2020年鄱阳湖圩堤险情应急抢险技术回顾与思考

2020-12-26程永辉，陈航，熊勇

人民长江 2020年12期

程永辉，陈航，熊勇

(长江科学院水利部岩土力学与工程重点实验室，湖北武汉 430010)

2020年6月以来，我国南方持续降雨，长江汉口至九江流域降雨量超过800 mm，超过1998年同期。受强降水和上游来水共同影响，鄱阳湖主体及附近水域面积扩大，水位快速上涨。7月12日，鄱阳湖标志性星子站水位已达22.74 m，超过1998年最高水位(22.52 m)。鄱阳湖水位超历史极值的上涨，导致多处圩堤发生险情，险情数量多、种类繁、危害大，抢险救援任务重、时间紧，对现有应急抢险技术提出了严峻的挑战。

关于堤防险情的种类与成因、发展过程、致溃机理以及抢险方法，国内外学者开展了大量的研究与实践。在险情成因与发展方面，毛昶熙[1]、吴庆华等[2]对管涌问题的研究发展过程进行了综述与评论。陈建生等[3]对堤防渗流管涌发生后产生集中渗漏通道的机理进行了研究，确定了险情的发展过程。吴昌瑜和丁金华[4]根据现场调查、勘探和试验成果，分析了1998年九江市堤防溃口段的破坏机理。在抢险技术方面，李士森等[5]介绍了堤防漫溢和脱坡险情的抢护方法，杨光煦[6]回顾了九江干堤堵口的过程和方法，熊勇等[7]对溃口的抢险方法进行了总结和评价。许多学者结合防汛抢险实践，总结了汛期堤防各种险情的抢险关键技术和方法，并对堤防建设、监测预警、运行管理等方面提出了建议[8-13]。

本文以鄱阳湖圩堤防汛抢险实践为基础，综合介绍鄱阳湖圩堤出险及抢险的整体情况，然后针对圩堤发生的典型险情。介绍采用的应急抢险技术和设备，归纳其优势与不足，最后综合考虑汛前防御和汛后重建的要求，提出防汛应急抢险技术的发展方向，为防汛应急抢险提供智能、便捷、高效的思路和方法。

1 鄱阳湖圩堤险情整体情况介绍

据江西省防汛抗旱总指挥部全省险情汇总统计，2020年7月8日至8月6日，鄱阳湖区堤防(包括上游五大水系堤防)共发生险情约1 900处，种类包括渗漏、管涌(当地也称泡泉)、散浸、穿洞、漫顶、脱坡、塌陷、溃口等，出险范围几乎涉及鄱阳湖所有圩堤。根据险情发生时的水位统计，超过90%的险情发生在水位超过警戒水位后，余下的险情发生在水位接近警戒水位时。根据险情发生在堤防横断面的位置统计，大部分险情发生在距堤脚50 m范围内，种类涉及所有险情类型，超过50 m距离的险情占比为29.4%，超过100 m距离的险情占比为8.4%，主要表现为管涌险情，距堤脚最远距离为800 m。

2 典型险情抢险技术回顾与不足

2020年鄱阳湖区圩堤险情数量多，类型几乎全覆盖。虽然其规模、位置、发生时间等有所差异，但相同类型的险情其成因及抢险手段基本类似。本节依据险情类型和抢险救援实践，选择圩堤险情中较为常见的管涌、散浸、漏洞、漫溢、脱坡和溃口6种险情，对其应急抢险方法分别进行介绍，并指出存在的不足。

2.1 管涌

管涌是指在渗流作用下，土体中的细颗粒被地下水从粗颗粒的空隙中带走，从而导致土体形成贯通的渗流通道，表现为翻砂鼓水，进一步发展会造成土体塌陷的险情。2020年鄱阳湖区圩堤险情中管涌发生次数最多，占比达到近50%，其出险位置离堤脚的距离范围大，最远可达800 m。此次鄱阳湖圩堤管涌险情发生的主要原因是水位过高、上涨过快，部分堤基的薄弱处以及废弃未封堵的水井出现翻砂涌水；在堤身或地层薄弱处，还易在一定范围内发生多处管涌，形成管涌群，增加了抢险的难度。

