重大岩土工程风险评估基础理论研究

正重大岩土工程在建设和运行中存在着若干不确定因素,进而导致重大岩土工程风险的存在。由于风险评估能够为重大岩土工程建设的科学决策提供重要依据,因而受到学术界和工程界的广泛关注,是当前岩土工程领域研究的重点课题。半个世纪以来,岩土工程界在该领域开展了一系列的研究工作,取得了一些有价值的研究成果。应该强调,重大岩土工程风险评估作为科学问题提出并服务于工程建设决策的研究起步较晚,同时重大岩土工程风险评估也是一个涉及多学科的复杂问题,开展这一领域的研究具有很大的挑战。本文主要研究重大岩土工程风险评估基础理论,在工程风险的基本概念、风险评估框架、风险因素分析与风险评估方法、可接受风险标准等方面开展一系列基础理论研究,取得如下主要成果:(1)重大岩土工程风险的基本概念研究。系统梳理和总结了风险定义的演变过程,从哲学层面上总结分析了风险的概念,认为风险定义具有本体地位,把风险定义为,对人类有价值的事物产生不确定性后果的状态。在论述实在论和建构论风险观的基础上,提出风险理论连续统一体的概念。根据本文的风险定义,在分析重大岩土工程不确定性的来源及其分类的基础上,把重大岩土工程风险定义为工程失事对人员生命、经济、环境与社会以及工程自身等造成潜在的损失及其可能性。(2)重大岩土工程风险评估基本框架研究。在讨论和分析重大岩土工程风险研究现状和背景基础上,构建了风险科学与岩土工程相结合的理论框架和学科体系,目的是将风险科学理论和方法与岩土工程相结合,解决重大岩土工程风险评估的内容与框架问题。本文把重大岩土工程风险评估划分为明确背景、风险识别、风险估计与风险评价4个阶段,并给出了工程风险评估的基本流程。根据风险评估基本流程,提出了重大岩土工程风险评估研究内容,具体包括风险评估内涵、风险因素分析框架、风险评价标准和风险评估方法研究等4个方面内容。论文认为,重大岩土工程风险评估是风险科学在岩土工程中应用的初级阶段,基于风险的重大岩土工程设计理论则是风险科学在岩土工程中应用的高级阶段和发展方向,认为重大岩土工程应由基于性能设计向基于风险设计理念转变。(3)重大岩土工程风险因素分析和风险评估方法研究。建立了重大岩土工程风险因素分析框架,主要包括外部的危险性因素和工程内部的易损性因素以及工程失事影响区域承灾体的脆弱性因素。结合风险评估必须回答的3个问题,本文系统地论述了重大岩土工程风险识别方法、风险概率估计方法和工程失事的损失估计方法、风险估计方法以及减轻风险的评价方法。其中,岩土工程风险概率估计采用可靠度法和易损性估计方法,并给出了多种失效失稳破坏模式下的风险概率估计方法;损失估计方法主要讨论了损失估计的基本模型、生命损失估计、经济损失估计、社会与环境影响估计方法。根据我国的基本国情,探索建立重大岩土工程风险估计货币化方法。(4)重大岩土工程可接受风险标准的初步研究。论文首先阐明可接受风险概念及其标准。在问卷调查的基础上,参考国内外已有的研究成果,提出了我国重大岩土工程生命、经济、社会与环境可接受风险标准的建议值。岩土工程个人生命可接受风险标准的建议值为:个人可容忍风险标准为10–5/年,可接受风险标准为10–6/年,可忽略风险标准为10–8/年;绘制了重大岩土工程社会生命可接受风险的FN曲线(生命损失数量累积概率曲线),并建议了曲线的相关参数;绘制了重大岩土工程经济可接受风险标准的FD曲线(经济损失金额累积概率曲线),并给出曲线的相关参数的建议值;根据生活质量指数(LQI)和生命统计价值(VSL)模型计算了减轻生命风险的公共决策成本标准;提出了社会稳定与环境可接受风险的等级标准。这项工作可为重大岩土工程风险评价提供标准,为减轻工程风险决策提供了重要依据。(5)开展高土石坝地震风险评估示例研究。本文通过搜集、整理和分析国内外学者公开发表的高土石坝震害实例的研究文献,对高土石坝地震危险性、地震破坏形式和地震易损性进行了分析。按照本文提出的重大岩土工程风险评估流程、方法和风险可接受标准,对某高土石坝地震风险进行了评估。论文对该高土石坝地震风险进行了背景分析、风险识别、风险概率估计、工程自身破坏损失估计。估计了地震溃坝情况下,溃坝下游区域的灾害损失。选取坝坡失稳和永久变形两种破坏模式开展高土石坝地震风险概率估计。对于坝坡失稳破坏模式,采取相对可靠度法的安全率估算失效概率;对于坝体永久变形破坏模式,采用坝顶相对沉陷地震易损性分析方法,绘制出了不同地震动加速度的工程地震易损性概率曲线。该高土石坝地震破坏直接经济损失根据易损性指标进行评估。假设该高土石坝出现地震溃坝,对工程下游影响区域的生命损失、经济损失、社会与环境影响进行了粗略的估计。根据本文提出重大岩土工程可接受风险评价标准,给出了某高土石坝地震风险评价的结论。