泥石流防治体系与防治方案研究现状

2017-04-06

福建质量管理 2017年16期

(兰州大学土木工程与力学学院甘肃兰州 730000)

泥石流防治体系与防治方案研究现状

王勇贾丽娜谭之东

(兰州大学土木工程与力学学院甘肃兰州 730000)

本文讨论了几种泥石流防治体系的分类方案，并从泥石流监测预警、泥石流风险评价与风险管理、泥石流防护与工程防治三个方面综述了泥石流防治体系研究现状，充分认识了泥石流监测预警与泥石流风险评价所面对的问题，并重点对几种泥石流岩土工程措施发展现状进行了阐述。在此基础上，分析了各种泥石流防治方案的适用条件，并给出工程实例;对泥石流防治方案优化优选研究历程进行梳理和总结。最后，针对泥石流防治需要及防治目标，提出加强对泥石流机理研究、加强泥石流防治与泥石流资源利用相结合等多个解决方案。

泥石流;防治体系;防治方案

一、引言

泥石流是一种介于普通洪流和滑坡之间的，发生于破碎山体间的固液气三相混合流[1]。由于我国地域广大，地貌多样，地质构造复杂，泥石流灾害时有发生。泥石流作为地质灾害的一种，具有流速快、流量大、破坏力强、爆发突然及预见性小的特点。仅在2001-2010年间，中国由于滑坡、泥石流等突发性灾害共造成9941人死亡和失踪[2]。泥石流灾害每年给中国带来大量的人员及经济损失，并导致当地生态环境退化，在经济建设活动极为活跃的今天，对泥石流的防治是保障群众生命财产安全的重要组成部分。

唐邦兴[3]等人从泥石流防治的现实条件、措施、目的角度提出：可以分为三种体系，分别是：1)防止泥石流发生的体系2)控制泥石流运动的体系3)预防泥石流危害体系。而康志成[4]等人提出的泥石流防治体系包括：治理体系、防护体系、预防体系(香港模式)、预报体系、警报体系。值得注意的是预防体系(香港模式)中提出了泥石流风险管理的概念，指出了预防泥石流的要点在于通过量化风险评估来估算风险、制定可接受风险标准(根据社会的可承受能力)，由此组成了一个较为完备的泥石流防治体系。崔鹏[5]通过梳理泥石流防治的发展过程及发展现状，指出泥石流方防治体系大致可以分为：监测与预报、泥石流风险性评估与危险管理、泥石流灾害治理技术三个方面。刘传正[6]等人从中国地质灾害防治现状出发提出地质灾害的防治体系应该包括地质灾害调查评价、监测预警、避让搬迁与治理、应急体系建设和科学技术研究支撑等，认为要把地质灾害治理与地质环境利用结合起来这为中国泥石流防治体系的研究开辟了新的思路。综上所述，泥石流防治体系主要由监测预警体系、风险性评价与风险管理体系、治理与防护体系三个方面组成，本文也将从这三个方面入手，具体研究泥石流防治体系研究现状。

二、泥石流监测预警

泥石流监测预警在泥石流防治中具有经济、有效的特点，特别是汶川地震后，受到了越来越多的关注和研究。泥石流监测是基于多种泥石流监测的手段和方法(雨量监测、地震波监测、图像监测等)收集有关泥石流形成过程及运动过程的信息，监测所得的资料是泥石流理论研究和泥石流预警的基础。泥石流预警是泥石流预报和警报的统称。泥石流预警是基于泥石流的监测数据及研究成果，判断泥石流发生的时间、地点、影响范围，并对外发布这些信息，从而达到防灾减灾的目的。经过多年的发展，通过将国内外研究成果积极运用于国内地质防治，专业监测与群测群防相结合，目前监测预警系统已初步形成[7]。近年来，随着信息技术的快速发展，新一代信息技术具有数据快速采集、传输上的优势[8]，同时传统的监测预警方式存在一些比如人力成本高、数据可靠度有限、实时性较差等缺点，研究人员开始把物联网技术、云计算、GIS技术、RIA技术等为代表的新一代信息技术应用于地质灾害监测预警，这将有效地促进泥石流监测预警研究的发展。

