泥石流防治體系與防治方案研究現(xiàn)狀

(蘭州大學(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院 甘肅 蘭州 730000)

泥石流防治體系與防治方案研究現(xiàn)狀

王勇賈麗娜譚之東

(蘭州大學(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院 甘肅 蘭州 730000)

本文討論了幾種泥石流防治體系的分類方案，并從泥石流監(jiān)測預(yù)警、泥石流風(fēng)險評價與風(fēng)險管理、泥石流防護(hù)與工程防治三個方面綜述了泥石流防治體系研究現(xiàn)狀，充分認(rèn)識了泥石流監(jiān)測預(yù)警與泥石流風(fēng)險評價所面對的問題，并重點(diǎn)對幾種泥石流巖土工程措施發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行了闡述。在此基礎(chǔ)上，分析了各種泥石流防治方案的適用條件，并給出工程實例;對泥石流防治方案優(yōu)化優(yōu)選研究歷程進(jìn)行梳理和總結(jié)。最后，針對泥石流防治需要及防治目標(biāo)，提出加強(qiáng)對泥石流機(jī)理研究、加強(qiáng)泥石流防治與泥石流資源利用相結(jié)合等多個解決方案。

泥石流;防治體系;防治方案

一、引言

泥石流是一種介于普通洪流和滑坡之間的，發(fā)生于破碎山體間的固液氣三相混合流[1]。由于我國地域廣大，地貌多樣，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，泥石流災(zāi)害時有發(fā)生。泥石流作為地質(zhì)災(zāi)害的一種，具有流速快、流量大、破壞力強(qiáng)、爆發(fā)突然及預(yù)見性小的特點(diǎn)。僅在2001-2010年間，中國由于滑坡、泥石流等突發(fā)性災(zāi)害共造成9941人死亡和失蹤[2]。泥石流災(zāi)害每年給中國帶來大量的人員及經(jīng)濟(jì)損失，并導(dǎo)致當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境退化，在經(jīng)濟(jì)建設(shè)活動極為活躍的今天，對泥石流的防治是保障群眾生命財產(chǎn)安全的重要組成部分。

唐邦興[3]等人從泥石流防治的現(xiàn)實條件、措施、目的角度提出：可以分為三種體系，分別是：1)防止泥石流發(fā)生的體系2)控制泥石流運(yùn)動的體系3)預(yù)防泥石流危害體系。而康志成[4]等人提出的泥石流防治體系包括：治理體系、防護(hù)體系、預(yù)防體系(香港模式)、預(yù)報體系、警報體系。值得注意的是預(yù)防體系(香港模式)中提出了泥石流風(fēng)險管理的概念，指出了預(yù)防泥石流的要點(diǎn)在于通過量化風(fēng)險評估來估算風(fēng)險、制定可接受風(fēng)險標(biāo)準(zhǔn)(根據(jù)社會的可承受能力)，由此組成了一個較為完備的泥石流防治體系。崔鵬[5]通過梳理泥石流防治的發(fā)展過程及發(fā)展現(xiàn)狀，指出泥石流方防治體系大致可以分為：監(jiān)測與預(yù)報、泥石流風(fēng)險性評估與危險管理、泥石流災(zāi)害治理技術(shù)三個方面。劉傳正[6]等人從中國地質(zhì)災(zāi)害防治現(xiàn)狀出發(fā)提出地質(zhì)災(zāi)害的防治體系應(yīng)該包括地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查評價、監(jiān)測預(yù)警、避讓搬遷與治理、應(yīng)急體系建設(shè)和科學(xué)技術(shù)研究支撐等，認(rèn)為要把地質(zhì)災(zāi)害治理與地質(zhì)環(huán)境利用結(jié)合起來這為中國泥石流防治體系的研究開辟了新的思路。綜上所述，泥石流防治體系主要由監(jiān)測預(yù)警體系、風(fēng)險性評價與風(fēng)險管理體系、治理與防護(hù)體系三個方面組成，本文也將從這三個方面入手，具體研究泥石流防治體系研究現(xiàn)狀。

