山洪对村镇建筑破坏方式与建筑防洪加固技术研究现状

2021-09-13司光武陈剑刚陈晓清赵万玉崔文榕

科学技术与工程 2021年23期

司光武, 陈剑刚, 陈晓清,3*, 赵万玉, 崔文榕

(1.中国科学院山地灾害与地表过程重点实验室，中国科学院、水利部成都山地灾害与环境研究所，成都 610041；2.中国科学院大学，北京 100049；3.中国科学院青藏高原地球科学卓越创新中心，北京100101)

山洪是小流域内受短时强降雨、冰雪融水、堤坝溃决等突发事件影响，沟道内水位急剧上涨的现象[1]。山洪具有水量集中、暴涨暴落、历时短暂、流速大、冲刷力强、固体碎屑物携带量大、破坏能力强的特点[2]。山洪一次冲出总量较小，汇流时间短，一般不会内涝，但会携带大量泥沙、块石、漂木，并诱发滑坡、泥石流等灾害，威胁居民人身财产安全，破坏建筑、农田和交通线路等设施[3]。

山洪是中国最为严重的自然灾害之一。根据国家防洪抗旱总指挥部数据[4-7]，截至2020年4月，全国山洪防治区面积386万km2，涉及人口6 746万人，每年山洪灾害造成的死亡人数占全国洪涝灾害死亡总人数60%～92%，而中国山区人口占总人口1/3以上[8]，且大量聚集在山区河流两岸阶地或下游堆积扇等狭窄平地上。随着经济快速发展，山区村镇的大量工程修建在自然灾害潜在危险区内，日益扩大的人类活动破坏了本就脆弱的自然环境[9]，再加上气候变化所导致的极端降雨事件增多，以及山洪成灾迅速、预警时间短暂且破坏性强等因素，灾害一旦暴发就极易造成重大人员伤亡和财产损失事件。近年来中国典型山洪灾害事件如2010年8月8日，甘肃省舟曲县三眼峪和罗家峪暴发山洪泥石流，导致1 471人死亡，294人失踪，4 321间建筑被毁[10]；2019年四川省汶川县8·20山洪泥石流，导致12人遇难、26人失踪，大量居民住宅建筑和设施被毁[11]。

以往研究多集中于内陆洪泛区与蓄滞洪区内的建筑设计技术[12-14]，以及滨海地区海啸洪水对城市建筑破坏[15-18]，关于山洪对村镇建筑的破坏作用及其适宜性防洪措施的研究相对较少。村镇建筑既是当地居民的最大不动产之一，又是山洪灾害中的主要承灾体[19]，受当地经济状况、风俗习惯以及使用功能等影响[20]，其结构形式多为生土、木、砖混结构的单层或多层建筑[21]。村镇建筑在修建过程中缺乏充分地评估规划和技术指导，相比于城市建筑，抗灾性能更差。当前中国对山洪灾害的防治是采用常规监测预警、群防演练等非工程性措施为主，并辅以工程措施[22-23]，这样虽能尽量保障居民人身安全，却难以保护村镇建筑。因此根据山洪的破坏方式，研究村镇建筑抗洪加固技术对保障山区人民生命安全、降低财产损失具有实际意义。

基于以上，对近年来典型山洪灾害事件现场展开调查，分析山洪对村镇建筑的破坏方式，查阅文献以总结现有中外建筑抗洪设计方法和加固技术，比较各类方法的优点与不足，探讨今后村镇建筑抵抗山洪需要开展的研究方向。

1 山洪对村镇建筑的破坏方式

作为一种地表上大规模水沙混合体沿沟道向下游快速运动过程[24]，山洪成灾模式为:小流域内集中降雨导致地表径流迅速汇集，坡面和沟道发生快速侵蚀，在水流向下游运动过程中对人类活动和定居点造成灾害[25]。根据山洪组成、运动特点、建筑结构类型和分布特征，结合野外实地考察将山洪对村镇破坏方式归纳为以下5种类型。

1.1 建筑迎流面上的冲击作用

山洪主要由少量细颗粒与水组成的浆体和大粒径块石、漂木等固体携带物组成，容重小于13 kN/m3，运动时对沿程建筑等设施产生极大冲击。按组成成分和运动速度，冲击作用由静水压力、动水压力和固体携带物的撞击力三部分组成[26-27]。

