震后泥石流治理工程有效性評價及存在問題分析*

宋國虎，張 繼，楊楨賢

(四川省地質(zhì)礦產(chǎn)勘察開發(fā)局成都水文地質(zhì)工程地質(zhì)隊/四川省地質(zhì)工程勘察院集團(tuán)有限公司，四川 成都 610072)

現(xiàn)階段對于流域泥石流的防治，一般采用巖土工程與生態(tài)措施相結(jié)合、上下游統(tǒng)籌考慮、溝坡兼治的綜合治理方案，旨在對全流域進(jìn)行綜合整治，逐級控制泥石流的發(fā)生和發(fā)展。泥石流災(zāi)害的工程治理措施主要有3類[1]：山坡整治、溝谷整治和堆積區(qū)整治工程措施，其中對于溝道中泥石流過程的攔擋和對堆積區(qū)泥石流的排導(dǎo)等溝谷整治是最直接的防治處置方式，也是目前最普遍采用的工程措施方法。2008年汶川8.0級地震和2013年蘆山7.0級地震之后，激發(fā)泥石流的臨界雨強(qiáng)降低了25.4%～31.6%，地震災(zāi)區(qū)多次暴發(fā)大規(guī)模泥石流災(zāi)害[2-4]。針對嚴(yán)重的泥石流災(zāi)害，實施了大量的以溝谷和堆積區(qū)整治措施為主的防治工程，這些防治工程在切實保障人民財產(chǎn)安全方面取得了積極的防治效果[5-10]。然而，根據(jù)文獻(xiàn)[11-13]及實地調(diào)查，部分防治工程在經(jīng)歷多個汛期后出現(xiàn)如攔擋壩淤滿、基礎(chǔ)淘蝕及局部工程損壞等問題，影響后續(xù)防治效果。因此，對震后泥石流治理工程有效性及存在問題進(jìn)行研究，有助于深化泥石流防治認(rèn)知，提高工程設(shè)計水平和防治成效，認(rèn)識不足和總結(jié)經(jīng)驗教訓(xùn)。本文以汶川地震災(zāi)區(qū)都江堰市、彭州市及蘆山地震災(zāi)區(qū)寶興縣為典型研究區(qū)，對境內(nèi)泥石流防治工程進(jìn)行了實地調(diào)查分析，就地震災(zāi)區(qū)泥石流防治工程治理效果、存在問題及其原因進(jìn)行了初步分析。

1 地震災(zāi)區(qū)泥石流治理工程調(diào)查和效果分析

1.1 治理工程現(xiàn)狀

汶川地震及蘆山地震后，針對嚴(yán)重的泥石流災(zāi)害，在強(qiáng)震區(qū)實施了大量的以溝谷和堆積區(qū)整治措施為主的防治工程，主要方案包括：“全攔”、“攔+固結(jié)合”、“攔+排結(jié)合”、 “攔+固+排”等巖土工程措施，修建的工程措施主要包括：固床為主要作用的谷坊壩，攔粗排細(xì)作用的格柵壩(梳齒壩)，攔蓄作用的攔砂壩和排導(dǎo)作用的排導(dǎo)槽(防護(hù)堤)。

為了了解這些泥石流防治工程的實施效果，筆者對地震極重災(zāi)區(qū)都江堰市、彭州市及蘆山地震災(zāi)區(qū)寶興縣的泥石流溝和治理工程的實施效果進(jìn)行了系統(tǒng)的調(diào)查分析，截止2020年汛期結(jié)束，研究區(qū)共發(fā)育泥石流278處，完成治理工程92處，工程治理率33.09%，主要防治思路以“攔+排結(jié)合”及“全排”防治思路為主，占總數(shù)的70.97%(圖1)，總的來說，治理工程對災(zāi)區(qū)的災(zāi)后重建及保障人民生命財產(chǎn)安全起到了積極作用。