二、泥石流監(jiān)測預(yù)警

泥石流監(jiān)測預(yù)警在泥石流防治中具有經(jīng)濟(jì)、有效的特點(diǎn)，特別是汶川地震后，受到了越來越多的關(guān)注和研究。泥石流監(jiān)測是基于多種泥石流監(jiān)測的手段和方法(雨量監(jiān)測、地震波監(jiān)測、圖像監(jiān)測等)收集有關(guān)泥石流形成過程及運(yùn)動過程的信息，監(jiān)測所得的資料是泥石流理論研究和泥石流預(yù)警的基礎(chǔ)。泥石流預(yù)警是泥石流預(yù)報和警報的統(tǒng)稱。泥石流預(yù)警是基于泥石流的監(jiān)測數(shù)據(jù)及研究成果，判斷泥石流發(fā)生的時間、地點(diǎn)、影響范圍，并對外發(fā)布這些信息，從而達(dá)到防災(zāi)減災(zāi)的目的。經(jīng)過多年的發(fā)展，通過將國內(nèi)外研究成果積極運(yùn)用于國內(nèi)地質(zhì)防治，專業(yè)監(jiān)測與群測群防相結(jié)合，目前監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)已初步形成[7]。近年來，隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展，新一代信息技術(shù)具有數(shù)據(jù)快速采集、傳輸上的優(yōu)勢[8]，同時傳統(tǒng)的監(jiān)測預(yù)警方式存在一些比如人力成本高、數(shù)據(jù)可靠度有限、實時性較差等缺點(diǎn)，研究人員開始把物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、云計算、GIS技術(shù)、RIA技術(shù)等為代表的新一代信息技術(shù)應(yīng)用于地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警，這將有效地促進(jìn)泥石流監(jiān)測預(yù)警研究的發(fā)展。

三、泥石流風(fēng)險評價與風(fēng)險管理

聯(lián)合國于1991年明確提出自然災(zāi)害風(fēng)險的定義：”風(fēng)險是在一定區(qū)域和給定的時間段內(nèi)，由于某一地質(zhì)災(zāi)害而引起的人們生命財產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)活動的期望損失值“。風(fēng)險度是風(fēng)險的定量表達(dá)，聯(lián)合國對自然災(zāi)害風(fēng)險的數(shù)學(xué)表達(dá)式為” 風(fēng)險度( R) = 危險度( H) × 易損度( V)“，這種風(fēng)險度的評價方法得到了廣泛的認(rèn)可和應(yīng)用。近年來，國內(nèi)外的學(xué)者將其它學(xué)科的研究成果應(yīng)用于危險性評價領(lǐng)域，創(chuàng)立了許多新的危險度評價體系：包括人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、灰色關(guān)聯(lián)度法、GIS法等。除此外，部分研究人員將易損度作為因子直接加入危險度評價模型中，從而得到風(fēng)險度評價模型，比如沈簡[9]等人在既有的模糊綜合泥石流危險度評價模型中加入易損度因子(承災(zāi)體脆弱性)，建立了泥石流風(fēng)險性模糊綜合評價模型及創(chuàng)立了模糊坐標(biāo)危險性評價法。崔鵬等[10]則認(rèn)為目前地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險評估是基于統(tǒng)計方法的因素分析，對具體的災(zāi)點(diǎn)的信息反映不足，因此提出了基于動力過程的風(fēng)險評估方法，其實用性還有待更多實踐的檢驗。

