雷 聲，孫東亞，萬國勇，王萱子，吳慶華，許小華

（1.江西省水利科學院，江西 南昌，330029；2.中國水利水電科學研究院，北京，100044；3.中鐵水利水電規(guī)劃設(shè)計集團有限公司，江西 南昌，330029；4.長江科學院，湖北 武漢，430010）

鄱陽湖地處長江干流與五河來水的匯合地帶，受特殊的地理位置、自然條件及極端天氣的影響，湖區(qū)自然災(zāi)害頻繁，防洪減災(zāi)任務(wù)繁重。據(jù)統(tǒng)計，湖區(qū)1949年以來共發(fā)生大洪水20余次，1954年、1998年特大洪澇災(zāi)害，湖區(qū)長期處于高水位，造成濱湖大量圩堤潰決，損失慘重。2020年6～7月，長江流域中游和鄱陽湖流域再次遭遇集中大暴雨襲擊，全省防汛形勢嚴峻復雜，面對突發(fā)災(zāi)害，全省上下持續(xù)作戰(zhàn)、英勇奮戰(zhàn)，防汛救災(zāi)取得重大勝利。

圩堤工程是鄱陽湖防洪工程體系的重要組成部分，也是歷年防汛搶險的主戰(zhàn)場。在應(yīng)對超歷史大洪水過程中，鄱陽湖圩堤險情研判與應(yīng)急處置、巡堤查險與專家會診、圩堤安全風險評估等技術(shù)得到廣泛應(yīng)用，為科學防汛提供了有力的支撐，有效減輕了洪澇災(zāi)害損失，取得了顯著效果。

1 鄱陽湖圩堤概況

1.1 圩堤現(xiàn)狀

鄱陽湖區(qū)是長江中下游五大平原區(qū)之一，土地肥沃，雨量充沛，自古就是我國魚米之鄉(xiāng)、國家糧倉，在全國占有重要地位。為了抵御洪水，人們開始在低洼的濱湖河道兩岸筑堤護田，早在東漢永元年間（公元89～105），豫章太守張躬筑南塘，以捍章（贛）水，成為鄱陽湖最早筑堤的記錄。

經(jīng)過多年的發(fā)展，圩堤成為鄱陽湖防洪工程體系的重要組成部分，包括圩堤工程、平退工程。濱湖沿江地區(qū)現(xiàn)有圩堤462座，其中重點圩堤46座、1～5萬畝圩堤41座、0.1～1萬畝圩堤148座；保護面積萬畝以上單退圩堤27座，萬畝以下單退圩堤175座。湖區(qū)堤線長3563.6km，保護農(nóng)田 50.41 萬 hm2，人口 842.6 萬人[1，2]。

1.2 圩堤結(jié)構(gòu)情況

鄱陽湖圩堤修筑在濱湖尾閭河湖漫灘之上，由于地處沖積平原，受長期的水力運動，上游挾帶的細粒泥沙，慢慢沉積并覆蓋在河床上，形成上部為細砂或粘土、下部為粗砂和礫石的沉積結(jié)構(gòu)，地質(zhì)上屬典型的下粗上細的二元結(jié)構(gòu)。圩堤修筑時就地取材，堤身由細砂或粘性土組成。由于特殊的筑壩材料和堤基特點，圩堤需要進行必要的防滲處理，才能提高洪水抵御能力。

1.3 洪水特點

鄱陽湖流域雨量豐沛，全省多年平均降雨1 638mm，境內(nèi)河流眾多，流域面積10km2以上河流3 771條。每年4～6月為主汛期，雨水匯入五大河流并進入鄱陽湖，水位開始上漲。長江中上游主汛期比江西省晚1～2個月，由于汛期錯開，正常年份不會產(chǎn)生大洪水。若鄱陽湖流域汛期推遲或延長，疊加長江中上游強降雨影響，湖水隨五河來水迅速上漲，受長江托頂甚至倒灌而難以消退，對鄱陽湖構(gòu)成“上來下頂”之勢[3]。這種獨特的江湖關(guān)系對鄱陽湖洪水影響深遠，受五河來水和長江水頂托雙重影響，鄱陽湖歷史上洪澇災(zāi)害頻發(fā)，一旦遭遇上述最不利因素，鄱陽湖高水位運行時間長久，有時甚至長達數(shù)月，造成湖區(qū)圩堤御水時間很長（見圖1）。

