2020年鄱陽湖圩堤險情應急搶險技術回顧與思考

程 永 輝，陳 航，熊 勇

(長江科學院 水利部巖土力學與工程重點實驗室，湖北 武漢 430010)

2020年6月以來，我國南方持續(xù)降雨，長江漢口至九江流域降雨量超過800 mm，超過1998年同期。受強降水和上游來水共同影響，鄱陽湖主體及附近水域面積擴大，水位快速上漲。7月12日，鄱陽湖標志性星子站水位已達22.74 m，超過1998年最高水位(22.52 m)。鄱陽湖水位超歷史極值的上漲，導致多處圩堤發(fā)生險情，險情數(shù)量多、種類繁、危害大，搶險救援任務重、時間緊，對現(xiàn)有應急搶險技術提出了嚴峻的挑戰(zhàn)。

關于堤防險情的種類與成因、發(fā)展過程、致潰機理以及搶險方法，國內外學者開展了大量的研究與實踐。在險情成因與發(fā)展方面，毛昶熙[1]、吳慶華等[2]對管涌問題的研究發(fā)展過程進行了綜述與評論。陳建生等[3]對堤防滲流管涌發(fā)生后產生集中滲漏通道的機理進行了研究，確定了險情的發(fā)展過程。吳昌瑜和丁金華[4]根據(jù)現(xiàn)場調查、勘探和試驗成果，分析了1998年九江市堤防潰口段的破壞機理。在搶險技術方面，李士森等[5]介紹了堤防漫溢和脫坡險情的搶護方法，楊光煦[6]回顧了九江干堤堵口的過程和方法，熊勇等[7]對潰口的搶險方法進行了總結和評價。許多學者結合防汛搶險實踐，總結了汛期堤防各種險情的搶險關鍵技術和方法，并對堤防建設、監(jiān)測預警、運行管理等方面提出了建議[8-13]。

本文以鄱陽湖圩堤防汛搶險實踐為基礎，綜合介紹鄱陽湖圩堤出險及搶險的整體情況，然后針對圩堤發(fā)生的典型險情。介紹采用的應急搶險技術和設備，歸納其優(yōu)勢與不足，最后綜合考慮汛前防御和汛后重建的要求，提出防汛應急搶險技術的發(fā)展方向，為防汛應急搶險提供智能、便捷、高效的思路和方法。

1 鄱陽湖圩堤險情整體情況介紹

據(jù)江西省防汛抗旱總指揮部全省險情匯總統(tǒng)計，2020年7月8日至8月6日，鄱陽湖區(qū)堤防(包括上游五大水系堤防)共發(fā)生險情約1 900處，種類包括滲漏、管涌(當?shù)匾卜Q泡泉)、散浸、穿洞、漫頂、脫坡、塌陷、潰口等，出險范圍幾乎涉及鄱陽湖所有圩堤。根據(jù)險情發(fā)生時的水位統(tǒng)計，超過90%的險情發(fā)生在水位超過警戒水位后，余下的險情發(fā)生在水位接近警戒水位時。根據(jù)險情發(fā)生在堤防橫斷面的位置統(tǒng)計，大部分險情發(fā)生在距堤腳50 m范圍內，種類涉及所有險情類型，超過50 m距離的險情占比為29.4%，超過100 m距離的險情占比為8.4%，主要表現(xiàn)為管涌險情，距堤腳最遠距離為800 m。

2 典型險情搶險技術回顧與不足

2020年鄱陽湖區(qū)圩堤險情數(shù)量多，類型幾乎全覆蓋。雖然其規(guī)模、位置、發(fā)生時間等有所差異，但相同類型的險情其成因及搶險手段基本類似。本節(jié)依據(jù)險情類型和搶險救援實踐，選擇圩堤險情中較為常見的管涌、散浸、漏洞、漫溢、脫坡和潰口6種險情，對其應急搶險方法分別進行介紹，并指出存在的不足。

2.1 管 涌

管涌是指在滲流作用下，土體中的細顆粒被地下水從粗顆粒的空隙中帶走，從而導致土體形成貫通的滲流通道，表現(xiàn)為翻砂鼓水，進一步發(fā)展會造成土體塌陷的險情。2020年鄱陽湖區(qū)圩堤險情中管涌發(fā)生次數(shù)最多，占比達到近50%，其出險位置離堤腳的距離范圍大，最遠可達800 m。此次鄱陽湖圩堤管涌險情發(fā)生的主要原因是水位過高、上漲過快，部分堤基的薄弱處以及廢棄未封堵的水井出現(xiàn)翻砂涌水；在堤身或地層薄弱處，還易在一定范圍內發(fā)生多處管涌，形成管涌群，增加了搶險的難度。

