地质灾害预警预报参考资料-地质灾害防治工程设计与施工

地质灾害防治工程设计与施工 比起一般建筑工程来，地质灾害防治工程设 计更显示出其“个性” ，即几乎没有完全相同的 工程。因此，要求从事地质灾害防治工程事业的 勘查、设计和施工人员都应“擅长于建筑原型” ， 相应地，监理和管理人员也要从思想上明确这一 根本特点。 1 1 防治工程实施的论证 在明确了地质灾害发展阶段、寿命、人类与 地质环境协调发展关系之后，要求用系统工程的 观点与方法进行灾害防治的论证与决策，它包括 全局观、层次观、价值观和策略观等方面的系统 运筹与决策。 1.1 减灾决策的前提 减灾的基本决策应是在专业工作者查清问题 的实质后进行。 （1）对于可能发生较大经济、社会、环境 乃至政治性影响的灾害，应布置实物工作量，在 勘察报告基础上，确定是监测预防，还是搬迁躲 避，或是及时整治。 （2）对于即使发生灾害，但不致造成大的 灾难，治理也不会赢得好的效益，则只需有经验 的地质灾害防治人员现场认证即可，不必动用实 物工作量，以免造成不必要的浪费。 （3）在目前的科学技术水平下，有的灾害 事件尚很难完全避免和防治，只能通过合理的规 划进行躲避，或开展适当防护工程以减少损失。 1.2 地质灾害防治决策依据 （1）已取得充分可靠的资料，对地质灾害 体的变形破坏机制认识正确； （2）一旦发生地质灾害，将给人类生命财 产或资源环境造成重大危害； （3）治理灾害的费用是可以承受的，且投 入收益比满足以下关系： （5-1） TLS TLS EEE EEEE 或 0 式中，E 经济、社会和环境纯收益； ES 一定时期内避免灾害发生的总收益； EL 灾害发生后的经济、社会和环境总 损失； ET 治理工程的总成本。 在一定时期内，赢得的直接与间接效益远远 大于灾害发生时可能造成的直接与间接损失和治 灾成本之和。 1.3 地质灾害防治工程等级的确定 地质灾害防治工程等级见表 5-1，具体确定 应考虑如下因素： （1）地质灾害范围内可能造成的直接经济 损失，包括直接破坏的土地、房屋设施、工矿企 业、工程设施、公路、铁路、桥梁、输电、通讯 线路、各种管道、河道、水源、水库等水利设施、 文物古迹和人文景观等； （2）地质灾害范围内可能造成的间接经济 损失主要包括工矿停产、减产、产品积压、农业 减产、商业旅游业下降、交通中断、通讯中断、 能源中断和物价上涨等； （3）威胁人员及可能造成人员伤亡数； （4）社会伤害，包括对社会人群产生的影 响，如公民心理恐慌、治安状况下降、投资信誉 降低、社会保障下滑和不良政治影响等。 （5）环境损失，包括对自然环境、生态环 境和地质环境的损失。 1.4 地质灾害防治的决策思路 地质灾害本身及其防治工程是一个很复杂的 系统工程，它需要决策层从时间进展、逻辑顺序 和科学技术要求等三方面来论证，这里引用霍尔 （HallAD，1969）提出的三维结构来说明。 霍尔三维结构包括时间维、逻辑维和知识维三个 方面。 表表 5-15-1 地质灾害防治工程等级的确定地质灾害防治工程等级的确定 2 （1）时间维是指系统工程从规划到峻工的 基本阶段或程序划分； （2）逻辑维是指系统工程的每个阶段所要 完成的工作步骤； （3）知识维是指完成上述各项工作所需求 的各种科学与技术素养。 现以长江三峡链子崖危岩体重大地质灾害整 治工程的决策为例予以简要说明。 链子崖整治工程的时间维包括地质调查与立 项、工程地质勘查、危岩体整治工程可行性研究、 整治工程方案设计、整治工程施工设计、整治工 程施工、地质工程监测信息反馈与设计调整或变 更等。 链子崖整治工程的逻辑维应表述各个阶段。 虽然各阶段的内容各有不同，但对每个阶段一般 应考虑：问题的提出、性质与范围、每个阶段的 目的与基本标准（合乎规范） 、满足规范条件的 系统分析、系统建模、综合的系统设计和各阶段 的地质信息反馈。 链子崖整治工程的知识维包括大系统工程学 的知识，如系统科学、控制论、信息论和运筹学、 工程地质学及其相关的地学分支、力学、非标准 工程设计、社会科学与计算机技术等。 2 2 工 程方案 论证的 地质观与工程观 地质灾害防治理论研究是当前亟待重视的一 个重要方面。据估计，因缺乏正确理论指导而造 成的潜在损失达地质灾害防治工程投资的 2030（孙广忠，1996） 。目前，我国已有 地质灾害勘查、防治工程可行性论证、工程设计 与施工及监测等的初步经验，但相应各阶段的理 论仍未成熟，也即理论落后于防治工程实践的需 要。作者多年来的工作体会是，具有特殊性的重 大地质灾害事件的研究与防治工程实践是建立普 适性的地质灾害防治工程理论的基础。 2.12.1 问题的提出 一个突出的问题是，究竟以地质研究为主线 并参与确定工程方案，还是象以往一样，工程地 质勘察完毕以后，地质研究人员就不再介入设计 工程师的工作。我国地质灾害防治工程的现状是， 工程咨询论证中往往出现地质专家与工程专家各 执一词的现象，其原因一方面是勘查阶段地质研 究工作不可能全面或无法深入，工作结论有不确 定性；另一方面是参与此项工作的地质专家和工 程专家知识与经验的局限，甚至还涉及他们的工 作态度，最后给管理部门正确及时地决策造成极 大困难和资金、时间的浪费。