三、泥石流风险评价与风险管理

联合国于1991年明确提出自然灾害风险的定义：”风险是在一定区域和给定的时间段内，由于某一地质灾害而引起的人们生命财产和经济活动的期望损失值“。风险度是风险的定量表达，联合国对自然灾害风险的数学表达式为” 风险度( R) = 危险度( H) × 易损度( V)“，这种风险度的评价方法得到了广泛的认可和应用。近年来，国内外的学者将其它学科的研究成果应用于危险性评价领域，创立了许多新的危险度评价体系：包括人工神经网络法、灰色关联度法、GIS法等。除此外，部分研究人员将易损度作为因子直接加入危险度评价模型中，从而得到风险度评价模型，比如沈简[9]等人在既有的模糊综合泥石流危险度评价模型中加入易损度因子(承灾体脆弱性)，建立了泥石流风险性模糊综合评价模型及创立了模糊坐标危险性评价法。崔鹏等[10]则认为目前地质灾害风险评估是基于统计方法的因素分析，对具体的灾点的信息反映不足，因此提出了基于动力过程的风险评估方法，其实用性还有待更多实践的检验。

泥石流风险管理作为风险评价的后续是一项系统性的工程。目前国内外对风险管理的研究越来越多。唐川等人[11]在2009年结合地质灾害风险管理的相关成果与我国强震区城市的现实情况，在风险机制与风险量化分析、风险判据研究和风险准则建立、管理途径和方法、管理消能监控机制、风险管理模式与规范五方面展开研究，这是风险管理应用于泥石流防治的一次尝试，初步地建立了较为全面的强震区城市地质灾害风险管理的理论、方法和推进机制。2016年崔鹏[12]等人在基于国内外泥石流风险管理研究成果，较好地给出了风险管理的定义：灾害风险管理是在灾害风险形成过程和机理的基础上，通过评估灾害风险并采取合适的风险调控措施(预防、预案、预警与治理措施)最大限度的减少灾害风险和损失的手段。

四、泥石工程治理与防护体系

泥石流防护是为了保护城镇、道路等受灾体而采取的一系列的包括修建防护堤、拦挡坝、导流渠，选择合理的道路线路防等护措施；泥石流治理则是通过对泥石流流域进行部分或全面治理以达到阻止或控制泥石流发生的目的。虽然泥石流防护体系和泥石流治理体系的最终目标都是避免或减小泥石流带来的灾害，并且两者在实践中采取的部分工程措施相同，但前者是从减小承灾体易损性的角度出发，减小的物理暴露程度，提高承灾体的防护能力，从而达到减小泥石流灾害风险性的目的，泥石流治理则主要是通过控制泥石流的发生规模、频率等，减小泥石流的危险度，以达到减小泥石流灾害风险的目的，这是两者的根本区别。

(一)泥石流工程治理体系

泥石流工程治理按照治理措施，可以分为两类即岩土工程治理与生态工程治理，按照治理工程施工的部位，可以分为三类即：山坡整治、沟谷整治和堆积区整治。目前针对工程治理的研究主要泥石流同工程措施之间的相互影响及新型治理措施的开发两方面。

一般而言植被能阻止部分泥石流的发生，但高延超[13]等人通过对比四川省巴塘县的118处沟谷泥石流及33处坡面泥石流的植被覆盖率，发现植被对于坡面泥石流具有较好的抑制作用，但对沟谷泥石流作用则不明显。这对泥石流治理工程有一定的参考价值。陈洪凯等人针对泥石流对工程治理构筑物的作用，通过大量室内模型试验分析了沟谷泥石流运动过程，建立了泥石流冲击谱小波消噪方法，分析了泥石流冲击频率特性及泥石流冲击信号能量分布规律，为建立涵盖不同类型泥石流的冲击了计算方法提供了科学的依据[14]。

周健[15]等人基于室内坡面型泥石流治理试验，采用可视化细观测试系统从细观尺度研究坡面型泥石流“锚杆-护坡”治理下土体的变形机制。试验结果表明：“锚杆-护坡”不仅有滤水固土作用，而且通过改变坡面的变形机制和结构，减少坡面型泥石流的发生几率。于献彬[16]等人提出了一种在坝体迎水面采用堆积粗砂土体和铺塑料泡沫板的复合型新型拦砂坝，借助有限元软件模拟泥石流冲击，结果显示坝前的材料可以延长冲击时间，减小冲击力。李云、陈晓清[17]等人提出了一种新型的由两束流侧墙及置于其间的若干按一定间距设置的全衬砌的阶梯段和填充于上下游阶梯段直间的深潭段所构成的泥石流流排导槽。

