震后泥石流治理工程有效性评价及存在问题分析*

宋国虎，张 继，杨桢贤

(四川省地质矿产勘察开发局成都水文地质工程地质队/四川省地质工程勘察院集团有限公司，四川 成都 610072)

现阶段对于流域泥石流的防治，一般采用岩土工程与生态措施相结合、上下游统筹考虑、沟坡兼治的综合治理方案，旨在对全流域进行综合整治，逐级控制泥石流的发生和发展。泥石流灾害的工程治理措施主要有3类[1]：山坡整治、沟谷整治和堆积区整治工程措施，其中对于沟道中泥石流过程的拦挡和对堆积区泥石流的排导等沟谷整治是最直接的防治处置方式，也是目前最普遍采用的工程措施方法。2008年汶川8.0级地震和2013年芦山7.0级地震之后，激发泥石流的临界雨强降低了25.4%～31.6%，地震灾区多次暴发大规模泥石流灾害[2-4]。针对严重的泥石流灾害，实施了大量的以沟谷和堆积区整治措施为主的防治工程，这些防治工程在切实保障人民财产安全方面取得了积极的防治效果[5-10]。然而，根据文献[11-13]及实地调查，部分防治工程在经历多个汛期后出现如拦挡坝淤满、基础淘蚀及局部工程损坏等问题，影响后续防治效果。因此，对震后泥石流治理工程有效性及存在问题进行研究，有助于深化泥石流防治认知，提高工程设计水平和防治成效，认识不足和总结经验教训。本文以汶川地震灾区都江堰市、彭州市及芦山地震灾区宝兴县为典型研究区，对境内泥石流防治工程进行了实地调查分析，就地震灾区泥石流防治工程治理效果、存在问题及其原因进行了初步分析。

1 地震灾区泥石流治理工程调查和效果分析

1.1 治理工程现状

汶川地震及芦山地震后，针对严重的泥石流灾害，在强震区实施了大量的以沟谷和堆积区整治措施为主的防治工程，主要方案包括：“全拦”、“拦+固结合”、“拦+排结合”、 “拦+固+排”等岩土工程措施，修建的工程措施主要包括：固床为主要作用的谷坊坝，拦粗排细作用的格栅坝(梳齿坝)，拦蓄作用的拦砂坝和排导作用的排导槽(防护堤)。

为了了解这些泥石流防治工程的实施效果，笔者对地震极重灾区都江堰市、彭州市及芦山地震灾区宝兴县的泥石流沟和治理工程的实施效果进行了系统的调查分析，截止2020年汛期结束，研究区共发育泥石流278处，完成治理工程92处，工程治理率33.09%，主要防治思路以“拦+排结合”及“全排”防治思路为主，占总数的70.97%(图1)，总的来说，治理工程对灾区的灾后重建及保障人民生命财产安全起到了积极作用。

图1 彭州市、都江堰市及宝兴县泥石流治理防治思路统计

目前已完成的泥石流治理工程暂未发现防治工程整体结构性破坏或溃坝现象，但治理工程仍存在一些问题，主要表现为：部分防治工程存在拦挡坝淤满、基础或坝肩淘蚀及局部工程损坏等问题，如坝体护坦、溢流口、梳齿损坏，防护堤墙体损坏等(图2)，防治功效逐步削弱，影响了后续对泥石流的防治效果，对未来防灾减灾构成一定安全隐患。

图2 泥石流防治工程典型损坏形式

在调查区内修建有防治工程的泥石流沟道内，出现问题泥石流沟占统计总数的64.25%。在出现问题的泥石流沟中，其中出现拦挡坝淤满的占56.81%，存在排导槽(防护堤)和坝体基础冲刷淘蚀的占24.68%，有护坦损坏现象的占8.63%，坝肩淘蚀的占5.52%，其他形式损坏的占4.36%。可见，影响泥石流治理工程效果的主要方式为淤满和冲刷淘蚀。

1.2 泥石流治理工程有效性评价指标体系建立

目前，关于泥石流防治工程效果评价研究国内学者已有一些研究。亓星等[5]从实施治理工程后泥石流启动临界雨量有明显提高角度研究了文家沟泥石流防治工程效果。许强等[6]基于生存分析模型以及Bootstrap 方法和ELM，从定量研究的角度对文家沟泥石流治理工程的效果进行了分析评价。陈宁生等[7]从岩土工程措施的直接效益和间接效益、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]在郑明新研究成果基础上，结合西北地区泥石流典型防治工程，建立了泥石流防治工程效果后评价指标体系。李德华等[15]从设计理念分析了汶川县红椿沟泥石流防治工程的减灾效果。张雪艳等[16]选取防治目标、工程效益、防治方案等指标采用层次分析法对陇南燕儿沟泥石流治理工程效果进行了评价。张勇等[17]通过现场调查、遥感解译与模型计算相结合的方法对黑沙河沟泥石流治理工程评估了其综合治理效果。

