震后泥石流治理工程有效性評(píng)價(jià)及存在問(wèn)題分析*

宋國(guó)虎，張 繼，楊楨賢

(四川省地質(zhì)礦產(chǎn)勘察開(kāi)發(fā)局成都水文地質(zhì)工程地質(zhì)隊(duì)/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(duì)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(duì)全流域進(jìn)行綜合整治，逐級(jí)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(duì)于溝道中泥石流過(guò)程的攔擋和對(duì)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(jí)地震和2013年蘆山7.0級(jí)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(duì)嚴(yán)重的泥石流災(zāi)害，實(shí)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(shí)保障人民財(cái)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(shí)地調(diào)查，部分防治工程在經(jīng)歷多個(gè)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(wèn)題，影響后續(xù)防治效果。因此，對(duì)震后泥石流治理工程有效性及存在問(wèn)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(jì)水平和防治成效，認(rèn)識(shí)不足和總結(jié)經(jīng)驗(yàn)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(duì)境內(nèi)泥石流防治工程進(jìn)行了實(shí)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(wèn)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(duì)嚴(yán)重的泥石流災(zāi)害，在強(qiáng)震區(qū)實(shí)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(shí)施效果，筆者對(duì)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(shí)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(lái)說(shuō)，治理工程對(duì)災(zāi)區(qū)的災(zāi)后重建及保障人民生命財(cái)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(jì)

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(wèn)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(wèn)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(duì)泥石流的防治效果，對(duì)未來(lái)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(wèn)題泥石流溝占統(tǒng)計(jì)總數(shù)的64.25%。在出現(xiàn)問(wèn)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%?？梢?jiàn)，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(píng)價(jià)指標(biāo)體系建立

目前，關(guān)于泥石流防治工程效果評(píng)價(jià)研究國(guó)內(nèi)學(xué)者已有一些研究。亓星等[5]從實(shí)施治理工程后泥石流啟動(dòng)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(duì)文家溝泥石流治理工程的效果進(jìn)行了分析評(píng)價(jià)。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(píng)價(jià)指標(biāo)體系。李德華等[15]從設(shè)計(jì)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(duì)隴南燕兒溝泥石流治理工程效果進(jìn)行了評(píng)價(jià)。張勇等[17]通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、遙感解譯與模型計(jì)算相結(jié)合的方法對(duì)黑沙河溝泥石流治理工程評(píng)估了其綜合治理效果。

泥石流防治系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)，防治工程效果評(píng)價(jià)指標(biāo)多且不易統(tǒng)計(jì)量化，具有層次性、模糊性及關(guān)聯(lián)性，屬于多級(jí)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(wèn)題決策分析的優(yōu)勢(shì)，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(wèn)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(píng)價(jià)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(chǔ)備(F)的PNF的泥石流工程效益評(píng)價(jià)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(píng)價(jià)指標(biāo)體系分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(表2)。

表1 泥石流防治工程有效性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系表

表2 泥石流防治效果評(píng)價(jià)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(shí)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(duì)泥石流的類型、成因、性質(zhì)、物源以及泥石流的形成、運(yùn)動(dòng)機(jī)理等的認(rèn)知程度，這將決定著設(shè)計(jì)方案是否能夠有針對(duì)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(jì)。

(2)治理方案合理性指標(biāo)P2。 防治工程以流域?yàn)閱卧M(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(diǎn)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(shí)應(yīng)充分考慮對(duì)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(jí)、設(shè)計(jì)降水及洪水參數(shù)、泥石流運(yùn)動(dòng)特征參數(shù)及擬建工程地基參數(shù)等基本設(shè)計(jì)參數(shù)是防治工程設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。采取防治工程后，應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，驗(yàn)證計(jì)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(gè)指標(biāo)對(duì)于泥石流防治至關(guān)重要，是整個(gè)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(duì)象生命財(cái)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(duì)物源的固化效益N3等指標(biāo)。本階段的相關(guān)指標(biāo)對(duì)于評(píng)判泥石流防治工程已發(fā)揮的現(xiàn)狀效果評(píng)價(jià)非常重要。