圖1 彭州市、都江堰市及寶興縣泥石流治理防治思路統(tǒng)計

目前已完成的泥石流治理工程暫未發(fā)現(xiàn)防治工程整體結(jié)構(gòu)性破壞或潰壩現(xiàn)象，但治理工程仍存在一些問題，主要表現(xiàn)為：部分防治工程存在攔擋壩淤滿、基礎(chǔ)或壩肩淘蝕及局部工程損壞等問題，如壩體護(hù)坦、溢流口、梳齒損壞，防護(hù)堤墻體損壞等(圖2)，防治功效逐步削弱，影響了后續(xù)對泥石流的防治效果，對未來防災(zāi)減災(zāi)構(gòu)成一定安全隱患。

圖2 泥石流防治工程典型損壞形式

在調(diào)查區(qū)內(nèi)修建有防治工程的泥石流溝道內(nèi)，出現(xiàn)問題泥石流溝占統(tǒng)計總數(shù)的64.25%。在出現(xiàn)問題的泥石流溝中，其中出現(xiàn)攔擋壩淤滿的占56.81%，存在排導(dǎo)槽(防護(hù)堤)和壩體基礎(chǔ)沖刷淘蝕的占24.68%，有護(hù)坦損壞現(xiàn)象的占8.63%，壩肩淘蝕的占5.52%，其他形式損壞的占4.36%。可見，影響泥石流治理工程效果的主要方式為淤滿和沖刷淘蝕。

1.2 泥石流治理工程有效性評價指標(biāo)體系建立

目前，關(guān)于泥石流防治工程效果評價研究國內(nèi)學(xué)者已有一些研究。亓星等[5]從實施治理工程后泥石流啟動臨界雨量有明顯提高角度研究了文家溝泥石流防治工程效果。許強(qiáng)等[6]基于生存分析模型以及Bootstrap 方法和ELM，從定量研究的角度對文家溝泥石流治理工程的效果進(jìn)行了分析評價。陳寧生等[7]從巖土工程措施的直接效益和間接效益、生物工程措施效益等方面研究了泥石流治理工程的效益。王念秦等[14]在鄭明新研究成果基礎(chǔ)上，結(jié)合西北地區(qū)泥石流典型防治工程，建立了泥石流防治工程效果后評價指標(biāo)體系。李德華等[15]從設(shè)計理念分析了汶川縣紅椿溝泥石流防治工程的減災(zāi)效果。張雪艷等[16]選取防治目標(biāo)、工程效益、防治方案等指標(biāo)采用層次分析法對隴南燕兒溝泥石流治理工程效果進(jìn)行了評價。張勇等[17]通過現(xiàn)場調(diào)查、遙感解譯與模型計算相結(jié)合的方法對黑沙河溝泥石流治理工程評估了其綜合治理效果。

泥石流防治系統(tǒng)是一個復(fù)雜系統(tǒng)，防治工程效果評價指標(biāo)多且不易統(tǒng)計量化，具有層次性、模糊性及關(guān)聯(lián)性，屬于多級模糊綜合決策類型[14,18]。層次分析法(AHP)具有能夠解決多準(zhǔn)則、多目標(biāo)的復(fù)雜問題決策分析的優(yōu)勢，將地質(zhì)研究與AHP方法相結(jié)合，能夠促進(jìn)和優(yōu)化地質(zhì)問題的解決[19]。本文在前人研究的基礎(chǔ)上，將防治工程效果評價作為層次結(jié)構(gòu)的總目標(biāo)層，初步建立基于災(zāi)害認(rèn)知度(P)、已發(fā)揮防災(zāi)效益(N)及防災(zāi)工程安全儲備(F)的PNF的泥石流工程效益評價指標(biāo)體系(表1)，并在此基礎(chǔ)上采用層次分析法確定各指標(biāo)權(quán)重值，最終建立地震災(zāi)區(qū)泥石流防治工程效果評價指標(biāo)體系分級標(biāo)準(zhǔn)(表2)。

表1 泥石流防治工程有效性評價指標(biāo)體系表

表2 泥石流防治效果評價影響因素權(quán)重分配表

1.2.1 災(zāi)害認(rèn)知度P

災(zāi)害認(rèn)知度P涉及泥石流防治工程完成前的階段，為治理工程的前期階段，主要指標(biāo)包括：泥石流災(zāi)害成因機(jī)制認(rèn)識P1、治理方案合理性P2、治理參數(shù)選取的合理性P3等。

