山区公路泥石流水毁灾害研究现状与趋势

陈洪凯，唐红梅，朱绣竹，何晓英，唐 兰

(重庆交通大学 岩土工程研究所，重庆 400074)

0 引 言

公路泥石流水毁灾害一直是我国山区公路的重大水毁类型，具有出现频率高、分布范围广、灾情严重等基本特性，其防灾减灾长期得到公路管理部门的高度重视但却从未得到有效解决。尤其是近十年来，在全球性地质活动程度加剧、极端气象条件频繁出现的宏观地学背景下，我国西部山区公路泥石流与山洪灾情急剧恶化，每年雨季我国公路泥石流水毁灾害损失30亿元左右，如2006年7月20日，云南省蒙自县境内正在修建的蒙新高速公路第7、第8合同段出现局部地区单点暴雨，引发山洪灾害，造成14人死亡，21人失踪，第7、第8合同段沿线施工道路、临时房屋、预制场被洪水冲毁淹没，经济损失超过3 000万元；2009年4—7月，贵州省大部分地区不同程度遭受到强降雨袭击，造成国道、省道和县乡道近80余条公路交通中断，山洪、泥石流毁损路基、路面、桥梁和涵洞，仅黔东南地区国省干线公路共冲毁路基4.5 km、冲毁防护工程83处计11 505 m3、路基塌方133处及117 009 m3，直接经济损失达448.5万元；2012年四川省凉山彝族自治州喜德县“8·13”洪灾，全县累计冲毁县道32.1 km、乡道44 km、通村公路272 km、桥梁16座，交通基础设施损毁估算达到2.7亿元。

公路泥石流水毁灾害防灾减灾是山区公路建设及管理养护的重要环节。但迄今为止，我国公路泥石流水毁灾害防治关键支撑技术尚未科学构建，公路管理部门仍然未将公路泥石流水毁灾害纳入日常养护范畴，仅仅在公路泥石流水毁灾害出现后才组织实施灾害处治。随着我国西部大开发战略提档升级，社会经济高速发展，研究构建山区公路泥石流水毁灾害防治关键支撑技术，有效防治公路沿线尤其是沿河公路的泥石流与山洪灾害，确保山区公路交通运输安全、畅通、有序，既是国家层面迫切需求，也是公路减灾学科发展的逻辑需求。泥石流是一种典型的动力地貌过程，严重威胁着山区公路路基、桥梁、涵洞、挡防结构等建构筑物安全以及公路交通运输安全。从20世纪70年代以来，国内外学者对公路泥石流水毁灾害防灾减灾进行了大量研究与实践，笔者从公路水毁机制、泥石流动力学、公路水毁危险性评价和公路水毁防治技术4个方面对现有成果进行分析梳理，为推动山区公路水毁防灾减灾具有积极意义。

1 公路水毁机制

公路水毁机制是有效防治公路水毁灾害的重要基础理论问题。陈洪凯，等[1]把泥石流与山洪对沿河公路结构物的水毁作用概化为冲击破坏和泥石流淤埋毁损两方面，将山区公路路基水毁类型分成河流冲刷切割型、推挤错位变动型、重力剪切破坏型和机械撞击破坏型4类[2]，把公路泥石流灾害类型概化为桥台泥石流水毁、上部结构泥石流水毁、泥石流淤埋桥涵、桥台基础掏蚀、泥石流水毁路基等类型(图1)[3]；沈波，等[4-6]通过冲刷模型试验，探讨了流水对公路小桥涵冲淤特性的影响；田伟平，等[7-8]采用模型试验，分析了山洪对桥梁墩台的冲刷问题，提出了最大冲刷深度计算式；梁锴，等[9]采用数值模拟方法分析了水流冲刷作用下桥墩的稳定性问题；钟盈，等[10]和Chen Hongkai，等[11]初步了分析泥石流淤埋桥梁后的毁损机制问题，建立了泥石流沉积物固结应力计算方法。

