山洪對村鎮(zhèn)建筑破壞方式與建筑防洪加固技術研究現(xiàn)狀

司光武, 陳劍剛, 陳曉清,3*, 趙萬玉, 崔文榕

(1.中國科學院山地災害與地表過程重點實驗室，中國科學院、水利部成都山地災害與環(huán)境研究所，成都 610041；2.中國科學院大學，北京 100049；3.中國科學院青藏高原地球科學卓越創(chuàng)新中心，北京100101)

山洪是小流域內(nèi)受短時強降雨、冰雪融水、堤壩潰決等突發(fā)事件影響，溝道內(nèi)水位急劇上漲的現(xiàn)象[1]。山洪具有水量集中、暴漲暴落、歷時短暫、流速大、沖刷力強、固體碎屑物攜帶量大、破壞能力強的特點[2]。山洪一次沖出總量較小，匯流時間短，一般不會內(nèi)澇，但會攜帶大量泥沙、塊石、漂木，并誘發(fā)滑坡、泥石流等災害，威脅居民人身財產(chǎn)安全，破壞建筑、農(nóng)田和交通線路等設施[3]。

山洪是中國最為嚴重的自然災害之一。根據(jù)國家防洪抗旱總指揮部數(shù)據(jù)[4-7]，截至2020年4月，全國山洪防治區(qū)面積386萬km2，涉及人口6 746萬人，每年山洪災害造成的死亡人數(shù)占全國洪澇災害死亡總人數(shù)60%～92%，而中國山區(qū)人口占總人口1/3以上[8]，且大量聚集在山區(qū)河流兩岸階地或下游堆積扇等狹窄平地上。隨著經(jīng)濟快速發(fā)展，山區(qū)村鎮(zhèn)的大量工程修建在自然災害潛在危險區(qū)內(nèi)，日益擴大的人類活動破壞了本就脆弱的自然環(huán)境[9]，再加上氣候變化所導致的極端降雨事件增多，以及山洪成災迅速、預警時間短暫且破壞性強等因素，災害一旦暴發(fā)就極易造成重大人員傷亡和財產(chǎn)損失事件。近年來中國典型山洪災害事件如2010年8月8日，甘肅省舟曲縣三眼峪和羅家峪暴發(fā)山洪泥石流，導致1 471人死亡，294人失蹤，4 321間建筑被毀[10]；2019年四川省汶川縣8·20山洪泥石流，導致12人遇難、26人失蹤，大量居民住宅建筑和設施被毀[11]。

以往研究多集中于內(nèi)陸洪泛區(qū)與蓄滯洪區(qū)內(nèi)的建筑設計技術[12-14]，以及濱海地區(qū)海嘯洪水對城市建筑破壞[15-18]，關于山洪對村鎮(zhèn)建筑的破壞作用及其適宜性防洪措施的研究相對較少。村鎮(zhèn)建筑既是當?shù)鼐用竦淖畲蟛粍赢a(chǎn)之一，又是山洪災害中的主要承災體[19]，受當?shù)亟?jīng)濟狀況、風俗習慣以及使用功能等影響[20]，其結構形式多為生土、木、磚混結構的單層或多層建筑[21]。村鎮(zhèn)建筑在修建過程中缺乏充分地評估規(guī)劃和技術指導，相比于城市建筑，抗災性能更差。當前中國對山洪災害的防治是采用常規(guī)監(jiān)測預警、群防演練等非工程性措施為主，并輔以工程措施[22-23]，這樣雖能盡量保障居民人身安全，卻難以保護村鎮(zhèn)建筑。因此根據(jù)山洪的破壞方式，研究村鎮(zhèn)建筑抗洪加固技術對保障山區(qū)人民生命安全、降低財產(chǎn)損失具有實際意義。

基于以上，對近年來典型山洪災害事件現(xiàn)場展開調(diào)查，分析山洪對村鎮(zhèn)建筑的破壞方式，查閱文獻以總結現(xiàn)有中外建筑抗洪設計方法和加固技術，比較各類方法的優(yōu)點與不足，探討今后村鎮(zhèn)建筑抵抗山洪需要開展的研究方向。

1 山洪對村鎮(zhèn)建筑的破壞方式

作為一種地表上大規(guī)模水沙混合體沿溝道向下游快速運動過程[24]，山洪成災模式為:小流域內(nèi)集中降雨導致地表徑流迅速匯集，坡面和溝道發(fā)生快速侵蝕，在水流向下游運動過程中對人類活動和定居點造成災害[25]。根據(jù)山洪組成、運動特點、建筑結構類型和分布特征，結合野外實地考察將山洪對村鎮(zhèn)破壞方式歸納為以下5種類型。

