论地质灾害防治的科学理念

刘传正

(1．国土资源部地质灾害应急指导中心，北京 100081;2．中国地质环境监测院，北京 100081)

1 问题的提出

无论是想做正确的事情，还是要把事情做正确，其关键都在于正确的理念。正确的理念是指基于现有的科学理论认识和正确的客观实践而形成的理性认识、观点和概念，是客观事实的本质性反映，是事物内在属性及外在表征的抽象概括，在确定范畴内可以作为道理、真理来使用。

对于崩塌、滑坡、泥石流、地面塌陷、地面沉降和地裂缝等地质灾害防治而言，最基本的任务可能是:(1)科学描述地质灾害体的特征及其成生的地质环境，自然演化过程或人为引发因素，初步判断地质灾害体的发展趋势，解决其是什么(What)的问题;(2)给出地质灾害的成因机理，建立地质概念模型和变形破坏力学模式，评价其稳定性或变化性，预测其对人类社会生存与发展的危害性或风险性，解决为什么(Why)的问题;(3)提出防灾减灾对策、工程方案、结构设计、施工技术工艺和工程效果监测评估等，解决怎么办(How)的问题[1]。因为，作者常常遇到诸如成功的技术设计，而失败的总体战略;或局域清楚，而全局迷乱;抑或停滞于就事论事，而缺乏求是的境界等等。归根结底，缺乏科学的理念作指导，“思路盲”、“方法论盲”成为一个应该再次强调提出的问题[1]。尽管地质灾害防治作为一种专门的学问已有近30年的历史，但关于地质灾害防治科学的一些基本理念或科学认识问题仍然是不清楚甚至是模糊的，诸如地质环境变化、地质灾害发生发展的边界条件、初始条件、激发条件、成生原因、地质体变形破坏的机理、地震作用力的计算、防治工程方案论证原则、防治工程设计理念和成灾风险等。为此，作者基于多年的地质灾害防治研究、工程实践与顾问咨询工作，提炼讨论一些重要科学理念问题，意在推动理性思维，减少似是而非的谬误，服务地质灾害防治行业发展和推进学科进步。

2 科学理念问题

2.1 地质环境变化

地质环境是与人类社会生存、生活、生产和发展密切相关的地球外部岩石圈层，它的上界面是与起伏的地表面密切相关的大气对流层，它的下界面为地壳莫霍面或浅源地震深度面。风、雨、雷、电、雪、冰、冻和雾等强烈改造地表形态的外动力作用均发生在大气对流层内。由于人类的影响，大气对流层高度出现逐年升高变化，成为全球环境变化的晴雨表。断裂活动、浅源地震和火山活动对人类社会的影响巨大。人类活动影响如水库或核爆炸诱发地震的深度一般不足20km。滑坡、泥石流等灾害是区域地质环境、气象变化和人类活动遭遇耦合的结果，相关的地质灾害也会出现年际的变化，并不与人类防灾减灾活动的努力程度而绝对地正相关(图1)。随着人类经济社会的发展，受灾人数和经济损失也会出现趋势性增长。因此，基于地质环境变化考虑问题，也即基于地质环境组合条件、自然作用因素变化和人类生存与发展遭遇的可能性考虑问题，地质灾害发展的增长趋势可以遏制或减轻，地质灾害造成的经济损失相对人类财富的增长比例可以实现趋势性降低，但一定时段、一定区域内地质灾害损失的绝对量却不一定减少。

图1 1995－2012年全国地质灾害造成死亡失踪人数Fig.1 Death or missing people caused by geo-hazards from 1995 to 2012 in China

2013年1～9月，中国大陆因滑坡泥石流而造成的死亡失踪人员达628人，已远超过2012年全年的死亡失踪人员数量。在一般意义上，地质灾害是随机的突发事件，多种因素的随机耦合造成地质灾害的“大年”与“小年”，但并不意味着“大灾年”就是政府、企业、社会和科技界不努力或工作不到位，而“小灾年”就是防灾减灾成效显著。惟有该坚持的是树立合理利用地质环境的科学观，坚持防治地质灾害[2]。