圖1 鄱陽湖星子站高水位超警戒天數(shù)統(tǒng)計

2 圩堤險情專家會診與安全風險評估

在防汛搶險過程中，基層防汛巡堤人員多為分片負責的行政人員或村鎮(zhèn)群眾，駐堤專業(yè)人員極少，而單個險情的研判與應(yīng)急處置對現(xiàn)場人員專業(yè)要求比較高，高水位下險情發(fā)展往往非?？?，需要快速確定最佳應(yīng)急搶險方案。同時，為了合理配置搶險資源，有效分配搶險人員、物資，做好應(yīng)急預案，需要對區(qū)內(nèi)各圩堤安全狀況進行風險評估，科學決策，達到有限資源的搶險效果最優(yōu)化。

2.1 巡堤查險與專家會診系統(tǒng)

鄱陽湖圩堤汛期啟動響應(yīng)后，各地采用24h不間斷分組巡堤查險方式，確保險情第一時間發(fā)現(xiàn)、第一時間處置。隨著移動互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)和無人機等新技術(shù)的快速普及，可研發(fā)巡堤查險與專家會診系統(tǒng)，供巡堤人員對險情現(xiàn)場坐標進行采集，以圖片、視頻或語音的方式對險情進行描述，將圩堤險情點和處理情況利用移動APP系統(tǒng)及時收集并發(fā)送給防汛搶險指揮部，實時反映在系統(tǒng)“一張圖”上，方便指揮部組織專家在后臺綜合研判險情。對現(xiàn)場不方便到達的危險區(qū)域，可使用無人機巡堤查險并通過移動APP系統(tǒng)實時傳輸數(shù)據(jù)、視頻。指揮部也可利用系統(tǒng)中視頻連線的功能直接與防汛一線的專家進行視頻連線，實時處理險情。在完成了日常巡堤查險任務(wù)后，巡堤人員可通過后臺管理系統(tǒng)“一鍵式”導出工作報告（見圖2）。

圖2 巡堤查險與專家會診系統(tǒng)界面

該系統(tǒng)在應(yīng)對2020年鄱陽湖防汛搶險過程中緊急上線，發(fā)揮了良好的效果，具體功能如下：

（1）基礎(chǔ)信息查詢。該模塊主要實現(xiàn)圩堤基本數(shù)據(jù)和信息的全面展示，包括圩堤監(jiān)測監(jiān)控數(shù)據(jù)、建設(shè)及運行管理檔案、運行管理信息、知識庫信息、評估體系、模型方法信息等。

（2）一張圖查詢。為滿足圩堤安全綜合評估過程中的GIS應(yīng)用需求，平臺提供統(tǒng)一的一張圖展示服務(wù)，實現(xiàn)空間數(shù)據(jù)可視化、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的可視化表現(xiàn)。通過一張圖集成圩堤基礎(chǔ)信息、監(jiān)測信息、業(yè)務(wù)信息三類圖層，直觀的反應(yīng)圩堤地理情況、監(jiān)測點位置分布、監(jiān)測信息實際情況、業(yè)務(wù)信息分布統(tǒng)計和處理情況等信息。

（3）知識庫查詢。該模塊實現(xiàn)對圩堤安全評估和防汛搶險相關(guān)知識庫分類目錄進行展示、增加、編輯與刪除。包括解決方案、經(jīng)驗分享、管理手冊、工程規(guī)范、儀器使用手冊、維護成功標準、案例資料等分類。用戶點擊目錄管理，系統(tǒng)展示分類目錄列表，用戶點擊某一目錄，可對目錄進行查看、增加、修改與刪除等操作。

（4）防汛會商。防汛會商主要供汛期防汛人員使用，將防汛現(xiàn)場的各種情況及數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)较到y(tǒng)，其他防汛人員和專家可積極參與討論處置，實現(xiàn)遠程會商。

