堤防潰口應(yīng)急搶險技術(shù)研究綜述

(長江科學(xué)院 水利部巖土力學(xué)與工程重點實驗室，武漢 430010)

1 研究背景

我國江河流域面積廣闊，洪澇災(zāi)害引起的險情眾多，人類多依水而棲，生命財產(chǎn)安全頻繁受到威脅，其中，潰口的危害及破壞力尤其巨大。歷史記載新中國成立以前的2 000多年中，黃河發(fā)生決口1 500多次，長江發(fā)生較大洪水災(zāi)害200多次，1499—1949年450 a間湖北省境內(nèi)江漢干堤潰口達(dá)180多次。

洪澇災(zāi)害自古以來都是人類面臨的重要自然災(zāi)害，潰口險情一直以來備受關(guān)注，但堤防潰口位置往往難以預(yù)測，交通大多斷絕，堵口物資極度缺乏[1]，應(yīng)急搶險難度很大，如圖1和圖2所示。

圖1 周家墩民垸堤潰口Fig.1 Dyke burst ofZhoujiadun圖2 新華垸潰口Fig.2 Dyke burst ofXinhuayuan

最初原始社會時期對江河堤岸潰口的應(yīng)對措施為躲避，即“擇丘陵而處之”[2]，至先秦時期開始出現(xiàn)堵口措施，但未形成系統(tǒng)，漢代開始使用埽工材料，逐步形成埽工堵口技術(shù)，且于宋代發(fā)展成熟，至清代廣泛應(yīng)用[3]。近代堵口技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展，多用柳枝、秸稈、土石料等當(dāng)?shù)夭牧献鳛檐９げ牧?，配合人力和簡單的工具，修筑附屬挑流壩、引河，以及裹頭、正壩、邊壩、二壩、后戧，經(jīng)合龍和閉氣后，進(jìn)行復(fù)堤，從而在非汛期對潰口進(jìn)行封堵[4-5]，形成了較為完整的傳統(tǒng)堵口技術(shù)。

傳統(tǒng)堵口技術(shù)耗時長，堵口效率低，且過度依賴人力，機(jī)械化程度不高，如圖3和圖4所示。隨著社會發(fā)展，傳統(tǒng)堵口技術(shù)已經(jīng)無法滿足現(xiàn)代堤防工程應(yīng)急搶險的需求，亟需更高效、更科學(xué)的機(jī)械化、高水平搶險技術(shù)。

圖3 傳統(tǒng)堵口技術(shù)Fig.3 Traditional blockingtechnology圖4 人工錘擊木樁Fig.4 Manual piling

為了便于工程技術(shù)人員更好地掌握潰口發(fā)展基本規(guī)律，促進(jìn)堤防堵口應(yīng)急搶險技術(shù)發(fā)展，本文擬從潰口口門發(fā)展規(guī)律和水流特征、堵口應(yīng)急搶險技術(shù)、拋填料穩(wěn)定與抗沖結(jié)構(gòu)、堵口搶險物資與裝備等方面進(jìn)行系統(tǒng)綜述，并結(jié)合搶險現(xiàn)代化趨勢與要求進(jìn)行評述，對其中一些關(guān)鍵問題進(jìn)行探討，以期能提供有益的借鑒。

2 潰口口門形態(tài)變化及水流特征

堤防潰口相關(guān)理論研究集中在潰口口門形態(tài)變化規(guī)律及主要影響因素、漫頂潰決發(fā)展規(guī)律及水流特征、潰口關(guān)鍵參數(shù)計算方法等方面。