图1 公路泥石流灾害类型Fig.1 Types of highway debris flow disaster

2 泥石流动力学

泥石流动力特性是进行防治工程设计的荷载依据。R.A.Bagnold[12]早在20世纪50年代便通过转筒剪切试验提出了流体中颗粒之间法向力和切向力计算公式；R.Kaitna，等[13]将垂直旋转水槽和圆球测试系统相结合，获得了Bingham流变模型和Herschel Bulkley流变模型的相关参数；M.Shibata，等[14]揭示了水-颗粒混合物流在水槽内的流速分布规律，发现混合物表面的清水层具有一定的润滑作用，加速颗粒运动；S.B.Savage[15]通过水槽试验分析了无黏性颗粒流的边壁摩擦、龙头跃动和颗粒弹跳等动力学作用；周必凡[16]基于颗粒流模型建立了黏性泥石流阻力方程和匀速流动方程；T.Takahashi[17]通过水槽试验分析了泥石流头部颗粒动力分选力学机制；R.M.Iverson，等[18]分析了颗粒流中具有较大摩擦作用的头部与其后部流化碎屑之间的相互作用问题；M.C.Armento，等[19]针对意大利Cortina d’Ampezzo地区的泥石流，运用一维DAN-W模型分析了泥石流的动力特性；魏鸿[20]通过室内试验建立了泥石流龙头对坝体的冲击力计算公式；Hu Kaiheng，等[21]通过实验发现，固相颗粒在泥石流体内不同深度处颗粒的冲击力峰值出现时间不同步；陈洪凯，等[22-23]将泥石流视为固液两相流体，提出了泥石流固液分相流速计算方法和泥石流冲击力计算方法；陈洪凯，等[24-25]通过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[26]，分析了泥石流冲击频率特性[27]及泥石流冲击信号能量分布规律[28]；考虑到泥石流磨蚀作用对防治结构使用寿命的影响，Chen Hongkai，等[29]采用量纲分析法和两相流理论分析了泥石流对混凝土结构的磨蚀问题；唐红梅，等[30]提出了泥石流排导槽内泥石流抛程估算方法。

3 公路水毁危险性评价

合理评估相关地区的公路水毁灾情，是公路养护工作的重要环节之一。程尊兰，等[31]开展了公路水毁的危险度分段研究；崔伯恩，等[32]对水毁环境评价指标、水毁毁损等级划分、水毁环境区划等方面开展了研究；李家春，等[33]提出了公路边坡水毁灾害快速评估方法；王亚玲，等[34]构建了小桥涵水毁评价体系；方向池[35]提出了公路水毁经济评估方法；R.M.Carrasco，等[36]采用GIS技术和统计方法建立了用于山洪灾害危险区识别的暴雨洪水-滑坡分析法；M.Y.E.Angillier[37]提出了洪灾诱发滑坡危险性的评价方法；Lin Jengwen，等[38]基于Kalman滤波建立了台湾地区的暴雨泥石流灾害危险性评价模型；D.Tiranti，等[39]发现暴雨和长历时降雨作用下易于诱发泥石流灾害；C.Irigaray，等[40]强调下垫面岩土介质的易损性对于规避公路水毁灾害风险的重要性；尹江涛，等[41]建立了公路水毁灾害评价方法，并开发其决策支持系统；陈远川，等[42]针对横断山区的美姑河流域，提出了横向穿越小流域沟口公路的水毁危险性评价方法。