2.2 边界条件

地质灾害的发生首先是地质体的边界条件的满足，包括空间几何条件、地质体的边界结构和环境组合条件等，灾害的产生常常存在边界条件的剧烈改变。边界条件的变化常表现为地质体自身形态的改变，如地表开挖、地下开挖和工程堆填等。对于滑坡灾害的边界条件问题，首先是地形的高差、坡度、微地貌效应、地质体完整性及其所处褶皱构造部位、断层上下盘关系等，这些条件决定了地质力学模型中控制研究对象的分割面、表面或交界面特性，并决定了跨越不连续边界处渗流场、应力场的性质。反映到具体问题上，同种计算方法，同样的参数，因剖分方法不同，反映不同的地质结构和几何形态，则计算结果差异明显，且不同影响因素状态下差值也不同。例如，某地滑坡采用不同的剖面条分方法(等于模型不同)计算出的结果可相差6%～8%。坡形或滑面越陡，不同剖分方法的影响越大。同时，无地震影响下不同几何边界条件的计算结果差值一般小于有震影响情况，反映了地震作用对陡坡作用的“放大”效应，也反映了地质模型概化的影响，甚至有可能得出完全不同的稳定性评价结论，尤其是对处于临界稳定的斜坡，必然涉及到防治工程的设计标准、工程量和投资可接受程度等问题的决策[3]。

2010年9月1日，云南省保山市隆阳区瓦马乡河东村发生滑坡灾害，造成48人死亡失踪，其主要原因就是乡村修路“之”字形的三段式切坡改变了斜坡的空间几何边界条件，破坏了斜坡的完整性，导致其稳定性降低(图2)，在局地降雨激发作用下发生滑坡。

2.3 初始条件

初始条件一般是指事物发生发展过程的初始状态，即数学物理方程描述为在初始时刻t=0时的状态特征，是预先存在的、潜在的，并表征整个系统的起始状态。滑坡等地质灾害初始条件及其改变主要涉及地层岩性的物理、水理和力学性质，岩土的含水状态、地下水的性质和静、动力学平衡条件等，更精细的描述则包括地质体的初始位移量、初始位移速度、位移加速度和初始应力状态等初始变量组合。在地质灾害防治问题研究中，斜坡地质体的状态或初始条件一般都不是从零开始的，正确地判断地质体的变形阶段和强度破坏状态就成为至关重要的问题。初始条件变化起源于地质环境变化，如地震、降雨、地表(下)水和气温以及边界条件等因素的变化。2013年8月16日，辽宁抚顺地区的过程降雨量达170mm，降水渗流导致抚顺西露天矿南帮边坡中的地下水位急剧抬升，到8月21日升高了约20m，对应的边坡变形速率由此前的每天60mm急升至130mm，初始条件剧变酿成特大滑坡险情。

图2 云南保山隆阳区瓦马乡河东村滑坡灾害几何模式Fig.2 Geometric model of slope failure happened in the Hedong village of Wama town，Baoshan city in Yunnan Province

2.4 激发条件

激发条件是指对地质体施加作用的某种具有突变性且强度足够大，有可能引起地质体状态发生改变的外界因素及其临界表征。激发的实现一方面依赖于激发因素的特点、时机、强度、周期和持续时间等，另一方面也与地质体的边界条件与初始条件对外界激发作用的敏感性密切相关。例如，台风暴雨会激发大面积的群发性坡面泥石流，持续降雨会激发大滑坡的发生，大幅度的水库水位涨落对顺层斜坡或松散堆积体失稳会产生强烈的激发作用，而强烈地震，特别是能够产生地震波放大效应的区域或地段则可能会激发大型山崩或顺层大滑坡。

2013年7月8～10日，四川都江堰区域持续降雨40多小时，降雨量达到941mm。强降雨激发都江堰市中兴镇三溪村五里坡发生顺层滑坡，而后转化为高位碎屑-泥石流灾害，造成当地村民及外来休闲度假人员161人死亡或失踪。2007年5月10日，因清江水布垭水库蓄水激发影响，湖北省巴东县清太坪镇木竹坪村发生滑坡灾害，滑坡体积约600×104m3，246户658人紧急撤离。在“5．12”汶川地震区，除地质结构边界条件控制作用外，地震烈度分布与其激发崩塌滑坡的数量和规模存在明显的相关性[4]。大型崩塌滑坡一般分布在地震烈度Ⅹ～Ⅺ度区域;中型者一般出现在地震烈度Ⅷ～Ⅸ度区域;小型者一般出现在地震烈度Ⅵ～Ⅶ度区域。2008年6月14日，日本宫城县M7．2地震引发荒砥沢(Aratosawa)大滑坡，滑坡体积67×106m3，但滑动面倾角只有2°，说明只要激发作用条件足够大，也可引起大规模平缓倾角滑动现象。