泥石流風(fēng)險管理作為風(fēng)險評價的后續(xù)是一項系統(tǒng)性的工程。目前國內(nèi)外對風(fēng)險管理的研究越來越多。唐川等人[11]在2009年結(jié)合地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險管理的相關(guān)成果與我國強(qiáng)震區(qū)城市的現(xiàn)實情況，在風(fēng)險機(jī)制與風(fēng)險量化分析、風(fēng)險判據(jù)研究和風(fēng)險準(zhǔn)則建立、管理途徑和方法、管理消能監(jiān)控機(jī)制、風(fēng)險管理模式與規(guī)范五方面展開研究，這是風(fēng)險管理應(yīng)用于泥石流防治的一次嘗試，初步地建立了較為全面的強(qiáng)震區(qū)城市地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險管理的理論、方法和推進(jìn)機(jī)制。2016年崔鵬[12]等人在基于國內(nèi)外泥石流風(fēng)險管理研究成果，較好地給出了風(fēng)險管理的定義：災(zāi)害風(fēng)險管理是在災(zāi)害風(fēng)險形成過程和機(jī)理的基礎(chǔ)上，通過評估災(zāi)害風(fēng)險并采取合適的風(fēng)險調(diào)控措施(預(yù)防、預(yù)案、預(yù)警與治理措施)最大限度的減少災(zāi)害風(fēng)險和損失的手段。

四、泥石工程治理與防護(hù)體系

泥石流防護(hù)是為了保護(hù)城鎮(zhèn)、道路等受災(zāi)體而采取的一系列的包括修建防護(hù)堤、攔擋壩、導(dǎo)流渠，選擇合理的道路線路防等護(hù)措施；泥石流治理則是通過對泥石流流域進(jìn)行部分或全面治理以達(dá)到阻止或控制泥石流發(fā)生的目的。雖然泥石流防護(hù)體系和泥石流治理體系的最終目標(biāo)都是避免或減小泥石流帶來的災(zāi)害，并且兩者在實踐中采取的部分工程措施相同，但前者是從減小承災(zāi)體易損性的角度出發(fā)，減小的物理暴露程度，提高承災(zāi)體的防護(hù)能力，從而達(dá)到減小泥石流災(zāi)害風(fēng)險性的目的，泥石流治理則主要是通過控制泥石流的發(fā)生規(guī)模、頻率等，減小泥石流的危險度，以達(dá)到減小泥石流災(zāi)害風(fēng)險的目的，這是兩者的根本區(qū)別。

(一)泥石流工程治理體系

泥石流工程治理按照治理措施，可以分為兩類即巖土工程治理與生態(tài)工程治理，按照治理工程施工的部位，可以分為三類即：山坡整治、溝谷整治和堆積區(qū)整治。目前針對工程治理的研究主要泥石流同工程措施之間的相互影響及新型治理措施的開發(fā)兩方面。

一般而言植被能阻止部分泥石流的發(fā)生，但高延超[13]等人通過對比四川省巴塘縣的118處溝谷泥石流及33處坡面泥石流的植被覆蓋率，發(fā)現(xiàn)植被對于坡面泥石流具有較好的抑制作用，但對溝谷泥石流作用則不明顯。這對泥石流治理工程有一定的參考價值。陳洪凱等人針對泥石流對工程治理構(gòu)筑物的作用，通過大量室內(nèi)模型試驗分析了溝谷泥石流運(yùn)動過程，建立了泥石流沖擊譜小波消噪方法，分析了泥石流沖擊頻率特性及泥石流沖擊信號能量分布規(guī)律，為建立涵蓋不同類型泥石流的沖擊了計算方法提供了科學(xué)的依據(jù)[14]。