1.1 建筑迎流面上的沖擊作用

山洪主要由少量細顆粒與水組成的漿體和大粒徑塊石、漂木等固體攜帶物組成，容重小于13 kN/m3，運動時對沿程建筑等設施產(chǎn)生極大沖擊。按組成成分和運動速度，沖擊作用由靜水壓力、動水壓力和固體攜帶物的撞擊力三部分組成[26-27]。

(1)靜水壓力。山洪從溝口沖出向周邊擴散流速降低時，若建筑密封性好，內(nèi)外水頭差會使墻體受到水平方向的靜水壓力，大小沿水深呈三角分布，當內(nèi)外水頭差超過1.0～1.5 m時，砌體墻將發(fā)生倒塌。若水流滲透進地基后還會對基礎產(chǎn)生上浮力，進一步降低建筑整體穩(wěn)定性。

(2)動水壓力。液相漿體對建筑淹沒部分產(chǎn)生的水平拖拽力，其大小與流速、深度及迎流面構件的形狀、迎流角度有關。山洪運動時由于龍頭較高，更容易造成迎流面上的墻體破壞坍塌。在迎流面上墻體開洞設窗，減小沖擊作用面積、或改變迎流角度等可減小動水壓力。

(3)固體碎屑物撞擊力。山洪攜帶的泥沙、塊石、漂木及生活垃圾等固體碎屑物，運動時對接觸到建筑表面產(chǎn)生撞擊力。受固體碎屑物質(zhì)量、運動速度、材料力學性質(zhì)、形狀等影響，撞擊力表現(xiàn)出時間上的離散性及空間上的作用位置、作用值的不確性。固體碎屑物撞擊力也是建筑支撐構件(承重墻、支柱)受損，結構倒塌的主要原因，如圖1所示。

圖1 山洪對建筑的沖擊破壞(汶川縣，2019-08)

由于村鎮(zhèn)建筑抵抗橫向變形的能力較弱，所以山洪在建筑物迎流面上的沖擊作用是導致構件破壞和整體垮塌的主要原因。

1.2 對建筑順流面的磨蝕作用

磨蝕作用和沖擊作用是山洪對建筑上不同位置構件同時發(fā)生的破壞作用，如圖2所示。山洪流經(jīng)建筑順流面時，固體碎屑物刮鏟、摩擦表面產(chǎn)生磨蝕作用，導致建筑外表面涂層受損，使鋼筋或砌塊外露，影響結構的正常使用，如圖3所示。磨蝕作用還會降低建筑防水性，使水流滲透或大量涌入室內(nèi)，損毀室內(nèi)附屬設施。

圖2 山洪對建筑迎流面沖擊和順流面磨蝕作用

圖3 建筑圍墻受山洪磨蝕作用損害

1.3 對地基的侵蝕作用

沖擊和磨蝕作用都是山洪對建筑上部結構的破壞，而侵蝕作用是對地基的破壞。由于流速大，暴漲暴落，過水斷面狹窄，溝岸陡峭，山洪侵蝕能力很強[28-29]。在運動時山洪會向下侵蝕溝道底部，向側面侵蝕岸坡，導致岸坡巖土體失穩(wěn)滑動。水位較高時山洪將直接沖刷掏蝕地基，影響建筑穩(wěn)定性。當岸坡陡峭、地基土體抗侵蝕能力差、或距離岸坡較近時，建筑物易受到侵蝕作用發(fā)生整體失穩(wěn)或結構構件破壞甚至坍塌，如圖4和圖5所示。

圖4 山洪對地基的侵蝕破壞作用

圖5 山洪侵蝕溝岸所導致的建筑破壞(汶川縣，2019-08)

1.4 固體碎屑物的淤埋作用

山洪在下游地勢平坦地區(qū)發(fā)生擴散，或沖擊建筑物后流速降低，水流通過排水路徑流向下游，而固體碎屑物沉積淤埋，如圖6所示。淤埋物會腐蝕墻壁、堵塞門窗管道、污染飲用水。災后被淤埋的建筑需清淤和消毒，影響房間正常使用[30]。

圖6 泥沙對建筑的淤埋作用(汶川縣，2019-08)