2.5 成生原因

地质灾害的成生原因或简称“成因”一般是指对引发因素相对宏观的定性的描述界定。引发因素体现为边界条件、初始条件和激发条件三者组合作用的反映。经过研判确认某次地质灾害的引发因素是自然的还是人为的，或多种因素耦合的，如果可能则给出促使地质体边界条件和初始条件急剧变化的各类因素组合及其作用大小的定性排序。尽管地质灾害事件是多因素促成的，但一般存在一个主要因素，从而把崩塌滑坡的成因可概括为降雨型、地震型、自然卸荷型、融冻型、地下开挖型、切坡卸荷型、水库浸润型、人为堆载型、持续灌溉型和工程振动型等。泥石流可划分为自然沟谷演化型、坡面液化型、人工弃渣溃决型、崩滑堰塞坝溃决型、堆积物液化溃决型和冰湖溃决型等。

2.6 变形破坏机理

变形破坏机理是指地质灾害成因的内在作用过程及其物理、力学或化学作用本质，某个时段一般可以采用确定的变形破坏模式来表示，并用定量的物理力学参数表达相关因素的临界阈值。变形破坏机理是地质体环境条件、自身结构、变形破坏阶段和影响因素等作用的综合反映，是正确建立地质力学模型的根本基础[1，5]。例如，降雨引发斜坡变形破坏的作用机理主要涉及到岩土体重度增加、斜坡岩土体和滑带岩土强度降低、斜坡内地下水位形成或升高后的浮托作用、斜坡体内水力梯度形成及渗透压力或承压水形成之孔隙水压力。对于某个具体滑坡问题，会因为其特定地形、地质结构和作用方式或多种作用因素并存而表现出复杂的变形破坏机理，显示出综合作用的特点。根据斜坡的变形破坏机理，可以基于强度控制更正确地开展斜坡稳定性评价，或基于变形控制进行预测预报。前者一般概化为静力学问题，后者更多地考虑运动学与动力学问题，实际工作过程中常常需要二者兼顾。

2.7 地震作用力

中国是一个多山且多地震的国家，正确考虑斜坡稳定性评价中的地震作用力就成为一个重要问题，但目前对这个问题的认识却是失之于简单化或是机械化的。根据地震动力学研究、抗震设计经验和多地的宏观地震滑坡分布调查结果，在崩塌滑坡防治工程设计中直接采用静力法公式(KH=a/g)计算地震作用力是过于保守的，不但大幅增加工程量和投资，也与实际经验不符。因为，虽然地震动力分析理论关于地震加速度、卓越周期、反应谱和地震持时等的认识仍不成熟，但借用到斜坡问题上有几点应该是明确的:

(1)地震力作用方向是瞬态变化的;

(2)地震力作用大小甚至量级是瞬态变化的;

(3)地震加速度作用方向绝少与斜坡优势失稳方向完全一致;

(4)地震作用持时是比较短暂的(数秒至数分钟)，与持续的长期作用效果是不同的，即使某部位的岩土材料变形或强度在瞬态满足破坏准则，也不会导致斜坡的整体破坏乃至发生滑坡;

(5)斜坡体自身岩土的动力特性是千差万别的;(6)地震波是从斜坡底部向上传播的，在时间上具有滞后性;

(7)地震时反复的动应力作用;

(8)斜坡自震周期与区域地震波发生共振的可能性很小;

(9)一般只考虑沿斜坡滑动主方向上的水平地震荷载作用;

(10)防治工程有效期或工程寿命方面的考虑，并与当地重要工程的抗震设防标准可比对。

斜坡稳定性地震作用的考虑应该起源于堤坝的抗震设计。为了避免采用静力法公式KH=a/g造成的保守浪费，结合理论分析和实际工程震害调查，本着既要简化，又要接近实际的理念，参照静力法的表述，可采用堤坝抗震设计的拟静力法公式[6]:

式中:KC——拟静力法地震加速度系数;

KH——静力法地震加速度系数;

a——地震加速度(m/s2);

g——重力加速度(m/s2);

CZ——综合影响系数，一般取 0．25;

F——地震惯性力系数。

F值一般取1．0～1．3;当重力坝坝高超过70m而低于150m时，F值取1．5。

据此，中国铁路、公路等部门制定的路基滑坡防治工程抗震设计规范简单地采用了静力法计算地震力乘以0．25的办法(F值取1．0)得到KC值，以避免过于保守，增加过大的抗震工程量和投资。