(1)災(zāi)害認(rèn)知度指標(biāo)P1。包括對泥石流的類型、成因、性質(zhì)、物源以及泥石流的形成、運動機(jī)理等的認(rèn)知程度，這將決定著設(shè)計方案是否能夠有針對性地消除不利因素，將直接影響著泥石流防治方案的設(shè)計。

(2)治理方案合理性指標(biāo)P2。 防治工程以流域為單元進(jìn)行工程措施與生物措施相結(jié)合的綜合治理，防治方案應(yīng)重點考慮以排導(dǎo)為主、攔擋為輔、攔排結(jié)合等方案。在治理方案選取時應(yīng)充分考慮對災(zāi)害的認(rèn)知，合理選取治理方案。

(3)治理參數(shù)選取的合理性指標(biāo)P3。選取合理的方案后確定防治工程等級、設(shè)計降水及洪水參數(shù)、泥石流運動特征參數(shù)及擬建工程地基參數(shù)等基本設(shè)計參數(shù)是防治工程設(shè)計的關(guān)鍵。采取防治工程后，應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測，驗證計算方法是否正確合理，參數(shù)確定是否正確，從而確定防治工程方案的合理性。這三個指標(biāo)對于泥石流防治至關(guān)重要，是整個泥石流防治工程的前提和基礎(chǔ)。

1.2.2 已發(fā)揮防災(zāi)效益N

已發(fā)揮防災(zāi)效益指標(biāo)N指的是泥石流防治工程完成后減輕或消除保護(hù)對象生命財產(chǎn)安全的損害、減小損失的功能，為治理工程建成后已發(fā)揮的功效性，涉及的主要指標(biāo)有保護(hù)固定資產(chǎn)效益N1、水文條件改善效益N2及對物源的固化效益N3等指標(biāo)。本階段的相關(guān)指標(biāo)對于評判泥石流防治工程已發(fā)揮的現(xiàn)狀效果評價非常重要。

1.2.3 防災(zāi)工程安全儲備F

防災(zāi)工程安全儲備F主要指防災(zāi)工程在經(jīng)歷泥石流活動后在未來進(jìn)一步保護(hù)防護(hù)對象的安全儲備，涉及的主要指標(biāo)有防治工程繼續(xù)發(fā)揮功效的有效性F1、工程主體結(jié)構(gòu)安全性F2、外觀完整性F3、消除隱患的難易性F4。本階段的相關(guān)指標(biāo)對于評判泥石流防治工程未來可基礎(chǔ)發(fā)揮的效果評價至關(guān)重要。

1.3 泥石流治理工程有效性評價模型建立

采用層次分析法確定權(quán)值的模糊綜合評價理論，建立泥石流防治工程效果模糊綜合評判后評價模型。根據(jù)層次分析法計算的要求，對專家打分進(jìn)行均一化處理，構(gòu)造相關(guān)判斷矩陣。經(jīng)過計算，災(zāi)害認(rèn)知度(P)、以發(fā)揮防災(zāi)效益(N)和防治工程安全儲備(F)的權(quán)重分別為 0.30、0.25和0.45(表2)。在此基礎(chǔ)上，對二級指標(biāo)進(jìn)行層次分析計算，分別得到災(zāi)害機(jī)理認(rèn)知度P1、防治方案合理性P2、參數(shù)選取合理性P3、保護(hù)固定資產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)效益N1、水文條件改善效益N2、對物源的固化效益N3、繼續(xù)發(fā)揮功效的安全儲備F1、工程主體結(jié)構(gòu)安全性F2、工程外觀完整性F3、消除隱患的難易性F4等指標(biāo)的權(quán)重。三級單因素指標(biāo)權(quán)重值劃分采用經(jīng)驗方法，如防治方案合理性指標(biāo)中：方案合理的權(quán)重值為0.1、方案較合理的權(quán)重值為0.07、方案合理性一般的權(quán)重值為 0.05、方案不合理的權(quán)重值為0.01(表3)，該因素權(quán)值越大，其防治效果也越好。