1.5 積水的浸泡作用

浸泡和淤埋都是山洪結束時對不同位置處建筑的破壞。災后地勢低洼區(qū)水流匯集，形成高水位積水，如圖7所示。由木材、生土及石灰等水敏性材料組成的木結構或砌體結構[31]，長時間浸泡后地基吸水軟化、材料強度下降，使結構破壞或傾斜倒塌。室內(nèi)積水會損壞家用電器，夏季高溫環(huán)境會使水體滋生感染性病菌，威脅受災和救援人員生命安全[32-33]。

圖7 建筑物受山洪浸泡(汶川縣，2019-08)

從以上可知，山洪對建筑的破壞方式和程度不僅與山洪強度(如一次過程總量、流速、流深、歷時、固體碎屑物濃度，大塊石質(zhì)量、粒徑等)有關，還與建筑自身(結構類型、開洞大小、建筑材料、迎流角度、所處位置、高程等)有關。整理歸納山洪對村鎮(zhèn)建筑破壞方式和特點，如表1所示。

表1 山洪對村鎮(zhèn)建筑破壞方式

2 當前中外建筑抗洪加固技術

相對于山區(qū)村鎮(zhèn)，河流中下游及沿海的平原地區(qū)是較早發(fā)展的區(qū)域。泛濫洪水、潰壩洪水、海嘯等水災也是影響當?shù)鼐用裆婧桶l(fā)展最主要和最嚴重的自然災害之一[34]。目前各個國家及地區(qū)根據(jù)自身所面臨的洪災類型與特點，如美國內(nèi)陸泛濫洪水、美國與日本沿海的海岸洪水、歐洲阿爾卑斯山區(qū)的山洪等，分別開展了建筑抗洪加固、改造的研究，為山區(qū)村鎮(zhèn)建筑防災問題提供借鑒。這些建筑抗洪加固技術目的都是降低建筑在洪災中的暴露度和易損性，減少洪水帶來的風險[35]。總體上，當前中外的建筑抗洪加固技術可分為以下7種。

2.1 抬高建筑標高

該技術是采用樁基礎或墩柱，抬高建筑上部標高，形成高蹺式結構，使房間地板高于設計洪水深度[36]。山洪通過由樁群組成的開放式地基流向下游，如圖8所示。這種措施能直接減少建筑的暴露度，避免山洪沖擊圍墻或進入室內(nèi)，開放式地基形成的區(qū)域可作為停車場等設施使用，不額外占用土地。但樁基礎會受到山洪沖擊和侵蝕，樁身破壞或傾斜會嚴重影響建筑安全。為提高樁基礎抗沖擊性能，可采用圖9所示的樁身防撞保護結構[37]，先在兩個半圓截面的鋼套管內(nèi)填充聚苯乙烯泡沫(EPS)材料，再將鋼套管拼合后包裹樁身形成緩沖層，并采用細料混凝土填充內(nèi)部孔隙，這樣可大幅降低固體碎屑物撞擊力。為降低山洪對樁基礎侵蝕的影響，設計時需考慮上部結構垂向荷載和山洪侵蝕深度。

圖9 樁身防撞保護結構

該技術適合輕型建筑結構的設計和改造，對于自重較大的磚砌結構和多層框架結構應用起來較為困難，尤其在地震活躍區(qū)需格外慎重。

2.2 設置鋼筋混凝土防撞柱

該技術利用鋼管或鋼管-鋼骨混凝土的強度高、韌性和耐久性好、抵抗橫向沖擊能力強的特點[38-39]，在鋼管中填充密實的高強度混凝土制成懸臂式防撞樁，按一定間距布置在建筑迎流和順流面，并使防撞樁懸臂段不低于設計洪水深度，如圖10(a)所示。防撞樁可攔截固體碎屑物，降低流速，減少山洪對圍墻的沖擊和磨蝕。當大塊石或漂木沖擊力較大時，可增加防撞樁直徑或增加鋼骨以提高強度[40-41]，如圖10(b)所示，或參考滑坡治理工程中抗滑樁設計方法，將前后兩根樁連接組成П剛架樁、排架樁[42]抵抗沖擊，如圖10(c)所示。

圖10 鋼管混凝土防撞樁

設計時應根據(jù)地基巖土體性質(zhì)、地基侵蝕深度、懸臂段所能承受最大沖擊力，確定嵌固段長度；并合理設計樁間距，使固體碎屑物在樁間形成堵塞體，減少后續(xù)影響。該技術施工方便，但需額外占用土地，樁間穿過或沖起的山洪會進入建筑內(nèi)部。

