堤防安全及搶險技術的分析與應用

劉 斌，力 剛，陳家強，徐立建

（江蘇省駱運水利工程管理處，江蘇宿遷 223800）

1 研究背景

堤防是有效的防汛手段之一，部分堤防由于早期缺少正規(guī)設計和勘察，存在地基條件差、堤身填筑質量差、堤后坑塘多等諸多問題［1］，高水位時會出現(xiàn)背水坡滲水、散浸、管涌等情況，需要進行搶險加固。傳統(tǒng)的堤防搶險手段存在一定局限性，例如采用修建子堤的方式對抗漫頂?shù)暮樗?，由于水位上漲過快，子堤修建速度較慢，可能漫過堤頂產(chǎn)生破壞［2］。堤防搶險大都在暴雨、洪水等極端條件下進行，搶險情況復雜，時間緊迫。雖遵循“前堵后排”的搶險法則，但仍會由于“前堵”時進水口位置難以確定，材料易被沖走；“后排”時管涌面積過大，發(fā)展過快，堤防疏于管理或內(nèi)部存在由生物活動等原因產(chǎn)生的空洞等各種因素，可能導致傳統(tǒng)搶險方法失效。為方便搶險人員了解堤防險情的發(fā)展機理，搶險時能夠迅速判斷情況并提出搶險措施，促進極端條件下堤防應急搶險技術的發(fā)展，本文擬對潰堤產(chǎn)生的原因、現(xiàn)有的搶險技術、搭配使用的搶險物資和當前堤防搶險可能存在的問題進行分析與討論，以期對未來堤防安全和搶險技術的發(fā)展提供參考。

2 堤防破壞形式

堤防潰決的具體原因繁多，若從破壞形式上分類，堤防破壞可以被總結為漫頂破壞、滲透破壞及邊坡失穩(wěn)。

2.1 漫頂破壞

漫頂破壞指漫頂水流和堤頂發(fā)生強烈的相互作用形成潰口，水流會沿潰口不斷沖刷垂直和側向的土體結構，土體持續(xù)被水流沖刷帶走，直到水流動力不足或者邊界抗沖能力增強才停止的現(xiàn)象［3］。堤防作為土石材料堆筑物，主要利用土石顆粒之間的摩擦和黏聚力來維持自身穩(wěn)定，屬于散粒體結構，抗沖能力差。真實潰口的發(fā)展過程難以監(jiān)測，資料甚少，試驗是研究其發(fā)展過程的主要方式。

堤防和土石壩的漫頂形式類似，造成漫頂?shù)某梢蛑饕泻樗谭婪篮闃藴驶蚝哟泊嬖陔s物或土堆積導致水位壅高，凌峰流量有明顯增加，壅高水位和異物撞擊，會對堤防造成損傷［4］。堤防的沉降作用導致堤頂高程下降，或施工時存在問題導致原本堤防的高程不足。上游坡沖刷破壞導致高程降低，如上游堤腳處土質較差，淘刷問題嚴重，最終堤腳被掏空，上游坡呈直角，容易塌落導致高程降低最終漫頂［5］。堤防沿岸存在違規(guī)建筑導致河道排洪能力下降，持續(xù)的高水位和高流速容易造成堤頂缺口，最終導致潰堤［6］。