表3 泥石流防治效果評價指標(biāo)體系及權(quán)重劃分表

1.4 泥石流治理工程有效性評價分級

根據(jù)前述建立的評價指標(biāo)體系，參照前人[14]得出的有效性評價的隸屬度區(qū)間進(jìn)行量化分級，從定性及定量評價角度對泥石流防治工程的有效性進(jìn)行綜合評價(表4)。

表4 泥石流防治工程有效性分級表

1.5 泥石流治理工程有效性評價

從表5和圖3可以看出， 區(qū)內(nèi)泥石流防治工程效果為“優(yōu)”的有27處，占比29.35%；“良好”的28處，占比30.43%；“一般”的18處，占比19.57%；“差”的19處，占比20.65%。治理工程效果“良好～優(yōu)”的占到總數(shù)的59.78%，起到了良好的減災(zāi)效果。

圖3 彭州市、都江堰市及寶興縣泥石流治理工程有效性評價統(tǒng)計

1.6 研究區(qū)泥石流防治工程存在問題及原因分析

都江堰龍池鎮(zhèn)、彭州市龍門山鎮(zhèn)及寶興縣泥石流暴發(fā)情況呈現(xiàn)出類似的特征，如震后幾場典型強(qiáng)降雨過程中呈現(xiàn)群發(fā)性、鏈發(fā)性及受災(zāi)嚴(yán)重等特征[18-19]，如都江堰龍池2012年“8.18”暴雨、彭州銀廠溝2012年“8.18”強(qiáng)降雨及寶興2019年“8.22”強(qiáng)降雨。

根據(jù)前述泥石流治理工程現(xiàn)狀調(diào)查分析結(jié)論，治理工程存在的問題主要表現(xiàn)為：部分防治工程存在攔擋壩淤滿、基礎(chǔ)或壩肩淘蝕及局部工程損壞等問題，如壩體護(hù)坦、溢流口、梳齒損壞，防護(hù)堤墻體損壞等。而影響泥石流治理工程效果的主要方式為淤滿和沖刷淘蝕。

造成壩體淤滿的主要原因為地震災(zāi)區(qū)泥石流物源豐富，溝內(nèi)殘留固體松散物質(zhì)難以準(zhǔn)確估算，設(shè)計計算時固體沖出量計算偏保守。壩肩淘蝕主要存在于兩岸坡體結(jié)構(gòu)為易受淘蝕的碎石土、塊石土等流域內(nèi)，主要原因為對泥石流的沖刷能力估計不足，特別是彎道、跌坎處，治理工程未采取措施消能或加固，致使治理工程局部在泥石流流體在高速運動下沿攔擋壩兩岸結(jié)構(gòu)軟弱處持續(xù)淘蝕導(dǎo)致受損。護(hù)坦損壞的主要原因是泥石流流體是由塊石、漿體組成的混合流體，在泥石流活動過程中，受壩前跌坎作用，流速與能量增加，沖擊護(hù)坦導(dǎo)致護(hù)坦損壞。排導(dǎo)槽或防護(hù)堤基礎(chǔ)掏蝕的主要原因與壩肩淘蝕原因類似，主要存在于溝底結(jié)構(gòu)為易受淘蝕的碎石土、塊石土等流域內(nèi)，設(shè)計計算或施工時基礎(chǔ)埋深深度不夠，泥石流流體在高速運動下在結(jié)構(gòu)軟弱處持續(xù)淘蝕形成。

總的來說，造成工程失效的原因是多方面的，一方面地震造成了大量的泥石流物源，導(dǎo)致泥石流規(guī)模難以準(zhǔn)確估計，工程設(shè)計中物源估算嚴(yán)重不足及動儲量轉(zhuǎn)化依據(jù)不充分；二來對震后泥石流基本特征認(rèn)識不到位，泥石流形成方式多種多樣，包括滑坡形成、溝床物質(zhì)起動形成以及堰塞湖潰決等，導(dǎo)致難以采用某一種特定的規(guī)模計算方法。三是震后泥石流在啟動機(jī)理、堵塞潰決、持續(xù)時間、沖出規(guī)模等方面與一般泥石流相比存在很大區(qū)別[14]，震后泥石流的這些特點導(dǎo)致現(xiàn)有規(guī)范的流量、沖刷深度和沖出量等參數(shù)計算方法結(jié)果普遍偏小[16]。因而，盡管大部分工程都按高標(biāo)準(zhǔn)或超高標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計施工，然而，許多攔擋工程僅在一到兩個水文年就被泥石流體淤滿，有的攔擋工程被泥石流中的巨大石塊堵塞或沖擊破壞，進(jìn)而嚴(yán)重影響防治效果。

