堤防决口封堵材料应用分析

任建斌

(武警水电指挥部，北京 100055)

堤防决口封堵材料应用分析

任建斌

(武警水电指挥部，北京 100055)

堤防决口突发性强、破坏力大，可造成重大人员伤亡和财产损失。本文通过计算分析决口水力学特性和堵口材料抗冲稳定性，正确选择堵口材料的粒径和堵口方法，系统分析论述传统和现代的各种堤防决口封堵材料的适用条件、应用形式和实践应用等，提出因地制宜、就地取材、多种组合、不断创新的现代抢险新模式。

堤防；决口；封堵；材料

1 概 述

堤防是世界上最早广为采用的一种重要防洪工程，是现代江河防洪工程体系的重要组成部分。我国江河众多，截至2015年底，已建成堤防总长度达29万km，其中主要堤防有7万km。

我国由于洪水灾害多、堤防防洪能力偏低、人类活动影响等因素，堤防经常受到洪水灾害的威胁。在洪水长时间浸泡和冲击作用下，超过堤防抵抗能力，或者汛期抢护不当或不及时，就会造成堤坝溃决。例如，1931年长江干堤决口350多处，武汉三镇被淹达3个多月，死亡14万余人。黄河在两千年来，决口达1500余次，改道20余次。1998年，长江、嫩江、松花江流域堤防出现较大范围决口。因此，决口封堵是一项责任重大、难度巨大的任务。

正确选择和应用堵口材料是决口封堵成功的关键。目前国内外关于堤防决口封堵的研究，大多集中堤防决口封堵的具体技术方法，对堵口材料未进行全面系统论述，特别是对近年来出现的新材料应用研究不够。本文结合实践分析、研究新型堵口材料，对保证抢险任务顺利完成具有重要意义。

2 决口封堵准备

堤防一旦决口，必须采取有效措施稳固堤头、封堵决口、加固复堤，减少灾害损失，缩小淹没范围。堵口前，应根据现场情况，采取科学堵口原则，一般应先堵下游口门，后堵上游口门，先堵小口，后堵大口。从方便堵口角度，合理选择坝基线，必要时可开挖引河，修筑挑流坝。

2.1 抢筑裹头

堤防决口后，为防止水流冲刷使口门继续扩大，要根据不同决口洪水的水位差、流速及决口处的地形、地质条件及人员物料准备情况，及时对口门两端堤头进行保护，并为下一步堵口创造条件。抢筑裹头抛投料的尺寸必须满足抗冲稳定要求，裹头形式要满足抢险作业要求。一般在低水头流速小、土质较好的条件下，采用打桩填柳或抛石(袋)裹护。在高水头流速大、土质较差的条件下，可在堤头前铺放土工布软体排或抛柴石枕、打钢管构架抛石、抛填抗冲石笼等进行裹护。

2.2 现场勘察和资料收集

在进行决口封堵前，必须做好水文、地形、地质资料收集和河势勘察工作。要实测口门的宽度，绘制断面图，掌握水深、流速和流量等。

2.3 制定封堵方案和计划

根据水文、水下地形及河势的变化和当地筹集物料能力等，进行堵口设计，分析、研究堵口最佳时机，布置抢险现场，确定封堵方案，并制定具体实施计划。

2.4 做好堵口准备

广泛动员，分工负责，协同配合，尽快组织抢险队伍和力量，配备到位施工机械和设备及工具，筹集抢险物资和材料。

3 决口水力学特性及堵口材料抗冲稳定计算

堤防决口属于非恒定含间断的浅水问题，实际堤防决口形状、宽度变化及水流地质条件都十分复杂，模型试验和计算机数值模拟是解决工程问题的主要手段之一。对决口流量、决口宽度、决口迎水水深、迎水背水水位差、决口平均流速等参数进行测量和模拟计算，得到不同工况条件下的决口水力学特性，根据这些变化规律确定堤防决口封堵材料种类、数量、粒径及抛投强度等，为制定最佳堵口方案提供参考。

3.1 决口过流量及流速

堤防决口最大过流量Qmax(m3/s)

式中n——口门形状系数，矩形取1.0，抛物线线形取1.5，三角形取2.0；

g——重力加速度，m/s2；

b——口门宽度，m；

H1——决口水深，m。

当背水侧有一定水深H2后，用侧堰公式计算决口过流量Q(m3/s)：

式中μ——流量系数，取0.6～0.65。

决口处平均流速v(m/s)，一般通过现场测量，并进行复核：

式中Z——迎水与背水水位差，m；μ1——流速系数，在起始阶段为0.6，随着决口背水淹没区的水深加大，逐渐增为1.0。

3.2 抛投材料粒径计算

抛投材料抗冲稳定性是选择制作堵口材料的重要指标，目前比较认同止动流速的观点，大多用前苏联S.V.Isbash公式确定流速与材料粒径的关系：

式中v——决口处平均流速，m/s；K——稳定系数，取0.89～1.2；D——堵口材料粒径，m；γs、γ——堵口材料重度和水的重度，N/m3；g——重力加速度，m/s2。