（5）實時播報。該模塊主要實現(xiàn)巡堤查險軌跡、險情位置、現(xiàn)場圖像、語音、視屏實時上報展示，指揮中心地圖自動定位、語音實時播報，可以實時視頻連線現(xiàn)場人員，實現(xiàn)遠程在線會診。

（6）風險圖。該模塊根據(jù)圩堤現(xiàn)場險情分布情況，結(jié)合未來來水情況等，繪制圩堤風險圖，以不同顏色區(qū)分風險等級，并能實現(xiàn)動態(tài)調(diào)整，指導科學防汛和人員轉(zhuǎn)移。

（7）險情統(tǒng)計。該模塊將上傳的各種滲水、管涌、滑坡、崩岸等險情分類統(tǒng)計，以圖表的形式直觀的進行展示，方便防汛人員和專家及時掌握整體防汛態(tài)勢；同時可一鍵生成專家報告。

（8）人員、物資分布統(tǒng)計。該模塊將現(xiàn)場防汛人員和防汛物資在一張圖上集中展示和管理，方便掌握現(xiàn)場防汛人員及物資配備情況，便于宏觀調(diào)控。

2.2 圩堤安全風險評估體系構(gòu)建

鄱陽湖圩堤工程類型多、堤線長、分布廣，運行條件差異大，堤身堤基隱患分布隨機性強，由于保護區(qū)人口、經(jīng)濟和面積相關(guān)較大，對不同風險的容忍程度和經(jīng)濟損失承受能力也有較大差異。有必要建立一套圩堤安全風險評價指標體系，實時評估各圩堤的安全現(xiàn)狀，有利于合理配置搶險資源，做好防御預案。

采用層次分析法，將圩堤工程系統(tǒng)按照漫頂、滲透失穩(wěn)、滑動失穩(wěn)、護坡破壞這四種典型的失效形態(tài)分為相應(yīng)的四個防護分類，各個防護分類又由圩堤各個結(jié)構(gòu)組成部分構(gòu)成，由此建立圩堤工程狀態(tài)評價指標體系，該體系是一個多目標多層次的指標體系（見圖3）。

圖3 圩堤工程安全風險評價指標體系構(gòu)建

通過收集歷史潰堤案例可知，大多數(shù)的圩堤失事源于漫頂、滲流破壞和滑坡，其中漫頂失事占62.6%，管涌失事占32.58%，滑坡失事占4.82%。根據(jù)各失效模式的發(fā)生概率，構(gòu)造目標層圩堤工程狀態(tài)對于準則層四種圩堤典型失效形態(tài)的判斷矩陣，按層次分析法原理采用專家打分構(gòu)建判斷矩陣，得到基礎(chǔ)指標相對總目標圩堤工程狀態(tài)的權(quán)值計算結(jié)果（見表1）。

表1 各基礎(chǔ)指標相對總目標的權(quán)值計算結(jié)果

建立各基礎(chǔ)指標賦值標準，以指標C1（堤頂高程）為例（見表2）。

表2 堤頂高程C1賦值標準

結(jié)合鄱陽湖圩堤管理現(xiàn)狀和工作實踐，可將圩堤風險等級劃分為3級，即低風險、中風險和高風險，按不同的風險等級采取建議的措施（見表3）。

表3 圩堤風險等級劃分標準

3 圩堤常見險情研判與應(yīng)急處置

3.1 常見險情分類

由于圩堤堤線長、洪水抵御時間長、長期浸泡后土體力學性能較差、堤身材質(zhì)和堤基透水性強，加上僅有重點圩堤和部分萬畝圩堤進行了除險加固等因素，造成鄱陽湖水位一旦超警戒，各類險情伴隨而來，濱湖沿河群眾防汛壓力極大。

根據(jù)全國統(tǒng)計分析，造成圩堤的失穩(wěn)險情可歸納為漫頂、邊坡失穩(wěn)、滲透破壞、護面沖刷等典型模式。由于險情發(fā)展從小到大，從輕微影響到失穩(wěn)是一個孕育過程，鄱陽湖圩堤險情可進一步細分為管涌、散浸、接觸沖刷、漏洞、滑（脫）坡、跌窩、崩岸、裂縫、風浪和漫溢等。圖4為2020年鄱陽湖洪水期間各類險情的統(tǒng)計，列前三的分別為漏洞、管涌和散浸，分別占比32.4%、30.7%、16.4%。