2.3 設置格賓石籠

格賓石籠因其經(jīng)濟高效、施工方便、布置靈活，在河道整治、地災治理等領域已得到廣泛應用。類似于防撞樁的設計思路，在建筑迎流和順流面布置格賓石籠，保護墻角和地基不受沖刷侵蝕[43]，如圖11(a)所示。當設計洪水水位較高時，可多層堆疊組成劈楔形防洪擋墻或?qū)Я鞯蹋淖兩胶榱飨?，降低暴露度，保護背后建筑不受破壞[44]，如圖11(b)所示。

圖11 采用格賓石籠保護建筑

制作格賓石籠時方便就地取材，造價低廉，能有效防止地基沖刷侵蝕，但也要額外占用土地，并且格賓石籠的孔隙和黏土顆粒較多，雖然能植草種花美化環(huán)境，但在雨季時會長期儲水，對圍墻防潮要求高。此外格賓石籠擋墻較高時會影響室內(nèi)采光。

2.4 干式防洪

干式防洪是對建筑圍墻、門窗防水密封，并使建筑結構自身抵抗沖擊、磨蝕和侵蝕的一種抗洪加固策略[45-46]，如圖12所示。

圖12 干式防洪建筑內(nèi)外情況示意圖

在確保安全的情況下，干式防洪將建筑內(nèi)部與外部災害完全隔離，發(fā)揮安全島的作用。山洪無法進入建筑內(nèi)部，所能造成的損失也降至最低。但山洪在迎流面上沖擊作用巨大，一旦結構破壞或倒塌，將對室內(nèi)未撤離人員、財產(chǎn)造成更大威脅，所以干式防洪只能應對設計洪水深度低于1 m[47]，且流速較小的情形。干式防洪對迎流面墻體抵抗沖擊的能力、建筑材料防水性和抗磨蝕性要求極高，需提前做好門窗密封和墻體防水。

2.5 濕式防洪

濕式防洪策略是在山洪沖擊時，圍墻迎流面(正面)和背面的防洪隔斷墻發(fā)生主動式破壞，室內(nèi)形成預定的過水通道以降低沖擊作用[48-49]，如圖13所示。防洪隔斷墻是一種非承重墻體，它基本不能承受水平?jīng)_擊，僅用以分隔室內(nèi)使用空間。實現(xiàn)濕式防洪的關鍵在于在山洪沖擊時防洪隔斷墻能夠主動破壞倒塌。

圖13 濕式防洪示意圖

濕式防洪也需提前將人員撤離。由于防洪隔斷墻的破壞增加了暴露度，山洪過后室內(nèi)會受到比較嚴重破壞，泥沙淤埋也更加嚴重。但是相較于其他防洪措施，濕式防洪在大幅節(jié)約投入的前提下，大大降低建筑整體破壞和倒塌的風險，減少對預定過水通道以外部分的破壞，因此在缺少其他防洪措施或者防洪措施失效時，該技術是最后的減災策略。

2.6 優(yōu)化建筑圍墻上的開洞

干、濕式防洪都對圍墻進行改造，對建筑所有者來說，兩種防洪策略都比較極端:前者所面臨的災害風險較大，后者所需承擔的災害損失較大。實際上，對圍墻上門窗的開洞形式、位置和大小進行合理調(diào)整，在滿足結構強度、采光、通風等基本使用求的前提下，使建筑既能一定程度地抵抗沖擊，又不會因沖擊作用過大而發(fā)生整體破壞或倒塌。具體來說，在建筑正面和背面圍墻的相同位置處開洞設窗，窗戶以下的坎墻仍參照干式防洪策略，當水位低于窗戶高度時實現(xiàn)干式防洪效果；當水位高于開窗位置時，類似于防洪隔斷墻，利用窗戶受沖擊后易碎的特性，使山洪從窗洞進入建筑內(nèi)部，減小圍墻上沖擊作用[50]。山洪能快速從建筑內(nèi)部預留通道穿過，又實現(xiàn)了濕式防洪的效果，如圖14所示。

圖14 圍墻合理開洞的效果示意圖

圍墻開洞能減弱沖擊作用，室內(nèi)也一定程度地減少泥沙淤積。然而該技術需綜合考慮開洞形式、位置、大小以及山洪沖擊力的分布規(guī)律。在地震活躍地區(qū)需要注意因開洞而導致結構整體剛度降低的問題。