一般块石(单体)堵口材料K取0.9，群体抛投混合料K取0.93，群体抛投均匀石块K取1.07。

高流速决口的堵口材料抗冲稳定措施主要是正确选择堵口材料粒径、防止流失，深水低流速堵口材料稳定措施主要是防止堤头坍塌。在实践中，抛填量及材料消耗量往往远大于计算值，为确保高强度连续抢险作业，应备足主要堵口材料。

4 堵口材料应用

决口封堵是一项紧迫艰难复杂的系统工程，根据现场条件、当地物料供给、机械设备配备等情况选择合适堵口材料，是堵口能否成功的关键环节之一。决口封堵材料的种类很多，大致可分为就地取材类、预制块体类、框架组合类、橡胶织物类和浮体沉厢类等。

4.1 就地取材类

主要指抢险区域就近可以获取和加工制作，包括埽料、块石和土工料等。

4.1.1 埽工料

埽料是指用梢料、苇、秸和土石分层做埽的材料。埽工源于黄河并主要用于黄河。埽工料和类似埽工方法堵口在汉代已经开始出现，《史记·河渠书》记载最早的一次著名堵口是汉武帝元光三年(公元前109年)的瓠子堵口。到宋代，埽工技术发展成熟，《梦溪笔谈》记载：“凡塞河决，垂合，中间一埽，谓之合龙门。”清代中期，埽工形式为卷埽，乾隆年间，逐步把卷埽改为沉厢式修埽方式，并把秸料作为正式埽工材料。20世纪30年代，为提高埽工抵御水流的能力，逐步以柳枝石块铅丝代替了秸土麻绳，柳石捆厢进占、柳石枕合龙成为黄河堵口的主要形式。除填土和埽工外，黄河堵口还采用编竹装石、长绳结砖等形式。

埽工堵口技术是人民堵口抢险的经验总结和智慧结晶，但从历次抢险实践看，每当遇到险情特别是重大险情时，传统堵口技术往往需要人海战术，耗费大量人力物力，有时因抢险速度慢、效率低，而不能及时有效控制险情。随着社会发展和科技进步，新材料、新技术、新设备的创新使用，极大减少了劳动强度，提高了抢险效率。

4.1.2 石(袋)戗堤

新中国成立后，石渣料和块石大量用于决口封堵，特别是可以用现代大型机械设备进行装运抛填作业。抛石(袋)戗堤进占具有节省人力、施工强度高、适合连续作战、施工进度快等优点。土石料运输距离一般不超过15km，需要先在断堤侧修筑道路，利用自卸车运输，水下部分采用直接抛填，水上采用分层填筑，推土机铺料、推平，振动碾压实，填筑、碾压层厚控制在0.6～0.8m，进占过程中，为保证堤头稳定，减少水流对戗堤上下端角的冲刷，可以在戗端用块石、网笼做上下挑头，中间回填石渣料，确保戗堤端头稳定。在戗堤进占过程中，要及时对戗堤加高培厚，增加堤坝稳定性(见图1)。

图1 决口封堵典型断面图(单位：m)

土石袋是在编织袋、草袋、麻袋内填充土料、砂石，封口后制成，利用自重沉入水中，比松散土石的抗水流冲刷性能大大提高，具有一定稳定性，同时通过压实变形使袋与袋之间嵌合更加紧密。土石袋材料容易获取，制作技术简单，便于机械化施工，广泛应用于堤防抢险和决口封堵。因此，还衍生出很多替代品，如土工织物袋或其他特制袋，有更好的强度和适应性，使封堵更加有效。根据快速施工原则，促进研发出组合装袋机等新型抢险装备。土石袋封堵适用于龙口宽度较小且水深较浅的决口。

这些材料应用灵活方便，可以戗堤也可以护底，可以采用立堵、平堵和混合堵等多种形式。随着水上舟桥等装备的发展，在交通条件有限的情况下，还可利用舟桥进行水上抛投。

4.1.3 土工料

土料是最常用的堵口材料，在决口合龙后，先从迎水侧抛投砂卵石反滤料，反铲修坡平整成型。再从反滤料上游迎水侧分层抛填黏土，分层厚度不大于40cm，推土机推平，振动碾压实，反铲修坡整形，最后实现防渗闭气。