田治宗等[6]采用動床實體模型試驗，研究了黃河堤防潰口水力和沖淤特性，表明口門下游裹頭部位局部沖刷最明顯，且口門斷面存在繞流是沖刷坑的主要成因；余明輝等[7]利用室內(nèi)試驗探明了無黏性土堤漫頂潰決口門形態(tài)變化規(guī)律，并指出水頭差是影響口門展寬發(fā)展的主要因素，河道流量影響口門最終形態(tài)，堤身填料粒徑越大，潰口發(fā)展越快，口門最終寬度越窄；張修衷和王光謙[8]計算了不同潰口寬度、流量和堤身粒徑條件下水流演進(jìn)及沖刷坑發(fā)展規(guī)律，沖坑深度隨時間的發(fā)展規(guī)律如圖5所示，獲得了潰口搶險中堵口結(jié)構(gòu)受力及穩(wěn)定分析的水動力學(xué)條件。

圖5 沖坑深度隨時間的發(fā)展規(guī)律[8]

魏紅艷等[9]指出無黏性土堤漫頂潰決可分為漫流、沖槽、展寬及穩(wěn)定4個階段，并揭示了潰決過程中流量與口門寬度、水頭差的變化規(guī)律； George[10]和Olivier[11]研究了潰堤漫頂水流形態(tài)，并將其分為堤頂前半部分的緩流區(qū)、堤頂后半部分的急流區(qū)以及邊坡急流區(qū)。

楊光煦[1,12]建立了決口過流量及流速與口門形狀及寬度、堤前后水深之間的定量關(guān)系，如式(1)所示，并推演了決口背水側(cè)最大流速計算方法，如式(2)所示。

(1)

(2)

式中:Q為決口過流量(m3/s)；μ為流量系數(shù)，0.6～0.65；H1為堤前水深;H2為堤后水深(m)；b為口門寬度(m)；V為口門平均流速(m/s)；Z為水頭差(m)；μ1為流速系數(shù)，取0.6～1.0。

梁林和倪晉仁[13]在已有潰壩計算方法的基礎(chǔ)上，考慮口門水流特征和形態(tài)變化過程，建立了適用于潰堤過程模擬的數(shù)學(xué)模型；顏志慶等[14]對堤防潰口特征和水流特性相關(guān)研究進(jìn)行了綜述，參考潰壩流量計算公式[15]，并結(jié)合潰堤與寬頂堰流之間的相似與差異[16]，總結(jié)了潰堤口門流量與流速的計算和驗證方法。

上述研究從室內(nèi)試驗及預(yù)測計算方法等角度對潰口形態(tài)變化及影響因素進(jìn)行了研究，可得到如下基本規(guī)律：水頭差是潰口規(guī)模與口門最終形態(tài)的主要因素，河道流量和堤身填料影響潰口發(fā)展速度和口門最終形態(tài)；決口過流量及流速可通過口門形狀及寬度、堤前后水深等參數(shù)進(jìn)行定量計算。

現(xiàn)有研究對掌握潰口關(guān)鍵參數(shù)提供了一定的理論基礎(chǔ)，而研究堵口措施對潰口發(fā)展的影響規(guī)律是堵口效果評價的重要途徑，但相關(guān)研究較為缺乏。

3 潰口應(yīng)急搶險技術(shù)研究

長期以來,傳統(tǒng)堵口搶險技術(shù)是應(yīng)對潰口災(zāi)害的主要措施，直到近幾十年，眾多學(xué)者專家開始對堵口技術(shù)進(jìn)行研究與開發(fā)，取得了眾多成果。

20世紀(jì)90年代長江流域的幾次洪水，大規(guī)模堵口案例為堵口搶險積累了豐富的經(jīng)驗，形成了完整的堵口搶險技術(shù)體系。1998年九江堵口搶險中，第一時間拋投大量汽車、重型卡車、小型船只等交通工具，但都未能在潰口站住，最后，用1 000 t長航運(yùn)煤船才擋住了潰口，并且繼續(xù)在水流前面拋了幾只小船，才把潰口穩(wěn)定下來。楊光煦[1,17]總結(jié)九江潰口搶險經(jīng)驗，提出堵口搶險關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)：沉船初堵、裹頭搶護(hù)、拋填截流戧堤、鋼木組合結(jié)構(gòu)組合堤、布置后戧臺、水下拋土鋪蓋閉氣。具體堵口工程結(jié)構(gòu)和堵口現(xiàn)場，如圖6所示。