鄱阳湖圩堤管涌险情的抢险方法是采用卵石压盖和构筑反滤围井，即在管涌口周边使用土袋垒筑围井，对土袋基础及围井内进行清表后将土袋踩实叠压，并在井内使用粗砂、瓜子片石、碎石由下向上顺序填实，从而壅高井内水位，减小水头差，降低渗透压力，同时防止地基下的砂层被掏空、加剧险情的发展，达到稳定管涌险情的目的。鄱阳湖圩堤险情中，九合联圩、矶山联圩中坝段、共青联圩、古埠联圩发生的管涌及泡泉险情均构筑了围井，并采用砂石进行反滤，冒出的清水壅至一定高度后沿导流沟排出，如图1和图2所示。反滤围井构筑灵活，能根据管涌及管涌群的影响范围和出水情况，因地制宜地改变壅水面积和高度，有效控制管涌及泡泉险情的发展。但修筑反滤围井需要大量的砂石及反滤料，同时需要人力装填、搬运和堆砌，退水后还原工程量大，效率较低、耗财耗力。

2.2 散浸

散浸是指在汛期高水位下，堤坝背水坡及坡脚附近出现土壤潮湿或发软并有水渗出的险情。散浸若不及时抢护，容易导致管涌和漏洞产生。2020年鄱阳湖圩堤受高水位影响，浸润线太高，散浸险情多有发生，约占险情总数的17%。鄱阳湖散浸险情的抢护，以“临水截渗，背水导渗”为原则，主要以背水导渗为主，在背水坡开挖竖沟、“Y”字形或“人”字形导渗沟，铺设砾石反滤料，如图3所示，引导渗水排出，降低浸润线，同时避免水流带走土料颗粒。导渗沟水位尺寸和间距应根据具体情况确定，一般顺堤坡方向的竖沟每隔6～10 m开一条。

图1 九合联圩(桩号25+300)管涌险情处置Fig.1 Treatment of piping in Jiuhe dyke (stake 25 + 300)

图2 古埠联圩(桩号10+850)管涌险情处置Fig.2 Treatment of piping in Gubu dyke (stake 10 + 850)

图3 某堤段背坡发生散浸开挖导渗沟Fig.3 Excavation of drainage ditch in back slope of a dyke when dispersed seepage happen

2.3 漏洞

漏洞是指在堤防内部形成漏水通道的险情。漏洞水流为压力流，流速大、冲刷力强，若不封堵会使漏洞不断扩大，最终造成堤坝溃决。2020年鄱阳湖圩堤中廿四联圩、成朱联圩、九合联圩等多处圩堤发生漏洞险情，主要原因是由于堤身内存在动物洞穴或白蚁洞，还有少量可能由堤身填筑质量问题导致。漏洞险情的抢护首先要找到漏洞位置，对于堤顶附近可明显探查到的漏洞，鄱阳湖圩堤抢险中采用开挖清孔后黏土回填压实进行漏洞封堵，同时在出水口做反滤围井；对于暂时无法探查到的漏洞，在背水面筑围井用卵石反滤，时刻观察出水情况，待退水后进行漏洞探测和封堵。图4为碗子圩临堤民房基础处由于白蚁洞造成漏洞险情后，在背水面出水处采用反滤围井防止堤身填料被冲刷带走。

图4 碗子圩漏洞险情处置情况Fig.4 Treatment of leaks in Wanzi dyke

2.4 漫溢

漫溢是指实际洪水位超过现有堤顶高程，或风浪翻过堤顶，洪水漫堤进入堤内的险情。漫溢不仅会使堤坝后方的田地与城市受到洪水的冲击，更会导致堤坝溃决，造成更大的损失。2020年鄱阳湖圩堤中珠湖联圩珠湖段、新桥湖圩、长溪圩堤副坝、昌江圩、三门圩、东湖圩、前进圩等多处圩堤发生漫溢险情，有些甚至导致漫决，其主要原因是连续降雨导致水位超历史快速上涨，超过圩堤低洼处堤顶高程，且未及时修筑子堤。漫溢险情主要采用土袋修筑防洪子堤、提高堤防防洪高度，同时在内坡设置铺盖防止漫顶冲刷进行防治，图5～7为南康堤子堤和东升堤防冲刷铺盖。针对城市堤防临近市政道路和居民区的情况(如图6中的南康堤)，在子堤后构筑集水池进行防渗处理，减少子堤渗水对市政道路的影响。

子堤长度短则几百米，长则几千米，不仅需要大量的砂土料和编织袋，还需人力进行装填、搬运和堆砌，退水后拆卸和回收很麻烦，效率较低、资源消耗大，回收不及时容易造成污染，如图8所示。

图5 南康堤子堤Fig.5 Sub-embankment of Nankang dyke

图6 南康堤子堤防渗处理Fig.6 Anti-seepage treatment for sub-embankment of Nankang dyke

图7 东升堤漫溢冲刷处置Fig.7 Treatment of overflow erosion of Dongsheng dyke

2.5 脱坡

脱坡是指堤防汛期挡水时，堤坝内部沿软弱层开裂，并逐渐发展成纵向裂缝，使土体失稳发生滑动变形的险情。2020年鄱阳湖圩堤中有多处堤防发生脱坡险情，包括康山大堤、南溪圩堤、乐丰联圩、饶河联圩、廿四联圩、信西联圩等，原因主要是水位上升导致堤身内部浸润线上升，堤身土体应力状态发生变化，堤脚软化造成脱坡。本节以康山大堤为例，介绍脱坡险情的抢险方法。