2010年6月，江西唱凯堤发生决口，口门宽度348m，四个镇受灾，10万人被迫离开家园，损失严重。决口处于抚河冲积平原上，地势较为平坦，施工道路较为方便，附近10～20km范围内有多处可供土石料开采，采用单戗双向机械化立堵，戗堤进占材料为石渣、块石料，龙口合龙材料为大块石、钢筋石笼及铅丝石笼，防渗闭气材料为砂卵石反滤料和黏土。

4.2 预制块体类

主要是指能够预先加工制作的堵口材料，包括混凝土四面体、混凝土异形块体、铁棱角、钢筋石笼、铅丝石笼等。这些物料需预先制作，并储备一定数量。主要用于裹头、合龙等关键部位抢险。如果在戗堤合龙时龙口流速过大，可以将钢筋石笼、混凝土体用钢丝绳串成一串再推入龙口，增加抗冲能力，再抛填块石、石渣、土料等进行合龙，效果更好。

4.3 框架组合类

主要是用钢管、木桩、扣件、模板等制作组成三脚架、钢木组合构架和桁架、钢(木)栅排等结构形式拦截、稳定抛投料，实现封堵。

钢木组合构架封堵首先要插打钢管和木桩定位，从决口堤头两端向中间依次进行，形成2～5层排桩(排距一般为1.2～1.5m，入土深度一般1～1.5m)。采用快速接头卡扣将纵横方向的钢管水平联系杆与已插入覆盖层内的钢管、木桩联成三维空间构架(见图2)。不断向决口中心进占、加固，直至左右构架相联，形成整体钢木组合构架。再不断加密至间距0.2～0.3m，与此同时向构架内以先平堵后立堵方式抛投填料(块石、石袋、土袋、柳梢压石)，出水后进行人力码砌。必要时，背水侧采用斜撑、迎水侧采用拉杆增强整体性和稳定性。

图2 钢木组合构架决口封堵剖面图

这类材料组装拆卸灵活，可利用打桩机械作业，组装后整体稳定性好，搭设模板可以作为抢险平台。未抛填料前，阻水面小，抛填料时，构架可起拦截作用，可以节省0.5～1.5倍材料，抛入填料可进一步稳定和加固钢木构架。适用于大型装运设备不易操作的特殊条件下施工。由于靠人力搭设，应用条件为口门处流速不大于2～3.5m/s，水深不大于8m。1998年8月7日，长江堤防九江段在长期超历史水位下突然溃决，决口发展到60余m，水头差3.4m，采用钢木组合构架用5天时间成功实现封堵。

4.4 橡胶织物类

属柔性堵口材料，主要指近年来抢险中采用的新材料如塑料编织布、土工织物、膨胀截流橡胶袋、塑枕、模袋混凝土等。塑料编织布由聚丙烯和聚乙烯两种塑料热加工复合而成，内层由聚丙烯加工的塑料纤维带编织而成，具有很高的韧性和弯曲疲劳。膨胀截流橡胶袋遇水后快速膨胀，重量、体积快速增加，可达原重量、体积的80～100倍，具有储运方便、组装快速、保护环境等特点。这类材料主要用于小型决口的封堵防冲防渗抢险。

4.5 浮体沉厢类

主要包括沉船技术和箱形结构物。船只是决口上最易得到的堵口材料，在龙口流速大、其他堵口材料效果均不佳的情况下采用沉船堵口，可以减缓口门被冲刷扩大加深，又可作为堵口抢险作业平台、拦石钢管栅等的上部支撑体。沉船技术是目前决口初堵的有效措施之一，箱形结构物技术成本低廉、作业速度快，可降低传统堵口作业方法的难度和风险。当溃口宽度、溃口流速在一定范围内时，用箱形结构物封堵溃口的作业方法是有效可行的，沉厢堵口后减缓水势效果明显，决口扩大的危害性可基本得到控制，为后续抛投作业提供良好条件。

在九江决口初堵阶段，采用了沉船堵口，将长达80m、满载1650t煤炭的大驳船铆定并沉搁在距堤防7.5m的决口正面 ,再将6条小驳船和1条拖船分别沉在煤船的两头和外侧，决口处水头明显降低，流速减小，为后来的抢险创造了必要条件。

5 结 语

堤防决口封堵要因地制宜、就地取材，在现代抢险实践中，往往多种材料组合应用，因此，需要结合当地防汛实际，对土工编织布、编织袋、机织布、混凝土预制块、钢管、木桩等抢险材料进行预制储备，同时，要在传统材料和抢险方法的基础上不断创新和改进，充分利用打桩机、组合装袋机、机械捆抛枕机、抛石机、石笼网片编织机等先进的专用抢险装备与自卸车、挖掘机、推土机、装载机等大型装运机械配合，实现机械化快速抢险。

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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