2.7 調(diào)整建筑整體及內(nèi)部房間布局

由于建筑在長軸方向上，結構的變形剛度要比短軸大，設計時可使建筑的長軸方向與山洪流向相平行以提高建筑抵抗山洪沖擊的能力[51]。根據(jù)使用時長，將建筑內(nèi)的房間劃分為短時使用和長時使用兩個類型，如圖15所示[52]。在山洪暴發(fā)時，人員在長時使用的房間內(nèi)概率較大，需盡量避免山洪直接沖擊長時使用的房間。

以住宅建筑為例，客廳、臥室的設計面積較大，變形剛度較小，而且是長時使用的房間，當山洪暴發(fā)時這類房間的安全風險更大；而廚房、衛(wèi)生間、儲物間、書房等的使用時間相對較短，設計面積一般較小，變形剛度大。設計時可將建筑內(nèi)使用時間較短的房間布置在迎流方向一側(圖15中紅色區(qū)域)，并使這些房間的長軸與流向平行以達到更大的變形剛度；使客廳、臥室這些長時間使用的房間在背流面一側(圖15中綠色區(qū)域)，減少對人員直接威脅，延長應急反應和撤離時間。

圖15 住宅建筑的房間優(yōu)化布局示意圖

3 現(xiàn)有抗洪加固技術不足與今后研究展望

3.1 現(xiàn)有技術所存在的問題

以上技術都是在人員安全撤離的前提下，以降低建筑破壞程度、減少財產(chǎn)損失作為加固目的；也即在調(diào)查評價、危險區(qū)劃、山洪預警、群策群防等常規(guī)防治措施[53]基礎上進行的建筑抗洪加固。比較這些技術各自適用條件、在建筑上加固或改造部位、經(jīng)濟投入、最終防洪效果以及所存在的問題，匯總得到表2。

由表2可知，現(xiàn)有抗洪加固技術受建筑類型、土地利用、經(jīng)濟投入等因素影響，都是對單體建筑的基礎、圍墻上進行加固或改造。從經(jīng)濟投入、最終防洪效果和所存在的問題方面分析如下。

表2 各類建筑抗洪加固技術的比較

(1)樁基礎抬高建筑整體標高，直接降低暴露度，防護效果最好，但使結構抗震性變差，還需加設樓梯來保持室內(nèi)外交通，影響便捷性，經(jīng)濟投入也最高，若樁基礎破壞將加大風險。

(2)濕式防洪、圍墻開洞和房間優(yōu)化布局依靠結構自身抵抗能力，山洪進入建筑內(nèi)會提高整體暴露度，損害室內(nèi)設施，但能降低建筑整體破壞或倒塌的風險，經(jīng)濟投入低。

(3)鋼管混凝土防撞樁和格賓石籠擋墻能有效減小沖擊與侵蝕作用，降低暴露度，效果較好，但要在建筑周圍額外占用土地，影響使用便捷和舒適性，在地勢低洼地區(qū)不能防止浸泡，經(jīng)濟投入較高。

(4)干式防洪使建筑內(nèi)部不受損害，可一旦超出結構自身抵抗能力后會造成更嚴重的破壞，風險較大，只適合應對規(guī)模較小的山洪災害，干式防洪對建筑材料抗沖耐磨性，對墻體密封防水性要求極高，需要定期維護，經(jīng)濟投入較高。

根據(jù)以上分析可知，各種技術均有其獨特優(yōu)勢及不足，但采用單一技術常不能完全保證建筑安全，為此可考慮這些種技術的組合。例如，對于采用樁基礎的高蹺式既有建筑，配合干式防洪，能降低山洪沖起爬高對圍墻和建筑內(nèi)部破壞；對于新建多層框架結構建筑，綜合采用格賓石籠擋墻和濕式防洪能降低侵蝕和沖擊。因此選用時要根據(jù)山洪的破壞能力，結合結構類型(新建或既有砌體、框架結構)、使用性質(zhì)(私人住宅、公共建筑)和所處地形(溝道岸坡或下游堆積扇)和經(jīng)濟投入等因素綜合考慮。