(1)静水压力。山洪从沟口冲出向周边扩散流速降低时，若建筑密封性好，内外水头差会使墙体受到水平方向的静水压力，大小沿水深呈三角分布，当内外水头差超过1.0～1.5 m时，砌体墙将发生倒塌。若水流渗透进地基后还会对基础产生上浮力，进一步降低建筑整体稳定性。

(2)动水压力。液相浆体对建筑淹没部分产生的水平拖拽力，其大小与流速、深度及迎流面构件的形状、迎流角度有关。山洪运动时由于龙头较高，更容易造成迎流面上的墙体破坏坍塌。在迎流面上墙体开洞设窗，减小冲击作用面积、或改变迎流角度等可减小动水压力。

(3)固体碎屑物撞击力。山洪携带的泥沙、块石、漂木及生活垃圾等固体碎屑物，运动时对接触到建筑表面产生撞击力。受固体碎屑物质量、运动速度、材料力学性质、形状等影响，撞击力表现出时间上的离散性及空间上的作用位置、作用值的不确性。固体碎屑物撞击力也是建筑支撑构件(承重墙、支柱)受损，结构倒塌的主要原因，如图1所示。

图1 山洪对建筑的冲击破坏(汶川县，2019-08)

由于村镇建筑抵抗横向变形的能力较弱，所以山洪在建筑物迎流面上的冲击作用是导致构件破坏和整体垮塌的主要原因。

1.2 对建筑顺流面的磨蚀作用

磨蚀作用和冲击作用是山洪对建筑上不同位置构件同时发生的破坏作用，如图2所示。山洪流经建筑顺流面时，固体碎屑物刮铲、摩擦表面产生磨蚀作用，导致建筑外表面涂层受损，使钢筋或砌块外露，影响结构的正常使用，如图3所示。磨蚀作用还会降低建筑防水性，使水流渗透或大量涌入室内，损毁室内附属设施。

图2 山洪对建筑迎流面冲击和顺流面磨蚀作用

图3 建筑围墙受山洪磨蚀作用损害

1.3 对地基的侵蚀作用

冲击和磨蚀作用都是山洪对建筑上部结构的破坏，而侵蚀作用是对地基的破坏。由于流速大，暴涨暴落，过水断面狭窄，沟岸陡峭，山洪侵蚀能力很强[28-29]。在运动时山洪会向下侵蚀沟道底部，向侧面侵蚀岸坡，导致岸坡岩土体失稳滑动。水位较高时山洪将直接冲刷掏蚀地基，影响建筑稳定性。当岸坡陡峭、地基土体抗侵蚀能力差、或距离岸坡较近时，建筑物易受到侵蚀作用发生整体失稳或结构构件破坏甚至坍塌，如图4和图5所示。

图4 山洪对地基的侵蚀破坏作用

图5 山洪侵蚀沟岸所导致的建筑破坏(汶川县，2019-08)

1.4 固体碎屑物的淤埋作用

山洪在下游地势平坦地区发生扩散，或冲击建筑物后流速降低，水流通过排水路径流向下游，而固体碎屑物沉积淤埋，如图6所示。淤埋物会腐蚀墙壁、堵塞门窗管道、污染饮用水。灾后被淤埋的建筑需清淤和消毒，影响房间正常使用[30]。

图6 泥沙对建筑的淤埋作用(汶川县，2019-08)

1.5 积水的浸泡作用

浸泡和淤埋都是山洪结束时对不同位置处建筑的破坏。灾后地势低洼区水流汇集，形成高水位积水，如图7所示。由木材、生土及石灰等水敏性材料组成的木结构或砌体结构[31]，长时间浸泡后地基吸水软化、材料强度下降，使结构破坏或倾斜倒塌。室内积水会损坏家用电器，夏季高温环境会使水体滋生感染性病菌，威胁受灾和救援人员生命安全[32-33]。

图7 建筑物受山洪浸泡(汶川县，2019-08)

