任建斌

(武警水電指揮部，北京 100055)

堤防決口封堵材料應(yīng)用分析

任建斌

(武警水電指揮部，北京 100055)

堤防決口突發(fā)性強、破壞力大，可造成重大人員傷亡和財產(chǎn)損失。本文通過計算分析決口水力學(xué)特性和堵口材料抗沖穩(wěn)定性，正確選擇堵口材料的粒徑和堵口方法，系統(tǒng)分析論述傳統(tǒng)和現(xiàn)代的各種堤防決口封堵材料的適用條件、應(yīng)用形式和實踐應(yīng)用等，提出因地制宜、就地取材、多種組合、不斷創(chuàng)新的現(xiàn)代搶險新模式。

堤防；決口；封堵；材料

1 概 述

堤防是世界上最早廣為采用的一種重要防洪工程，是現(xiàn)代江河防洪工程體系的重要組成部分。我國江河眾多，截至2015年底，已建成堤防總長度達29萬km，其中主要堤防有7萬km。

我國由于洪水災(zāi)害多、堤防防洪能力偏低、人類活動影響等因素，堤防經(jīng)常受到洪水災(zāi)害的威脅。在洪水長時間浸泡和沖擊作用下，超過堤防抵抗能力，或者汛期搶護不當(dāng)或不及時，就會造成堤壩潰決。例如，1931年長江干堤決口350多處，武漢三鎮(zhèn)被淹達3個多月，死亡14萬余人。黃河在兩千年來，決口達1500余次，改道20余次。1998年，長江、嫩江、松花江流域堤防出現(xiàn)較大范圍決口。因此，決口封堵是一項責(zé)任重大、難度巨大的任務(wù)。

正確選擇和應(yīng)用堵口材料是決口封堵成功的關(guān)鍵。目前國內(nèi)外關(guān)于堤防決口封堵的研究，大多集中堤防決口封堵的具體技術(shù)方法，對堵口材料未進行全面系統(tǒng)論述，特別是對近年來出現(xiàn)的新材料應(yīng)用研究不夠。本文結(jié)合實踐分析、研究新型堵口材料，對保證搶險任務(wù)順利完成具有重要意義。

2 決口封堵準(zhǔn)備

堤防一旦決口，必須采取有效措施穩(wěn)固堤頭、封堵決口、加固復(fù)堤，減少災(zāi)害損失，縮小淹沒范圍。堵口前，應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場情況，采取科學(xué)堵口原則，一般應(yīng)先堵下游口門，后堵上游口門，先堵小口，后堵大口。從方便堵口角度，合理選擇壩基線，必要時可開挖引河，修筑挑流壩。

2.1 搶筑裹頭

堤防決口后，為防止水流沖刷使口門繼續(xù)擴大，要根據(jù)不同決口洪水的水位差、流速及決口處的地形、地質(zhì)條件及人員物料準(zhǔn)備情況，及時對口門兩端堤頭進行保護，并為下一步堵口創(chuàng)造條件。搶筑裹頭拋投料的尺寸必須滿足抗沖穩(wěn)定要求，裹頭形式要滿足搶險作業(yè)要求。一般在低水頭流速小、土質(zhì)較好的條件下，采用打樁填柳或拋石(袋)裹護。在高水頭流速大、土質(zhì)較差的條件下，可在堤頭前鋪放土工布軟體排或拋柴石枕、打鋼管構(gòu)架拋石、拋填抗沖石籠等進行裹護。

2.2 現(xiàn)場勘察和資料收集

在進行決口封堵前，必須做好水文、地形、地質(zhì)資料收集和河勢勘察工作。要實測口門的寬度，繪制斷面圖，掌握水深、流速和流量等。

2.3 制定封堵方案和計劃

根據(jù)水文、水下地形及河勢的變化和當(dāng)?shù)鼗I集物料能力等，進行堵口設(shè)計，分析、研究堵口最佳時機，布置搶險現(xiàn)場，確定封堵方案，并制定具體實施計劃。

2.4 做好堵口準(zhǔn)備

廣泛動員，分工負責(zé)，協(xié)同配合，盡快組織搶險隊伍和力量，配備到位施工機械和設(shè)備及工具，籌集搶險物資和材料。

3 決口水力學(xué)特性及堵口材料抗沖穩(wěn)定計算

堤防決口屬于非恒定含間斷的淺水問題，實際堤防決口形狀、寬度變化及水流地質(zhì)條件都十分復(fù)雜，模型試驗和計算機數(shù)值模擬是解決工程問題的主要手段之一。對決口流量、決口寬度、決口迎水水深、迎水背水水位差、決口平均流速等參數(shù)進行測量和模擬計算，得到不同工況條件下的決口水力學(xué)特性，根據(jù)這些變化規(guī)律確定堤防決口封堵材料種類、數(shù)量、粒徑及拋投強度等，為制定最佳堵口方案提供參考。