周健[15]等人基于室內(nèi)坡面型泥石流治理試驗，采用可視化細(xì)觀測試系統(tǒng)從細(xì)觀尺度研究坡面型泥石流“錨桿-護(hù)坡”治理下土體的變形機(jī)制。試驗結(jié)果表明：“錨桿-護(hù)坡”不僅有濾水固土作用，而且通過改變坡面的變形機(jī)制和結(jié)構(gòu)，減少坡面型泥石流的發(fā)生幾率。于獻(xiàn)彬[16]等人提出了一種在壩體迎水面采用堆積粗砂土體和鋪塑料泡沫板的復(fù)合型新型攔砂壩，借助有限元軟件模擬泥石流沖擊，結(jié)果顯示壩前的材料可以延長沖擊時間，減小沖擊力。李云、陳曉清[17]等人提出了一種新型的由兩束流側(cè)墻及置于其間的若干按一定間距設(shè)置的全襯砌的階梯段和填充于上下游階梯段直間的深潭段所構(gòu)成的泥石流流排導(dǎo)槽。

(二)泥石流防護(hù)體系

相對泥石流治理，目前對泥石流防護(hù)的研究較少，研究領(lǐng)域包括城鎮(zhèn)泥石流防護(hù)、工礦泥石流防護(hù)、道路泥石流防護(hù)等方面，并且主要集中于對道路泥石流的研究。康志成[4]等人提出城鎮(zhèn)泥石流防護(hù)與泥石流治理的區(qū)別主要在于前者是暫時的短期行為，而后者是根本性的長期行為，但是大部分研究者均將城鎮(zhèn)泥石流防護(hù)歸于泥石流排泄區(qū)治理。相對于城鎮(zhèn)泥石流防護(hù)而言，道路泥石流可以采取更加主動的防護(hù)措施，包括繞避泥石流影響區(qū)，橋渡通過、渡槽通過，明洞通過等方式。由于鐵路或公路無論是在泥石流流域的任何部位通過，大部分情況下都是以橋渡的方案通過，因此近年來對泥石流作用與橋梁方面的研究較多，成果也較為豐富。王林峰[18]等人基于泥石流固液兩項模型，運(yùn)用動力學(xué)中的彈性碰撞理論和牛頓第二定律，在對泥石流區(qū)的橋墩損毀機(jī)制進(jìn)行了研究，并提出了以橡膠和彈簧組合而成的消能層，其消能效這些結(jié)構(gòu)設(shè)計較為新穎合理，但還需要大量的工程實踐以證明其實用性。

五、防治方案

在《中國泥石流》一書中，明確將防治方案定義為：對于需要防治的一條泥石流溝或連續(xù)分布有多條泥石流溝的區(qū)域，可根據(jù)當(dāng)?shù)氐淖匀画h(huán)境條件及泥石流發(fā)生、發(fā)展特點(diǎn)，保護(hù)對象設(shè)防要求，制定出若干個防治工程設(shè)計方案。然后通過技術(shù)、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)比較及實際投入資金的可能性，最后選擇一個投資最省，社會、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)環(huán)境效益最大，被保護(hù)對象的安全得到保證的防治工程方案加以實施。目前對防治方案的分類有多種方法。唐邦興[4]等人認(rèn)為可以分為繞避泥石流的防治方案、綜合治理方案、單項工程防治方案、行政管理及預(yù)測預(yù)報防治方案方案四大類。王彥海[19]等人基于泥石流發(fā)生條件、治理需要等，認(rèn)為防治方案主要分為三種即：預(yù)防、預(yù)警報、治理三種。這種劃分方法較為合理和全面，雖然王彥海等對每種方案的定義及論述不夠詳細(xì)，但目前仍得到了一些研究人員的認(rèn)可和使用。近年來，隨著防護(hù)技術(shù)的發(fā)展，陳曉清、崔鵬等[20]從防治方案的具體落實出發(fā)，認(rèn)為目前防治方案主要可以分為這五類：(1)綜合防治方案；(2)以巖土工程措施為主的防治方案；(3)以生態(tài)工程措施為主的防治方案；(4)以監(jiān)測預(yù)警報為主的方案；(5)以行政管理為主的方案。