地质矿产行业标准关于滑坡防治工程勘查、设计方面的规范却直接采用了KH值，计算的地震力是其它规范的4倍[7～10]。这在理论上不但依据不足，在实践上的直接结果会使地震区的滑坡防治工程量、工程投资大幅增加，甚至可能计算出不可抗拒的地震力。黄强盛等(2013)曾专门讨论过滑坡稳定性评价中地震力的计算问题，并给出了一个算例[11]。

表1 青海玉树地震区某局部复活滑坡按不同规范的计算结果(据黄强盛等，2013)Table1 Comparison of some calculative results on a landslide in Yushu region of Qinghai Province according to different technical codes(by Huang Qiangsheng，2013)

可见，由于技术标准规定的不同，滑坡稳定状况的结论可能出现质的变化，关于地震工况下剩余下滑力的数值也相差极大。可以想见，在地震高烈度区，将会出现更加离奇的结果，不但一般抗滑工程难以抵挡如此巨大的推力，工程投资也难以接受。问题是，耗费巨资可能是在对付一个并不存在的“魔咒”!

刘传正(1993)在设计长江三峡链子崖危岩体防治工程时，不但采用了拟静力法公式计算KC值，同时考虑到链子崖前缘悬崖高度超过120m，把F值取了1．5。工程竣工后，也按同样的方法进行了工程治理效果校核计算[12，13]。Ⅶ 度地震时，a=1．1m/s2;g=9．8m/s2;KH=0．112;F=1．5;CZ=0．25;KC=0．042;Fs=0．941(当F取 1．0 时，KC=0．028;CZ=0．25;Fs=0．985)。若采用KH，计算出Fs=0．791。

对比分析，采用KC计算的Fs比采用KH的高0．15以上，这是大量工程投资才能换回的结果!若采用KC和KH参数分别核算链子崖治理工程的Fs值，按静力法计算竟得出该工程未达到国家任务书规定的治理目标的结论(地震荷载下工程治理后Fs=1．013＜1．15)，而实地观察、按拟静力法计算分析和实时监测都证明，链子崖危岩体防治工程是成功的，达标的(表2)。

表2 链子崖危岩体治理前后稳定性的某些计算结果对比Table2 Comparison of some calculative results on Lianziya dangerous rock-body Stability before and after engineering control

实际上，仅从工况1(自重)考虑问题，花费数年时间、数千万元(20世纪90年代物价水平)，链子崖防治工程在整体稳定性方面不过提高0．258而已，而由于采用的地震力计算方法不同，导致的计算差值竟达到0．15以上。因此，需要科学对待滑坡防治工程勘查、设计中的地震力计算问题。

2.8 工程方案论证

地质灾害防治工程方案论证比选的基本要求是“科学有据，技术可行，经济合理，安全可靠”。方案论证的科学基础是地质体变形破坏的成因分析和机理模式。论证的基本原则包括地质依据、效益评估、技术可行性、目标的整体优化、环境影响和社会安定等多方面的综合考量[1]。例如，刘传正(1993)在设计长江三峡链子崖危岩体治理工程时提出了一种目标函数方法，以实现上述诸因素的最优化结合[1]。通常地，目标函数是综合考虑防治工程要达到的目标、工程措施、材料性能和资金限制等多种因素而建立的一个数学表达式。工程措施的组合常常包括:

(1)主动施加作用型，如排水(地表、地下排水)、削方、灌浆、回填、高压注浆和锚固工程(锚杆、锚索)等;(2)被动发挥作用型，如抗滑桩、挡墙、竖井桩和洞室抗滑键等;(3)主被动作用互补的复合型，如锚拉桩、锚拉墙等。

2.9 设计理念

鉴于地质地震问题的复杂性和不确定性，既要强调总体方案正确，又要求细部构造彼此协调，这就提出了概念设计(conceptual design)与数值设计(numerical design)两种理念及其有机结合的问题。或者说，由于地质灾害防治工程设计明显不同于一般工程结构设计，需要处理好定性设计与定量设计的关系。

概念设计是Bertero．V．V(1980)针对抗震设计而提出的[14]。因为地震工程学经过静力法、反应谱法和动力法(考虑了反应谱与强震持时)三个阶段的发展，逐步走向数值设计，但实际应用发现，仅靠定量分析仍不能很好地解决建筑物整体结构的抗震问题。概念设计是根据设计对象的特点，依靠设计者的知识和经验，运用逻辑思维和综合判断，正确地确定建筑的总体方案和细部构造，做到合理的整体把握，不犯方向性错误，避免推翻重来[15]。概念设计并不排斥数值设计，而是为计算分析打好基础，使之少走弯路，使分析结果尽可能反映实际情况和可能的变化。