这就提出了应该坚 持什么样的地质观，什么样的工程观，二者又应 工程 等级 工程投资 （万元） 威胁人数 预测保护财产 （万元） 危害地域或工程设施 A 级 （一级） 3000300030000 特大大城市；国家大型厂矿企业；巨型工程 水利设施；重点交通通讯、能源干线；国家 级开发项目等。 B 级 （二级） 10003000100030001000030000 大城市；大型厂矿企业、大型工程水利设施； 重要交通、通讯、能源干线；省级开发项目 等。 C 级 （三级） 50010005001000500010000 中等城市或县城；中等厂矿企业；中等工程 水利设施；交通、通讯、能源干线；市级开 发项目等。 D 级 （四级） 10050010050010005000 乡、镇所在地；重要居民点；小型厂矿；小 型工程水利设施、县级交通工程等。 3 如何结合的问题。 很显然，一批学术造诣精深的前辈在我国地 质灾害防治工程事业的探索中起着重要的导向和 开拓作用。他们根据各自的学术专长、工程或地 质经验与知识结构，先后提出了一些指导观念， 比较系统的观点如地质工程（孙广忠， 1984，1992，1993，1996） 、工程地质体控制论 （梁炯鋆等，1992） 、地质灾害立体防治系统 （卓宝熙，1994） 、变形体系论（余雨之， 1995）和岩体工程稳定性系统（孙玉科，1996） 等。在年轻一代中，也已有一些思路在实践中起 了一定作用，如地质灾害防治工程学（刘传正， 1994，1995，1996） ，它是基于地质灾害体变形 破坏机理分析而提出的，主要内容包括指导地质 灾害防治工程方案论证的七个原则和工程设计过 程的七个观念。 上述观点基本都是强调从地质体的特性去论 证工程方案的，是抓住了问题的本质的。不足之 处是其观念性较强，内容和工作方法却很不具体， 实际应用中的针对性和可操作性较差。理论研究 的薄弱导致了两种倾向，一是过分强调了地质分 析，而工程意识不够，未能从结构力学的角度去 研究地质体变形破坏的本质，反而导致地质分析 为工程服务的针对性不足，实质上削弱了地质意 识；二是过分强调了工程观念，未把地质体作为 一种具有自稳性和自组织性的工程结构对待，忽 视了人为设计的工程结构与地质体原有结构的耦 合作用，工程设计标准过高，工程量太大而又不 能把握住工程重点，造成资金的极大浪费，导致 即使是“成功的设计” ，仍然是“失败的战略” 。 问题的症结在于工程方案论证中对各个工程单元 的相互关系考虑不足，不理解这种考虑当然应是 寓含于各个工程单元之中的，而不是表面上的文 字陈述。因此，应该提出的正确理论命题是，地 质灾害防治工程的指导理论是地质观与工程观两 种观念的最佳耦合，是地质专家与工程专家的优 势互补，这种互补应是自觉的，而不是陷入浮浅 的争论却不能自拔的。地质观的核心问题是地质 体变形破坏力学机理的正确分析与超前预测，工 程观的核心问题是防治工程方案的比选优化及其 对施工反馈的相对灵活的可调整性或称可变更性。 2.22.2 地质观的核心问题 从实施防治工程的角度看问题，地质灾害体 的勘查与研究内容包括地质灾害体的环境条件、 自身结构特征、变形破坏特征、影响因素分析和 确定变形破坏力学机理，以及建立在机理分析之 上的稳定性评价和监测工程布置。这个阶段的核 心内容是确定变形破坏力学机理，它是正确建立 地质力学模型的最根本基础。 变形破坏力学机理分析绝不是控制性和影响 性因素的罗列，而是找出以控制性因素为基础条 件，地质体是如何在影响因素作用下，发展成现 有格局的，并预测其未来的发展趋势是什么，为 优选治本的工程方案作准备。研究思路是，观察 现象描述事实（包括监测内容）分析控制因 素和影响因素确定变形破坏力学机理，最后才 是选定合适的稳定性评价方法。那种拿到剖面就 进行计算的工作方法是不懂得辩证唯物论的认识 论的，因为他们不懂得把实践提到第一的地位。 他们的工作当然是很难解决实质问题的，不管其 表面看起来是多么有水平，多么让从事地质灾害 防治工作的“新手”羡慕不已! 地质灾害体变形破坏机理的研究应抓住以下 几个方面： （1）地质体变形破坏特征是变形破坏机理 的外在表现； （2）地质灾害发生发展的控制因素和影响 因素是变形破坏机制的内外因； （3）地质体的结构构造特征是控制变形破 坏机理的基础条件； （4）地质灾害体的概念模型和力学模型的 抽象源于正确的破坏机理分析； （5）地质体稳定性评价及其趋势预测源于 正确的破坏机理分析，只有破坏机理分析正确， 才能保证确定的力学模式正确，从而选定或创立 适用的计算方法； （6）变形破坏机理分析正确，才具备进入 工程方案论证阶段的基础，才能使选定的工程方 案具有针对性，也才能做好概念设计，才能最终 使工程布置和施工程序等走向可逐步优化的最佳 程式。否则，将陷入工程方案论证不下去，反复 讨论地质条件及破坏模式而不深入的“炒夹生饭” 的恶性循环中。已有的工作已出现多次这种实例， 导致时间、财力乃至精力的极大浪费。 不同的地质灾害类型，其变形破坏机理是极 不相同的，如滑坡的发生机理就可粗略分为牵引 式的和推移式的。