泥石流防治系统是一个复杂系统，防治工程效果评价指标多且不易统计量化，具有层次性、模糊性及关联性，属于多级模糊综合决策类型[14,18]。层次分析法(AHP)具有能够解决多准则、多目标的复杂问题决策分析的优势，将地质研究与AHP方法相结合，能够促进和优化地质问题的解决[19]。本文在前人研究的基础上，将防治工程效果评价作为层次结构的总目标层，初步建立基于灾害认知度(P)、已发挥防灾效益(N)及防灾工程安全储备(F)的PNF的泥石流工程效益评价指标体系(表1)，并在此基础上采用层次分析法确定各指标权重值，最终建立地震灾区泥石流防治工程效果评价指标体系分级标准(表2)。

表1 泥石流防治工程有效性评价指标体系表

表2 泥石流防治效果评价影响因素权重分配表

1.2.1 灾害认知度P

灾害认知度P涉及泥石流防治工程完成前的阶段，为治理工程的前期阶段，主要指标包括：泥石流灾害成因机制认识P1、治理方案合理性P2、治理参数选取的合理性P3等。

(1)灾害认知度指标P1。包括对泥石流的类型、成因、性质、物源以及泥石流的形成、运动机理等的认知程度，这将决定着设计方案是否能够有针对性地消除不利因素，将直接影响着泥石流防治方案的设计。

(2)治理方案合理性指标P2。 防治工程以流域为单元进行工程措施与生物措施相结合的综合治理，防治方案应重点考虑以排导为主、拦挡为辅、拦排结合等方案。在治理方案选取时应充分考虑对灾害的认知，合理选取治理方案。

(3)治理参数选取的合理性指标P3。选取合理的方案后确定防治工程等级、设计降水及洪水参数、泥石流运动特征参数及拟建工程地基参数等基本设计参数是防治工程设计的关键。采取防治工程后，应根据现场监测，验证计算方法是否正确合理，参数确定是否正确，从而确定防治工程方案的合理性。这三个指标对于泥石流防治至关重要，是整个泥石流防治工程的前提和基础。

1.2.2 已发挥防灾效益N

已发挥防灾效益指标N指的是泥石流防治工程完成后减轻或消除保护对象生命财产安全的损害、减小损失的功能，为治理工程建成后已发挥的功效性，涉及的主要指标有保护固定资产效益N1、水文条件改善效益N2及对物源的固化效益N3等指标。本阶段的相关指标对于评判泥石流防治工程已发挥的现状效果评价非常重要。

1.2.3 防灾工程安全储备F

防灾工程安全储备F主要指防灾工程在经历泥石流活动后在未来进一步保护防护对象的安全储备，涉及的主要指标有防治工程继续发挥功效的有效性F1、工程主体结构安全性F2、外观完整性F3、消除隐患的难易性F4。本阶段的相关指标对于评判泥石流防治工程未来可基础发挥的效果评价至关重要。

1.3 泥石流治理工程有效性评价模型建立

采用层次分析法确定权值的模糊综合评价理论，建立泥石流防治工程效果模糊综合评判后评价模型。根据层次分析法计算的要求，对专家打分进行均一化处理，构造相关判断矩阵。经过计算，灾害认知度(P)、以发挥防灾效益(N)和防治工程安全储备(F)的权重分别为 0.30、0.25和0.45(表2)。在此基础上，对二级指标进行层次分析计算，分别得到灾害机理认知度P1、防治方案合理性P2、参数选取合理性P3、保护固定资产的经济效益N1、水文条件改善效益N2、对物源的固化效益N3、继续发挥功效的安全储备F1、工程主体结构安全性F2、工程外观完整性F3、消除隐患的难易性F4等指标的权重。三级单因素指标权重值划分采用经验方法，如防治方案合理性指标中：方案合理的权重值为0.1、方案较合理的权重值为0.07、方案合理性一般的权重值为 0.05、方案不合理的权重值为0.01(表3)，该因素权值越大，其防治效果也越好。

表3 泥石流防治效果评价指标体系及权重划分表

1.4 泥石流治理工程有效性评价分级

根据前述建立的评价指标体系，参照前人[14]得出的有效性评价的隶属度区间进行量化分级，从定性及定量评价角度对泥石流防治工程的有效性进行综合评价(表4)。

表4 泥石流防治工程有效性分级表

1.5 泥石流治理工程有效性评价

从表5和图3可以看出， 区内泥石流防治工程效果为“优”的有27处，占比29.35%；“良好”的28处，占比30.43%；“一般”的18处，占比19.57%；“差”的19处，占比20.65%。治理工程效果“良好～优”的占到总数的59.78%，起到了良好的减灾效果。

图3 彭州市、都江堰市及宝兴县泥石流治理工程有效性评价统计

1.6 研究区泥石流防治工程存在问题及原因分析

都江堰龙池镇、彭州市龙门山镇及宝兴县泥石流暴发情况呈现出类似的特征，如震后几场典型强降雨过程中呈现群发性、链发性及受灾严重等特征[18-19]，如都江堰龙池2012年“8.18”暴雨、彭州银厂沟2012年“8.18”强降雨及宝兴2019年“8.22”强降雨。