4 公路水毁防治技术

公路水毁防治技术长期得到国内学者及政府部门的高度重视，有丁坝防护、挡土墙配合护坦防护、改移河道、土钉加固、排桩、拦渣坝等技术类型[43]。王玉萍[44]对山区公路路基防护的浸水挡土墙、浆砌片石护坡、护面墙、护肩、护裙和拦水墙设计进行分析，探讨了不同类型防护结构物的作用和适用条件；陈宁生，等[45]研究了山区道路泥石流灾害防治，提出了参考性的山区道路泥石流灾害的防治原则、模式和对策；乔国文[46]以G217线K970+564～K970+839段天山公路的沿河公路为例，研究了该段山区沿河公路的水毁特征，水毁防护结构物现状，因地制宜，采用护墙-刚性丁坝群、护墙-柔性丁坝群和护墙-矶头坝3种合理的沿河公路水毁工程防护结构物型式，山洪频率以50 a一遇的标准进行设计，从技术、施工和经济条件几方面开展了方案综合比选，实现了沿河公路水毁防护型式的最优化决策，可为我国新疆天山公路水毁防护工程建设提供借鉴和依据；文联勇，等[47]详细论证了排导、拦挡、固源、截水分流等措施在公路泥石流防治工程中的效果和局限性，通过比选和设计，论证了“水石分离”综合治理措施的可行性和治理效果，为大型公路泥石流治理提供了新的思路。目前我国对泥石流灾害的防治手段主要有拦挡工程(拦挡坝、格栅坝、梳齿坝等)、排导工程(排导槽、渡槽)、护坡固底工程(护坡挡墙、谷坊坝群、潜坝或肋板、护坡导流堤)、生物工程等；朱方海，等[48]对公路水毁的丁坝防护的合理形式。针对公路泥石流灾害防灾减灾，陈洪凯，等[49]开发了速流结构、泥石流隧道及翼型墩汇流结构等10余种公路泥石流防治技术，集成了拦-汇-排等多种综合治理模式，如图2～图7，并构建了每类核心技术的工程计算、优化设计和施工方法[3]，采用护岸结构、速流结构、抗冲击结构、拦渣坝、消能坎等技术在川藏公路四川段实施了30余个大型泥石流灾害治理工程，治理效果显著[50]。

图2 底越式排导结构Fig.2 Bottom row of the guide structure

图3 顶越式排导结构Fig.3 Top row of the guide structure

图4 泥石流隧道Fig.4 Debris flow tunnel

图5 护岸与挑坝结构Fig.5 Bank protection and pack dam structure

图6 沿河公路双曲路基防护结构Fig.6 Hyperbolic roadbed protection structure along the river road

图7 路基缺口部位组合式应急桥梁Fig.7 Combined emergency bridge at roadbed gap

5 山区公路泥石流水毁灾害研究趋势

综上可见，目前国内外在公路泥石流水毁灾害减灾理论及防治研究中，在泥石流动力特性尤其是从泥沙运动角度方面[51]，研究历时最长，研究最深入，但在泥石流冲击荷载如冲击力、磨蚀力研究方面进展缓慢，缺乏对泥石流磨蚀作用及泥石流沉积物固结机理的研究；工程技术界重视公路水毁防治技术研究，但是系统性不强，防治技术的工程计算、设计和施工方法不全面，实用性较差，缺乏对泥石流淤埋路段、沿河公路路基缺口部位公路交通应急通行技术研究；在沿河公路水毁机制研究方面，国内外学者主要从水力学及模型试验角度探索公路水毁问题，但是尚未构建沿河公路水毁分类系统，并据此开展沿河公路路基及桥涵水毁力学机制深入系统研究；而公路水毁灾害危险性评价研究是目前国内外学者比较关注的方向，尤其在基于GIS技术进行区域性地质灾害危险性评价研究方面，进展较快，但是这些研究对于公路水毁危险性评估而言，指标选取及其量化的科学性有待进一步论证、提高。鉴于此，为了适应当前及今后相当长时间内公路泥石流水毁灾害防灾减灾需求，必须对山区公路泥石流水毁防灾减灾中的重大关键科学问题开展进一步深入系统研究中，尤其应关注下述4个方面内容。

