的 统计资料显示，截止 2010 年 7 月 26 日，汶川特大
AN ASSESSMENT METHOD FOR REGIONAL SUSCEPTIBILITY OF LANDSLIDES UNDER COUPLING CONDITION OF EARTHQUAKE AND RAINFALL
SUN Junjie1 2，WANG Lanmin1 2，LONG Pengwei3，CHEN Guangqi4
[8]
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滑坡安全系数计算公式
在推导地震与降雨耦合作用下滑坡安全系数计
算公式时，本文借鉴了物理含义清晰、计算简便的 Newmark 滑块分析方法[20]。 通过引入地震动惯性力 和地下水位系数，分别考虑地震与降雨 2 种诱发因 素对滑坡稳定性的影响。需要说明的是，降雨对滑 坡稳定性的影响过程较为复杂，使其较难被直接纳
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(1. Lanzhou Institute of Seismology，China Earthquake Administration，Lanzhou，Gansu 730000，China；2. Department of Civil Engineering and Mechanics，Lanzhou University，Lanzhou，Gansu 730000，China；3. Northwest Electric Power Design Institute，Xi′an，Shaanxi 710075，China；4. School of Civil and Structural Engineering，Kyushu University，Motooka 744，Fukuoka 819–0395，Japan)
[8]
滑坡是影响山区景观演化的重要地貌形成过 程，同时也形成了世界范围广泛分布的一类地质灾 害[1-4]。在许多国家，滑坡每年造成的经济损失和人 员伤亡明显高于其他自然灾害(包括地震、 洪水和暴 风等) 。 通常，滑坡的天然诱发因素为地震和降雨，而 森林采伐、道路切面和开矿等人为因素也可在一定 条件下诱使边坡失稳 。地震诱发滑坡的文献记载 可追溯至公元前 1789 年 ， 在科学研究与工程应用 领域，有关地震滑坡灾害的研究主要致力于确定并 降低地震引发滑坡灾害的风险程度方面 地震滑坡基本一致。 易滑性是描述某地滑坡发生的倾向程度 。在 数学形式上，易滑性是对既有边坡特征条件下滑坡 空间复发概率的表征 。继 A. Carrara 等
Abstract：Based on the Mohr-Coulomb failure criterion，a formula to calculate the factor of safety for landslide under coupling condition of earthquake and rainfall is deduced by introducing the inertia force of ground motion and groundwater factor. Then，by applying frequency analysis of physical and geometric parameters of slip mass and Monte Carlo simulation，a method to estimate sliding probability of landslides under coupling condition is developed. Consequently，the theoretical matrix，which considers influences of ground motion，slope angle，soil type and groundwater factor on sliding probability of landslides synthetically，is established to assess the risk probability of landslides under coupling condition. The earthquake，in fact，is a small probability event. For thinking over the occurrence probability of actual earthquake in any certain research region， it is better to calculate the repeated probabilities of ground motion according to its background seismicity. By the reoccurrence probabilities of ground motion，the above-mentioned theoretical matrix could figure the actual risk probability of landslides associated with earthquake events in any interesting region. According to the two kinds of theoretical matrixes，the probabilistic assessment for regional susceptibility of landslides under coupling condition should be achieved by GIS，data of digital geological map and high-precision DEM in a certain research region. As the case of Kitakyushu City，Japan，the procedure is applied to investigate the regional susceptibility of landslides under
第 30 卷
第4期
孙军杰等：地震与降雨耦合作用下区域滑坡灾害评价方法
• 753 •
coupling condition in this city and the probabilistic assessment results are provided in the end. Key words：slope engineering；earthquake；rainfall；landslides；failure probability；regional hazard map 地震灾区共发生 4.0 级以上余震 316 次，其中 5.0
1
引Hale Waihona Puke Baidu
言
级以上强余震 48 次。汶川特大地震的余震之多、之 强，使地震的持续影响时间大大超出了已有的认知。 与此同时，汶川特大地震灾区属于降雨较为充沛的 区域，强降雨天气常遇[16-17]；在地震有效持续影响 时间内，常时间的强降雨使滑坡的潜在危害增加。 2010 年舟曲特大山洪泥石流灾害便与此种耦合效 应不无关系。地震动应力对其作用范围内边坡体强 度有影响，而持续降雨则同样能够造成边坡体强度 的降低。在这 2 种削弱边坡体稳定性的天然因素影 响下，地震或降雨在时间上的作用次序已不重要， 问题的关键在于： 某种特定条件下(降雨充沛地区发 生特大地震时)， 地震和降雨的持续影响效应可能会 对边坡体稳定性产生耦合削弱作用，由此造成的与 滑坡有关的潜在灾害不容忽视。 目前，国内外对于地震与降雨耦合作用下滑坡
的开创
性研究工作之后，GIS 技术以及许多数学方法已被 广泛应用于滑坡区域灾害的评价和区划等研究之 中。D. E. Alexander
[13]
基于大量文献较好地综述了利
用 GIS 研究滑坡灾害的发展过程。近年来，蒙特卡 罗模拟方法在研究滑坡失稳数据的概率性分析方面 应用较多，极大改善了应用 GIS 技术进行区域滑坡 灾害评价的相关结果
收稿日期：2010–08–24；修回日期：2011–02–11 基金项目：甘肃省科技计划资助项目(1007RJYA003)；中国地震局地震预测研究所基本科研业务费资助项目(2010A88–6) 作者简介：孙军杰(1979–)，男，博士，2001 年毕业于吉林大学地球科学学院地质学专业，现任副研究员，主要从事岩土地震工程方面的研究工 作。 E-mail ： sunnjunj@163.com
第 30 卷 第 4 期 2011 年 4 月
岩石力学与工程学报 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering
Vol.30 No.4 April，2011
地震与降雨耦合作用下区域滑坡灾害评价方法
孙军杰 1 2，王兰民 1 2，龙鹏伟 3，陈光齐 4