从以上可知，山洪对建筑的破坏方式和程度不仅与山洪强度(如一次过程总量、流速、流深、历时、固体碎屑物浓度，大块石质量、粒径等)有关，还与建筑自身(结构类型、开洞大小、建筑材料、迎流角度、所处位置、高程等)有关。整理归纳山洪对村镇建筑破坏方式和特点，如表1所示。

表1 山洪对村镇建筑破坏方式

2 当前中外建筑抗洪加固技术

相对于山区村镇，河流中下游及沿海的平原地区是较早发展的区域。泛滥洪水、溃坝洪水、海啸等水灾也是影响当地居民生存和发展最主要和最严重的自然灾害之一[34]。目前各个国家及地区根据自身所面临的洪灾类型与特点，如美国内陆泛滥洪水、美国与日本沿海的海岸洪水、欧洲阿尔卑斯山区的山洪等，分别开展了建筑抗洪加固、改造的研究，为山区村镇建筑防灾问题提供借鉴。这些建筑抗洪加固技术目的都是降低建筑在洪灾中的暴露度和易损性，减少洪水带来的风险[35]。总体上，当前中外的建筑抗洪加固技术可分为以下7种。

2.1 抬高建筑标高

该技术是采用桩基础或墩柱，抬高建筑上部标高，形成高跷式结构，使房间地板高于设计洪水深度[36]。山洪通过由桩群组成的开放式地基流向下游，如图8所示。这种措施能直接减少建筑的暴露度，避免山洪冲击围墙或进入室内，开放式地基形成的区域可作为停车场等设施使用，不额外占用土地。但桩基础会受到山洪冲击和侵蚀，桩身破坏或倾斜会严重影响建筑安全。为提高桩基础抗冲击性能，可采用图9所示的桩身防撞保护结构[37]，先在两个半圆截面的钢套管内填充聚苯乙烯泡沫(EPS)材料，再将钢套管拼合后包裹桩身形成缓冲层，并采用细料混凝土填充内部孔隙，这样可大幅降低固体碎屑物撞击力。为降低山洪对桩基础侵蚀的影响，设计时需考虑上部结构垂向荷载和山洪侵蚀深度。

图9 桩身防撞保护结构

该技术适合轻型建筑结构的设计和改造，对于自重较大的砖砌结构和多层框架结构应用起来较为困难，尤其在地震活跃区需格外慎重。

2.2 设置钢筋混凝土防撞柱

该技术利用钢管或钢管-钢骨混凝土的强度高、韧性和耐久性好、抵抗横向冲击能力强的特点[38-39]，在钢管中填充密实的高强度混凝土制成悬臂式防撞桩，按一定间距布置在建筑迎流和顺流面，并使防撞桩悬臂段不低于设计洪水深度，如图10(a)所示。防撞桩可拦截固体碎屑物，降低流速，减少山洪对围墙的冲击和磨蚀。当大块石或漂木冲击力较大时，可增加防撞桩直径或增加钢骨以提高强度[40-41]，如图10(b)所示，或参考滑坡治理工程中抗滑桩设计方法，将前后两根桩连接组成П刚架桩、排架桩[42]抵抗冲击，如图10(c)所示。

图10 钢管混凝土防撞桩

设计时应根据地基岩土体性质、地基侵蚀深度、悬臂段所能承受最大冲击力，确定嵌固段长度；并合理设计桩间距，使固体碎屑物在桩间形成堵塞体，减少后续影响。该技术施工方便，但需额外占用土地，桩间穿过或冲起的山洪会进入建筑内部。

2.3 设置格宾石笼

格宾石笼因其经济高效、施工方便、布置灵活，在河道整治、地灾治理等领域已得到广泛应用。类似于防撞桩的设计思路，在建筑迎流和顺流面布置格宾石笼，保护墙角和地基不受冲刷侵蚀[43]，如图11(a)所示。当设计洪水水位较高时，可多层堆叠组成劈楔形防洪挡墙或导流堤，改变山洪流向，降低暴露度，保护背后建筑不受破坏[44]，如图11(b)所示。

图11 采用格宾石笼保护建筑

制作格宾石笼时方便就地取材，造价低廉，能有效防止地基冲刷侵蚀，但也要额外占用土地，并且格宾石笼的孔隙和黏土颗粒较多，虽然能植草种花美化环境，但在雨季时会长期储水，对围墙防潮要求高。此外格宾石笼挡墙较高时会影响室内采光。