1.2.3 防災(zāi)工程安全儲(chǔ)備F

防災(zāi)工程安全儲(chǔ)備F主要指防災(zāi)工程在經(jīng)歷泥石流活動(dòng)后在未來(lái)進(jìn)一步保護(hù)防護(hù)對(duì)象的安全儲(chǔ)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(duì)于評(píng)判泥石流防治工程未來(lái)可基礎(chǔ)發(fā)揮的效果評(píng)價(jià)至關(guān)重要。

1.3 泥石流治理工程有效性評(píng)價(jià)模型建立

采用層次分析法確定權(quán)值的模糊綜合評(píng)價(jià)理論，建立泥石流防治工程效果模糊綜合評(píng)判后評(píng)價(jià)模型。根據(jù)層次分析法計(jì)算的要求，對(duì)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(guò)計(jì)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(chǔ)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(duì)二級(jí)指標(biāo)進(jìn)行層次分析計(jì)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(duì)物源的固化效益N3、繼續(xù)發(fā)揮功效的安全儲(chǔ)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(jí)單因素指標(biāo)權(quán)重值劃分采用經(jīng)驗(yàn)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(píng)價(jià)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(píng)價(jià)分級(jí)

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

表4 泥石流防治工程有效性分級(jí)表

1.5 泥石流治理工程有效性評(píng)價(jià)

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(píng)價(jià)統(tǒng)計(jì)

1.6 研究區(qū)泥石流防治工程存在問(wèn)題及原因分析

都江堰龍池鎮(zhèn)、彭州市龍門(mén)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(chǎng)典型強(qiáng)降雨過(guò)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(wèn)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(wèn)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?yàn)榈卣馂?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(jì)計(jì)算時(shí)固體沖出量計(jì)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?yàn)閷?duì)泥石流的沖刷能力估計(jì)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(yùn)動(dòng)下沿?cái)r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(dòng)過(guò)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(jì)計(jì)算或施工時(shí)基礎(chǔ)埋深深度不夠，泥石流流體在高速運(yùn)動(dòng)下在結(jié)構(gòu)軟弱處持續(xù)淘蝕形成。

總的來(lái)說(shuō)，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(jì)，工程設(shè)計(jì)中物源估算嚴(yán)重不足及動(dòng)儲(chǔ)量轉(zhuǎn)化依據(jù)不充分；二來(lái)對(duì)震后泥石流基本特征認(rèn)識(shí)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(dòng)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(jì)算方法。三是震后泥石流在啟動(dòng)機(jī)理、堵塞潰決、持續(xù)時(shí)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(diǎn)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(jì)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(jì)施工，然而，許多攔擋工程僅在一到兩個(gè)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(guò)對(duì)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(shí)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(lái)說(shuō)，治理工程對(duì)災(zāi)區(qū)的災(zāi)后重建及保障人民生命財(cái)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(píng)價(jià)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(wèn)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(wèn)題的原因有：地震震后泥石流在啟動(dòng)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(jì)參數(shù)計(jì)算方法結(jié)果普遍偏小，由此可能會(huì)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(guò)對(duì)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(wèn)題具有一定的普遍性。為了做好未來(lái)泥石流防治規(guī)劃設(shè)計(jì)，提高工程成效，根據(jù)泥石流防治工程出現(xiàn)的問(wèn)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(dòng)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(jì)防治方案，實(shí)現(xiàn)泥石流治理工程的有效性和經(jīng)濟(jì)。

(2)對(duì)相應(yīng)的防治工程在汛后進(jìn)行復(fù)核，及時(shí)對(duì)已淤滿的攔擋壩庫(kù)區(qū)進(jìn)行清淤，對(duì)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(lái)的危害。

(3)在地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)中，對(duì)于單點(diǎn)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)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(duì)于治理工程防治效益“一般”及“差”的隱患點(diǎn)，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行修復(fù)治理，消除隱患。