地质灾害防治工程的概念设计一般要考虑地质环境边界条件、初始条件和激发条件及其变化幅度，滑坡体自身的形态、成分与结构，岩土体软弱部位的研判，施加工程的最佳布置及作用和施工技术工艺实现的难易程度等。实际工作过程中，也常使用到现场或原位设计、监测反馈或监控设计、系统设计、块体分析设计、结构单元组合设计、代偿设计、可靠性(概率分析)设计和计算机辅助设计等概念，只是含义相对具体或狭隘而已。地质灾害防治工程设计实质上是可调整性或可变更性的设计，可能经过多次反馈，多次变更，其依据的关键是地质认识的深度和工程方案的针对性[5]。

2.10 成灾风险

地质灾害的产生是致灾因素或危险因素与承灾因素或受害对象遭遇的结果，亦即地质环境演化、自然作用因素组合和人类活动三者耦合作用的结果。例如，2010年甘肃舟曲“8．8”特大山洪泥石流灾难事件可能存在两个角度的认识:一种惯常的认识是地质灾害防治问题，因为早就发现地质隐患存在，也实施了防治工程，那就是已有工程失效和警报撤离不及时的问题;另一种是深层次的成灾风险认识或地质环境合理利用问题，因为山洪沟或季节性河流的沟道或河床显然是流水的通道，河漫滩在汛期也是山洪漫溢的区带，是不可以规划为建设工程区或人类居住区的[16]。如若建筑工程占用了山洪泥石流进入主河道的通道，就增大了人居建筑与山洪泥石流遭遇的可能性和危险性，而绝不是监测预警是否到位或工程标准高低的问题。民房建设、施工住所选址，乃至野外旅行等因缺乏知识和意识而对眼前的现象视而不见，甚至人为地制造隐患，如工程规划建设侵占河滩、沟床，随意堆弃工程渣石、生活垃圾堵塞沟道、流路或桥涵，不顾地质环境条件而盲目快速城市化，“向山要地，进沟发展”是恶化环境和加重灾害的重要原因。国外有一个说法:It is stupid to sleep in the flood plain!在国内，也是一个“醉汉睡马路，自己觉得很宽敞”的问题!

因此，在基础建设方面，区域防洪规划、土地利用规划、城镇建设规划，乃至生态屏障规划等要合法合规，而法规制定的依据首先是对自然环境要素、人文历史要素、增长空间需求要素和最大灾害隐患要素等的综合考量。一旦立法确定或审议通过这些规划，就要认真实施。应该遵循的理念是，观察地质环境变化，从地质灾害防治走向地质环境合理利用，做好地质灾害隐患的风险管理[2，17]。

3 结语

随着我国经济社会建设的快速发展，加之局地气候变化抑或地震作用迭加影响，人类活动与地质环境剧烈变化遭遇的可能性大大增加，局地强降雨、冰雪冻融、区域强地震和人类工程活动多因素耦合成为引发崩塌、滑坡、泥石流和地面塌陷灾害的主要因素。因此，地震影响区、重大工程活动区和地质环境复杂的人群聚集区要倡导地质灾害防范“无假期”。例如，长江三峡库区在汛期低水位(145m)而非汛期高水位(175m)运行，常年受到降雨与水位变动的高强度交替影响，加之人类活动仍处于逐步规范的历史演进过程中，地质灾害的发生发展自然全年处于高风险时期。

在地质灾害多发区，防灾减灾的意识、知识、文化、能力和体系建设要配套协调进行，各级政府、工程企业、科技机构和当地社区或社会公众要主动自觉地把地质灾害调查评价、监测预警、防治工程和应急处置体系建设融入到社会建设和文化建设过程中去，逐步增强对所处地质环境的自我认识、自我调适和社会保险能力。应该注意到，当地质灾害预警和应急信息发布后，相关的人群或社区对预警应急信息不响应、不撤离，因留恋财物等撤离不及时、不坚决或未解除预警或应急响应情况下私自返回危险区而加重地质灾害的事件多有发生，就是防灾减灾文化观念没有树立起来的表现。

结论是，正确的理念不但可以救人，也是可以自救的!

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