鄱陽湖圩堤管涌險情的搶險方法是采用卵石壓蓋和構筑反濾圍井，即在管涌口周邊使用土袋壘筑圍井，對土袋基礎及圍井內進行清表后將土袋踩實疊壓，并在井內使用粗砂、瓜子片石、碎石由下向上順序填實，從而壅高井內水位，減小水頭差，降低滲透壓力，同時防止地基下的砂層被掏空、加劇險情的發(fā)展，達到穩(wěn)定管涌險情的目的。鄱陽湖圩堤險情中，九合聯(lián)圩、磯山聯(lián)圩中壩段、共青聯(lián)圩、古埠聯(lián)圩發(fā)生的管涌及泡泉險情均構筑了圍井，并采用砂石進行反濾，冒出的清水壅至一定高度后沿導流溝排出，如圖1和圖2所示。反濾圍井構筑靈活，能根據(jù)管涌及管涌群的影響范圍和出水情況，因地制宜地改變壅水面積和高度，有效控制管涌及泡泉險情的發(fā)展。但修筑反濾圍井需要大量的砂石及反濾料，同時需要人力裝填、搬運和堆砌，退水后還原工程量大，效率較低、耗財耗力。

2.2 散 浸

散浸是指在汛期高水位下，堤壩背水坡及坡腳附近出現(xiàn)土壤潮濕或發(fā)軟并有水滲出的險情。散浸若不及時搶護，容易導致管涌和漏洞產生。2020年鄱陽湖圩堤受高水位影響，浸潤線太高，散浸險情多有發(fā)生，約占險情總數(shù)的17%。鄱陽湖散浸險情的搶護，以“臨水截滲，背水導滲”為原則，主要以背水導滲為主，在背水坡開挖豎溝、“Y”字形或“人”字形導滲溝，鋪設礫石反濾料，如圖3所示，引導滲水排出，降低浸潤線，同時避免水流帶走土料顆粒。導滲溝水位尺寸和間距應根據(jù)具體情況確定，一般順堤坡方向的豎溝每隔6～10 m開一條。

圖1 九合聯(lián)圩(樁號25+300)管涌險情處置Fig.1 Treatment of piping in Jiuhe dyke (stake 25 + 300)

圖2 古埠聯(lián)圩(樁號10+850)管涌險情處置Fig.2 Treatment of piping in Gubu dyke (stake 10 + 850)

圖3 某堤段背坡發(fā)生散浸開挖導滲溝Fig.3 Excavation of drainage ditch in back slope of a dyke when dispersed seepage happen

2.3 漏 洞

漏洞是指在堤防內部形成漏水通道的險情。漏洞水流為壓力流，流速大、沖刷力強，若不封堵會使漏洞不斷擴大，最終造成堤壩潰決。2020年鄱陽湖圩堤中廿四聯(lián)圩、成朱聯(lián)圩、九合聯(lián)圩等多處圩堤發(fā)生漏洞險情，主要原因是由于堤身內存在動物洞穴或白蟻洞，還有少量可能由堤身填筑質量問題導致。漏洞險情的搶護首先要找到漏洞位置，對于堤頂附近可明顯探查到的漏洞，鄱陽湖圩堤搶險中采用開挖清孔后黏土回填壓實進行漏洞封堵，同時在出水口做反濾圍井；對于暫時無法探查到的漏洞，在背水面筑圍井用卵石反濾，時刻觀察出水情況，待退水后進行漏洞探測和封堵。圖4為碗子圩臨堤民房基礎處由于白蟻洞造成漏洞險情后，在背水面出水處采用反濾圍井防止堤身填料被沖刷帶走。

圖4 碗子圩漏洞險情處置情況Fig.4 Treatment of leaks in Wanzi dyke

2.4 漫 溢

漫溢是指實際洪水位超過現(xiàn)有堤頂高程，或風浪翻過堤頂，洪水漫堤進入堤內的險情。漫溢不僅會使堤壩后方的田地與城市受到洪水的沖擊，更會導致堤壩潰決，造成更大的損失。2020年鄱陽湖圩堤中珠湖聯(lián)圩珠湖段、新橋湖圩、長溪圩堤副壩、昌江圩、三門圩、東湖圩、前進圩等多處圩堤發(fā)生漫溢險情，有些甚至導致漫決，其主要原因是連續(xù)降雨導致水位超歷史快速上漲，超過圩堤低洼處堤頂高程，且未及時修筑子堤。漫溢險情主要采用土袋修筑防洪子堤、提高堤防防洪高度，同時在內坡設置鋪蓋防止漫頂沖刷進行防治，圖5～7為南康堤子堤和東升堤防沖刷鋪蓋。針對城市堤防臨近市政道路和居民區(qū)的情況(如圖6中的南康堤)，在子堤后構筑集水池進行防滲處理，減少子堤滲水對市政道路的影響。