根據(jù)孟興民[21]等人的研究，監(jiān)測預(yù)警是目前泥石流最為經(jīng)濟(jì)有效減災(zāi)手段。這主要是由于經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平、風(fēng)險管理水平的限制，大部分潛在發(fā)生泥石流地區(qū)風(fēng)險得不到有效管控。綜合防治方案是指采取包括巖土工程措施、監(jiān)測預(yù)警措施、行政管理措施、生態(tài)工程措施在內(nèi)的一系列措施，融軟硬措施為一體，在全流域內(nèi)對泥石流進(jìn)行防治，全面有效的控制泥石流危害的防治方法。由于綜合防治的防治效果較好，因此目前使用較為廣泛。

在泥石流防治方案設(shè)計中，由于泥石流防治的復(fù)雜性，設(shè)計方案的優(yōu)劣與設(shè)計人員的經(jīng)驗水平有很大關(guān)系，為了使泥石流防治設(shè)計達(dá)到科學(xué)、高效、可靠、可行、經(jīng)濟(jì)節(jié)約的目的，對泥石流防治工程設(shè)計方案進(jìn)行優(yōu)化優(yōu)選必不可少，目前在這方面的研究相對較少并主要集中于兩個方向：在方案的設(shè)計時，利用信息系統(tǒng)進(jìn)行方案優(yōu)化；利用優(yōu)選模型對多種防治工程方案進(jìn)行優(yōu)選。方案優(yōu)化是通過建立泥石流防治工程信息庫，標(biāo)準(zhǔn)化信息類，為防治工程設(shè)計提供經(jīng)驗參考與教訓(xùn)，并在此基礎(chǔ)上建立泥石流防治模式，直接為設(shè)計人員提供輔助設(shè)計工具和評價參考工具[22]。1999年陳瑞等人[23]建立了“泥石流防治工程方案優(yōu)化設(shè)計專家系統(tǒng) ”。在方案優(yōu)選方面，一般是通過建立優(yōu)化模型，綜合考慮各方面的因素，減小人為干擾來進(jìn)行優(yōu)選方案。

王念秦等人以陜北三道溝礦區(qū)泥石流防治工程為例，選取了安全可靠，經(jīng)濟(jì)合理性、設(shè)計規(guī)范等多個評價指標(biāo)，并利用熵權(quán)決策法定量確定指標(biāo)權(quán)重，建立了防治方案比選模型。根據(jù)得到的最優(yōu)方案進(jìn)行治理，治理效果良好，經(jīng)濟(jì)效益明顯。

六、展望

1)加強(qiáng)監(jiān)測技術(shù)及基于泥石流形成機(jī)理的預(yù)警研究，注重信息技術(shù)在監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)中的應(yīng)用研究，以提高預(yù)警精度，健全監(jiān)測預(yù)警體系。

2)需要進(jìn)一步深化承災(zāi)體易損度的研究，以提高泥石流風(fēng)險評價的準(zhǔn)確性，隨著人口密度、經(jīng)濟(jì)密度逐漸增加，提高泥石流風(fēng)險管理水平，建立風(fēng)險管理體制機(jī)制都具有較大的現(xiàn)實意義。

3)在泥石流工程防治方面需要不斷吸收泥石流研究的最新成果，不斷完善泥石流防治工程的技術(shù)規(guī)范，結(jié)合理論與實際，不斷改進(jìn)重要防治巖土設(shè)施如排導(dǎo)槽、攔砂壩等的關(guān)鍵參數(shù)的確定方法。

4)通過總結(jié)防治經(jīng)驗及防治模式，并結(jié)合信息收集處理技術(shù)，不斷加強(qiáng)泥石流防治方案優(yōu)化優(yōu)選研究。

5)針對地質(zhì)環(huán)境無序利用與泥石流防治之間的矛盾，應(yīng)該要樹立可持續(xù)利用地質(zhì)環(huán)境的觀念，科學(xué)、合理的利用地質(zhì)環(huán)境，把泥石流防治與合理利用災(zāi)害資源結(jié)合起來，使人類活動與地質(zhì)環(huán)境和諧相處。

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