确定了变形破坏机理是倾倒式、 滑移式还是平面转动式，是后缘推动滑移式，还 是前缘牵引滑移式，抑或是多种方式并存，从而 采用不同的工程方案。不进行机理分析而机械地 4 套用所谓的“先进的”计算方法是盲目的。进行 了机理分析而不深入、不准确，抑或是似是而非 的，自然抓不住问题的实质，采用了即使是复杂 而高深的计算方法也变成了游戏，也解决不了看 似简单的问题，尽管有关人员的初衷可能并非如 此。相反地，作者的经验是，地质体破坏机理分 析的正确，概化的地质力学模型正确，就可以立 足于用看似简单的计算方法去解决看似复杂的问 题，因为抓住了问题的根本，而只是忽略了枝节。 长江鸡扒子滑坡、万县豆芽棚滑坡、长江三峡链 子崖危岩体、乌江鸡冠岭山崩和宝鸡狄家坡滑坡 等的研究、论证或工程治理都是这方面的实例。 一个原则性结论是，不管技术科学是如何的 进步，对地质灾害现象之发生本质（机理）的认 识正确，将永远是第一位的，是决定性的。 2.32.3 工程观的核心问题 在地质灾害体变形破坏机理确定正确的前提 下，防治工程方案的比选优化就成为可行性研究 阶段的核心问题。慎重选定的最优方案是指导工 程设计和施工反馈调整的根本文件，是地质灾害 防治工程特殊于其它建设工程的关键，也是方案 论证处于防治工程阶段核心地位的原因所在。 2.3.12.3.1 一般思路一般思路 论证地质灾害防治工程方案要处理好主干项 目与单元项目的关系，即处理好整体与局部的关 系，即从整体出发，进行各分单元的研究，单元 成为整体综合的定性或定量依据，而整体的综合 分析结论又给单元研究以正确导向。任何一项工 程设计总是先从整体出发，深入分析到各个局部 （单元） ，再综合回到整体，并且多次地按照这 样的循环过程逐步深化，基本要求是完善的全方 位论证。最终提出多因素、大规模、层次复杂和 动态综合的地质灾害防治工程方案，这是符合多 级螺旋上升的认识论的。应强调，分散和综合都 有创造的问题，但局部地段（分散单元）方案的 创造要服从于整体。此阶段，设计工程师对地质 灾害体特征及其环境的深刻理解至为重要。 在防治工程方案确定以后，初步设计和施工 图设计的原则就是研究如何准确地实现方案的意 图。这种设计当然是一种无样板设计。从满足或 实现地质体稳定的要求出发，进行要求目标下的 适应性设计或可变更性设计。 建立计算机之设计支持系统是地质灾害防治 工程的一个重要方面。研究这个方面，应该也只 能是在下述条件的前提下进行，即必须具备强有 力的地质学知识结构、结构力学知识结构和工程 知识结构等作为支撑系统，否则，必然走向“形 似而神非”的怪圈而不能自拔。因此，从事地质 灾害防治工程工作的地质师和设计师，都不同程 度地存在着知识结构更新或调整的问题。 在同样的社会物质条件下，要卓越地完成一 处地质灾害防治工程，应该强调管理者、设计者、 监理者和施工者以及监测者等几方面的业务素质、 个人性格、修养、协作精神和社会责任心等方面 的重要作用。 2.3.22.3.2 方案设计论证的指导观念方案设计论证的指导观念 兵法曰：“自古不谋万事者，不足谋一时； 不谋全局者，不足谋一域” 。故有“利全局大势 为上，谋全局大势为本” 。对一处重大而复杂的 地质灾害体的研究、防治工程方案设计和施工反 馈分析，既要探求该地质体变形破坏的全过程特 征，以足认清其一时的发展特征甚至是异常变化 的本质，同时又要分析灾害体自身构成，不同组 成部分的异常现象，整体和局部各自的空间边界 条件，以确保把握住全局。绝不能从局部出发而 有意识，抑或是无意识地削弱对整个地质体环境 的全方位认识，造成“瞎子摸象”或“只见树木， 不见森林”的错误。 在施工前，地质灾害防治工程设计的根本核 心确实是方案设计。为搞好此工作，作者曾提出 了地质灾害防治工程方案设计研究的七个设计观 念和七个工作原则（刘传正，1995） 。经过多年 的实践，看来这些理论观念是成立的。七个设计 观念包括：现场或原位设计、计算分析设计、系 统综合分析设计（实质上是一种概念设计） 、代 偿设计、二次反馈设计（监理设计） 、可靠性设 计和计算机辅助设计等；七大设计原则包括地质 原则、效益原则、技术原则、目标原则、整体优 化原则和环境原则等。这些观念或原则当然不是 可以分阶段连续进行的，而是相互交叉，并在不 同阶段有所侧重的。实践证明，在实施一处地质 灾害防治工程方案研究和优化设计时，切实而不 失灵活地遵循上述设计观念和工作原则是能取得 良好效果的。 在上述理论思想中，最特殊地适用于地质灾 害防治工程设计，而又最不好把握的观念是代偿 设计，因为它必须在地质原则和初始反馈设计、 计算分析等正确的前提下进行。代偿设计要求设 计者对防治对象的关键地段（稳定储备低，对施 工干扰敏感的地段）预加一个储备安全度，且预 加的安全度应大于危险地段施工造成的安全度损 5 失。这个观念对于指导正确地确定工程布置、施 工程序、施工强度和施工工艺是至关重要的。 地质灾害体变形破坏机理的整体分析与局部 异常预测研究是代偿设计运用精当的前提，其核 心工作是在布置整个工程、确定施工次序和优化 监测布置前，预先推测局部地质体的变形与应力 状态及其控制条件，并据勘探、施工开挖或监测 及时地改进这种预测。