2.2 滲透破壞

滲透破壞指在水和土骨架的相互作用下，細顆粒被帶出后導致的土體破壞變形，滲透破壞可以被分成4種類型。

（1）管涌：細粒土受水流作用，沿著土骨架移動或者帶出。

（2）流土：在滲流作用下，土體的顆粒群體同時流失。該現(xiàn)象在黏性土和非黏性土中都會發(fā)生。

（3）接觸沖刷：滲流沿著兩種不同介質的接觸面流動時，將其中的細顆粒帶走。

（4）接觸流土：當滲流垂直于兩種不同介質的接觸面流動時，將其中一層的細顆粒帶入另一層，而產(chǎn)生反濾層的淤塞現(xiàn)象。

為探究滲透破壞的發(fā)展規(guī)律，相關學者進行了一系列試驗研究。劉杰等［7］將復雜堤基分為均勻、雙層和三層，對其進行滲流模擬試驗，全試驗結果表明堤基的滲透破壞主要集中在堤基最上部，即堤基和堤身接觸帶附近，且堤基的抗?jié)B強度由堤基材料本身的抗?jié)B強度確定。張炫等［8］通過滲透破壞試驗，發(fā)現(xiàn)管涌主要發(fā)生在滲透性較強的粉砂中，流土則主要發(fā)生在輕粉質砂壤土中。梁越等［9］通過試驗探究了孔隙率、細粒含量和滲透破壞的關系，結果表明對于相同孔隙率的情況下，細粒含量越少滲透性越高，細粒含量越多，土層越均勻，抵抗?jié)B透破壞的能力越強。

管涌的首要成因為地層因素，若地基存在強透水砂層，則容易發(fā)生管涌。防滲措施缺乏管理、失效也是發(fā)生管涌險情的重要成因，如減壓井淤堵、防滲墻運行效果差等。人類或生物活動導致壩內(nèi)產(chǎn)生空洞，壩后覆蓋層厚度減小同樣會導致管涌破壞的可能性增加。由于管涌破壞產(chǎn)生的跌窩及壩身沉降，也會導致堤防高程降低，進而誘發(fā)漫頂破壞。

2.3 邊坡失穩(wěn)

堤防邊坡失穩(wěn)指邊坡某一滑動面的滑動力大于抗滑力時，邊坡沿滑動面滑動的現(xiàn)象，邊坡失穩(wěn)和上游水位、土體結構、土體性質等各方面有關。王四巍等［10］采用多因素正交直觀敏感性分析方法對影響邊坡失穩(wěn)的因素進行了研究，并將各因素的影響力從高到低進行排列。邊坡失穩(wěn)的計算方法已經(jīng)相對成熟，傳統(tǒng)的邊坡穩(wěn)定計算方法有極限平衡法和極限分析法。隨著有限元和有限差分理論的成熟，強度折減法和超載系數(shù)法等結合了彈塑性有限元分析的邊坡穩(wěn)定計算方法，在商業(yè)軟件中得到了廣泛使用。

因此，可以將邊坡失穩(wěn)的成因歸納為：土壤濕化導致其基質吸力降低，強度降低；容重的增加導致滑動力增加，最終誘發(fā)滑坡；水位驟降后，堤內(nèi)產(chǎn)生向堤外的滲流場，加之坡腳受損，容易造成邊坡失穩(wěn)。

3 堤防搶險技術及應用

3.1 堤防潰口前的搶險

水位持續(xù)上漲時首先應考慮用沙袋等搶險物資加高堤防，因為堤防漫頂后水流將在薄弱處產(chǎn)生“初始潰口”，可能導致潰口逐漸擴大最終垮堤。堤防產(chǎn)生漫頂或者潰口前，堤后仍有一定資源調(diào)度能力，若能及時采取措施遏制險情發(fā)生，則可節(jié)省大量物資，保證搶險人員安全并保障堤后設施財產(chǎn)。此時堤防仍具有擋水功能，當出現(xiàn)堤防滲透破壞的趨勢時，采取的搶險原則為“前堵后導，搶早搶小”。上游邊坡漏洞若不能及時發(fā)現(xiàn)，則會喪失搶在漏洞發(fā)展前堵口的機會，故在極端條件下快速檢測上游漏洞位置，采用有效的堵口方法是漫頂前搶險的關鍵。

3.1.1 堤防滲漏檢測技術

在缺少堤防檢測的專業(yè)設備時，可采用觀察上游水面是否存在冒泡、漩渦或投入泡沫塑料、稻谷糠殼、木屑碎末等易漂浮物并觀察其運動趨勢的方法來判斷滲漏位置［11］。在水流較湍急的情況下，觀察法容易失效。當漩渦發(fā)展到明顯可見時，也代表著滲漏具有相當規(guī)模，在堤防搶險時容易錯失先機。但隨著科技的進步，堤防滲漏檢測技術也得到了較大發(fā)展。目前常用的堤防滲漏檢測方法有高密度電法、地震法、電磁法、示蹤法以及人工水下探測法等，這些方法具有探測速度快、精確度高以及抗干擾能力強等優(yōu)勢，但仍存在一定局限性［12］。