图8 子堤拆除后编织袋回收不及时Fig.8 No recycling woven bags of sub-embankment in time

2020年7月11日上午，余干县康山大堤康山乡责任段(桩号11+350)内侧发生脱坡，长度约200 m，脱坡的高度达到整个大堤高度的一半，总脱坡面积达1万多m2，如图9所示。脱坡险情发生后，现场采用导渗沟结合坡脚压重的方法进行抢险。导渗沟沿堤方向间距为10 m，里面填设反滤料，作用是排水导渗，防止水流掏空堤身填筑料；压重采用沙砾石料，对堤脚进行压填，作用是固脚，防止堤身发生下滑，如图10所示。整个抢险过程中，当地共投入工程机械3台，运输车10余台，现役官兵、民兵及当地党员干部群众600余人，军民一起经过10 h的突击，于当日19:00左右完成整个险情地段的排水导流、填石固脚工作。整个抢险过程中砂砾石料用量巨大，运输耗时，后续隐患探测和除险加固时需要二次破土。

图9 康山大堤(桩号11+350)发生脱坡Fig.9 Falling off slope at Kangshan dyke (stake 11 + 350)

图10 康山大堤脱坡险情处置Fig.10 Treatment of falling off slope at Kangshan dyke

2.6 溃口

溃口是指堤防被洪水或其他因素破坏，造成口门过流的险情。2020年鄱阳湖圩堤中有多处堤防发生溃口险情，包括问桂道圩、三角联圩、中洲圩、双港镇圩堤等。本节以问桂道圩为例，介绍溃口险情的抢险方法。

2020年7月8日晚，巡堤人员发现问桂道圩(桩号4+018～4+149)坍塌的堤顶过水，随后堤顶决口，洪水涌入圩内，溃口长度达40 m，随后进一步扩大至131 m，如图11所示。溃口发生的主要原因是溃口堤段堤身断面未达到10 a一遇的设计标准，且堤防堤身存在较多隐患及可能的生物洞穴，在超标准洪水作用下形成堤身渗漏通道，发生涌水后导致堤防溃决，形成溃口。

图11 问桂道圩溃口Fig.11 Dyke breach at Wenguidao dyke

问桂道圩溃口险情的抢险采用“单向戗堤进占，块石、钢筋笼封堵，黏土防渗闭气”的方案，如图12所示。待溃口处水流平缓后，首先对决口上下游堤头抛填大块石和钢筋笼进行保护，防止决口进一步扩大，然后采用水下抛填、水上分层填筑压实进行戗堤进占，待口门收缩到20 m左右时分区抛填大块石、钢筋石笼等进行单向快速进占至合龙。封堵完成后在戗堤迎水侧加宽填筑黏土形成黏土心墙防渗层，心墙外填筑碎石混合料反滤层及石渣料护面[14]。整个抢险过程共使用180台自卸车、9台推土机、6台挖掘机、3台装载机和1台振动碾，经过350人83 h的连续奋战，于7月13日晚完成溃口封堵，顺利合龙(见图13)。

现有的溃口抢险和封堵技术都是在口门处水流平缓后进行抢护，此时溃口长度、流入水量基本达到最大，抢险价值比溃口流速高时低。

3 防汛抢险技术发展思考

从2020年鄱阳湖圩堤巡堤查险方法和抢险救援技术来看，目前的抢险救援主要还是依赖人力和砂石料等传统防汛物资储备。查险和抢险过程中，不仅人力和物力消耗巨大，同时还存在险情疏忽遗漏、抢护不及时以及物料准备不充足和调运费时等诸多隐患。随着科学技术的不断发展，在防汛抢险领域，应吸纳材料科学、信息技术、大数据与人工智能方面的成果，提高防汛应急抢险的效率，将防汛应急抢险提升到智能化的高度。

图12 单向戗堤抢险进占Fig.12 Dyke rescue and occupation of single-direction closure

3.1 智能巡堤查险技术

目前的巡堤查险方法基本是依靠人力巡查，队伍中不一定每个人都具有巡堤查险的经验，且配备的木棍也不是每一个人都能熟练使用，能否正确判断险情也因人而异，因此即使在一级应急响应下的不间断巡查也很难保证每一个险情都能第一时间发现和上报。对于人员、经验以及频次上的问题，可以通过标准化程序化险情判断流程，将其与拍摄、感温、定位、上报等功能集成到智能化硬件终端，研发手持式查险仪或阵列式自动智能查险仪等，代替传统木棍，可大大提高巡堤查险以及险情判断与上报的效率，逐步实现自动智能巡堤查险。