2.4 干式防洪

干式防洪是对建筑围墙、门窗防水密封，并使建筑结构自身抵抗冲击、磨蚀和侵蚀的一种抗洪加固策略[45-46]，如图12所示。

图12 干式防洪建筑内外情况示意图

在确保安全的情况下，干式防洪将建筑内部与外部灾害完全隔离，发挥安全岛的作用。山洪无法进入建筑内部，所能造成的损失也降至最低。但山洪在迎流面上冲击作用巨大，一旦结构破坏或倒塌，将对室内未撤离人员、财产造成更大威胁，所以干式防洪只能应对设计洪水深度低于1 m[47]，且流速较小的情形。干式防洪对迎流面墙体抵抗冲击的能力、建筑材料防水性和抗磨蚀性要求极高，需提前做好门窗密封和墙体防水。

2.5 湿式防洪

湿式防洪策略是在山洪冲击时，围墙迎流面(正面)和背面的防洪隔断墙发生主动式破坏，室内形成预定的过水通道以降低冲击作用[48-49]，如图13所示。防洪隔断墙是一种非承重墙体，它基本不能承受水平冲击，仅用以分隔室内使用空间。实现湿式防洪的关键在于在山洪冲击时防洪隔断墙能够主动破坏倒塌。

图13 湿式防洪示意图

湿式防洪也需提前将人员撤离。由于防洪隔断墙的破坏增加了暴露度，山洪过后室内会受到比较严重破坏，泥沙淤埋也更加严重。但是相较于其他防洪措施，湿式防洪在大幅节约投入的前提下，大大降低建筑整体破坏和倒塌的风险，减少对预定过水通道以外部分的破坏，因此在缺少其他防洪措施或者防洪措施失效时，该技术是最后的减灾策略。

2.6 优化建筑围墙上的开洞

干、湿式防洪都对围墙进行改造，对建筑所有者来说，两种防洪策略都比较极端:前者所面临的灾害风险较大，后者所需承担的灾害损失较大。实际上，对围墙上门窗的开洞形式、位置和大小进行合理调整，在满足结构强度、采光、通风等基本使用求的前提下，使建筑既能一定程度地抵抗冲击，又不会因冲击作用过大而发生整体破坏或倒塌。具体来说，在建筑正面和背面围墙的相同位置处开洞设窗，窗户以下的坎墙仍参照干式防洪策略，当水位低于窗户高度时实现干式防洪效果；当水位高于开窗位置时，类似于防洪隔断墙，利用窗户受冲击后易碎的特性，使山洪从窗洞进入建筑内部，减小围墙上冲击作用[50]。山洪能快速从建筑内部预留通道穿过，又实现了湿式防洪的效果，如图14所示。

图14 围墙合理开洞的效果示意图

围墙开洞能减弱冲击作用，室内也一定程度地减少泥沙淤积。然而该技术需综合考虑开洞形式、位置、大小以及山洪冲击力的分布规律。在地震活跃地区需要注意因开洞而导致结构整体刚度降低的问题。

2.7 调整建筑整体及内部房间布局

由于建筑在长轴方向上，结构的变形刚度要比短轴大，设计时可使建筑的长轴方向与山洪流向相平行以提高建筑抵抗山洪冲击的能力[51]。根据使用时长，将建筑内的房间划分为短时使用和长时使用两个类型，如图15所示[52]。在山洪暴发时，人员在长时使用的房间内概率较大，需尽量避免山洪直接冲击长时使用的房间。

以住宅建筑为例，客厅、卧室的设计面积较大，变形刚度较小，而且是长时使用的房间，当山洪暴发时这类房间的安全风险更大；而厨房、卫生间、储物间、书房等的使用时间相对较短，设计面积一般较小，变形刚度大。设计时可将建筑内使用时间较短的房间布置在迎流方向一侧(图15中红色区域)，并使这些房间的长轴与流向平行以达到更大的变形刚度；使客厅、卧室这些长时间使用的房间在背流面一侧(图15中绿色区域)，减少对人员直接威胁，延长应急反应和撤离时间。