3.2 村鎮(zhèn)建筑抗洪研究展望

當前對山洪災害作用下的建筑破壞機理認識尚不充分，缺乏對各類加固措施的具體設計理論、關鍵參數(shù)和最終效益評估的研究?，F(xiàn)有研究多針對單體建筑的改造加固，而山區(qū)村鎮(zhèn)建筑分布集中，需考慮山洪穿過密集村鎮(zhèn)建筑群時不同位置的單體建筑破壞程度。此外，現(xiàn)有各類防洪加固技術都基于傳統(tǒng)的巖土和結構工程技術，而調(diào)查發(fā)現(xiàn)山區(qū)密集分布的植物群落也能發(fā)揮明顯的減災作用。如何將傳統(tǒng)的工程措施和新型生態(tài)措施有效結合也是今后所需重點關注的領域。因此針對村鎮(zhèn)建筑如何抵抗山洪破壞的問題，建議開展以下研究。

3.2.1 山洪對村鎮(zhèn)建筑破壞機理和抗洪加固設計理論

當前根據(jù)經(jīng)驗選取山洪破壞因素(如水深、流速、泥沙淤積厚度等)而建立的易損性評估函數(shù)主要針對單個建筑損毀評估[54]。村鎮(zhèn)建筑作為多種構件組成的結構組合體，在山洪作用下的破壞機理也更為復雜。相較于建筑材料、截面幾何尺寸等的變異性，山洪沖擊作用的時空變異性對建筑破壞影響更為顯著，需采用合適的概率方法來定量描述沖擊作用[55]，建立結構承載能力和正常使用極限狀態(tài)方程，從構件截面單元體破壞-構件失效-整體倒塌的角度建立結構破壞準則和結構可靠度計算方法[56]。

山洪災害的復雜動力過程對研究建筑結構沖擊破壞機理和地基沖刷侵蝕造成了較大困難。根據(jù)實地過流斷面調(diào)查、推理公式計算等方法都難以準確獲取不同重現(xiàn)期山洪流速、水深[57]等參數(shù)，對村鎮(zhèn)建筑防洪加固設計造成困難。如樁基礎抬高建筑標高、格賓石籠擋墻和干式防洪都要根據(jù)山洪設計水位高度來分別確定樁身、擋墻和坎墻高度；樁基礎、格賓石籠擋墻和鋼管混凝土防撞樁要根據(jù)固體碎屑物質(zhì)量、形狀大小、運動速度等來確定樁基礎、防撞樁的合理間距和直徑、擋墻厚度等設計參數(shù)。

3.2.2 山洪作用下村鎮(zhèn)建筑群的遮掩效應及其應用

對于山洪、泥石流等以橫向沖擊破壞為主的山地災害，受災建筑的破壞程度與其在建筑群中所處的位置密切相關[58]。邊緣建筑遮掩中心，前方建筑遮掩后方，這種降低建筑群整體暴露度的作用被稱為遮掩效應。被遮掩的建筑迎流面上的山洪水深、流速、固體攜帶物中的大塊石質(zhì)量都會低于邊緣建筑[59]。實地調(diào)查也發(fā)現(xiàn)，前排建筑能夠攔截大量固體碎屑物，而且通過前后建筑合理布置，山洪通過前排建筑后會改變流向，最終堆積在后排建筑一側，避免直接沖擊后排建筑，如圖16所示。

圖16 前后排建筑的流向與堆積范圍(三江鎮(zhèn)，2019-08)

同樣如圖17所示，在迎流方向上Ⅰ區(qū)域建筑群內(nèi)的多層或高層框架高層結構建筑對其背后的磚砌結構建筑起到了保護作用；Ⅱ區(qū)域的磚砌結構建筑群中，溝岸一側的建筑降低了其他建筑受損程度。所以綜合考慮山洪作用強度、地形特點、建筑群的結構類型、布置方式和間距等因素[60]對遮掩效應的影響規(guī)律，對規(guī)劃設計階段建筑社區(qū)合理布局，降低建筑群整體易損性有重要的參考價值。

圖17 建筑群的遮掩效應(三江鎮(zhèn)，2019-08)

