泥石流防治工程损毁度评价——以汶川地区为例

张文涛，柳金峰，游 勇，孙 昊，杨华铨，芦 明

（1.中国科学院山地灾害与地表过程重点实验室，四川 成都 610041；2.中国科学院水利部成都山地灾害与环境研究所，四川 成都 610041；3.中国科学院大学，北京 100049）

0 引言

近年来，我国泥石流灾害频发，北川县城由于降雨引发区域性泥石流，导致42人死亡、失踪，道路几乎被泥石流冲毁[1]；舟曲泥石流造成遇难人数达1 287人，失踪人数457人[2]；汶川县桃关沟爆发特大泥石流，总冲出固体物质约110万m3，造成直接经济损失高达2亿余元[3]；汶川“8·20”泥石流造成12人遇难，26人失踪，多地道路、电力、通讯中断，直接经济损失达36.26亿元，由此可见泥石流危害之大。而泥石流的防治离不开防治工程，根据工程的类型可将防治工程分为岩土防治工程和生态防治工程两大类。其中岩土防治工程作为泥石流灾害治理中至关重要的环节，且在短期内能够起到立竿见影的作用。因泥石流形成及流域条件的差别，泥石流岩土防治工程因地制宜采用多种方法来实施，主要包括排导工程、拦挡工程等[4]。但在我国的某些地方，即使采取了岩土防治工程，其治理效果却不是很明显，泥石流造成工程的损毁依然十分严重，如在2010年文家沟“8·13”泥石流灾害中，泥石流冲毁沟内19座岩土谷坊和1座拦砂坝，造成6人死亡或失踪，379间房屋被掩埋[5]。舟曲“8·7”泥石流冲毁沟内堆石坝和拦挡坝，冲毁房屋5 500余间[2]。由此可见，工程的损毁程度与治理效果息息相关，对工程损毁度进行定量化评价是衡量其治理效果的重要前提。

我国众多学者对泥石流岩土防治工程的损毁展开了相关研究，在对拦挡工程的研究中，熊道锟等[6]认为拦挡坝的破坏方式包括坝体、坝基、坝肩破坏，并阐述其发生破坏的原因；钟卫等[7]认为谷坊坝的破坏模式可总结为滑动破坏、倾覆破坏以及承载力失稳破坏等三种；齐得旭等[8]结合现场考察情况对拦挡坝的破坏模式进行分类；周文兵等[9]对坝体的破坏情况（坝肩、溢流口等）进行定性描述；在对排导工程的研究中，杨东旭等[10]对排导槽发生磨蚀破坏的影响因素进行分类总结；刘曙亮等[11]通过室内实验对排导槽的冲刷侵蚀破坏的变化规律进行分析；周文兵等[12]结合野外调查对排导槽的槽底侵蚀、基础掏蚀、侧墙侵蚀破坏等情况进行分类总结。上述对岩土防治工程损毁破坏等方面的研究，大多通过定性描述及分类等方法进行分析，其中较少涉及到定量分析，且对此展开的评价更是少之又少。

基于上述讨论，本文结合汶川地区的泥石流岩土防治工程，对其损毁因素进行总结和分类，并运用模糊综合评价方法对评价结果进行分级，使定性描述变为定量描述，对工程的损毁程度进行评价，为防治工程治理效果产生的机理研究及其定量化评价提供可借鉴的依据。

1 研究区域概况

汶川县位于四川省阿坝藏族羌族自治州东南部，总面积约4 082.9 km2，境内的G213、G317、S303公路是川西重要交通要道和进藏国防通道。汶川县地处四川盆地西北部，位于邛崃山系和龙门山系之间，属典型高山峡谷地貌，地势西北高、东南低，沟谷纵横、切割强烈，且地形坡度和相对高差较大[13]。由于岷江的快速下切，导致两岸切割较为强烈，因此地形普遍较陡，为泥石流的形成提供了充足的条件。

研究区地处汶川县境内，位于岷江中下游流域，包括绵虒镇、银杏乡、耿达乡、映秀镇等多个地区，区域中包含七盘沟、板子沟、登溪沟、苏村沟、麻溪沟、磨子沟在内的18条泥石流沟。由于受“5·12”汶川大地震的影响，使区域内形成数量众多的崩塌和滑坡，为泥石流活动提供了丰富的松散固体物质，在过去近十年内，汶川地区爆发了多起泥石流灾害，严重威胁到了山区群众的生命财产安全，因此选取该区域作为研究对象具有典型意义。