考慮到單一物探方法存在的局限性以及環(huán)境不確定因素造成的多解性，近年國內(nèi)外學者嘗試將多種物探方法結合互補，使綜合物探技術得到快速發(fā)展。董延朋［13］采用流場法、高密度電阻率法和多道瞬態(tài)面波法的綜合勘探方法進行堤防滲漏探測，并結合工程實例得出綜合這幾種物探方法能夠更加直觀準確反應滲漏情況的結論。劉現(xiàn)鋒等［14］采用地質雷達法、高密度電法和面波法等綜合物探方法，得出不同方法之間可以互相補充的結論。沈添耀等［15］采用高密度電法和綜合示蹤法進行了堤防滲漏通道的探測，探測效率高，準確性強。綜上可以看出，現(xiàn)代物探水平的精確度較高但專業(yè)性強，需要專業(yè)人員以及相應軟件才能進行滲漏分析。

3.1.2 堤防滲漏搶堵技術

堤防滲透破壞引起的滲漏，其搶險分為“前堵”和“后導”兩部分，兩者同時進行，相輔相成。有效的前堵措施可以降低漏洞內(nèi)流速，延緩滲透破壞的進程，相比于“后導”，“前堵”是從根本上遏制滲透破壞的措施。當漏水點已被及時探明且位置較淺時，傳統(tǒng)的漏洞搶護手段如采用棉被、棉絮、草捆、土工編織袋等軟性膨脹材料進行堵漏，仍具有價格低廉、材料易得及搶護較為有效的優(yōu)勢。當進水口位置僅能大致確定且滲漏較小時，可以采用軟簾蓋堵法，使用河堤附近的蘆葦、柳枝、土工布等作為軟墊鋪蓋在洞口，后墜以石塊、土袋等重物壓實并拋投黏性土以達到閉氣的作用。

實際搶險時情況復雜，進水口的形式多樣，分布隨機，會出現(xiàn)某一壩段有多個進水口或者進水口位于深水處的現(xiàn)象［16］。前者使用傳統(tǒng)方法難以全部封堵，后者則會因為堵塞后接觸面滲透坡降激增導致難以閉氣?；瘜W封堵技術是一種可以對一定范圍內(nèi)的堤防同時進行堵漏和加固的手段，化學漿材改性技術的產(chǎn)生，又使得該技術得到了持續(xù)發(fā)展［17］。其搶護方法為：根據(jù)下游滲水確定滲透破壞發(fā)生的大概位置，于堤頂鉆孔后注漿并在出口處進行防滲處理，漿液短時間內(nèi)就會和堤內(nèi)水發(fā)生反應，形成固體顆粒填充管涌通道或者空洞以達到直接堵塞漏洞通道的目的。用于極端條件堤防搶險的化學封堵設備具有高度集成性，可將系統(tǒng)整體布置于貨車內(nèi)，由2～4名人員操作，險情發(fā)生時可及時趕到堤防出險處。

“后導”即在堤后進行導滲工作，包括疏導堤防漏洞內(nèi)水壓力以及抑制細土顆粒被帶出。滲水在出水口易被發(fā)現(xiàn)，無需借助專業(yè)設備，派專人及時巡查即可。出水口的存在代表著滲漏通道的形成，也是判斷漏洞大概位置的重要依據(jù)，發(fā)現(xiàn)后應及時反應，盡早對上游進行排查。出水口導滲時不得使用密閉材料，因為出水口無法排水時，滲流通道內(nèi)的水壓力也不會消散，容易形成新的出水口，在其他點位發(fā)生險情。對于滲漏破壞產(chǎn)生出水口的傳統(tǒng)搶險手段為開挖導滲溝以降低滲漏通道內(nèi)水壓力，通過布置反濾圍井、反濾層壓蓋、養(yǎng)水盆或堤后戧臺等延緩堤內(nèi)土料的流失，這些方法容易出現(xiàn)物料短缺、時效性低的問題。此后提出的一體式組裝式充水圍井及植入式減壓井降壓排水系統(tǒng)，即一體式組裝式充水圍井，可直接利用洪水對膠管進行填充，無需遠距離運送大量物料，且圍井的組裝簡單快捷，兩者聯(lián)合使用可提高管涌搶險效率并實時監(jiān)控險情的發(fā)展。

