堤坝蚁穴通道的工程分类与特性

2011-04-25高加成姚文花刘作京甘新民

中国水利 2011年16期

高加成，姚文花，刘作京，甘新民

（1.嘉应学院土木工程系，514015，梅州；2.广东省惠州市华南白蚁防治有限公司，516000，惠州；3.湖北省荆州市长江河道管理局石首分局，434400，石首）

蚁穴通道是土栖白蚁蚀土而筑的地下群居空间，完整的成年蚁巢包括王室、王室菌圃腔、菌圃腔、蚁路、泥线泥被、移殖孔和移殖室等空洞通道部分。前三种一般埋藏较深，呈馒头状，空间较大，是蚁穴系统中的空腔部分；后三种埋藏较浅，呈线性弯管状或片状，分布延伸范围大，是蚁穴系统中的通道部分；蚁路埋深可深可浅，其将各构成部分有机地连接起来，形成了复杂而庞大的地下空腔—通道网络系统。

一、堤坝蚁穴通道的工程分类

堤坝蚁穴通道的工程分类应综合考虑蚁穴通道的空间展布情况、蚁穴中各构成部分的相互连接关系、通道穿堤导水后的水力学特征及其对堤坝稳定性的影响，同时还要注意到是否有土栖白蚁的存在及其生物行为的作用。

1.土栖白蚁蚁巢的工程分类

按是否有土栖白蚁的存在可将蚁巢分为两类。

①有蚁蚁巢：指有蚁王、蚁后生存的蚁巢，具有动态发展的特征。

②空亡蚁巢：指蚁王、蚁后已逃遁或已死亡的蚁巢，具有静态衰亡的趋势。

2.蚁穴通道系统的工程分类

按蚁穴的空腔—通道系统是否穿越堤坝，可将其分为两类：

①穿透性蚁穴：多存在于成年蚁巢中，此空腔通道系统在高洪水位作用下，能反映出相应的水力学特征和岩土工程特征。

②非穿透性蚁穴：多存在于幼年蚁巢中，此空腔通道系统仅具有岩土工程特征，其存在破坏了堤身土体结构的完整性。

显然，不管是有蚁蚁巢还是空亡蚁巢，都包含有穿透性蚁穴和非穿透性蚁穴。通常情况下，对堤坝安全和稳定影响较大的是穿透性蚁穴；但当非穿透性蚁穴与其他洞穴或裂缝组合在一起时，同样也可构成威胁堤坝安全的组合通道。此外，穿透性蚁穴和非穿透性蚁穴是相互转化的。

3.穿堤蚁穴通道的工程分类

按穿堤蚁穴通道的成因及空间分布组合形状，可将其分为两大类6种基本形式（见图1）。这6种基本形式是导致堤（坝）漏水，并影响其安全与稳定的主要隐患。

二、有蚁蚁巢和空亡蚁巢的工程特性

1.有蚁蚁巢的动态发展特性

图1 穿堤蚁穴通道分类图

有蚁蚁巢的动态发展特性主要表现在两个方面：①蚁穴的网络通道本身是发展变化的。随着土栖白蚁群体的扩大，需要更多的生存空间，必须不断地向外扩筑新的卫星菌腔和联系通道，使巢区范围扩大；同时为了满足生活的需要，迫使其修筑一些新的取食道和取水道，若因食物资源的影响，取食道将会延伸到更远的地方。其结果必将使整个蚁穴网络系统变得更复杂，影响范围将更大，对堤坝土体结构的破坏也会更严重。②当蚁穴通道系统遭到洪水威胁时，工蚁会及时投入抗洪抢险状态，封堵一些细小的渗水通道和被充水浸没的蚁道，从而相对延缓了早期险情的出现。

由于有蚁蚁巢的动态发展特征，随着时间的延伸，其对堤坝土体的强度与稳定性的负面影响就越来越大。尽管其自身的封堵行为能延缓早期险情的发生，甚至有时能化险为夷，但它终究是一大隐患，也许来年便会酿成大祸。好在其活动的痕迹给人们提供了找巢灭蚁的依据，只要勤于观察，掌握其活动规律，及时处理，一定能收到较好的防治效果。