圖4 2020年鄱陽湖圩堤險情統(tǒng)計

3.2 險情研判與應(yīng)急處置——以管涌為例

管涌是圩堤工程中最常見的一種滲透破壞險情，本文以管涌為例介紹險情的研判與應(yīng)急處置。

3.2.1 險情破壞機理與說明

高水位滲壓下，堤基土體中細顆粒沿粗顆粒間空隙被水流帶出堤基外的現(xiàn)象稱為管涌。當其出口處于砂性土時，表象為翻沙鼓水、周圍多形成隆起的沙環(huán)；當其出口處于粘性土時，表象為土體局部表面隆起、浮動或大塊土體移動流失，此時也稱為流土（見圖5）。

圖5 管涌險情破壞機理

管涌在鄱陽湖區(qū)被廣泛稱為“泡泉”，是一種危害性非常大的險情，需要盡快發(fā)現(xiàn)第一時間處置。1983年鄱陽湖發(fā)生流域性大洪水，江西省圩堤出險總數(shù)為5 531處，排第一位的泡泉險情1 817處，占比32.85%[4]。1998年汛期，南昌市所轄圩堤發(fā)生險情中排第一的管涌占30.6%[5]。成朱聯(lián)圩發(fā)現(xiàn)泡泉多達1 820個，其中涌口直徑10cm以上的大泡泉多達593個，涌口直徑20cm以上的特大泡泉有52個[6]。1998年長江中下游地區(qū)的大小圩堤發(fā)生較大險情1 702處，其中有872處都是管涌，占總數(shù)51.2%，長江干堤發(fā)生較大險情698次，其中管涌366次，占總數(shù)52.4%；在具有潰決風險的34處重大險情里，有19處都是管涌或管涌群，占總數(shù)57.8%[7]。2020年鄱陽湖洪水管涌占比16.4%。

3.2.2 管涌搶險合理范圍的確定

汛期堤基管涌一般出現(xiàn)在堤外，為安全起見破壞允許水平平均比降按0.04考慮，結(jié)合丁留謙等學者的研究成果[8]和鄱陽湖圩堤管涌發(fā)展特點，以H為圩堤兩側(cè)水頭差，則可作以下規(guī)定：

（1）距堤腳外20H作為不用搶險的范圍，該部位堤基管涌對堤身影響有限，汛期應(yīng)加強觀察，汛后用透水砂料處理。但是，如果管涌發(fā)生一段時間（0.5h）后涌砂較多或有加劇的趨勢，則需要進行搶險處理，這種情況可能是堤基內(nèi)有特殊的缺陷，如老口門、老河道，或者歷史上曾經(jīng)在近堤腳處發(fā)生過重大管涌險情、堤基砂層已經(jīng)受過破壞等情況。

（2）管涌口到背水堤腳的距離小于10H作為必須搶險的范圍。

（3）當管涌口至背水堤腳距離為10H～20H之間時，可根據(jù)帶砂情況決定是否采取搶險措施，如帶砂量逐步減少且出砂量不多，可加強觀察，反之應(yīng)采取措施。

3.2.3 險情嚴重程度判別（見表4）

表4 管涌險情嚴重程度參考表

3.2.4 管涌搶險方法的確定

管涌險情是鄱陽湖圩堤最常見、發(fā)生頻率最高的險情，根據(jù)管涌險情孕育機制及鄱陽湖圩堤典型的堤基二元土體結(jié)構(gòu)特性，一旦發(fā)現(xiàn)管涌險情，應(yīng)根據(jù)險情的嚴重程度，采用以下方法進行應(yīng)急處置：

（1）反濾壓浸。當管涌口到背水堤腳的距離在10H～19H之間時且管涌出流量不大，水流渾濁度不高，管涌險情不嚴重時，為節(jié)省人力物力，可直接采用砂卵石壓浸的方法進行應(yīng)急處置，處置后定期觀察險情的變化再采取適當?shù)拇胧┘纯桑ㄒ妶D6）。