圖6 九江堵口工程結(jié)構(gòu)示意圖及搶險現(xiàn)場

中國人民解放軍51002部隊[18]官兵提出了鋼木土石組合壩堵口技術(shù)，并在1996年饒陽和1998年九江堵口進(jìn)行應(yīng)用，勞道邦和賈千里[19]對該技術(shù)中結(jié)構(gòu)設(shè)計進(jìn)行了穩(wěn)定性分析，并提供了壩材選型研究。

由于地形和泥沙條件差異，黃河流域堵口技術(shù)與長江流域堵口技術(shù)有一定的差異。針對黃河流域潰口險情，黃河防汛抗旱總指揮辦公室在1999年11月至2001年11月期間專門組織多家單位開展堵口搶險科技攻關(guān)，取得了較多成果，并在長期實踐中，逐步建立了適用于黃河流域堵口搶險系統(tǒng)技術(shù)。朱太順[20]總結(jié)聯(lián)合攻關(guān)研究成果，提出適用于黃河堵口搶險的“裹”、“攔”、“導(dǎo)”、“分”、“堵”、“排”、 “圍”的七字方針；李躍倫等[21]對該七字方針的科學(xué)合理性進(jìn)行了驗證分析；張素平等[22]結(jié)合黃河堤防潰口典型案例對該方針進(jìn)行了深入解析；徐齡福[5]指出堵口可按裹頭防護(hù)、進(jìn)堵、合龍、閉氣和善后復(fù)口進(jìn)行，并分步進(jìn)行了相應(yīng)詳細(xì)敘述；祝杰等[23]討論了該方法在黃河以外其他流域的適用性。

另外，部分學(xué)者針對潰口規(guī)模和特點，提出了多種適用條件不同的堵口搶險技術(shù)。潘恕等[24]提出了橡膠壩圍堰快速堵口技術(shù)，并指出適用于流速不大于3 m/s，水深不超過5 m的潰口條件；毛昶熙[25]指出立堵、平堵、混合堵是合龍常用堵口方法，并對各自特點和適用條件進(jìn)行了分析；汪濱等[26]指出現(xiàn)有堵口技術(shù)效率偏低，并對鋼木組合堤構(gòu)筑進(jìn)行了改進(jìn)，利用螺旋錨在急流中生根，提出了相應(yīng)的機(jī)械下錨機(jī)；汪濱等[27]為了提高堵口效率，提出了一種快速堵口裝備式體系、安裝裝置及使用方法，但存在工法繁瑣、抗沖可靠性問題；江召兵等[28]在沉箱堵口的基礎(chǔ)上，利用火箭錨提供錨固力，提出了一種火箭錨快速錨碇沉箱的堵口方法；嚴(yán)建國等[29]為實現(xiàn)遠(yuǎn)距離控制作業(yè)，降低風(fēng)險，在水力學(xué)模型試驗的基礎(chǔ)上，提出了箱型結(jié)構(gòu)物封堵堤壩潰口技術(shù)。

綜上分析可知，因地形和水力條件不同，不同流域的堵口搶險技術(shù)存在一定的差異，不同堵口搶險技術(shù)的適用條件也不同，但堵口的核心思想均為逐步拋填逐步降低流速，即拋填物料穩(wěn)定后降低流速，而流速降低后拋填物料穩(wěn)定性進(jìn)一步提高。初堵拋填物料的抗沖穩(wěn)定性應(yīng)滿足初始流速條件，初堵后決口流速降低，全過程配合裹頭防護(hù)等多項輔助措施，最終閉氣成堤。