2.空亡蚁巢的静态衰亡趋势

空亡蚁巢是蚁群灭亡后残留在堤坝土体内的空腔—通道体系。空亡蚁巢虽然不会继续扩大，但常会被忽视或无法知晓其存在。因无工蚁维护与管理，一些掉块或沉渣会临时堵塞部分蚁道和空腔。当空腔都靠近背水坡一侧时，一旦洪水浸入蚁道便会使大半个堤身内隐含着高压水体，继续作用会将堵塞蚁道的松散堆积物冲开，而在出水口形成管涌。故此，空亡蚁巢造成的险情一般无散浸阶段或历时很短，导致突发性灾难。

三、直接穿堤蚁道的工程特性

直接穿堤蚁道是指由土栖白蚁修筑的沿横向或斜向穿越堤身的蚁穴通道。这种蚁穴通道主要存在于成年蚁巢中，根据其空间分布形态、水力学特点和岩土工程特性，可分为3种形式，即直泄式蚁穴通道、虹吸管式蚁穴通道和串穴式蚁穴通道。

1.直泄式蚁穴通道

直泄式蚁穴通道是由蚁路组成的泄水通道。在蚁穴系统中最具典型的代表是位于最低位置的通风排湿道（见图2），其埋藏较深，遇洪水浸入时，其间的细小连接通道易被工蚁堵塞。该泄水通道较粗大，渗流路径不长，空气对流畅通，进出口多位于主巢附近的两侧坡面上，宜于水流排泄。

当洪水位超过直泄式蚁穴通道的进水口时，水流便会沿着通道缓缓流出，随着水位的升高，出水量逐渐增大，并直接冲刷坡面土体而出现险情。由于此类险情多发生在洪水来临的早期，进水口浸没深度较小，只要仔细观察，及时封堵进水口，一般不会造成大的危害。但该类蚁道水力路径短，黏滞阻力小，流速快，冲蚀破坏能力强，若疏忽观察，处理缓慢，亦会形成较大规模的穿孔管涌现象，严重时将导致堤坝决口而形成灾难。

2.虹吸管式蚁穴通道

虹吸管式蚁穴通道是沿堤坝表层贯穿堤身，且具有虹吸管水力特征的一种浅埋式蚁穴通道（见图3）。该类通道多存在于季节性挡水的江、河、湖、海的堤防工程中，主要由取食道组成，仅靠细小的下行蚁道与菌巢联系。由于蚁群取食的需要，蚁道大多会延伸至堤内平台和堤外滩地等有食物的地方，然后通过泥被、泥线等地表掩盖物采取食物。其分布范围较大，网络系统复杂，除在堤身内具有较集中的粗大通道外，在滩地和平台处则会发展成许多细小的分枝状蚁道。

由虹吸管的水力特点可知，该类通道只有在洪水位高于其最高点，并将蚁道内注满水后才会开始导水，此时，整个蚁道系统只起到泄水作用；但由于背水坡侧的蚁道较长，自由出流口到泄水管顶点的高差较大，水流出流速度快，具有较大的冲蚀破坏能力。当洪水位回落至蚁道的最高点以下时，整个蚁道系统将呈现出虹吸管流的特征，此时，高出水位的蚁道内出现负压，且水位回落得越多，蚁道内的负压就越大，产生最大负压的位置多在堤顶内侧附近的蚁道内；若蚁道与巢腔有直接水力联系，则会形成危害性更大的负压包，对堤身土体产生较明显的真空吸蚀作用。

故此，由虹吸管式蚁穴通道所形成的险情具有两个主要特点：①险情发生在即将漫堤水位时和汛期的中后阶段。②高洪水位时期以泄水渗漏破坏为主，表现为高压水流冲破蚁道后所产生的漏水点，以及背水坡脚出流口的冲蚀破坏；退水阶段除在出流口产生冲蚀破坏之外，还会因负压潜蚀作用而在堤顶内侧及内坡上部产生塌陷；当其与较大的巢腔连通形成负压包时则会产生危险性较大的跌窝，严重者会形成塌坡，且破坏点多在堤顶内侧1/3宽度范围内。