子堤長度短則幾百米，長則幾千米，不僅需要大量的砂土料和編織袋，還需人力進行裝填、搬運和堆砌，退水后拆卸和回收很麻煩，效率較低、資源消耗大，回收不及時容易造成污染，如圖8所示。

圖5 南康堤子堤Fig.5 Sub-embankment of Nankang dyke

圖6 南康堤子堤防滲處理Fig.6 Anti-seepage treatment for sub-embankment of Nankang dyke

圖7 東升堤漫溢沖刷處置Fig.7 Treatment of overflow erosion of Dongsheng dyke

2.5 脫 坡

脫坡是指堤防汛期擋水時，堤壩內部沿軟弱層開裂，并逐漸發(fā)展成縱向裂縫，使土體失穩(wěn)發(fā)生滑動變形的險情。2020年鄱陽湖圩堤中有多處堤防發(fā)生脫坡險情，包括康山大堤、南溪圩堤、樂豐聯(lián)圩、饒河聯(lián)圩、廿四聯(lián)圩、信西聯(lián)圩等，原因主要是水位上升導致堤身內部浸潤線上升，堤身土體應力狀態(tài)發(fā)生變化，堤腳軟化造成脫坡。本節(jié)以康山大堤為例，介紹脫坡險情的搶險方法。

圖8 子堤拆除后編織袋回收不及時Fig.8 No recycling woven bags of sub-embankment in time

2020年7月11日上午，余干縣康山大堤康山鄉(xiāng)責任段(樁號11+350)內側發(fā)生脫坡，長度約200 m，脫坡的高度達到整個大堤高度的一半，總脫坡面積達1萬多m2，如圖9所示。脫坡險情發(fā)生后，現(xiàn)場采用導滲溝結合坡腳壓重的方法進行搶險。導滲溝沿堤方向間距為10 m，里面填設反濾料，作用是排水導滲，防止水流掏空堤身填筑料；壓重采用沙礫石料，對堤腳進行壓填，作用是固腳，防止堤身發(fā)生下滑，如圖10所示。整個搶險過程中，當?shù)毓餐度牍こ虣C械3臺，運輸車10余臺，現(xiàn)役官兵、民兵及當?shù)攸h員干部群眾600余人，軍民一起經過10 h的突擊，于當日19:00左右完成整個險情地段的排水導流、填石固腳工作。整個搶險過程中砂礫石料用量巨大，運輸耗時，后續(xù)隱患探測和除險加固時需要二次破土。

圖9 康山大堤(樁號11+350)發(fā)生脫坡Fig.9 Falling off slope at Kangshan dyke (stake 11 + 350)

圖10 康山大堤脫坡險情處置Fig.10 Treatment of falling off slope at Kangshan dyke

2.6 潰 口

潰口是指堤防被洪水或其他因素破壞，造成口門過流的險情。2020年鄱陽湖圩堤中有多處堤防發(fā)生潰口險情，包括問桂道圩、三角聯(lián)圩、中洲圩、雙港鎮(zhèn)圩堤等。本節(jié)以問桂道圩為例，介紹潰口險情的搶險方法。

2020年7月8日晚，巡堤人員發(fā)現(xiàn)問桂道圩(樁號4+018～4+149)坍塌的堤頂過水，隨后堤頂決口，洪水涌入圩內，潰口長度達40 m，隨后進一步擴大至131 m，如圖11所示。潰口發(fā)生的主要原因是潰口堤段堤身斷面未達到10 a一遇的設計標準，且堤防堤身存在較多隱患及可能的生物洞穴，在超標準洪水作用下形成堤身滲漏通道，發(fā)生涌水后導致堤防潰決，形成潰口。

