劉 斌，力 剛，陳家強(qiáng)，徐立建

（江蘇省駱運(yùn)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(shè)計(jì)和勘察，存在地基條件差、堤身填筑質(zhì)量差、堤后坑塘多等諸多問題［1］，高水位時(shí)會出現(xiàn)背水坡滲水、散浸、管涌等情況，需要進(jìn)行搶險(xiǎn)加固。傳統(tǒng)的堤防搶險(xiǎn)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(xiǎn)大都在暴雨、洪水等極端條件下進(jìn)行，搶險(xiǎn)情況復(fù)雜，時(shí)間緊迫。雖遵循“前堵后排”的搶險(xiǎn)法則，但仍會由于“前堵”時(shí)進(jìn)水口位置難以確定，材料易被沖走；“后排”時(shí)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(dǎo)致傳統(tǒng)搶險(xiǎn)方法失效。為方便搶險(xiǎn)人員了解堤防險(xiǎn)情的發(fā)展機(jī)理，搶險(xiǎn)時(shí)能夠迅速判斷情況并提出搶險(xiǎn)措施，促進(jìn)極端條件下堤防應(yīng)急搶險(xiǎn)技術(shù)的發(fā)展，本文擬對潰堤產(chǎn)生的原因、現(xiàn)有的搶險(xiǎn)技術(shù)、搭配使用的搶險(xiǎn)物資和當(dāng)前堤防搶險(xiǎn)可能存在的問題進(jìn)行分析與討論，以期對未來堤防安全和搶險(xiǎn)技術(shù)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(jié)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(qiáng)烈的相互作用形成潰口，水流會沿潰口不斷沖刷垂直和側(cè)向的土體結(jié)構(gòu)，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(qiáng)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(jié)構(gòu)，抗沖能力差。真實(shí)潰口的發(fā)展過程難以監(jiān)測，資料甚少，試驗(yàn)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?biāo)準(zhǔn)或河床存在雜物或土堆積導(dǎo)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(dǎo)致堤頂高程下降，或施工時(shí)存在問題導(dǎo)致原本堤防的高程不足。上游坡沖刷破壞導(dǎo)致高程降低，如上游堤腳處土質(zhì)較差，淘刷問題嚴(yán)重，最終堤腳被掏空，上游坡呈直角，容易塌落導(dǎo)致高程降低最終漫頂［5］。堤防沿岸存在違規(guī)建筑導(dǎo)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(dǎo)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(xì)顆粒被帶出后導(dǎo)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(xì)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(shí)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(zhì)的接觸面流動時(shí)，將其中的細(xì)顆粒帶走。

（4）接觸流土：當(dāng)滲流垂直于兩種不同介質(zhì)的接觸面流動時(shí)，將其中一層的細(xì)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(guān)學(xué)者進(jìn)行了一系列試驗(yàn)研究。劉杰等［7］將復(fù)雜堤基分為均勻、雙層和三層，對其進(jìn)行滲流模擬試驗(yàn)，全試驗(yàn)結(jié)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(qiáng)度由堤基材料本身的抗?jié)B強(qiáng)度確定。張炫等［8］通過滲透破壞試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)管涌主要發(fā)生在滲透性較強(qiáng)的粉砂中，流土則主要發(fā)生在輕粉質(zhì)砂壤土中。梁越等［9］通過試驗(yàn)探究了孔隙率、細(xì)粒含量和滲透破壞的關(guān)系，結(jié)果表明對于相同孔隙率的情況下，細(xì)粒含量越少滲透性越高，細(xì)粒含量越多，土層越均勻，抵抗?jié)B透破壞的能力越強(qiáng)。

管涌的首要成因?yàn)榈貙右蛩?，若地基存在?qiáng)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(xiǎn)情的重要成因，如減壓井淤堵、防滲墻運(yùn)行效果差等。人類或生物活動導(dǎo)致壩內(nèi)產(chǎn)生空洞，壩后覆蓋層厚度減小同樣會導(dǎo)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(dǎo)致堤防高程降低，進(jìn)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(shí)，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(jié)構(gòu)、土體性質(zhì)等各方面有關(guān)。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(jìn)行了研究，并將各因素的影響力從高到低進(jìn)行排列。邊坡失穩(wěn)的計(jì)算方法已經(jīng)相對成熟，傳統(tǒng)的邊坡穩(wěn)定計(jì)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(qiáng)度折減法和超載系數(shù)法等結(jié)合了彈塑性有限元分析的邊坡穩(wěn)定計(jì)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(dǎo)致其基質(zhì)吸力降低，強(qiáng)度降低；容重的增加導(dǎo)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(xiǎn)技術(shù)及應(yīng)用