以汛期最为常见的管涌险情为例，对于涌水是否为管涌险情，可根据出水是否来自地层深部来判断，即水由深部透水层渗透经过上部不透水层后涌出，其主要特点为水温明显低于地表水，可利用红外热成像技术，通过对出水点进行红外热成像，即时得到出水点水温分布情况，准确判断是否为管涌险情。图14为鄱阳湖某处管涌险情围井内水温的红外热成像结果。从图中可以看出，管涌口出水处水面温度为18.8℃，明显低于周边。相比于传统的通过体感判断和温度计判断，通过红外热成像进行管涌、渗水等险情巡查，效率和准确性更高，更易实现自动化。

图14 管涌出水点红外热成像效果Fig.14 Infrared thermal imaging effect of piping outlet point

3.2 以水治水抢险技术

目前的抢险物资主要是砂石料和塑料编织袋，不仅运输不便、造价高昂，汛情结束后清理也很费时费力，清理不彻底容易造成污染。在抢险救援实践中，这些物料的作用主要是稳定、挡水、压重等。在实现相同效果的前提下，充分利用堤防附近水资源充足的优势，就近取材，以水治水，利用水来实现多种险情的应急抢护。

对于管涌险情，可利用一体式充水围井充水成型后，在围井中分层填筑反滤料后实现壅水和反滤功能，完成对管涌的抢险[15]。图15为由柔性PVC材料制作而成的一体式充水围井，由水囊、气囊、外壁和底部阻水层组成。水囊充水后起压重和稳定的作用；气囊在浮力的作用下随着围井内的水面逐渐抬升并始终保持水平，可方便观察井内水位高度并防止井内水溢出；外壁用来约束围井的体型，使水位能够不断壅高。此外，外壁上设有出水口，用来连接排水管，使水位达到一定高度后将多余的清水排出。退水后，将一体式充水围井中以及水囊中的水排出后即可回收处理，从使用到回收均十分快捷方便。

对于漫顶险情，可利用长条形的水袋代替沙袋，结合固定结构构筑充水式防汛子堤。图16为充水式防汛子堤横断面示意图，由长条形水袋、水袋连接头和L型固定结构组成。长条形水袋截面形状类似圆角梯形，上小下大，首尾相连，组成防汛子堤。长条形水袋压在L型固定结构的水平板上，为其提供竖向压力；L型固定结构的竖向板为长条形水袋提供抗侧力。每道长条形水袋长度可根据子堤构筑场地及堤防线形进行设置，单个长度可达20～50 m，相邻水袋之间采用柔性隔水密封连接，所需人力少、成型迅速，退水后放水即可回收处理，不会造成污染。

对于脱坡险情，充水袋可代替砂石料提供重力进行坡脚压重，仅需运输水袋到抢险现场后连接水泵即可充水进行压重，运输方便、抢险效率高。退水后放水即可回收水袋，不影响后续的堤身隐患探测与堤身除险加固。

图16 充水式防汛子堤断面示意Fig.16 Cross section diagram of water filled flood prevention sub-embankment

3.3 漏洞险情抗冲固堤技术

针对漏洞险情易引发堤身散粒料被冲刷导致溃决的特点，漏洞险情需快速遏制。可在探查到漏洞位置后，在堤身近临水侧连续打入带十字翼板的钢管桩，相邻翼板之间相互搭接或嵌合(见图17)，形成连续钢板挡水墙降低漏洞水流冲击能量。同时带十字翼板的钢管桩能有效提高堤身的抗水平承载力，抵抗漏洞水流冲击力，遏制漏洞发展并保证堤身抗冲稳固。

图17 桩板结构漏洞抢险示意Fig.17 Sketch of leak emergency rescue using piles and flange plates

3.4 溃口水流控制技术

针对溃口险情口门流速过快无法进行抢护的问题，可利用垂直轴潮汐流发电机的原理研发溃口水流消能降速装置[16]：在溃口放置后人为降低溃口水流流速，提前进行溃口封堵。溃口抢险时，在溃口上游处沿裹头向口门中部方向通过桩基依次安装消能降速装置。水流冲击消能降速装置使其转动消能，同时在装置后方一定区域内形成紊流区，消耗水流能量，降低流速，在流速降低区域内抛投填料不会被水流冲走，为高流速下进占堵口提供条件。图18为溃口快速消能装置水槽模型试验，水流在装置后方形成紊流，流速显著降低，可为高流速下抛投石料防冲提供条件。