根据前述泥石流治理工程现状调查分析结论，治理工程存在的问题主要表现为：部分防治工程存在拦挡坝淤满、基础或坝肩淘蚀及局部工程损坏等问题，如坝体护坦、溢流口、梳齿损坏，防护堤墙体损坏等。而影响泥石流治理工程效果的主要方式为淤满和冲刷淘蚀。

造成坝体淤满的主要原因为地震灾区泥石流物源丰富，沟内残留固体松散物质难以准确估算，设计计算时固体冲出量计算偏保守。坝肩淘蚀主要存在于两岸坡体结构为易受淘蚀的碎石土、块石土等流域内，主要原因为对泥石流的冲刷能力估计不足，特别是弯道、跌坎处，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体在高速运动下沿拦挡坝两岸结构软弱处持续淘蚀导致受损。护坦损坏的主要原因是泥石流流体是由块石、浆体组成的混合流体，在泥石流活动过程中，受坝前跌坎作用，流速与能量增加，冲击护坦导致护坦损坏。排导槽或防护堤基础掏蚀的主要原因与坝肩淘蚀原因类似，主要存在于沟底结构为易受淘蚀的碎石土、块石土等流域内，设计计算或施工时基础埋深深度不够，泥石流流体在高速运动下在结构软弱处持续淘蚀形成。

总的来说，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，导致泥石流规模难以准确估计，工程设计中物源估算严重不足及动储量转化依据不充分；二来对震后泥石流基本特征认识不到位，泥石流形成方式多种多样，包括滑坡形成、沟床物质起动形成以及堰塞湖溃决等，导致难以采用某一种特定的规模计算方法。三是震后泥石流在启动机理、堵塞溃决、持续时间、冲出规模等方面与一般泥石流相比存在很大区别[14]，震后泥石流的这些特点导致现有规范的流量、冲刷深度和冲出量等参数计算方法结果普遍偏小[16]。因而，尽管大部分工程都按高标准或超高标准进行设计施工，然而，许多拦挡工程仅在一到两个水文年就被泥石流体淤满，有的拦挡工程被泥石流中的巨大石块堵塞或冲击破坏，进而严重影响防治效果。

2 结论及后期泥石流治理的思考

2.1 结论

通过对地震灾区彭州市、都江堰市及雅安市宝兴县泥石流治理工程的实地调查，研究区共发育泥石流278处，完成治理工程92处，工程治理率33.09%，主要防治思路以“拦+排结合”及“全排”防治思路为主，占总数的70.97%，总的来说，治理工程对灾区的灾后重建及保障人民生命财产安全起到了积极作用。

初步建立基于层次分析法的事前(P)、事中(N)、事后(F)阶段的泥石流治理工程有效性评价体系。区内泥石流治理工程效果为“优”的有27处，占比29.35%；“良好”的28处，占比30.43%；“一般”的18处，占比19.57%；“差”的19处，占比20.65%。治理工程效果“良好-优”的占到总数的59.78%，起到了良好的减灾效果。

治理工程存在的主要问题为拦挡坝淤满、坝肩淘蚀与护坦损坏，排导槽或防护堤基础掏蚀等。在调查区内修建有防治工程的泥石流沟道内，出现拦挡坝淤满的占56.81%，存在排导槽(防护堤)和坝体基础冲刷淘蚀的占24.68%，有护坦损坏现象的占8.63%，坝肩淘蚀的占5.52%，其他形式损坏的占4.36%，影响泥石流治理工程效果的主要方式为淤满和冲刷淘蚀。

造成这些问题的原因有：地震震后泥石流在启动特征、流量、冲出规模、冲刷深度、物源及转化等方面的特征与震前发生较大变化，震后泥石流的这些特征导致现有规范的工程设计参数计算方法结果普遍偏小，由此可能会导致治理工程使用年限与工程效益降低的隐患，严重影响防治效果。

2.2 泥石流治理的思考

通过对地震灾区泥石流治理工程的系统考察与泥石流防治工程减灾效益回访调查，发现震后泥石流治理工程的问题具有一定的普遍性。为了做好未来泥石流防治规划设计，提高工程成效，根据泥石流防治工程出现的问题与不足，特提出以下思考和建议：

(1)地震灾区泥石流治理工程可根据泥石流爆发频率、启动模式、物源条件、流域特征综合考虑，在不违反相关规范强条前提下适当提高设防标准，科学设计防治方案，实现泥石流治理工程的有效性和经济。

(2)对相应的防治工程在汛后进行复核，及时对已淤满的拦挡坝库区进行清淤，对损毁的治理工程进行修复或重建，使得泥石流防治工程达到最大效益，最大限度降低泥石流带来的危害。

(3)在地质灾害风险评价中，对于单点的风险评价应考虑地质灾害工程治理防治效益进行相应调整；对于治理工程防治效益“一般”及“差”的隐患点，应及时进行修复治理，消除隐患。