(二)泥石流防护体系

相对泥石流治理，目前对泥石流防护的研究较少，研究领域包括城镇泥石流防护、工矿泥石流防护、道路泥石流防护等方面，并且主要集中于对道路泥石流的研究。康志成[4]等人提出城镇泥石流防护与泥石流治理的区别主要在于前者是暂时的短期行为，而后者是根本性的长期行为，但是大部分研究者均将城镇泥石流防护归于泥石流排泄区治理。相对于城镇泥石流防护而言，道路泥石流可以采取更加主动的防护措施，包括绕避泥石流影响区，桥渡通过、渡槽通过，明洞通过等方式。由于铁路或公路无论是在泥石流流域的任何部位通过，大部分情况下都是以桥渡的方案通过，因此近年来对泥石流作用与桥梁方面的研究较多，成果也较为丰富。王林峰[18]等人基于泥石流固液两项模型，运用动力学中的弹性碰撞理论和牛顿第二定律，在对泥石流区的桥墩损毁机制进行了研究，并提出了以橡胶和弹簧组合而成的消能层，其消能效这些结构设计较为新颖合理，但还需要大量的工程实践以证明其实用性。

五、防治方案

在《中国泥石流》一书中，明确将防治方案定义为：对于需要防治的一条泥石流沟或连续分布有多条泥石流沟的区域，可根据当地的自然环境条件及泥石流发生、发展特点，保护对象设防要求，制定出若干个防治工程设计方案。然后通过技术、经济指标比较及实际投入资金的可能性，最后选择一个投资最省，社会、经济、生态环境效益最大，被保护对象的安全得到保证的防治工程方案加以实施。目前对防治方案的分类有多种方法。唐邦兴[4]等人认为可以分为绕避泥石流的防治方案、综合治理方案、单项工程防治方案、行政管理及预测预报防治方案方案四大类。王彦海[19]等人基于泥石流发生条件、治理需要等，认为防治方案主要分为三种即：预防、预警报、治理三种。这种划分方法较为合理和全面，虽然王彦海等对每种方案的定义及论述不够详细，但目前仍得到了一些研究人员的认可和使用。近年来，随着防护技术的发展，陈晓清、崔鹏等[20]从防治方案的具体落实出发，认为目前防治方案主要可以分为这五类：(1)综合防治方案；(2)以岩土工程措施为主的防治方案；(3)以生态工程措施为主的防治方案；(4)以监测预警报为主的方案；(5)以行政管理为主的方案。

根据孟兴民[21]等人的研究，监测预警是目前泥石流最为经济有效减灾手段。这主要是由于经济发展水平、风险管理水平的限制，大部分潜在发生泥石流地区风险得不到有效管控。综合防治方案是指采取包括岩土工程措施、监测预警措施、行政管理措施、生态工程措施在内的一系列措施，融软硬措施为一体，在全流域内对泥石流进行防治，全面有效的控制泥石流危害的防治方法。由于综合防治的防治效果较好，因此目前使用较为广泛。

在泥石流防治方案设计中，由于泥石流防治的复杂性，设计方案的优劣与设计人员的经验水平有很大关系，为了使泥石流防治设计达到科学、高效、可靠、可行、经济节约的目的，对泥石流防治工程设计方案进行优化优选必不可少，目前在这方面的研究相对较少并主要集中于两个方向：在方案的设计时，利用信息系统进行方案优化；利用优选模型对多种防治工程方案进行优选。方案优化是通过建立泥石流防治工程信息库，标准化信息类，为防治工程设计提供经验参考与教训，并在此基础上建立泥石流防治模式，直接为设计人员提供辅助设计工具和评价参考工具[22]。1999年陈瑞等人[23]建立了“泥石流防治工程方案优化设计专家系统 ”。在方案优选方面，一般是通过建立优化模型，综合考虑各方面的因素，减小人为干扰来进行优选方案。

王念秦等人以陕北三道沟矿区泥石流防治工程为例，选取了安全可靠，经济合理性、设计规范等多个评价指标，并利用熵权决策法定量确定指标权重，建立了防治方案比选模型。根据得到的最优方案进行治理，治理效果良好，经济效益明显。