汶川县处于地震极震区，南湿北旱，垂直分带明显，银杏乡苏坡店以南为川西多雨中心区，年均降雨量1 285.1 mm，以北属于岷江上游半干旱河谷区，年均降雨量为526.3 mm，独特的自然地理环境和复杂的气候条件为滑坡泥石流等山地灾害的形成发育提供了良好条件[13]。根据近30年（1991—2020年）降雨量数据统计发现，汶川县多年平均降雨量为847.59 mm，最大年降雨量为1 213.29 mm，出现在2018年，最小年降雨量为537.25 mm，出现在1996年；在1991—2020年期间，降水集中在5—9月，其中最大月降雨量为166.13 mm，最小月降雨量为5.87 mm。由于山区的地形复杂，而降雨多集中在夏季，因此该时期为泥石流灾害频发期。

沿岷江中下游依次对泥石流沟进行编号，从GD01到GD18。对每条泥石流沟内的岩土防治工程进行实地调查，共包括46座拦砂坝和10座排导槽，统计各泥石流沟的流域面积、主沟长度、沟床坡降等参数，见表1。各泥石流沟的位置及拦砂坝、排导槽的布置如图1所示。

表1 研究区泥石流沟参数统计Table 1 Parameter statistics of debris flow gully in study area

图1 研究区域防治工程布置图Fig.1 Layout of control engineering in study area

2 工程的损毁程度分析

对研究区内的岩土防治工程进行现场考察，包括拦挡工程和排导工程。根据损毁部位对拦挡工程的损毁因素进行总结，包括坝基损毁、坝肩损毁和坝体损毁[6]，对各自的损毁程度进行定量化取值，主要依据见表2；对排导工程发生损毁的主控因素进行分类[14]，其中包括洪水、泥石流对排导槽基础的淘蚀冲刷、泥石流块石对排导槽的冲击以及两侧斜坡的主动土压力等，可概括总结为基础冲刷、结构冲击、斜坡推力，对损毁程度进行定量化取值，主要依据见表3，从而对研究区岩土防治工程的损毁情况进行综合评价，总体上可分为两级，如图2所示。

图2 工程损毁度评价指标图Fig.2 Evaluation index chart of engineering damage degree

表2 拦挡工程损毁主控因素分类表Table 2 Classification of main control factors for check dams

表3 排导工程损毁主控因素分类表Table 3 Classification of main control factors for drainage channel

若工程未发生任何损毁，则各自主控因素的损毁度取值均为1；若发生损毁，则通过现场对工程的实际情况进行定性描述从而判断其损毁的程度，根据损毁程度进行定量化取值。

拦挡工程以苏村沟1#坝为例，根据现场考察，可看出该拦砂坝的坝基已经被流水侵蚀严重，导致坝基出露、悬空，坝基随时面临着倾倒变形的危险，如图3所示；而该拦砂坝的坝肩和坝体却完整度较高，发生损毁程度较低，如图4所示；但由于坝体已经被泥沙淤积满库，其功能必然受到一定程度的影响。对各主控因素的分类进行描述及定量化取值，其中坝基损毁为重度损毁，取值为0.10；由于坝肩及坝体损毁较少，因此坝肩损毁为轻度损毁，取值为0.90；坝体损毁为轻度损毁，取值为0.90。

图3 坝基被流水侵蚀严重Fig.3 The dam foundation is seriously eroded by water

图4 坝肩及坝体完整度较高Fig.4 The integrity of dam abutment and dam body is high

排导工程以椒木沟为例，现场调研发现其排导槽发生损毁较为严重，槽底受到流水侵蚀，有多处发生严重损毁，导致基础部分悬空，随时面临倾倒的危险，如图5所示，属于基础冲刷重度损毁，定量取值0.10；排导槽结构受到块石的冲击作用，导致侧墙等结构发生严重损毁，发生开裂、掉块等现象，如图6所示，属于结构冲击重度损毁，定量取值0.20；而排导槽受到其背侧斜坡的主动土压力作用较小，且未发生推挤变形破坏等情况，属于斜坡推力轻度损毁，定量取值1。

图5 槽底发生严重损毁Fig.5 Serious damage occurred at the bottom of the drainage channel

图6 侧墙被块石破坏严重Fig.6 The side wall was seriously damaged by the block stone

3 基于模糊综合评价方法的损毁度评价

根据工程损毁度的评价指标图，可以采用模糊综合评价方法来进行定量化评价。模糊综合评价方法对于影响因素多样化的事物，能够实现覆盖这些要素的总的评价。通过隶属函数及隶属度来描述模糊界限，从而对事物进行分级或类别，进行评价，其中应用到最大隶属度原则，对事物的属性或相关因素做出较为细致的分析。模糊综合评价方法能够较好地把握影响损毁度的因素以及各因素之间的关系，借助人的经验将各因素量化并赋予权重，最终计算工程的损毁度进而确定损毁度的等级，使定性描述变为定量描述，因此评价结果会显得简明而直观[15]。