3.2 堤防潰口后的搶險

當確定未發(fā)生滲透破壞時，可以在背水坡鋪設橡膠板、土工膜和防水布等材料以減少漫頂水流對坡面的沖刷。防止漫頂破壞的應急搶險裝置由塑料排水盲溝和混凝土帆布兩部分組成。在漫頂前，預先在堤頂和下游面分塊鋪設混凝土帆布并搭設塑料排水盲溝，向混凝土帆布澆水后，帆布將在短時間內(nèi)硬化成型進而保護坡面免受沖刷破壞。南京水利科學研究院也對堤防臨時護坡進行了研究，提出了三層應急泄洪防護墊法，防護墊具有耐久性，可多次使用，大幅降低搶修成本，提高搶險效率。

堵口搶險技術是應對潰口的主要措施，傳統(tǒng)的堵口手段為拋沉沙袋石料、鉛絲網(wǎng)石籠、鋼木組合構架、沉車沉船等。極端條件下的傳統(tǒng)堵口搶險手段，在缺少針對性搶險方法時，需要耗費大量人力物力，造成較大經(jīng)濟損失。堵口搶險還需要專業(yè)人員進行現(xiàn)場指導，當險情發(fā)生于堤防密集的區(qū)域時，搶險人員無法及時分析并采取相應措施。

堵口方法、堵口材料的生產(chǎn)及其結構的抗沖穩(wěn)定性是堵口成功的關鍵。朱太順［18］根據(jù)1998 年長江大水總結了堵口搶險7字方針，即“裹、攔、導、分、堵、排、圍”；祝杰等［19］則分析了該方針的普適性。極端條件下的堤防堵口僅靠人力拋投效率過低，須采用大型機械設備投入合理的堵口材料［20］。為保證堵口材料的廉價有效，南京水利科學研究院進行了適用于極端氣候、可替代塊石的新型土壤固化劑和固化石塊結構形式的研發(fā)，該研究不但可在一定程度上緩解水泥土技術對水泥的依賴性，也為自然資源的合理利用提供了思路。為保證生產(chǎn)的塊石具備耐水沖刷和便于施工的特性，分別對立方體試塊和工字鎖扣型試塊進行射流試驗，由于后者在沖刷時可以有效傳遞應力，其抗沖穩(wěn)定性明顯優(yōu)于前者。

4 結 語

總結潰堤機理及極端條件下的搶險技術應用，可得出以下結論。

（1）現(xiàn)代堤防搶險的體系已相對成熟，專業(yè)性高，但堤防位置偏僻時，搶險人員難以到達，搶險時缺少專業(yè)人員指導也無法調(diào)用現(xiàn)代化設備，只能采用傳統(tǒng)的方式?，F(xiàn)代化設備與傳統(tǒng)方法之間存在斷層，能夠由非專業(yè)搶險人員操作的簡易搶險設備有待開發(fā)。

（2）堤防產(chǎn)生滲透破壞時，人工探查上游滲漏點仍是目前最精確高效的方法，適用于極端條件的堤防滲漏檢測設備仍需進一步研究。

（3）現(xiàn)場工作人員可能存在經(jīng)驗缺失等各方面的因素，導致誤判形式從而耽誤險情。應加強現(xiàn)場工作人員的培訓，簡化操作手冊的內(nèi)容，以保證現(xiàn)場工作人員處置的正確高效。

（4）堵口材料的研發(fā)較少，在大型機械無法進場時，堵口搶險的效率偏低，僅靠人力處理潰口的方法效果不明顯，潰口搶險的現(xiàn)代化水平有待進一步提高。