3.1 堤防潰口前的搶險(xiǎn)

水位持續(xù)上漲時(shí)首先應(yīng)考慮用沙袋等搶險(xiǎn)物資加高堤防，因?yàn)榈谭缆敽笏鲗⒃诒∪跆幃a(chǎn)生“初始潰口”，可能導(dǎo)致潰口逐漸擴(kuò)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(shí)采取措施遏制險(xiǎn)情發(fā)生，則可節(jié)省大量物資，保證搶險(xiǎn)人員安全并保障堤后設(shè)施財(cái)產(chǎn)。此時(shí)堤防仍具有擋水功能，當(dāng)出現(xiàn)堤防滲透破壞的趨勢時(shí)，采取的搶險(xiǎn)原則為“前堵后導(dǎo)，搶早搶小”。上游邊坡漏洞若不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)，則會喪失搶在漏洞發(fā)展前堵口的機(jī)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(xiǎn)的關(guān)鍵。

3.1.1 堤防滲漏檢測技術(shù)

在缺少堤防檢測的專業(yè)設(shè)備時(shí)，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(yùn)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(dāng)漩渦發(fā)展到明顯可見時(shí)，也代表著滲漏具有相當(dāng)規(guī)模，在堤防搶險(xiǎn)時(shí)容易錯失先機(jī)。但隨著科技的進(jìn)步，堤防滲漏檢測技術(shù)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(qiáng)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(xué)者嘗試將多種物探方法結(jié)合互補(bǔ)，使綜合物探技術(shù)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(jìn)行堤防滲漏探測，并結(jié)合工程實(shí)例得出綜合這幾種物探方法能夠更加直觀準(zhǔn)確反應(yīng)滲漏情況的結(jié)論。劉現(xiàn)鋒等［14］采用地質(zhì)雷達(dá)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(bǔ)充的結(jié)論。沈添耀等［15］采用高密度電法和綜合示蹤法進(jìn)行了堤防滲漏通道的探測，探測效率高，準(zhǔn)確性強(qiáng)。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(qiáng)，需要專業(yè)人員以及相應(yīng)軟件才能進(jìn)行滲漏分析。

3.1.2 堤防滲漏搶堵技術(shù)

堤防滲透破壞引起的滲漏，其搶險(xiǎn)分為“前堵”和“后導(dǎo)”兩部分，兩者同時(shí)進(jìn)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(jìn)程，相比于“后導(dǎo)”，“前堵”是從根本上遏制滲透破壞的措施。當(dāng)漏水點(diǎn)已被及時(shí)探明且位置較淺時(shí)，傳統(tǒng)的漏洞搶護(hù)手段如采用棉被、棉絮、草捆、土工編織袋等軟性膨脹材料進(jìn)行堵漏，仍具有價(jià)格低廉、材料易得及搶護(hù)較為有效的優(yōu)勢。當(dāng)進(jìn)水口位置僅能大致確定且滲漏較小時(shí)，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(shí)并拋投黏性土以達(dá)到閉氣的作用。

實(shí)際搶險(xiǎn)時(shí)情況復(fù)雜，進(jìn)水口的形式多樣，分布隨機(jī)，會出現(xiàn)某一壩段有多個(gè)進(jìn)水口或者進(jìn)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?yàn)槎氯蠼佑|面滲透坡降激增導(dǎo)致難以閉氣。化學(xué)封堵技術(shù)是一種可以對一定范圍內(nèi)的堤防同時(shí)進(jìn)行堵漏和加固的手段，化學(xué)漿材改性技術(shù)的產(chǎn)生，又使得該技術(shù)得到了持續(xù)發(fā)展［17］。其搶護(hù)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(jìn)行防滲處理，漿液短時(shí)間內(nèi)就會和堤內(nèi)水發(fā)生反應(yīng)，形成固體顆粒填充管涌通道或者空洞以達(dá)到直接堵塞漏洞通道的目的。用于極端條件堤防搶險(xiǎn)的化學(xué)封堵設(shè)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(xiǎn)情發(fā)生時(shí)可及時(shí)趕到堤防出險(xiǎn)處。