3.1 建立层次结构

根据上述工程损毁度评价指标图，应用层次分析法，岩土防治工程损毁度为评价目标，中间层包括拦挡工程因子和排导工程因子等2项，最底层包括坝基损毁度、坝肩损毁度、坝体损毁度、基础冲刷度、结构冲击度、斜坡推力度等6项。

悬臂式掘进机可视化辅助截割系统利用捷联惯导定位掘进机在巷道中的位置，捷联惯导再结合激光传感器和超声传感器获得掘进机机身位姿[10-11]。通过定时采集红外标靶图像，然后对图像进行预处理等操作得到截割头的姿态角。再将得到的截割头姿态角转化到断面坐标系，最后以可视化界面的形式显示出来，为操作人员提供直观、精准的决策依据[12-13]。

3.2 构造判断矩阵

引用1—9标度法[16]构造判断矩阵，见表4，进而实现定量评价。

表4 判断矩阵标度及其含义Table 4 The scale of judgment matrix and its meaning

根据1—9标度法分别构造A−B层 、B1−C层、B2−C层的判断矩阵：

3.3 计算特征向量及最大特征根

采用和法，近似法计算，计算步骤如下：

由此可得各自的特征向量及最大特征根，如下：

A−B层特征向量：

W1=(0.667,0.333)T，最大特征根：λmax=2；

W2=(0.297,0.164,0.539)T，最大特征根： λmax=3.0092；

B2−C层特征向量：

W3=(0.557,0.123,0.32)T，最大特征根： λmax=3.0536。

3.4 进行一致性检验

查找一致性指标RI（表5），计算一致性指标CI=（其中 λmax为判断矩阵的最大特征值），计算一致性比例分别为0，0.008 8，0.05均小于1，因此判断矩阵的一致性可以接受。

表5 平均随机一致性指标Table 5 Average random consistency index

3.5 建立隶属函数

按一定准则定量化处理这些定性的指标，把因素划分为优、良、中、差四个等级，相应的等级分值依次为0.875，0.625，0.375，0.125，根据定性因素的特点，采用梯形隶属函数构建其隶属函数，如下：

3.6 定量化评价

根据上述原则结合现场考察，对坝体的损毁因素进行定量化取值，然后再将数据代入隶属度函数中，可得到等级隶属度矩阵，再根据各因素的特征向量（即权重）来计算最终的矩阵A，依据最大隶属度原则来区分各个拦砂坝或排导槽的损毁等级，最终根据影响因素对应的等级分值(0.875、0.625、0.375、0.125)T，可得到拦挡工程或排导工程的损毁度。依据拦挡工程和排导工程权重系数，可得到单个泥石流沟的工程损毁度。以七盘沟拦砂坝与排导槽为例，计算结果如表6所示。

由表6可知，拦挡工程和排导工程的最终计算矩阵相同，即A=（1，0，0，0），依据最大隶属度原则，认为七盘沟内拦挡工程和排导工程的损毁等级为优，最终根据权重计算出各自的工程损毁度为0.88。据现场考察，发现七盘沟内拦砂坝与排导槽发生损毁情况较少，工程完整度较高，如图7所示，评价结果与现场调研一致。

表6 七盘沟防治工程损毁度计算表Table 6 Calculation on damage degree of control engineering of Qipangou gully

图7 七盘沟内拦挡工程和排导工程Fig.7 The check dam and drainage channel in Qipangou gully

由上述计算过程，推广到各泥石流沟内防治工程，对于涉及到同一泥石流沟内的多座拦挡工程，分别计算出各个拦挡工程的损毁度，取均值，得到每条泥石流内拦挡工程的损毁度，再根据拦挡工程以及排导工程的权重系数得到每条泥石流沟的工程损毁度，以此对工程的损毁情况进行评价，最终结果如表7所示。从表中可看出，板子沟防治工程损毁等级为差，登溪沟防治工程损毁等级为中，野外调研发现，板子沟和登溪沟内拦挡工程损毁较严重，拦砂坝大部分被破坏，功能受到严重影响；其余泥石流内防治工程损毁等级均为良或优，结合野外考察发现，这些防治工程完整度均较高，发生损毁较少，因此工程的功能性受影响较小，综上可看出评价结果与实际调查较为吻合。

表7 研究区防治工程损毁度评价表Table 7 Evaluation of damage degree of control engineering in study area

4 结论

（1）通过对汶川地区内18条泥石流沟的岩土防治工程损毁情况进行调查，建立了治理效果评价指标体系，总体上分为两层，其中一级评价指标为拦挡工程因子、排导工程因子等2项，二级评价指标为坝基损毁度、坝肩损毁度、坝体损毁度、基础冲刷度、结构冲击度、斜坡推力度等6项。

（2）评价结果表明板子沟防治工程损毁等级为差，登溪沟防治工程损毁等级为中，其余泥石流沟内防治工程损毁等级为良或优，结果能够较好地反映现场的情况。