3.2.3 工程與生態(tài)相結合的建筑抗洪措施

當前各類建筑防洪加固技術在工藝上相對成熟、短期內(nèi)防災效益顯著，但也存在著經(jīng)濟投入高、破壞自然環(huán)境、防災功能和效益隨時間而衰退、后期維護困難等問題。而以植物工程為主的生態(tài)措施通過降水截留、土壤保持及調(diào)節(jié)產(chǎn)匯流量等途徑來改變山洪泥石流形成發(fā)展及運動條件，達到抑制山洪破壞的目的。植物根系可以固定土壤，增加土壤抗拉強度與抗剪強度，降低坡面產(chǎn)匯流過程中的土壤侵蝕和運移。植物枯枝落葉覆蓋地表能避免土壤受到雨滴的直接沖擊，同時降低地表水分徑流量，減少土壤侵蝕，進而從坡面到流域尺度調(diào)控降雨-山洪徑流與土壤侵蝕-產(chǎn)沙相互耦合關系，實現(xiàn)對山洪災害的生態(tài)防災與減災功能[61]。經(jīng)過足夠生長年限后形成的喬-灌-草植物群落能夠預防和阻擋一定規(guī)模的山地災害[62-63]。通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)在植被覆蓋密集區(qū)域，植物群落能夠攔蓄山洪攜帶的泥沙[64]，如圖18(a)所示；坡面上以高大喬木為主的森林植被能對山洪泥石流分散停淤，在攔蓄泥沙的同時降低山洪泥石流的致災能力[65]，如圖18(b)所示。

生態(tài)工程措施與巖土工程措施的綜合運用是村鎮(zhèn)建筑更理想的防洪措施。但是，針對村鎮(zhèn)建筑的生態(tài)工程措施與巖土工程措施相結合技術尚無具體方案。因此研究工程與生態(tài)相結合的新型村鎮(zhèn)建筑抗洪設計方法，不僅可以提高長期的防治效益，降低建設和后期維護費用，還能美化居住環(huán)境、實現(xiàn)安全-生態(tài)-景觀的和諧平衡和山區(qū)村鎮(zhèn)綠色發(fā)展。為此可先布置工程措施以滿足迫切的防災需求，同時在當?shù)剡x取生長迅速、適應性強的植物種類，使植物在工程措施有效期內(nèi)快速生長，形成穩(wěn)定可靠的生態(tài)屏障，最終發(fā)揮工程-生態(tài)措施的協(xié)同減災效應。例如在建筑迎流方向上游修建鋼索防護網(wǎng)工程以攔蓄山洪中的固體碎屑物；同時在鋼索防護網(wǎng)背后植樹種草以減少泥沙補給，當鋼索防護網(wǎng)受長時期的災害損壞、材料腐蝕等影響后，防治功能降低時，其背后的喬-灌-草生態(tài)體系已具備足夠抗災能力，能夠與既有的鋼索防護網(wǎng)協(xié)同保護村鎮(zhèn)建筑，如圖19所示。

圖19 工程-生態(tài)協(xié)同減災措施示意圖

4 結論與建議

為研究山洪對村鎮(zhèn)建筑的破壞方式和建筑抵抗山洪的加固技術，通過對近年來典型山洪事件的實地考察和現(xiàn)有文獻分析總結，得到以下結論。

(1)山洪對村鎮(zhèn)建筑的破壞方式包括迎流面沖擊、順流面磨蝕、地基和岸坡侵蝕、淤埋和浸泡作用。山洪在迎流面上沖擊作用是結構破壞或倒塌的主要原因。

(2)山洪對村鎮(zhèn)建筑的破壞程度不僅與山洪作用強度有關，還與村鎮(zhèn)建筑結構類型、迎流角度、基礎埋深和地基土性質(zhì)、與溝道的距離、圍墻強度和密封性、建筑材料耐水性等相關。

(3)當前建筑抗洪加固技術主要應用于平原地區(qū)的城市建筑，包括抬高建筑標高、設置防撞樁、格賓石籠或擋墻、采用干式和濕式防洪策略、圍墻合理開洞、優(yōu)化建筑及房間布局這7種，在山洪防治中可作為常規(guī)防治措施基礎上針對村鎮(zhèn)建筑抗洪加固的補充措施。

(4)今后需要加強山洪對單體村鎮(zhèn)建筑破壞機理、建筑群遮掩效應和工程-生態(tài)協(xié)同減災措施的研究工作，建立山洪對村鎮(zhèn)建筑結構破壞準則和可靠度計算方法，利用遮掩效應對村鎮(zhèn)建筑社區(qū)抗洪進行合理布局，通過工程-生態(tài)的綜合協(xié)同措施提高長期防治效益，實現(xiàn)安全-生態(tài)-景觀的和諧平衡和山區(qū)村鎮(zhèn)綠色發(fā)展。