图15 住宅建筑的房间优化布局示意图

3 现有抗洪加固技术不足与今后研究展望

3.1 现有技术所存在的问题

以上技术都是在人员安全撤离的前提下，以降低建筑破坏程度、减少财产损失作为加固目的；也即在调查评价、危险区划、山洪预警、群策群防等常规防治措施[53]基础上进行的建筑抗洪加固。比较这些技术各自适用条件、在建筑上加固或改造部位、经济投入、最终防洪效果以及所存在的问题，汇总得到表2。

由表2可知，现有抗洪加固技术受建筑类型、土地利用、经济投入等因素影响，都是对单体建筑的基础、围墙上进行加固或改造。从经济投入、最终防洪效果和所存在的问题方面分析如下。

表2 各类建筑抗洪加固技术的比较

(1)桩基础抬高建筑整体标高，直接降低暴露度，防护效果最好，但使结构抗震性变差，还需加设楼梯来保持室内外交通，影响便捷性，经济投入也最高，若桩基础破坏将加大风险。

(2)湿式防洪、围墙开洞和房间优化布局依靠结构自身抵抗能力，山洪进入建筑内会提高整体暴露度，损害室内设施，但能降低建筑整体破坏或倒塌的风险，经济投入低。

(3)钢管混凝土防撞桩和格宾石笼挡墙能有效减小冲击与侵蚀作用，降低暴露度，效果较好，但要在建筑周围额外占用土地，影响使用便捷和舒适性，在地势低洼地区不能防止浸泡，经济投入较高。

(4)干式防洪使建筑内部不受损害，可一旦超出结构自身抵抗能力后会造成更严重的破坏，风险较大，只适合应对规模较小的山洪灾害，干式防洪对建筑材料抗冲耐磨性，对墙体密封防水性要求极高，需要定期维护，经济投入较高。

根据以上分析可知，各种技术均有其独特优势及不足，但采用单一技术常不能完全保证建筑安全，为此可考虑这些种技术的组合。例如，对于采用桩基础的高跷式既有建筑，配合干式防洪，能降低山洪冲起爬高对围墙和建筑内部破坏；对于新建多层框架结构建筑，综合采用格宾石笼挡墙和湿式防洪能降低侵蚀和冲击。因此选用时要根据山洪的破坏能力，结合结构类型(新建或既有砌体、框架结构)、使用性质(私人住宅、公共建筑)和所处地形(沟道岸坡或下游堆积扇)和经济投入等因素综合考虑。

3.2 村镇建筑抗洪研究展望

当前对山洪灾害作用下的建筑破坏机理认识尚不充分，缺乏对各类加固措施的具体设计理论、关键参数和最终效益评估的研究。现有研究多针对单体建筑的改造加固，而山区村镇建筑分布集中，需考虑山洪穿过密集村镇建筑群时不同位置的单体建筑破坏程度。此外，现有各类防洪加固技术都基于传统的岩土和结构工程技术，而调查发现山区密集分布的植物群落也能发挥明显的减灾作用。如何将传统的工程措施和新型生态措施有效结合也是今后所需重点关注的领域。因此针对村镇建筑如何抵抗山洪破坏的问题，建议开展以下研究。

3.2.1 山洪对村镇建筑破坏机理和抗洪加固设计理论

当前根据经验选取山洪破坏因素(如水深、流速、泥沙淤积厚度等)而建立的易损性评估函数主要针对单个建筑损毁评估[54]。村镇建筑作为多种构件组成的结构组合体，在山洪作用下的破坏机理也更为复杂。相较于建筑材料、截面几何尺寸等的变异性，山洪冲击作用的时空变异性对建筑破坏影响更为显著，需采用合适的概率方法来定量描述冲击作用[55]，建立结构承载能力和正常使用极限状态方程，从构件截面单元体破坏-构件失效-整体倒塌的角度建立结构破坏准则和结构可靠度计算方法[56]。

