正四面体钢架在小型决口封堵中的技术应用

2021-12-22陈榕

水利科学与寒区工程 2021年6期

陈榕

(锦曦控股集团有限公司，福建福州 350001)

堤坝是抵御洪水的人造构筑物，这些构筑物年久失修以及遭到洪水的多次浸蚀之后，抵御洪水的能力就将逐渐下降[1]。一旦面临较大的洪水，可能会产生裂缝、滑塌甚至决口[2]。如果不能及时发现处置，就会造成国家财产以及人民生命的严重威胁和损失[3]。因此，我们必须创新和优化封堵决口技术，将损失减小到最低。目前在决口封堵方面主要有立堵法、平堵法以及混合堵法三大类封堵方法[4]。其中，针对中小型堤防决口的封堵方法主要是打桩进堵，这种方法可以降低封堵施工难度，减少物料损失，但是施工的难度相对较大，不仅影响施工人员的安全，同时也不利于封堵效率的提升[5]。因此，针对堤防中小型决口，提出一种物料损失小、效率高的封堵方法具有十分重要的意义。

1 正四面体钢架封堵原理

该方法采用的正四面体钢架，使用的钢管为建筑工地常用的脚手架钢管，直径为50 mm，长度为1.20 m，由6根同规格的钢管通过螺栓连接成镂空正四面体结构。螺栓的连接部位和钢管端头的距离为20 cm。鉴于正四面体钢架本身具备良好的稳定性，无论在水流中如何翻滚，仍旧可以起到良好的支撑作用。同时，由于钢管密度较大，在入水之后可以迅速下沉，钢管突出的20 cm部分可以凭借重力作用插入土层，进一步增加钢架本身的稳定性。在决口部位投入一定数量的钢架可以形成有效的支撑，然后再投入土石、草捆等辅助封堵物料，实现溃口的迅速封堵。在具体的决口封堵过程中，可以在堤防决口的轴线部位投入钢架，形成两排或三排支撑性骨架，然后再进行封堵物料的抛投，钢架的材料为建筑工程用脚手架，运输和现场组装十分方便，同时其质量和体积均相对较小，可以通过人工抛投的方式施工，可以大幅提升施工效率。

2 正四面体钢架封堵施工方法

堤防溃口的基本特征会显著影响封堵方法的效果，换言之，不同的封堵方法均有其适应对象[6]。基于不同特征的堤防中小溃口，提出了三种正四面体钢架溃口封堵方法。

2.1 直接封堵法

由于手工抛投钢架或其他封堵物料的距离一般约为3～4 m。因此直接封堵法适用于宽度在8 m 及以下，且水深和流速不大的溃口。具体的封堵方法为：在堤坝溃决口的两岸堤头上同时施工。首先沿着堤坝的中轴线向溃口中抛投2排或3排正四面体钢架，并保证钢架的间距和排距尽量小，以实现钢架之间的相互交叉嵌入，提高支撑体的整体稳定性。然后，在钢架的上方抛投一定数量起压重作用的小土石袋，在钢架前抛投土石草捆，在水流基本被截断之后，再在钢架前后抛投土石袋，直至完全截断水流[7]。之后需要在钢架内填充黏土闭气，并和老堤防有机结合，解决漏水问题。该方法的施工如图1。

图1 直接封堵法施工方法示意

2.2 堤头进占法

如果决口的宽度在8 m以上，将无法实现包括钢架在内的封堵物料的人工抛投。针对这一情况，在封堵过程中可以在右左岸进占3～4 m，构建起新的堤头，以达到减小决口宽度的目的。由于剩余的决口宽度需要满足人工抛投需要，因此该方法主要适用于8～12 m宽度的决口封堵施工。在具体的施工作业过程中，首先按照上节的方法在右左岸抛投正四面体钢架以及相应的土石料，实现长度为3～4 m的进占，并建立新的堤头，然后再重复上节的方法，直到决口完全被封堵。该方法的进占施工如图2。

图2 堤头进占施工方法示意

2.3 缆绳输送法

如果决口处水流流速过大或决口宽度超过12 m，上述两种方法均失去作用。在这种情况下，就需要采用缆绳输送的方法进行决口封堵[8]。其基本思路是采用打桩系引导缆绳的方式，不仅可以提高单个钢架的稳定性，亦可以提升钢架组合的整体稳定性，同时也可以向人工抛投难以达到的中心区域输送钢架，大幅提升抛投距离。因此，该方法主要适用于流速较大、溃口较宽的堤防中小型决口。施工的具体方法为：首先在决口的两侧堤头打固定桩，然后布置间隔1.0 m的三根引导缆绳，并将左岸的引导绳牢系在固定桩上，在右岸的引导绳上以三个为一组串钢架，并滑入决口区，在右半区钢架串满之后，缓慢松绳将钢架沉入决口底部，然后在左岸重复上述操作，完成钢架的布置，在钢架布置完成之后，再抛投封堵物料。如果决口的宽度较窄，则直接抛投即可，如果决口的宽度较宽，则需要采用进占施工的方式进行抛投，在物料抛投完毕之后，在钢架内部填充黏土闭气。该方法的施工如图3。

图3 缆绳输送施工方法示意

3 封堵方法的优缺点分析

针对不同特征的堤防决口提出的三种正四面体钢架决口封堵方法，与传统的决口封堵方法不同，正四面体决口封堵方法在小型堤防决口封堵过程中，可以有效解决施工工序复杂、以及对专业队伍要求较高的问题。对方法本身进行深入分析，其主要特点如下：

该方法的主要优势有：施工方法相对简单，不需要烦琐、复杂的施工程序，比较容易掌握。因此，该方法对施工人员的要求较低，简单讲解培训即可操作，便于推广应用；所有的封堵物质量相对较小，全部可以进行人工搬运和抛投，对施工机械的依赖度较低，特别适用于交通不便部位的决口封堵作业；该方法对封堵物料的要求较低，特别是不需要大粒径的石料，物料来源广泛可靠。

该方法的主要缺点有：在利用正四面体钢架进行决口封堵时，必须要形成完整的框架体系，方可进行下一步的施工。在决口的宽度较大时，需要进行进占施工缩短抛投距离，但是进占施工的距离也不可过长，如果决口的宽度远大于 15 m时，即使采用缆绳输送，在决口的中间部位布置钢架也将十分困难，因此该方法并不适合较宽的溃口封堵作业。此外，该方法对钢管等物资的依赖性较大，必须要有充足的备料。

4 工程实践

2019年7月，受到强降雨的影响，辽宁省某小河流堤防出现决口险情，决口的形状近似梯形，底宽和顶宽分别为5.5 m和8.1 m，水深2.4 m。采用上述封堵方法中的方法1进行封堵作业。在抛投两排正四面体钢架之后，现场观察钢架在水流冲击作用下仍能够保持良好的稳定性。在向钢架前抛投草捆之后，正四面体钢架上游面出现明显的雍水现象，通过钢架的水流明显紊乱，但是钢架本身仍旧稳定在水流之中。在进一步抛投土草混合袋之后，决口部位的宣泄水流基本被阻断，正四面体钢架的支撑脚完全楔入决口部位的土层之中，呈现出十分明显的支撑作用，稳定性良好。

在整个决口封堵施工过程中，无论是正四面体钢架，还是土草袋或草捆，均采用的是人工抛投的方式，相关施工人员经过短暂的技术讲解培训，即可有条不紊地进行施工作业。从决口的封堵时间上来看，从向决口内抛投正四面体钢架算起，全部封堵作业历时45 min，封堵十分迅速。