3.1 決口過流量及流速

堤防決口最大過流量Qmax(m3/s)

式中n——口門形狀系數(shù)，矩形取1.0，拋物線線形取1.5，三角形取2.0；

g——重力加速度，m/s2；

b——口門寬度，m；

H1——決口水深，m。

當(dāng)背水側(cè)有一定水深H2后，用側(cè)堰公式計算決口過流量Q(m3/s)：

式中μ——流量系數(shù)，取0.6～0.65。

決口處平均流速v(m/s)，一般通過現(xiàn)場測量，并進行復(fù)核：

式中Z——迎水與背水水位差，m；μ1——流速系數(shù)，在起始階段為0.6，隨著決口背水淹沒區(qū)的水深加大，逐漸增為1.0。

3.2 拋投材料粒徑計算

拋投材料抗沖穩(wěn)定性是選擇制作堵口材料的重要指標(biāo)，目前比較認同止動流速的觀點，大多用前蘇聯(lián)S.V.Isbash公式確定流速與材料粒徑的關(guān)系：

式中v——決口處平均流速，m/s；K——穩(wěn)定系數(shù)，取0.89～1.2；D——堵口材料粒徑，m；γs、γ——堵口材料重度和水的重度，N/m3；g——重力加速度，m/s2。

一般塊石(單體)堵口材料K取0.9，群體拋投混合料K取0.93，群體拋投均勻石塊K取1.07。

高流速決口的堵口材料抗沖穩(wěn)定措施主要是正確選擇堵口材料粒徑、防止流失，深水低流速堵口材料穩(wěn)定措施主要是防止堤頭坍塌。在實踐中，拋填量及材料消耗量往往遠大于計算值，為確保高強度連續(xù)搶險作業(yè)，應(yīng)備足主要堵口材料。

4 堵口材料應(yīng)用

決口封堵是一項緊迫艱難復(fù)雜的系統(tǒng)工程，根據(jù)現(xiàn)場條件、當(dāng)?shù)匚锪瞎┙o、機械設(shè)備配備等情況選擇合適堵口材料，是堵口能否成功的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。決口封堵材料的種類很多，大致可分為就地取材類、預(yù)制塊體類、框架組合類、橡膠織物類和浮體沉廂類等。

4.1 就地取材類

主要指搶險區(qū)域就近可以獲取和加工制作，包括埽料、塊石和土工料等。

4.1.1 埽工料

埽料是指用梢料、葦、秸和土石分層做埽的材料。埽工源于黃河并主要用于黃河。埽工料和類似埽工方法堵口在漢代已經(jīng)開始出現(xiàn)，《史記·河渠書》記載最早的一次著名堵口是漢武帝元光三年(公元前109年)的瓠子堵口。到宋代，埽工技術(shù)發(fā)展成熟，《夢溪筆談》記載：“凡塞河決，垂合，中間一埽，謂之合龍門。”清代中期，埽工形式為卷埽，乾隆年間，逐步把卷埽改為沉廂式修埽方式，并把秸料作為正式埽工材料。20世紀30年代，為提高埽工抵御水流的能力，逐步以柳枝石塊鉛絲代替了秸土麻繩，柳石捆廂進占、柳石枕合龍成為黃河堵口的主要形式。除填土和埽工外，黃河堵口還采用編竹裝石、長繩結(jié)磚等形式。

埽工堵口技術(shù)是人民堵口搶險的經(jīng)驗總結(jié)和智慧結(jié)晶，但從歷次搶險實踐看，每當(dāng)遇到險情特別是重大險情時，傳統(tǒng)堵口技術(shù)往往需要人海戰(zhàn)術(shù)，耗費大量人力物力，有時因搶險速度慢、效率低，而不能及時有效控制險情。隨著社會發(fā)展和科技進步，新材料、新技術(shù)、新設(shè)備的創(chuàng)新使用，極大減少了勞動強度，提高了搶險效率。

4.1.2 石(袋)戧堤

新中國成立后，石渣料和塊石大量用于決口封堵，特別是可以用現(xiàn)代大型機械設(shè)備進行裝運拋填作業(yè)。拋石(袋)戧堤進占具有節(jié)省人力、施工強度高、適合連續(xù)作戰(zhàn)、施工進度快等優(yōu)點。土石料運輸距離一般不超過15km，需要先在斷堤側(cè)修筑道路，利用自卸車運輸，水下部分采用直接拋填，水上采用分層填筑，推土機鋪料、推平，振動碾壓實，填筑、碾壓層厚控制在0.6～0.8m，進占過程中，為保證堤頭穩(wěn)定，減少水流對戧堤上下端角的沖刷，可以在戧端用塊石、網(wǎng)籠做上下挑頭，中間回填石渣料，確保戧堤端頭穩(wěn)定。在戧堤進占過程中，要及時對戧堤加高培厚，增加堤壩穩(wěn)定性(見圖1)。