圖11 問桂道圩潰口Fig.11 Dyke breach at Wenguidao dyke

問桂道圩潰口險情的搶險采用“單向戧堤進占，塊石、鋼筋籠封堵，黏土防滲閉氣”的方案，如圖12所示。待潰口處水流平緩后，首先對決口上下游堤頭拋填大塊石和鋼筋籠進行保護，防止決口進一步擴大，然后采用水下拋填、水上分層填筑壓實進行戧堤進占，待口門收縮到20 m左右時分區(qū)拋填大塊石、鋼筋石籠等進行單向快速進占至合龍。封堵完成后在戧堤迎水側加寬填筑黏土形成黏土心墻防滲層，心墻外填筑碎石混合料反濾層及石渣料護面[14]。整個搶險過程共使用180臺自卸車、9臺推土機、6臺挖掘機、3臺裝載機和1臺振動碾，經過350人83 h的連續(xù)奮戰(zhàn)，于7月13日晚完成潰口封堵，順利合龍(見圖13)。

現(xiàn)有的潰口搶險和封堵技術都是在口門處水流平緩后進行搶護，此時潰口長度、流入水量基本達到最大，搶險價值比潰口流速高時低。

3 防汛搶險技術發(fā)展思考

從2020年鄱陽湖圩堤巡堤查險方法和搶險救援技術來看，目前的搶險救援主要還是依賴人力和砂石料等傳統(tǒng)防汛物資儲備。查險和搶險過程中，不僅人力和物力消耗巨大，同時還存在險情疏忽遺漏、搶護不及時以及物料準備不充足和調運費時等諸多隱患。隨著科學技術的不斷發(fā)展，在防汛搶險領域，應吸納材料科學、信息技術、大數(shù)據(jù)與人工智能方面的成果，提高防汛應急搶險的效率，將防汛應急搶險提升到智能化的高度。

圖12 單向戧堤搶險進占Fig.12 Dyke rescue and occupation of single-direction closure

3.1 智能巡堤查險技術

目前的巡堤查險方法基本是依靠人力巡查，隊伍中不一定每個人都具有巡堤查險的經驗，且配備的木棍也不是每一個人都能熟練使用，能否正確判斷險情也因人而異，因此即使在一級應急響應下的不間斷巡查也很難保證每一個險情都能第一時間發(fā)現(xiàn)和上報。對于人員、經驗以及頻次上的問題，可以通過標準化程序化險情判斷流程，將其與拍攝、感溫、定位、上報等功能集成到智能化硬件終端，研發(fā)手持式查險儀或陣列式自動智能查險儀等，代替?zhèn)鹘y(tǒng)木棍，可大大提高巡堤查險以及險情判斷與上報的效率，逐步實現(xiàn)自動智能巡堤查險。

以汛期最為常見的管涌險情為例，對于涌水是否為管涌險情，可根據(jù)出水是否來自地層深部來判斷，即水由深部透水層滲透經過上部不透水層后涌出，其主要特點為水溫明顯低于地表水，可利用紅外熱成像技術，通過對出水點進行紅外熱成像，即時得到出水點水溫分布情況，準確判斷是否為管涌險情。圖14為鄱陽湖某處管涌險情圍井內水溫的紅外熱成像結果。從圖中可以看出，管涌口出水處水面溫度為18.8℃，明顯低于周邊。相比于傳統(tǒng)的通過體感判斷和溫度計判斷，通過紅外熱成像進行管涌、滲水等險情巡查，效率和準確性更高，更易實現(xiàn)自動化。

圖14 管涌出水點紅外熱成像效果Fig.14 Infrared thermal imaging effect of piping outlet point

3.2 以水治水搶險技術

目前的搶險物資主要是砂石料和塑料編織袋，不僅運輸不便、造價高昂，汛情結束后清理也很費時費力，清理不徹底容易造成污染。在搶險救援實踐中，這些物料的作用主要是穩(wěn)定、擋水、壓重等。在實現(xiàn)相同效果的前提下，充分利用堤防附近水資源充足的優(yōu)勢，就近取材，以水治水，利用水來實現(xiàn)多種險情的應急搶護。

對于管涌險情，可利用一體式充水圍井充水成型后，在圍井中分層填筑反濾料后實現(xiàn)壅水和反濾功能，完成對管涌的搶險[15]。圖15為由柔性PVC材料制作而成的一體式充水圍井，由水囊、氣囊、外壁和底部阻水層組成。水囊充水后起壓重和穩(wěn)定的作用；氣囊在浮力的作用下隨著圍井內的水面逐漸抬升并始終保持水平，可方便觀察井內水位高度并防止井內水溢出；外壁用來約束圍井的體型，使水位能夠不斷壅高。此外，外壁上設有出水口，用來連接排水管，使水位達到一定高度后將多余的清水排出。退水后，將一體式充水圍井中以及水囊中的水排出后即可回收處理，從使用到回收均十分快捷方便。