这种预测不是就观察的现 象进行一般性的判断，而是根据新观察到的现象， 结合原已掌握的事实，对地质灾害体变形破坏机 理不断深化的更深层次的认识，是在大脑中形成 的一种更完善的三维应力应变模式或破坏图象。 这种图象有时并不一定能容易地用计算技术表达 出来，但它在工程上的作用是至关重要的，我们 曾用“思想试验”一词表达之。链子崖危岩体防 治工程初步设计阶段所提出的立体开裂变形机理、 高压区、低压区的划分和施工过程中提出的偏压 拱力学机理等都是超前预测研究，并成为优化工 程布置设定施工强度与施工程序的根本依据。 地质灾害防治工程的基本理论体现为两个观 点的最佳结合，一是地质观点，二是工程观点。 前者保证对灾害特征、成因和发展趋势的分析正 确无误，后者保证优化比选出能够达到防治工程 目标，而工程投资又合理的最佳方案。 2.42.4 工程效果检验 地质灾害勘查与防治工程实施不同于一般建 设工程的重要特征是监测工作连续地贯穿了其全 过程。地质灾害防治工程是一个系统的相互反馈、 相互印证体系。详实的勘查资料和正确的勘查结 论是后续工作顺利开展的基本前提，同时，后续 的每个工作阶段又不断补充完善并深化前期工作 的认识，即表现为对地质体的多次再认识，这是 地质灾害防治工作的特殊之处。 孙广忠（1996）是把效果检验作为地质灾害 防治工程实施的最后一个阶段提出来的，具体指 通过监测数据来检验评价工程竣工后防治工作的 成效，并认为这个阶段的时间约为 3a。 监测贯穿于地质灾害勘查直至施工完成后的 全过程，相应地效果检验是通过监测来实现的， 它也是存在于勘查直至竣工后的全过程的。在整 个过程中，监测随时起着及时反馈信息，检验勘 查重点或防治工程的阶段性效果，反馈指导工作 调整的作用，直至竣工后达到稳定的一段时期。 它实质上是一种全过程的效果检验。因此，地质 灾害防治工作阶段可划分为三大阶段勘查（表 5- 2） 。方案设计与施工是三个根本阶段，监测反馈、 效果检验、监理和管理都是贯穿于三大阶段全过 程的。 表表 5-25-2 地质灾害防治工作阶段划分地质灾害防治工作阶段划分 1地质灾害勘查或治理前期勘查 2防治方案研究与设计阶段 21 可行性研究方案比选亚阶 段 22 方案优化初步设计亚阶段 23 施工图设计亚阶段 3防治工程施工阶段 施工工艺创新与设计调整 全过程的地质再认识 全过程的监测反馈 全过程的效果检验 全过程的监理 全过程的管理 在勘查阶段，监测不但为勘查指明工作重点， 同时也检验、校核勘查取得的资料是否真实，是 否有针对性，勘查结论是否可靠等等，也即是检 验勘查效果的问题。 在防治工程方案论证与设计阶段，已有监测 资料的分析及其新的数据变化趋势的研究要比勘 查阶段更重要。因为它是方案论证工程师或设计 工程师核查地质体动态稳定性研究正确与否的重 要依据，消除勘查阶段可能存在错误的重要依据， 同时又是比选最佳工程方案和确定工程重点的重 要依据。例如，链子崖危岩体前沿的“五万方” 一直被认为是危险的，依据是其上的 G上点的位 移资料。设计阶段发现 G上点在 19791982 年位 移较大，是由于开挖探洞引起的，其实际的变形 量与其它监测点是同步的。 在施工阶段，监测除了延续原有的整体监测 工作外，还要着重监测开挖或造孔施工对地质灾 害体稳定性的影响。换言之，即要监测灾害体整 体或局部对施工地点、施工方式、施工强度和施 工时间的敏感性。这种施工反馈不仅仅是调整或 完善设计的依据，更重要的是对勘查以来所有的 分析和论证进行检验或校核，同时也对监测工作 本身进行检验，检验内容包括监测重点、监测点 密度、监测方式和仪器对监测环境的适应性等内 容，甚至包括监测仪器的量程等。无论那个环节 发现问题，都应马上改正。 地质灾害防治工程的施工是在勘察质量和设 计质量能够保证的前提下进行的，而强调设计与 施工阶段的勘查仍是必须的。 2.52.5 地质工程师和设计工程师的关系 6 在地质灾害防治工程实施过程中，有必要提 出地质工程师和设计工程师的关系问题，以便界 定二者的工作范畴，既要避免以偏重地质的观点 去涵盖工程或淡化工程的观念，同时也要避免以 构件化的工程概念去套复杂的地质体的倾向。一 个做具体工作的人应努力做到能够胜任地质研究 和工程方案论证两个阶段的工作。在工作过程中 能够自觉地认识到前后两个阶段的身份转换，甚 至是不断地互换。一个卓越的地质灾害防治工程 师在探讨地质问题时，应该而且能够站在地学立 场上，在讨论工程方案问题时，应该而且能够站 在工程学的立场上，并积极地寻求地学与工程学 之间的最佳联系，或促进地质师与工程师的对话。 当前，我国的大规模基础工程建设与矿山开 采引发的市场地质、商业地质或称经济地质概念 对地质师与设计师身份的互换之要求日趋强烈。 强化岩土工程体制，而淡化工程地质概念即反映 了这一趋势，尽管从长期而论，这是一种短视行 为。因为这种行为不利于地质环境的保护，削弱 了公益性地质学的作用，而地质灾害防治事业虽 然是一种工程，但显然更多地体现了公益性地质 工程学的宗旨，符合可持续发展的生态地球观与 环境观。 