山洪灾害的复杂动力过程对研究建筑结构冲击破坏机理和地基冲刷侵蚀造成了较大困难。根据实地过流断面调查、推理公式计算等方法都难以准确获取不同重现期山洪流速、水深[57]等参数，对村镇建筑防洪加固设计造成困难。如桩基础抬高建筑标高、格宾石笼挡墙和干式防洪都要根据山洪设计水位高度来分别确定桩身、挡墙和坎墙高度；桩基础、格宾石笼挡墙和钢管混凝土防撞桩要根据固体碎屑物质量、形状大小、运动速度等来确定桩基础、防撞桩的合理间距和直径、挡墙厚度等设计参数。

3.2.2 山洪作用下村镇建筑群的遮掩效应及其应用

对于山洪、泥石流等以横向冲击破坏为主的山地灾害，受灾建筑的破坏程度与其在建筑群中所处的位置密切相关[58]。边缘建筑遮掩中心，前方建筑遮掩后方，这种降低建筑群整体暴露度的作用被称为遮掩效应。被遮掩的建筑迎流面上的山洪水深、流速、固体携带物中的大块石质量都会低于边缘建筑[59]。实地调查也发现，前排建筑能够拦截大量固体碎屑物，而且通过前后建筑合理布置，山洪通过前排建筑后会改变流向，最终堆积在后排建筑一侧，避免直接冲击后排建筑，如图16所示。

图16 前后排建筑的流向与堆积范围(三江镇，2019-08)

同样如图17所示，在迎流方向上Ⅰ区域建筑群内的多层或高层框架高层结构建筑对其背后的砖砌结构建筑起到了保护作用；Ⅱ区域的砖砌结构建筑群中，沟岸一侧的建筑降低了其他建筑受损程度。所以综合考虑山洪作用强度、地形特点、建筑群的结构类型、布置方式和间距等因素[60]对遮掩效应的影响规律，对规划设计阶段建筑社区合理布局，降低建筑群整体易损性有重要的参考价值。

图17 建筑群的遮掩效应(三江镇，2019-08)

3.2.3 工程与生态相结合的建筑抗洪措施

当前各类建筑防洪加固技术在工艺上相对成熟、短期内防灾效益显著，但也存在着经济投入高、破坏自然环境、防灾功能和效益随时间而衰退、后期维护困难等问题。而以植物工程为主的生态措施通过降水截留、土壤保持及调节产汇流量等途径来改变山洪泥石流形成发展及运动条件，达到抑制山洪破坏的目的。植物根系可以固定土壤，增加土壤抗拉强度与抗剪强度，降低坡面产汇流过程中的土壤侵蚀和运移。植物枯枝落叶覆盖地表能避免土壤受到雨滴的直接冲击，同时降低地表水分径流量，减少土壤侵蚀，进而从坡面到流域尺度调控降雨-山洪径流与土壤侵蚀-产沙相互耦合关系，实现对山洪灾害的生态防灾与减灾功能[61]。经过足够生长年限后形成的乔-灌-草植物群落能够预防和阻挡一定规模的山地灾害[62-63]。通过调查发现在植被覆盖密集区域，植物群落能够拦蓄山洪携带的泥沙[64]，如图18(a)所示；坡面上以高大乔木为主的森林植被能对山洪泥石流分散停淤，在拦蓄泥沙的同时降低山洪泥石流的致灾能力[65]，如图18(b)所示。

生态工程措施与岩土工程措施的综合运用是村镇建筑更理想的防洪措施。但是，针对村镇建筑的生态工程措施与岩土工程措施相结合技术尚无具体方案。因此研究工程与生态相结合的新型村镇建筑抗洪设计方法，不仅可以提高长期的防治效益，降低建设和后期维护费用，还能美化居住环境、实现安全-生态-景观的和谐平衡和山区村镇绿色发展。为此可先布置工程措施以满足迫切的防灾需求，同时在当地选取生长迅速、适应性强的植物种类，使植物在工程措施有效期内快速生长，形成稳定可靠的生态屏障，最终发挥工程-生态措施的协同减灾效应。例如在建筑迎流方向上游修建钢索防护网工程以拦蓄山洪中的固体碎屑物；同时在钢索防护网背后植树种草以减少泥沙补给，当钢索防护网受长时期的灾害损坏、材料腐蚀等影响后，防治功能降低时，其背后的乔-灌-草生态体系已具备足够抗灾能力，能够与既有的钢索防护网协同保护村镇建筑，如图19所示。