3.串穴式蚁穴通道

串穴式蚁穴通道是由蚁路与主巢菌腔等空腔部分串联起来，并贯穿堤身的一种蚁穴通道（见图4）。该类蚁道是土栖白蚁生衍繁殖的主要活动空间，常由多条主次蚁路和多个主副巢腔组成，形成了复杂的蚁穴空腔—通道网络系统，且巢龄越长，系统就越复杂。在深度位置上，介于虹吸管式蚁穴通道和直泄式蚁穴通道之间，进出水口位置高低不一；在平面位置上，进出水口有多个，且无一一对应关系，有的甚至偏离到离主巢位置200 m以外的地方。

该类蚁穴通道组成上的复杂性，导致了其水力学条件及岩土工程特征的复杂性与多变性。当水流浸入蚁穴系统时，不仅对蚁道产生影响，而且还会对主巢和菌腔产生影响，同时，蚁道内的水流和空腔内的水流之间亦会产生制约性的相互作用。随着洪水位的升高，整个蚁穴系统逐渐被水充满，此时，主巢菌圃等空腔部分将变成堤坝内的地下储水容器，连接迎水坡面的蚁道变为进水管，连接背水坡的蚁道可看成泄水管（见图5）。显然，进水管两端的水头差较小，管内水力学条件相对稳定；而泄水管两端的水头差较大，管内水力条件变化较大，水流对通道的扩径改造作用也强。当自由泄水量较大时，对腔内水量来说有Q出>Q入，腔内将泄出部分储存水量而出现负压，腔顶土体因浸泡和真空吸蚀作用产生垮落，并堵塞泄水管而出现Q出

故此，因串穴式蚁穴通道而产生的险情具有下列特征：①险情在洪水涨落的整个过程中都有可能出现，出险点多在堤内坡脚以上的斜面上；②出险点和进水口的位置没有一定的对应关系，两者甚至会相隔很远；③出水量时大时小，时清时浊，并常伴有白蚁和菌圃碎屑流出；④当出险时间较长或因判断不准、处理不当时，会在堤面内侧及上部坡面上出现跌窝或塌坡等重大险情；⑤会同时存在多个进水点和出水点，险情复杂，不易处理。

四、组合式穿堤蚁道的工程特性

组合式穿堤蚁道是指由非穿透性蚁穴通道与其他成因的裂缝、洞穴等组合而成的穿堤通道。非穿透性蚁穴通道多存在于幼年蚁巢中，其埋深较浅，延伸范围有限，只有与另一侧的裂缝、洞穴连通后，才能组合成穿堤导水通道。常见的形式有3种，即裂缝与蚁穴的组合、动物洞穴与蚁穴的组合、植物腐烂根茎与蚁穴的组合。

1.裂缝与蚁穴组合的通道

堤坝均为线性土质构筑物，当因含水率的变化、填料土质成分的差异以及堤基软硬交接处的差异沉降等原因所形成的横向裂缝与蚁穴通道连通后，便形成了穿堤通道。这类通道的水力学特征主要受裂缝的发育深度、延伸长度及缝间开度等因素的控制，其导水性越好，对堤坝的危害就越大。

2.动物洞穴与蚁穴组合的通道

当巢居在堤坝土体内的穿山甲、蛇、鼠等生物所形成的洞穴与蚁穴连通后，便形成了透水性较好的穿堤通道。由于捕食和生存的需要，动物洞穴一般较粗大，导水性好，突水流量大，能在短时间内冲毁堤坡；而蚁穴通道则相对细小，故其在很大程度上控制了该类组合通道的水力学条件。另外，动物洞穴在坡面上均有明显的痕迹，只要勤于观察，及时治理，便可化险为夷。