4 拋投料抗沖穩(wěn)定性與抗沖結(jié)構(gòu)體系

保證拋投物料抗沖穩(wěn)定性是成功堵口的關(guān)鍵，抗沖結(jié)構(gòu)體系是提高拋投物料抗沖穩(wěn)定性的有效措施。

4.1 拋投料體抗沖穩(wěn)定性

堵口工程中，拋投料體的選擇極其重要[30]。最早，伊茲巴什和哈德列等[31]針對平堵提出了塊石拋投穩(wěn)定性計算的伊氏公式；肖煥雄等[32-34]在伊氏公式的基礎(chǔ)上，改進(jìn)和推導(dǎo)了混凝土四面體和立方體的抗沖穩(wěn)定計算方法；戴曉兵和張仕善[35]在截流模型試驗的基礎(chǔ)上，提出了半經(jīng)驗半理論公式。楊光煦[1,11]研究了拋石堵口過程中水力學(xué)特征，推導(dǎo)了堆石體平均過水量qs與堆石體幾何尺寸以及塊徑之間的定量計算公示，如式(3)所示，建立了堆石拋投體在流水中的抗沖穩(wěn)定性驗算方法。

(3)

其中，

式中:H為堆石料高度(m)；L為堆石料底寬(m)；K為紊流滲透系數(shù)(m/s)；Δz為水頭差；n為堆石料孔隙率，約0.4；D為塊徑(cm)；a為形狀系數(shù)，球形取4，棱角塊石取5。

鉛絲網(wǎng)石籠在黃河流域堵口搶險中應(yīng)用較多，如圖7(a)所示。周景芍等[36]通過模型試驗研究鉛絲網(wǎng)石籠水下沉落形式為弧線下沉，可分解為沿坡面下沉和順?biāo)鞣较蚧瑒?，同時指出高水流條件下會出現(xiàn)先滑落后滾落的運(yùn)動形式，并研究了坡面沉落時間和拋投偏移量。單定軍等[37]利用潰口模型試驗?zāi)M堵口條件下重物拋投運(yùn)動過程，并建立了運(yùn)動過程預(yù)測模型。

圖7 現(xiàn)代常用堵口拋投場

土工長管袋和土工包具有較強(qiáng)的地形適應(yīng)能力，透水性和抗沖刷性能均可控，在堵口搶險中的應(yīng)用越來越多，如圖7(b)所示。程義吉[38]研究指出土工長管袋適用于平堵，且施工流速不宜超過3 m/s；周景芍等[36]研究了土工長管袋在水中下沉為頭慢尾快，且管帶自身呈上凸曲線，向下游偏移量在1～2.5 m之間，沉落過程中，拉繩拉力隨著管袋大小、流速、水深的增大而增大，繩越長，拉力越小，拉力最大出現(xiàn)在長管袋觸底瞬間；趙雨霖等[39]研究指出不同流速條件下，土工包土石比例不同，當(dāng)流速低于1 m/s時，土石比例可大于5∶1；當(dāng)流速在1～2 m/s之間時，土石比例4∶1；當(dāng)流速>2 m/s時，土石比例3∶1較為合適。

分析可知，塊狀拋投料的抗沖穩(wěn)定性與幾何形狀和尺寸密切相關(guān)，堆石體在流水中的抗沖穩(wěn)定性除了與塊石塊徑、形狀系數(shù)有關(guān)，也與堆石體形成后寬度相關(guān)，拋投形成寬度越大，堆石體抗沖穩(wěn)定性越高；土工長管袋(包)沉落偏移量較小，沉落過程中所需的拉力與土工長管袋(包)的大小、沉落區(qū)域流速和水深相關(guān)，最大拉力出現(xiàn)在觸底瞬間，適用條件與填充料的土石比例有關(guān)，土石比例越小，可適應(yīng)的流速越大。

4.2 抗沖結(jié)構(gòu)體系及適用條件

為了增加拋投料的抗沖穩(wěn)定性，減少堵口過程中拋投料的流失量，不少學(xué)者專家[1,4,11,17,19-23,36]研究提出了各種各樣抗沖結(jié)構(gòu)物，均不同程度地降低了拋投料體的流失率，具體結(jié)構(gòu)型式如表1所示。