對于漫頂險情，可利用長條形的水袋代替沙袋，結合固定結構構筑充水式防汛子堤。圖16為充水式防汛子堤橫斷面示意圖，由長條形水袋、水袋連接頭和L型固定結構組成。長條形水袋截面形狀類似圓角梯形，上小下大，首尾相連，組成防汛子堤。長條形水袋壓在L型固定結構的水平板上，為其提供豎向壓力；L型固定結構的豎向板為長條形水袋提供抗側力。每道長條形水袋長度可根據(jù)子堤構筑場地及堤防線形進行設置，單個長度可達20～50 m，相鄰水袋之間采用柔性隔水密封連接，所需人力少、成型迅速，退水后放水即可回收處理，不會造成污染。

對于脫坡險情，充水袋可代替砂石料提供重力進行坡腳壓重，僅需運輸水袋到搶險現(xiàn)場后連接水泵即可充水進行壓重，運輸方便、搶險效率高。退水后放水即可回收水袋，不影響后續(xù)的堤身隱患探測與堤身除險加固。

圖16 充水式防汛子堤斷面示意Fig.16 Cross section diagram of water filled flood prevention sub-embankment

3.3 漏洞險情抗沖固堤技術

針對漏洞險情易引發(fā)堤身散粒料被沖刷導致潰決的特點，漏洞險情需快速遏制?？稍谔讲榈铰┒次恢煤?，在堤身近臨水側連續(xù)打入帶十字翼板的鋼管樁，相鄰翼板之間相互搭接或嵌合(見圖17)，形成連續(xù)鋼板擋水墻降低漏洞水流沖擊能量。同時帶十字翼板的鋼管樁能有效提高堤身的抗水平承載力，抵抗漏洞水流沖擊力，遏制漏洞發(fā)展并保證堤身抗沖穩(wěn)固。

圖17 樁板結構漏洞搶險示意Fig.17 Sketch of leak emergency rescue using piles and flange plates

3.4 潰口水流控制技術

針對潰口險情口門流速過快無法進行搶護的問題，可利用垂直軸潮汐流發(fā)電機的原理研發(fā)潰口水流消能降速裝置[16]：在潰口放置后人為降低潰口水流流速，提前進行潰口封堵。潰口搶險時，在潰口上游處沿裹頭向口門中部方向通過樁基依次安裝消能降速裝置。水流沖擊消能降速裝置使其轉動消能，同時在裝置后方一定區(qū)域內形成紊流區(qū)，消耗水流能量，降低流速，在流速降低區(qū)域內拋投填料不會被水流沖走，為高流速下進占堵口提供條件。圖18為潰口快速消能裝置水槽模型試驗，水流在裝置后方形成紊流，流速顯著降低，可為高流速下拋投石料防沖提供條件。

3.5 搶險技術標準問題

在此次鄱陽湖圩堤險情搶險實踐中，還存在著搶險標準不一致的問題。對于散浸險情，一般采用開挖導滲溝，鋪設反濾料、土工織物等方法，引導滲水排出。但部分堤段，散浸程度并不嚴重，不僅開挖了導滲溝，還沿堤段間隔修筑了1 m高的碎石壓浸平臺，雖降低了堤防發(fā)生險情的概率，但處理標準過高，造成了一定的資源浪費。

圖18 潰口快速消能裝置模型試驗Fig.18 Model test of fast energy dissipation device for breach

4 結 論

2020年鄱陽湖遭遇了超歷史的汛情，湖區(qū)圩堤發(fā)生險情數(shù)量多、種類繁、危害大，在黨員干部、人民群眾和部隊官兵的齊心協(xié)力下取得了抗洪搶險的決定性勝利，但也付出了巨大的代價。從鄱陽湖圩堤險情應急搶險實踐來看，現(xiàn)有的防汛搶險能力和現(xiàn)代化水平還有較大的提升空間，可歸納為以下兩個方向。

(1) 針對防汛查險過程中人員能力差別大、工具傳統(tǒng)、人為因素影響較大的問題，可根據(jù)險情特點，利用圖像識別技術、紅外熱成像技術等，研究不同險情的判別因素和標準，開展智能巡堤查險相關技術研究，研發(fā)手持式查險儀或陣列式自動智能查險儀等，提高巡堤查險的裝備化和智能化水平，提高查險效率。

(2) 針對搶險技術和物料耗人耗時耗力耗材、標 準不一致的問題，可分別針對滲漏、管涌、脫坡和潰口等險情開展搶險新技術研究，擺脫依靠人工和物料的搶險方式，利用先進材料工藝并就地取材，提出輕型便捷的實用技術和處置標準，為險情控制和及時處置提供技術支撐。