5.1 泥石流复杂介质动力学特性

泥石流体是一种多相复杂介质[51-52]，组分之间的相互作用直接关系到泥石流动力特性的宏观表象，从泥石流体本质特性出发探索泥石流动力特性是泥石流动力学发展的必然趋势。为此，需采用复杂介质力学、两相流理论等实施泥石流体本构模型及其冲击、磨蚀动力学特性研究，构建泥石流冲击力及磨蚀力计算方法；并通过敏感性模型试验及相似模型试验，揭示不同黏度泥石流浆体及级配固相颗粒组合条件下泥石流冲击特性的变化规律，如泥石流冲击谱及其频率和能量分布特性。研究成果可为建立具有重要工程实用价值的泥石流冲击力、磨蚀力计算方法以及量化泥石流冲击动力效应提供理论基础，为沿河公路水毁防治工程设计提供可靠的荷载依据，增强泥石流防治工程设计的科学性。

5.2 沿河公路路基及桥涵水毁机制

路基及桥涵水毁是山区沿河公路水毁的主要类型，包括路基缺口、路基沉陷、路基冲蚀、桥涵垮塌、桥涵大变形等方面，其变形及破坏机制是有效防治沿河公路水毁灾害必需的理论依据，关系到减灾方案的拟定、治理技术的选用及新技术研发思路等。为此，针对公路泥石流和沿河公路水毁问题，需采用现场调查、模型试验、数值模拟和理论分析等研究手段，进行沿河公路路基及桥梁水毁机制深入系统研究，揭示沿河公路不同水毁类型的演化规律，分析桥涵结构在泥石流冲击磨蚀和淤埋作用下的受荷损伤及破坏特性。研究成果为研发沿河公路路基及桥涵水毁减灾技术具有积极指导借鉴作用。

5.3 公路水毁路段应急通行技术

公路水毁路段应急通行技术是山区公路水毁灾害防治的薄弱环节[3]，尤其是大型及特大型泥石流暴发后被泥石流沉积物淤埋路段、沿河公路路基及桥涵水毁后的公路交通应急通行问题，制约着山区公路交通建设和区域社会经济发展。为此，需针对厚层泥石流沉积物淤埋路段、沿河公路路基水毁缺口及冲蚀路段公路交通的应急通行问题，采用模型试验、理论分析等研究手段，进行厚层泥石流沉积物蠕变固结过程、泥石流沉积物承载力变化特性研究，研发公路水毁路段公路交通应急通行技术。

5.4 公路泥石流水毁灾害应急安全警报方法、系统与设备

泥石流暴发具有突发性，高速运动的泥石流体威胁着穿越泥石流沟及沿泥石流沟岸展布的公路建构筑物的安全，威胁着相应路段的公路交通及行人安全，进行泥石流灾害应急安全警报研究，消除泥石流暴发期间的公路交通运输及行人安全隐患[53]，是当前公路地质减灾的重要环节之一。为此，针对穿越泥石流沟的公路，采用现代通讯技术、传感技术、计算机系统等研究手段，遴选泥石流信号，研发信号采集、传输及安全警报专用设备，构建泥石流致灾路段公路交通的应急安全警报系统，保障致灾路段公路交通及行人安全。

6 结 语

泥石流水毁灾害是山区公路重要地质灾害类型，其减灾理论与减灾技术长期受到国内外学者及政府管理部门的共同关注，并予以系统研究。研究成果可概化为公路水毁机制、泥石流动力学、公路水毁危险性评价和公路水毁防治技术4个方面。笔者详细总结、梳理了山区公路泥石流水毁灾害的研究现状，科学分析了现有研究存在的薄弱环节，据此提出了进一步实施山区公路泥石流水毁灾害防灾减灾研究的4个方向，即泥石流复杂介质动力学特性、沿河公路路基及桥涵水毁机制、公路水毁路段应急通行技术、公路泥石流水毁灾害应急安全警报方法、系统与设备，详细解读了每个研究方向的主要思路。研究成果对推动我国山区公路水毁灾害研究与防治有积极意义。

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