圖6 反濾壓浸示意圖

（2）反濾圍井。當管涌口到背水堤腳的距離在10H以內(nèi)且管涌出流量較大，水流涌沙較多，管涌險情嚴重時，應(yīng)筑反濾圍井，且在井內(nèi)按級配要求填筑反濾料，直到滲水暢流，無砂粒帶出為止。反濾料填好后需加強觀察，如填料下沉應(yīng)繼續(xù)補充直至到穩(wěn)定[9]（見圖7）。

圖7 反濾圍井示意圖

（3）蓄水反壓。當管涌在不大范圍內(nèi)成群出現(xiàn)，且附近有渠道、田埂，或具有周邊地勢較高的有利條件時，可采用蓄水反壓的方法減小堤內(nèi)外水頭差，遏制管涌險情的發(fā)展。蓄水反壓做好后，仍需注意觀察，如發(fā)現(xiàn)險情有變，應(yīng)及時處置，直到險情穩(wěn)定為止（見圖 8）。

圖8 蓄水反壓搶險效果圖

（4）組裝充水式搶險裝備。上述搶險方式采用的是傳統(tǒng)砂土圍井和反壓方法，雖就地取材，但也存在耗時長、所需人員多、取材不便等不足，影響搶險效率。近年來，組裝式防洪墻和圍井等新技術(shù)得到應(yīng)用，但由于采用鋼材，存在造價高、重量大、不便捷和不經(jīng)濟等問題，難以全面推廣應(yīng)用。因此，基于組裝充水式的搶險裝備具有較好的應(yīng)用前景，該裝備袋體材料為Pvc涂層布料，可通過拼裝的方式快速組裝、快速充水，形成一定高度的線性或封閉性環(huán)狀水袋管拼裝體，增加有效的堤壩防洪高度或降低堤基的水力比降，可提升圩堤管涌與漫頂潰堤等險情的搶險效率[10]（見圖9）。

圖9 組裝充水式搶險裝備——圍井

3.3 圩堤應(yīng)急搶險讀本編制

由于鄱陽湖區(qū)洪澇災(zāi)害較為頻繁，濱湖沿河基層群眾在長期和洪水抗爭的過程中，總結(jié)了不少行之有效的險情處置方法和實踐經(jīng)驗，但往往缺少理論支撐?？梢栽谠敿氄{(diào)研的基礎(chǔ)上，評估歷年各類險情處置措施的合理性和優(yōu)缺點，結(jié)合巖土力學、工程水力學和滲流分析理論，提煉總結(jié)防汛搶險經(jīng)驗，將長期形成的“經(jīng)驗”歸納轉(zhuǎn)化為“科學理論”，編制江湖圩堤應(yīng)急搶險理論與實務(wù)書等書籍，指導高校水相關(guān)專業(yè)學生和水利專業(yè)人員掌握搶險知識；同時，為普及圩堤保護區(qū)基層群眾的防汛科學知識，可采取圖文并茂的形式，歸納提煉為易被非水利專業(yè)人員接受和理解的防汛搶險處置措施，編制江湖圩堤防汛搶險科普知識讀本。

4 結(jié)語

圩堤是鄱陽湖防洪體系的重要組成部分，也是歷年防汛搶險的主戰(zhàn)場。本文在分析鄱陽湖圩堤現(xiàn)狀、堤身和堤基結(jié)構(gòu)特點和抵御洪水工況特點的基礎(chǔ)上，對湖區(qū)圩堤常見險情進行了分析，并以管涌為典型險情，從險情特征、合理搶險范圍分析、險情嚴重程度判別和管涌搶險方法的選定進行了介紹，提出了面向不同受眾群體編制圩堤應(yīng)急搶險讀本的思路。針對基層防汛技術(shù)人員薄弱的現(xiàn)狀，本文介紹了巡堤查險與專家會診系統(tǒng)的主要功能和研發(fā)內(nèi)容，構(gòu)建了圩堤安全風險評估體系，并應(yīng)用到2020年鄱陽湖洪澇災(zāi)害圩堤應(yīng)急搶險中，取得了良好效果。