“后導(dǎo)”即在堤后進(jìn)行導(dǎo)滲工作，包括疏導(dǎo)堤防漏洞內(nèi)水壓力以及抑制細(xì)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(shè)備，派專人及時(shí)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(yīng)及時(shí)反應(yīng)，盡早對上游進(jìn)行排查。出水口導(dǎo)滲時(shí)不得使用密閉材料，因?yàn)槌鏊跓o法排水時(shí)，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(diǎn)位發(fā)生險(xiǎn)情。對于滲漏破壞產(chǎn)生出水口的傳統(tǒng)搶險(xiǎn)手段為開挖導(dǎo)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(shí)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(jìn)行填充，無需遠(yuǎn)距離運(yùn)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(xiǎn)效率并實(shí)時(shí)監(jiān)控險(xiǎn)情的發(fā)展。

3.2 堤防潰口后的搶險(xiǎn)

當(dāng)確定未發(fā)生滲透破壞時(shí)，可以在背水坡鋪設(shè)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(yīng)急搶險(xiǎn)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(yù)先在堤頂和下游面分塊鋪設(shè)混凝土帆布并搭設(shè)塑料排水盲溝，向混凝土帆布澆水后，帆布將在短時(shí)間內(nèi)硬化成型進(jìn)而保護(hù)坡面免受沖刷破壞。南京水利科學(xué)研究院也對堤防臨時(shí)護(hù)坡進(jìn)行了研究，提出了三層應(yīng)急泄洪防護(hù)墊法，防護(hù)墊具有耐久性，可多次使用，大幅降低搶修成本，提高搶險(xiǎn)效率。

堵口搶險(xiǎn)技術(shù)是應(yīng)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(gòu)架、沉車沉船等。極端條件下的傳統(tǒng)堵口搶險(xiǎn)手段，在缺少針對性搶險(xiǎn)方法時(shí)，需要耗費(fèi)大量人力物力，造成較大經(jīng)濟(jì)損失。堵口搶險(xiǎn)還需要專業(yè)人員進(jìn)行現(xiàn)場指導(dǎo)，當(dāng)險(xiǎn)情發(fā)生于堤防密集的區(qū)域時(shí)，搶險(xiǎn)人員無法及時(shí)分析并采取相應(yīng)措施。

堵口方法、堵口材料的生產(chǎn)及其結(jié)構(gòu)的抗沖穩(wěn)定性是堵口成功的關(guān)鍵。朱太順［18］根據(jù)1998 年長江大水總結(jié)了堵口搶險(xiǎn)7字方針，即“裹、攔、導(dǎo)、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(jī)械設(shè)備投入合理的堵口材料［20］。為保證堵口材料的廉價(jià)有效，南京水利科學(xué)研究院進(jìn)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(jié)構(gòu)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(shù)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(jìn)行射流試驗(yàn)，由于后者在沖刷時(shí)可以有效傳遞應(yīng)力，其抗沖穩(wěn)定性明顯優(yōu)于前者。

4 結(jié) 語

總結(jié)潰堤機(jī)理及極端條件下的搶險(xiǎn)技術(shù)應(yīng)用，可得出以下結(jié)論。

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

（2）堤防產(chǎn)生滲透破壞時(shí)，人工探查上游滲漏點(diǎn)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(shè)備仍需進(jìn)一步研究。

（3）現(xiàn)場工作人員可能存在經(jīng)驗(yàn)缺失等各方面的因素，導(dǎo)致誤判形式從而耽誤險(xiǎn)情。應(yīng)加強(qiáng)現(xiàn)場工作人員的培訓(xùn)，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(jī)械無法進(jìn)場時(shí)，堵口搶險(xiǎn)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(xiǎn)的現(xiàn)代化水平有待進(jìn)一步提高。