John MCampbell（1995）曾呼吁，要改变 科学家与工程师只是勉强的伙伴关系的状况。张 光斗（1996）也强调二者应成为紧密的伙伴关系。 在地质灾害防治工程领域，更应强调地质师与工 程师的紧密伙伴关系。地质工程师往往依靠观察、 试验数据或观测来判断问题，总结出规律，给出 不太鲜明的结论。设计工程师往往是，甚至是被 要求在规定的时间内（有时是急迫的）得到结论， 而要求的资料又常常不可能齐全，解决问题既需 要依据科学理论进行分析，而更多地表现为依据 对地质体的认识程度和个人的工程经验去设计工 程。设计师面对的问题显然有更大的综合性，一 方面要抓住地质体的关键特性，另一方面还要考 虑工程上实现的可能性，施工的可操作性及可能 达到的工程效果，即要在多方面条件的制约下解 决问题，最后给出的是半理论半经验的复合产品。 “在日本，迄今的滑坡防治只是一个概念论的实 践结果” （山口伊佐夫，1990） ，也反映了这种理 论探索与防治工程现实之间的距离。 参与地质灾害防治工程事业的地质师与设计 师，存在着相互学习，自我反省思考的问题。双 方都必须改变科学理论水平较弱，科技思维能力 尚差，地质研究不深人，工程观点浮浅，缺少创 新，不重视消化新理论和新技术的弊病。不努力 改变自我，就无从谈起真正意义上的开拓，而只 能热衷于一时的“模仿性”的时髦学风。这里， 尤其要对地质师与设计师强调，知识结构调整与 完善意义上的身份互换，是实现他们逐渐“磨合” ，达到最佳合作的重要前提。 参与地质灾害防治工程事业的各方都应正确 与自觉地界定自己的位置，监理方与施工方、监 理方与设计方、监理方与管理方等几方面的关系， 值得研究出一套共同遵守的规则。由于地质灾害 防治工程多是隐蔽性工程，施工后不易直接检查 施工质量，施工过程中监理方的作用和监测数据 的分析及预报要给予充分重视。专家组或咨询顾 问团的构成，要考虑既能保证充分民主，集思广 益，发挥每个专家的特长，又能较好地集中概括 出符合实际的集体意见来。总之，各方定位正确， 分工明确，既能各负其责，又能互助协作，是地 质灾害防治工程的各个环节走向规范化的基础。 3 3 工程可行性研究方案比选 地质灾害防治工程可行性研究是解决怎么办 的问题，分析研究问题的角度与方法和地质论证 明显不同，地质工程师应引起特别注意。即使在 岩土工程界，也有“经验不可少，计算作参考， 方案最重要，监测关把牢”的体会。 地质灾害防治工程可行性研究是探索通过某 种工程方法强化地质灾害体的既有稳定性或清除 其危险性，要求提出的工程措施能够适应防治对 象的现有条件或状态，与原有的稳定因素共同发 挥作用，即成为被加固对象的有机组成部分，并 与周围的地质环境相协调。地质灾害防治工程可 行性研究就是进行地质灾害防治工程方案的比选， 最佳目标是创造一个系统形成原有系统的有机组 成部分。这是一个满足预期要求的过程，也是一 个多方面知识综合运用、反复认识研究对象的过 程。它包括地质研究确定的目标、方案的分析综 合、多次论证、作图、试验、自我评估、现场实 施与监测及反馈修改等多个环节，其中心环节是 方案的分析综合。 3.13.1 比选原则 地质灾害防治工程不同于一般工程，它一般 不直接产出效益，也就是说，治灾成功所显示出 的效益常常是无形的。如长江三峡链子崖和黄腊 7 石两个重大地质灾害的防治并未见直接产生效益 如发电或出产品，但它保证了长江黄金水道的通 畅无阻则是一种隐形的巨大效益。因此，地质灾 害防治工程的方案论证应遵循如下几个原则： （1）地质原则 针对地质体破坏机制，以增强地质灾害体 （危岩体或滑坡体等）的自然稳定状态为根本原 则，尽可能不扰动或少扰动，按照地质体的破坏 机制对症施治。既要避免不清楚破坏机制，仅从 工程角度考虑问题，也要避免仅从地质分析出发 而忽视工程技术的偏颇。 （2）效益原则 地质灾害体的防治常需要投入巨资，但往往 不产生直接的效益（尽管已有资料称，治灾花费 与赢得的效益比是 1：101：20） 。因此，在实 现整治目标的基础上，应尽可能降低投资。 （3）技术原则 在正确反映地质体实际的基础上，要求工程 设计具有较好的可操作性，甚至可变更性，以期 方便现场施工。对于影响较大的地质灾害防治工 程，要求其成为治灾科研基地，普及防灾知识的 课堂。 （4）目标原则 针对地质灾害体所处的地理位置的重要性、 自身规模、发展现状与趋势设定整治目标，制定 工程设计标准，避免随意扩大防治工程或提高设 计标准的现象。实际工作中，通过确定最佳的目 标函数，强调通过防治关键部位，改善整体状况， 确定最佳的目标函数。 （5）整体优化原则 地质灾害整治一定要从整体出发，把地质灾 害体防治作为一个系统工程来对待，设计工程措 施主要为整体稳定服务，而不是局限于局部。即 使局部不最优，但整体组合最优，就是抓住了关 键。 （6）环境原则 地质灾害的整治应以改善地质体自身及其周 围的生态环境为原则，把地质灾害体与其环境作 为一个大系统来对待，避免纯粹从工程观点出发， 治好了此地又恶化了彼地的现象。 （7）社会安定原则 地质灾害整治工程的实施不能影响或干扰附 近居民的正常生活，避免造成公民心理恐慌，影 响社会安定。 地质灾害防治工程的方案应充分考虑或体现 上述七大原则。 3.23.2 比选方法 3.2.13.2.1 综合比较（类比）法综合比较（类比）法 综合比较（类比）法是地质灾害防治设计工 程师最常用的一种定性或半定量方法。基本工作 程序是： （1）根据地质灾害勘查报告确定的灾害体 变形机制、主要影响因素和稳定状态及发展趋势， 列出可能采用的所有工程措施； （2）逐项分析每项工程措施的地质环境适 宜性、工程造价和施工难易，初选出拟采用者； （3）确定几种工程措施组合作为比较方案， 一般选取 23 个方案进行比选； （4）按地质灾害防治工程方案比选原则推 荐一种方案，或同时提供一种备选方案。 3.2.23.2.2 目标函数法目标函数法 目标函数法是刘传正（1993）根据最优化理 论结合长江三峡链子崖危岩体治理工程设计而创 立的。 目标函数是综合考虑了防治工程要达到的目 标、技术可能性、材料性能和资金需求等多种因 素而建立的一个数学表达式。根据地质灾害防治 工程设计不同于一般工程结构设计的特点，处理 好定数设计（基于极限平衡原理）与可靠性设计 （基于概率分析）的关系。 根据勘查阶段稳定性评价结果，一般把滑坡 或危岩体发生前或发生过程中的稳定系数值作为 基础，把防治工程实施后达到的稳定系数作为设 计目标。 设计目标的确定主要考虑受危害对象的经济 价值和社会政治影响。目标稳定系数F 是一常数， 可表达为： （5-2）CxxxxfF n , 321 x1，1，3，n为一组设计参数（变 量） ，如灾害地质体的物理力学参数、边界条件 参数和工程措施如锚索、混凝土抗滑桩等的工程 参数。 优化设计的目标是在满足C值的前提下，设 计变量（1，1，3，n）的组合最小， 且是最佳组合，即求解： Min F（x） （5-3） 工程参数可分为三类：一是设计参数；二是 性能参数；三是中间参数。 8 在使用最优化设计程序时，设计工程师必须 预先准备好三方面的内容，一是设计变量，二是 设计的约束条件，三是最优设计的目标。在寻求 最优设计方案的过程中，往往把设计参数的一部 分用常量代替，先固定下来，而去调整另一部分 设计参数。作为调整的那一部分设计参数规定为 “设计变量” 。 3.33.3 设计标准 设计标准包括设计基准期和设计稳定系数， 设计基准期是指设计工程发挥正常功能的有效寿 命期；设计稳定系数是指设计的工程措施在设计 基准期内保证工程正常发挥作用的一个指标。 3.3.13.3.1 设计基准期设计基准期 设计基准期的确定主要根据地质灾害所危 害对象的社会、经济、环境、文化或政治利益的 大小，一般分为如下几类： （1）20a：一般以经济或环境利益为主， 且在较短时间内可以改善； （2）50a：以经济和环境利益或社会和经 济利益为主，且需较长时间方能改善； （3）100a：涉及经济、环境、社会和文化 政治等多方面的利益，且纳入国家建设或国土整 治规划；灾害风险大，危害严重； （4）100a：社会、经济与环境利益及政 治影响长远重大；灾害风险极大，危害极严重。 3.3.23.3.2 设计稳定系数设计稳定系数 设计的稳定系数应考虑自然地质体固有的稳 定储备、加固用的工程材料性能、施工质量（队 伍素质、机器设备、工艺、施工速度与强度）和 监理等质量等方面的因素。地质灾害防治工程的 最终质量可表达为： Q=（K，S，C，D，G） （5- 4） 式中，K勘察质量； S设计质量； C材料质量； D施工质量； G监理控制质量。 计算和工程经验教训证明，填土或挖方使斜 坡的稳定系数变化 005（链子崖煤层采空区链子崖煤层采空区 治理工程设定的开挖强度为此值的十分之一治理工程设定的开挖强度为此值的十分之一） ， 就可能诱发滑坡发生或使滑坡停止滑动。因此， 在设计基准期确定的前提下，正常荷载下的设计 稳定系数可分以下几种情况确定： （1）F =1.251.35 适用于极为重要的公路、铁路、黄金水道和 公共设施等关系国家命脉的交通设施、公民密集 聚居区或具有世界影响的地域或文化古迹，灾害 风险极大，危害极严重； （2）F=1.21.25 适用于重要公路、铁路、黄金水道、公共设 施、公民密集聚居区或重大政治文化影响地域， 灾害风险大，危害严重； （3）F=1.11.2 适用于一般公路、铁路、内河航运、公共设 施、公民居住区或文物古迹或风景地； （4）F=1.051.1 适用于一般性的应急防治工程。 表征地质灾害体目前稳定状态的稳定系数一 般由计算获得。一般的经验是，滑坡发生前或正 在发生过程中的稳定系数约为 0.91.05，在此 范围之外者，要么失去了最佳整治时机，要么不 足以立项开展工程治理，还需要更深入的地质论 证资料和监测证据。特殊荷载下的设计稳定系数 根据具体情况确定，一般要比正常荷载条件下降 低 0.050.1，且对于前述（1）和（2）两种情 况适用。 3.43.4 设计荷载 工程设计荷载是指工程运行期间可能承受的 所有荷载类型及其作用形式，具体类型包括自重、 温度、湿度、静水压力、动水压力、风、波浪、 动静冰荷载、雪、泥砂、地震和人为振动等。 