圖1 決口封堵典型斷面圖(單位：m)

土石袋是在編織袋、草袋、麻袋內(nèi)填充土料、砂石，封口后制成，利用自重沉入水中，比松散土石的抗水流沖刷性能大大提高，具有一定穩(wěn)定性，同時通過壓實變形使袋與袋之間嵌合更加緊密。土石袋材料容易獲取，制作技術(shù)簡單，便于機械化施工，廣泛應(yīng)用于堤防搶險和決口封堵。因此，還衍生出很多替代品，如土工織物袋或其他特制袋，有更好的強度和適應(yīng)性，使封堵更加有效。根據(jù)快速施工原則，促進研發(fā)出組合裝袋機等新型搶險裝備。土石袋封堵適用于龍口寬度較小且水深較淺的決口。

這些材料應(yīng)用靈活方便，可以戧堤也可以護底，可以采用立堵、平堵和混合堵等多種形式。隨著水上舟橋等裝備的發(fā)展，在交通條件有限的情況下，還可利用舟橋進行水上拋投。

4.1.3 土工料

土料是最常用的堵口材料，在決口合龍后，先從迎水側(cè)拋投砂卵石反濾料，反鏟修坡平整成型。再從反濾料上游迎水側(cè)分層拋填黏土，分層厚度不大于40cm，推土機推平，振動碾壓實，反鏟修坡整形，最后實現(xiàn)防滲閉氣。

2010年6月，江西唱凱堤發(fā)生決口，口門寬度348m，四個鎮(zhèn)受災(zāi)，10萬人被迫離開家園，損失嚴重。決口處于撫河沖積平原上，地勢較為平坦，施工道路較為方便，附近10～20km范圍內(nèi)有多處可供土石料開采，采用單戧雙向機械化立堵，戧堤進占材料為石渣、塊石料，龍口合龍材料為大塊石、鋼筋石籠及鉛絲石籠，防滲閉氣材料為砂卵石反濾料和黏土。

4.2 預(yù)制塊體類

主要是指能夠預(yù)先加工制作的堵口材料，包括混凝土四面體、混凝土異形塊體、鐵棱角、鋼筋石籠、鉛絲石籠等。這些物料需預(yù)先制作，并儲備一定數(shù)量。主要用于裹頭、合龍等關(guān)鍵部位搶險。如果在戧堤合龍時龍口流速過大，可以將鋼筋石籠、混凝土體用鋼絲繩串成一串再推入龍口，增加抗沖能力，再拋填塊石、石渣、土料等進行合龍，效果更好。

4.3 框架組合類

主要是用鋼管、木樁、扣件、模板等制作組成三腳架、鋼木組合構(gòu)架和桁架、鋼(木)柵排等結(jié)構(gòu)形式攔截、穩(wěn)定拋投料，實現(xiàn)封堵。

鋼木組合構(gòu)架封堵首先要插打鋼管和木樁定位，從決口堤頭兩端向中間依次進行，形成2～5層排樁(排距一般為1.2～1.5m，入土深度一般1～1.5m)。采用快速接頭卡扣將縱橫方向的鋼管水平聯(lián)系桿與已插入覆蓋層內(nèi)的鋼管、木樁聯(lián)成三維空間構(gòu)架(見圖2)。不斷向決口中心進占、加固，直至左右構(gòu)架相聯(lián)，形成整體鋼木組合構(gòu)架。再不斷加密至間距0.2～0.3m，與此同時向構(gòu)架內(nèi)以先平堵后立堵方式拋投填料(塊石、石袋、土袋、柳梢壓石)，出水后進行人力碼砌。必要時，背水側(cè)采用斜撐、迎水側(cè)采用拉桿增強整體性和穩(wěn)定性。

圖2 鋼木組合構(gòu)架決口封堵剖面圖

這類材料組裝拆卸靈活，可利用打樁機械作業(yè)，組裝后整體穩(wěn)定性好，搭設(shè)模板可以作為搶險平臺。未拋填料前，阻水面小，拋填料時，構(gòu)架可起攔截作用，可以節(jié)省0.5～1.5倍材料，拋入填料可進一步穩(wěn)定和加固鋼木構(gòu)架。適用于大型裝運設(shè)備不易操作的特殊條件下施工。由于靠人力搭設(shè)，應(yīng)用條件為口門處流速不大于2～3.5m/s，水深不大于8m。1998年8月7日，長江堤防九江段在長期超歷史水位下突然潰決，決口發(fā)展到60余m，水頭差3.4m，采用鋼木組合構(gòu)架用5天時間成功實現(xiàn)封堵。