2 結(jié)論及后期泥石流治理的思考

2.1 結(jié)論

通過對地震災(zāi)區(qū)彭州市、都江堰市及雅安市寶興縣泥石流治理工程的實地調(diào)查，研究區(qū)共發(fā)育泥石流278處，完成治理工程92處，工程治理率33.09%，主要防治思路以“攔+排結(jié)合”及“全排”防治思路為主，占總數(shù)的70.97%，總的來說，治理工程對災(zāi)區(qū)的災(zāi)后重建及保障人民生命財產(chǎn)安全起到了積極作用。

初步建立基于層次分析法的事前(P)、事中(N)、事后(F)階段的泥石流治理工程有效性評價體系。區(qū)內(nèi)泥石流治理工程效果為“優(yōu)”的有27處，占比29.35%；“良好”的28處，占比30.43%；“一般”的18處，占比19.57%；“差”的19處，占比20.65%。治理工程效果“良好-優(yōu)”的占到總數(shù)的59.78%，起到了良好的減災(zāi)效果。

治理工程存在的主要問題為攔擋壩淤滿、壩肩淘蝕與護(hù)坦損壞，排導(dǎo)槽或防護(hù)堤基礎(chǔ)掏蝕等。在調(diào)查區(qū)內(nèi)修建有防治工程的泥石流溝道內(nèi)，出現(xiàn)攔擋壩淤滿的占56.81%，存在排導(dǎo)槽(防護(hù)堤)和壩體基礎(chǔ)沖刷淘蝕的占24.68%，有護(hù)坦損壞現(xiàn)象的占8.63%，壩肩淘蝕的占5.52%，其他形式損壞的占4.36%，影響泥石流治理工程效果的主要方式為淤滿和沖刷淘蝕。

造成這些問題的原因有：地震震后泥石流在啟動特征、流量、沖出規(guī)模、沖刷深度、物源及轉(zhuǎn)化等方面的特征與震前發(fā)生較大變化，震后泥石流的這些特征導(dǎo)致現(xiàn)有規(guī)范的工程設(shè)計參數(shù)計算方法結(jié)果普遍偏小，由此可能會導(dǎo)致治理工程使用年限與工程效益降低的隱患，嚴(yán)重影響防治效果。

2.2 泥石流治理的思考

通過對地震災(zāi)區(qū)泥石流治理工程的系統(tǒng)考察與泥石流防治工程減災(zāi)效益回訪調(diào)查，發(fā)現(xiàn)震后泥石流治理工程的問題具有一定的普遍性。為了做好未來泥石流防治規(guī)劃設(shè)計，提高工程成效，根據(jù)泥石流防治工程出現(xiàn)的問題與不足，特提出以下思考和建議：

(1)地震災(zāi)區(qū)泥石流治理工程可根據(jù)泥石流爆發(fā)頻率、啟動模式、物源條件、流域特征綜合考慮，在不違反相關(guān)規(guī)范強(qiáng)條前提下適當(dāng)提高設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)，科學(xué)設(shè)計防治方案，實現(xiàn)泥石流治理工程的有效性和經(jīng)濟(jì)。

(2)對相應(yīng)的防治工程在汛后進(jìn)行復(fù)核，及時對已淤滿的攔擋壩庫區(qū)進(jìn)行清淤，對損毀的治理工程進(jìn)行修復(fù)或重建，使得泥石流防治工程達(dá)到最大效益，最大限度降低泥石流帶來的危害。

(3)在地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險評價中，對于單點的風(fēng)險評價應(yīng)考慮地質(zhì)災(zāi)害工程治理防治效益進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整；對于治理工程防治效益“一般”及“差”的隱患點，應(yīng)及時進(jìn)行修復(fù)治理，消除隱患。