3.4.13.4.1 正常荷载组合正常荷载组合 在工程施工和工程运行期间持久作用的所有 荷载类型及其作用形式称为正常荷载组合，如自 重、温度、湿度和静水压力等。 3.4.23.4.2 特殊（非常或极端）荷载组合特殊（非常或极端）荷载组合 在工程施工和工程运行期间突然或短时间作 用的所有荷载类型及其作用形式称为特殊荷载组 合，如地震、振动、飓风、急遽的水位变动、风、 波浪、动静冰荷载、雪、地震和人为振动等。 设计荷载取用原则，一般以正常荷载的最不 利组合为依据。根据工程的重要程度确定瞬时出 现的特殊荷载组合的部分或全部选用。 3.53.5 工程技术类型 地质灾害防治技术选择应立足于减轻灾害， 在此前提下，选择的工程技术类型越简单，越易 9 于实现越好。因为治理灾害一般不直接产出经济 效益，经济实用的技术是应该首先推荐的，自然， 为特殊的经济或工程目的者除外。 用于地质灾害防治的工程技术有多种，这 里初步把它们分为以下三大类（图 5-1）： （1）主动型排水（地表、地下排水） 、 削方、灌浆、高压注浆和锚固（锚杆、锚索）等； （2）被动型抗滑桩、挡墙、竖井桩、回 填和洞室抗滑键等； （3）复合型锚拉桩、锚拉墙等。 监测工程贯穿于从勘查到竣工的全过程，且 作为指导设计、变更设计与调整施工的依据，作 为预测预报的依据，乃至作为工程危险警报的依 据。 图 5-15-1 地质灾害防治工程技术类型 防治工程设计 地质灾害防治工程设计阶段的重点任务是方 案优化、初步设计、施工图设计和施工组织设计， 尤其是确定最佳工程布置、工程细部结构、施工 程序、施工工艺和最适宜的工程材料等。 4.14.1 工程结构设计回顾 要搞清地质灾害防治工程设计，首先必须对 工程（结构）设计有正确的认识，它是地质灾害 防治工程设计的科学基础。NM纽马克 （1971）曾提出，工程设计的目的是使今后从系 统获得的功利最大。广义的设计概念则可理解为 提出并确定创造新事物的见解。纵观历史，工程 结构设计师们曾走过了一条逐步完善，逐步可靠 的道路。 最早的建筑法律见于巴比伦的汉谟拉比 （Hammurabi）法典，它规定了房屋破坏或倒塌对 建造者的惩罚条文。 4.1.14.1.1 生物比拟法生物比拟法 生物比拟法是最早的结构设计方法，如柱子 就曾按人腿的比例设计，现在仍有“牛腿”一词。 西方古建筑主要采用笨重的承重墙和拱式体 系，中国古代房屋建筑结构多采用构架体系，即 梁柱体系。 4.1.24.1.2 容（允）许应力法容（允）许应力法 4.1.34.1.3 破损阶段法破损阶段法 4.1.44.1.4 分项系数极限状态设计法分项系数极限状态设计法 前苏联于 1954、1955 年颁布，当时仅限于风、 雪荷载的考虑，欧、美也于同期开始颁布。我国 预防措施 工程措施 主动型 被动型 复合型 改变坡形 填方压脚、削方减重 排除地表水 疏导、防渗 增大抗滑力：锚固工程、注浆工 程 抗滑桩、挡墙、竖井桩、 洞室抗滑键、设立防护网 锚拉桩、锚拉墙 排除地下水：截断地下水；浅层 暗沟；深层水平钻孔、集水井、 泄水涵洞、立体排水 排气工程、焙烧、电化学 生态措施 工工 程程 技技 术术 躲避、监测预警 10 于 20 世纪 60 年代公布第一批设计规范也开始采 用，该方法又称三项系数法，即超载系数、工作 条件系数和材料均匀系数。它在部分材料和荷载 取值上采用了数理统计方法，工作条件系数依据 经验，是一种半概率、半经验的方法。 全概率设计方法（水准）是世界各国追求 的目标，但要使全概率设计方法达到实用，还要 经历一个相当长的发展过程，它依赖于结构可靠 度理论的发展。 结构可靠度是结构安全性、适用性和耐久性 的概称，也即在规定时间内和规定的条件下完成 预定功能之概率（Ps） 。 “规定的时间”即设计基准期，一般为 50a，不能完成预定功能的概率称失效概率(Pf) Ps+Pf =1 （5-8） 计算Pf要用多重积分，数学上复杂。 国际上通常用可靠度指标来度量。 在上述过程中，理论上取得了长足的进步， 但在实际的工程设计中，并不是后期的方法推广 了，前期的方法就完全被抛弃，而是奉行了更加 综合使用的原则。 4.2 设计阶段划分以链子崖危 岩体防治工程为例 链子崖危岩体是国家拨巨资予以整治的重大 地质灾害防治工程，它的工程设计过程很有代表 性，可以作为一个范例说明方案设计、初步设计 和施工图设计等不同设计阶段的特点。 4.2.14.2.1 防治工程可行性研究防治工程可行性研究方案设方案设 计计 在可行性研究阶段，主要是进行方案比选， 链子崖防治工程分别由三个单位提出了三个方案 进行比选。 （1）长江航运规划设计院方案 提出“网络状抗滑键和锚索”方案，煤层采 空区为抗滑键和导洞锚索形成底部网络状抗滑加 固系统，中部危岩体用两层多洞室空间锚索群组 成。 对于底部（煤层采空区） ，它包括“T”型钢 筋混凝土抗滑键 + 嵌固键 + 保安煤柱与工作洞 回填 + 钢筋混凝土预应力锚索。 （2）道部第二勘测设计院方案 根据地质报告和模拟试验的研究，采用水平 抗滑 + 置换嵌固键 + 灌注混凝土 + 块体前后端 锚拉、支承块等构成的综合方案。 （3）长江水利委员会方案 研究论证了两种方案，一是预应力锚固方案， 二是混凝土承重阻滑键方案。最终推荐了前缘锚 固，煤层采空区采用混凝土承重阻滑键方案。 在这个阶段，综合考虑了地质破坏机制、工 程造价和技术可行性等，批准了主体工程以承重 阻滑键方案为主作为工程初步设计基础。 4.2.24.2.2 初步设计初步设计 在此阶段，地质矿产部地质灾害防治工程勘 查设计院的设计人员进一步分析了危岩体的开裂 变形特征，煤洞内采空情况与地压显示规律，得 出链子崖危岩体 T8T12缝段具有南北强拉裂，东 西弱拉裂，以 T12缝北端锁固而呈平面反时针转 动的立体开裂变形机制。在此基础上，又对比分 析了前人提出的水平悬臂抗滑梁、砌体挡墙、抗 滑桩、预应力锚固，支承块、灌注混凝土、混凝 土承重键等多种方案，从而针对危岩体开裂变形 机制，通过建立目标函数的方法，提出煤层采空 区以承重阻滑键（T 型） + T12缝注浆增阻抗滑+ 东端锚固的综合方案。 综合方案的设计思路得到专家组的肯定，但 煤层采空区分布不清，耽心预应力锚索遇采空区 加力效果差，建议暂不考虑，并进一步优化设计。 4.2.34.2.3 施工图设计施工图设计 在施工图设计阶段，再次对比了各种方案的 整治效果、施工难度、工程造价，决定以混凝土 承重阻滑键为主，T12缝的回填注浆作为安全储备 处理。 此时的抗滑键设计，与方案比选和初步设计 阶段相比，在工程布置、工程量、施工工艺、施 工强度设定、施工程序和施工效果监测等方面都 进行了大大优化，如提出并设计完成了混凝土承 重键格架体系，避免了大面积全断面开挖、使键 体布置互相支撑等，贯彻了地质灾害设计思路 （尤其是代偿设计原则）和防治原则（如地质原 则、技术原则和效益原则） 。 4.2.44.2.4 施工组织设计施工组织设计 施工组织设计在设计技术交底和图纸会审完 成后，由施工单位完成。主要内容包括施工程序、 施工操作工艺与流程、工程材料的制备及要求、 施工质量及保证措施、施工安全、施工准备和施 工进度、施工组织机构、人员配备。 4.34.3 数值设计与概念设计 11 工程设计主要遵循两种思路，一是建立于大 量计算基础上的数值设计法（Numerical Design） ； 二是建立于综合分析与判断基础上的概念设计法 （Conceptual Design） 。 数值设计主要依靠计算分析得出的数据而进 行，它们的应用是有条件的。针对特定的对象如 机械或飞机等纯粹人为创造物的设计，材料与结 构的应力应变分析占有十分重要的地位，因为材 料具有较好的均一性。即使这样，常常出现的应 力集中、材料疲劳损伤、蠕变破坏或应力松驰仍 是不易解决的难题。 概念设计是指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 理的设计。 概念设计是 Berternvv（1980）针对抗 震设计而提出的。它基于现阶段的抗震设计还是 一项“艺术” ，而非完全是一项“科学” ，建筑也 是如此。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，仍未很好地解决建筑物抗震问题。如对 重力坝的抗震设计，采用静力法公式KH=ag 太 保守，工程投资浪费太大。现多采用考虑了动力 分析的拟静力法公式Kc=KHCZF，但这个公式 也只在一定的坝高范围内适用。对于重大地质灾 害，使用KH太保守，使用Kc显然偏于冒险，究 竟如何取值，是一个很值得研究的问题。 显然，概念设计的思想对地质灾害的研究与 防治工程设计具有巨大的指导意义。 4.4 设计过程的指导观念 至今，在地质灾害防治过程中已提出了许多 的观念，如现场设计、反馈设计、监理设计；计 算分析、分析设计、代偿设计和计算机辅助设计 等，这些观念的内容是什么，它们彼此间的关系 如何，是非常需要给予阐明的。 （1）初始反馈设计现场（原位） 设计 它实质上是一种现场（原位）设计，是在勘 察、研究的基础上，针对现场实际做出的最初的 设计方案，要求尽可能维持灾害体的现有变形状 态。它应贯穿于更高层次的设计之中。它也包括 了设计人员在现场考查时就综合分析判断形成的 初步方案，这是一个反复认识的过程，这也是有 别于一般建筑工程的特点。 （2）计算分析设计 这是一个对初始反馈资料进行量化的过程， 为确定工程措施和工程量服务，但因计算精度的 局限性与设计对象的复杂模糊性，常常出现对定 量计算结果定性使用的现象。 （3）综合分析设计系统设计 法 它是对地质体破坏规律、计算方法的实用性 论证和工程技术特点综合分析的一种方法，它可 以从宏观方面把握问题的实质，避免发生原则性 错误。 （4）代偿设计 主要用于指导工程布置、施工工艺和施工顺 序。对于不同的地质灾害甚至同一灾害体的不同 部位，它对于布置工程量的要求、工程措施的种 类、施工方法、施工强度和先后次序有不同的要 求。代偿设计要求施工预加给防治对象一个储备 安全度，预加安全度的储备能力要大于施工造成 的安全度损失。 （5）二次反馈设计监控设计 也称信息或情报施工法，是指在开挖或钻孔 工程中，发现或监