4.4 橡膠織物類

屬柔性堵口材料，主要指近年來搶險中采用的新材料如塑料編織布、土工織物、膨脹截流橡膠袋、塑枕、模袋混凝土等。塑料編織布由聚丙烯和聚乙烯兩種塑料熱加工復(fù)合而成，內(nèi)層由聚丙烯加工的塑料纖維帶編織而成，具有很高的韌性和彎曲疲勞。膨脹截流橡膠袋遇水后快速膨脹，重量、體積快速增加，可達原重量、體積的80～100倍，具有儲運方便、組裝快速、保護環(huán)境等特點。這類材料主要用于小型決口的封堵防沖防滲搶險。

4.5 浮體沉廂類

主要包括沉船技術(shù)和箱形結(jié)構(gòu)物。船只是決口上最易得到的堵口材料，在龍口流速大、其他堵口材料效果均不佳的情況下采用沉船堵口，可以減緩口門被沖刷擴大加深，又可作為堵口搶險作業(yè)平臺、攔石鋼管柵等的上部支撐體。沉船技術(shù)是目前決口初堵的有效措施之一，箱形結(jié)構(gòu)物技術(shù)成本低廉、作業(yè)速度快，可降低傳統(tǒng)堵口作業(yè)方法的難度和風(fēng)險。當(dāng)潰口寬度、潰口流速在一定范圍內(nèi)時，用箱形結(jié)構(gòu)物封堵潰口的作業(yè)方法是有效可行的，沉廂堵口后減緩水勢效果明顯，決口擴大的危害性可基本得到控制，為后續(xù)拋投作業(yè)提供良好條件。

在九江決口初堵階段，采用了沉船堵口，將長達80m、滿載1650t煤炭的大駁船鉚定并沉擱在距堤防7.5m的決口正面 ,再將6條小駁船和1條拖船分別沉在煤船的兩頭和外側(cè)，決口處水頭明顯降低，流速減小，為后來的搶險創(chuàng)造了必要條件。

5 結(jié) 語

堤防決口封堵要因地制宜、就地取材，在現(xiàn)代搶險實踐中，往往多種材料組合應(yīng)用，因此，需要結(jié)合當(dāng)?shù)胤姥磳嶋H，對土工編織布、編織袋、機織布、混凝土預(yù)制塊、鋼管、木樁等搶險材料進行預(yù)制儲備，同時，要在傳統(tǒng)材料和搶險方法的基礎(chǔ)上不斷創(chuàng)新和改進，充分利用打樁機、組合裝袋機、機械捆拋枕機、拋石機、石籠網(wǎng)片編織機等先進的專用搶險裝備與自卸車、挖掘機、推土機、裝載機等大型裝運機械配合，實現(xiàn)機械化快速搶險。

[1] 毛昶熙.堤防工程手冊[M]. 北京：中國水利水電出版社，2009.

[2] 熊治平.江河防洪概論[M].武漢：武漢大學(xué)出版社，2013.

[3] 李繼業(yè)，劉經(jīng)強，葛兆生.河道堤防工程防滲加固實用技術(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2012.

[4] 楊光煦.堤壩及其施工關(guān)鍵技術(shù)研究與實踐[M].北京：中國水利水電出版社，2000.

[5] 范天印，汪小剛.土堤險情特征與應(yīng)急處置[M].北京：中國水利水電出版社，2016.

[6] 陳素美，吳東興.黃河防洪工程技術(shù)管理與建設(shè)[M].鄭州：黃河水利出版社，2013.

[7] 曾秀娟.堤防決口封堵水力學(xué)數(shù)值模型研究[D].南昌大學(xué)，2015.

[8] 張利榮.搶險救援探索與實踐[M].南昌：江西人民出版社，2016.

Applied Analysis of Dike Breach Blocking Materials

REN Jianbin

(hydropowerheadquartersoftheChinaarmedpolice，Beijing100055)

Dike breach with characteristics of strong abruptness and tremendous destructiveness may cause serious casualties and property losses. This article, by means of analyzing hydraulics characteristics of breach and anti-scouring stability of blocking materials, intends to properly select particle size of blocking materials and method, systemanalysis application condition, forms and practical application of traditional and modern various dike breach blocking materials, as well as further put forward new pattern of modern emergency rescue featuring adjusting to local conditions, using materials locally, various combinations and continuous innovation.

Dike breach; blocking materials

10.16617/j.cnki.11-5543/TK.2017.07.016

TV551.4

A

1673-8241(2017)07- 0059- 05