表1 堵口抗沖結(jié)構(gòu)型式

上述結(jié)構(gòu)適用條件各有不同。沉船、沉箱適用于口門過流量、流速、水頭差較大的大型潰口，可快速形成堵口條件，如九江堵口初堵；鋼柵欄石結(jié)構(gòu)適用于水流速超過3 m/s，人力拋填物易流失的潰口，例如九江堵口合龍，如圖8(a)所示；鋼木組合構(gòu)架適用于流速<2.5 m/s、水深不超過8 m的潰口，類似滹沱河饒陽潰口、九江潰口、蘇州無錫小型河流潰口，如圖8(b)所示；石袋堆碼結(jié)構(gòu)適用于流速不大的小型潰口，采用人力裝運(yùn)堵口，如圖8(c)所示；埽工結(jié)構(gòu)適用于含沙、泥量較高的決口，避免拋石陷入泥沙內(nèi)，例如黃河流域潰口，如圖8(d)所示；榪槎結(jié)構(gòu)適用于水深不大于4 m、流速不大于3 m的卵石河床潰口，改進(jìn)后，可用于水深不大于13 m的潰口例如1998年湖南安鄉(xiāng)垸堤決口。

圖8 堵口抗沖結(jié)構(gòu)型式

綜上可知，拋投物料和抗沖結(jié)構(gòu)直接關(guān)系拋投料抗沖穩(wěn)定性，但相關(guān)研究目前發(fā)展較為緩慢，是堵口搶險急需深入研究的重要方面。

圖9 防汛搶險快速植樁常用裝備

5 堵口搶險物資與裝備

堵口搶險過程中的施工機(jī)械與裝備直接影響搶險的效率及成敗，主要體現(xiàn)在初堵降流速、堵口物料拋投、快速植樁等方面。

目前，初堵降流速是堵口的首要條件，例如九江堵口搶險，沉船初堵為堵口搶險提供了基本條件，大型船只是初堵降流速的重要物資。大型駁船或直升機(jī)是大型潰口中拋投土工包必不可少的拋投裝備； 挖掘機(jī)及裝載機(jī)等是中小型潰口搶險中拋投鉛絲網(wǎng)石籠及土工管袋等必不可少的搶險裝備。 堵口搶險中往往有大量植樁工作，植樁的快慢決定了堵口搶險效率的高低。目前堵口搶險常用植樁設(shè)備主要分為機(jī)械式打樁機(jī)、重力/柴油打樁機(jī)、氣動打樁機(jī)，如圖9所示，下樁能力依賴錘頭自重，下樁深度不超過4 m。

考慮到堤防潰口搶險植樁需求和環(huán)境條件，所用機(jī)械設(shè)備的體積和重量須合適，兼具高效和便攜特征。液壓激振打擊錘利用偏心塊高速運(yùn)動提供上下激振力，配合裝載機(jī)等現(xiàn)場設(shè)備，植樁深度超過15 m，具有較好的便攜性、高效性以及環(huán)保優(yōu)勢(如圖10所示)，是堤防潰口搶險快速植樁裝備的發(fā)展方向。

圖10 液壓植樁裝備

6 結(jié)論與建議

對堤防潰口變化過程、堵口應(yīng)急搶險技術(shù)以及關(guān)鍵措施和裝備等方面進(jìn)行了總結(jié)和歸納，主要結(jié)論如下。

(1)堤防潰口險情具有突發(fā)性，決口部位難以預(yù)測，應(yīng)急搶險現(xiàn)場交通不便，物資緊缺，大型機(jī)械難以施工，目前我國堤防潰口應(yīng)急搶險現(xiàn)代化水平不高，搶險效率偏低。

(2)因地形和水力條件不同，不同流域的堵口搶險技術(shù)存在一定的差異，不同堵口搶險技術(shù)的適用條件也不同，但堵口的核心思想均為逐步拋填，逐步降低潰口流速，最終合龍、閉氣成堤。

(3)輕便高效的現(xiàn)代化搶險裝備是提高堤防應(yīng)急搶險效率的關(guān)鍵內(nèi)容，是改變堤防搶險“人海戰(zhàn)術(shù)”現(xiàn)狀的重要途徑之一。