堤壩蟻穴通道的工程分類與特性

高加成，姚文花，劉作京，甘新民

（1.嘉應(yīng)學(xué)院土木工程系，514015，梅州；2.廣東省惠州市華南白蟻防治有限公司，516000，惠州；3.湖北省荊州市長(zhǎng)江河道管理局石首分局，434400，石首）

蟻穴通道是土棲白蟻蝕土而筑的地下群居空間，完整的成年蟻巢包括王室、王室菌圃腔、菌圃腔、蟻路、泥線泥被、移殖孔和移殖室等空洞通道部分。前三種一般埋藏較深，呈饅頭狀，空間較大，是蟻穴系統(tǒng)中的空腔部分；后三種埋藏較淺，呈線性彎管狀或片狀，分布延伸范圍大，是蟻穴系統(tǒng)中的通道部分；蟻路埋深可深可淺，其將各構(gòu)成部分有機(jī)地連接起來(lái)，形成了復(fù)雜而龐大的地下空腔—通道網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

一、堤壩蟻穴通道的工程分類

堤壩蟻穴通道的工程分類應(yīng)綜合考慮蟻穴通道的空間展布情況、蟻穴中各構(gòu)成部分的相互連接關(guān)系、通道穿堤導(dǎo)水后的水力學(xué)特征及其對(duì)堤壩穩(wěn)定性的影響，同時(shí)還要注意到是否有土棲白蟻的存在及其生物行為的作用。

1.土棲白蟻蟻巢的工程分類

按是否有土棲白蟻的存在可將蟻巢分為兩類。

①有蟻蟻巢：指有蟻王、蟻后生存的蟻巢，具有動(dòng)態(tài)發(fā)展的特征。

②空亡蟻巢：指蟻王、蟻后已逃遁或已死亡的蟻巢，具有靜態(tài)衰亡的趨勢(shì)。

2.蟻穴通道系統(tǒng)的工程分類

按蟻穴的空腔—通道系統(tǒng)是否穿越堤壩，可將其分為兩類：

①穿透性蟻穴：多存在于成年蟻巢中，此空腔通道系統(tǒng)在高洪水位作用下，能反映出相應(yīng)的水力學(xué)特征和巖土工程特征。

②非穿透性蟻穴：多存在于幼年蟻巢中，此空腔通道系統(tǒng)僅具有巖土工程特征，其存在破壞了堤身土體結(jié)構(gòu)的完整性。

顯然，不管是有蟻蟻巢還是空亡蟻巢，都包含有穿透性蟻穴和非穿透性蟻穴。通常情況下，對(duì)堤壩安全和穩(wěn)定影響較大的是穿透性蟻穴；但當(dāng)非穿透性蟻穴與其他洞穴或裂縫組合在一起時(shí)，同樣也可構(gòu)成威脅堤壩安全的組合通道。此外，穿透性蟻穴和非穿透性蟻穴是相互轉(zhuǎn)化的。

3.穿堤蟻穴通道的工程分類

按穿堤蟻穴通道的成因及空間分布組合形狀，可將其分為兩大類6種基本形式（見(jiàn)圖1）。這6種基本形式是導(dǎo)致堤（壩）漏水，并影響其安全與穩(wěn)定的主要隱患。

二、有蟻蟻巢和空亡蟻巢的工程特性

1.有蟻蟻巢的動(dòng)態(tài)發(fā)展特性

圖1 穿堤蟻穴通道分類圖

有蟻蟻巢的動(dòng)態(tài)發(fā)展特性主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面：①蟻穴的網(wǎng)絡(luò)通道本身是發(fā)展變化的。隨著土棲白蟻群體的擴(kuò)大，需要更多的生存空間，必須不斷地向外擴(kuò)筑新的衛(wèi)星菌腔和聯(lián)系通道，使巢區(qū)范圍擴(kuò)大；同時(shí)為了滿足生活的需要，迫使其修筑一些新的取食道和取水道，若因食物資源的影響，取食道將會(huì)延伸到更遠(yuǎn)的地方。其結(jié)果必將使整個(gè)蟻穴網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)變得更復(fù)雜，影響范圍將更大，對(duì)堤壩土體結(jié)構(gòu)的破壞也會(huì)更嚴(yán)重。②當(dāng)蟻穴通道系統(tǒng)遭到洪水威脅時(shí)，工蟻會(huì)及時(shí)投入抗洪搶險(xiǎn)狀態(tài)，封堵一些細(xì)小的滲水通道和被充水浸沒(méi)的蟻道，從而相對(duì)延緩了早期險(xiǎn)情的出現(xiàn)。

由于有蟻蟻巢的動(dòng)態(tài)發(fā)展特征，隨著時(shí)間的延伸，其對(duì)堤壩土體的強(qiáng)度與穩(wěn)定性的負(fù)面影響就越來(lái)越大。盡管其自身的封堵行為能延緩早期險(xiǎn)情的發(fā)生，甚至有時(shí)能化險(xiǎn)為夷，但它終究是一大隱患，也許來(lái)年便會(huì)釀成大禍。好在其活動(dòng)的痕跡給人們提供了找巢滅蟻的依據(jù)，只要勤于觀察，掌握其活動(dòng)規(guī)律，及時(shí)處理，一定能收到較好的防治效果。

2.空亡蟻巢的靜態(tài)衰亡趨勢(shì)

空亡蟻巢是蟻群滅亡后殘留在堤壩土體內(nèi)的空腔—通道體系?？胀鱿伋搽m然不會(huì)繼續(xù)擴(kuò)大，但常會(huì)被忽視或無(wú)法知曉其存在。因無(wú)工蟻維護(hù)與管理，一些掉塊或沉渣會(huì)臨時(shí)堵塞部分蟻道和空腔。當(dāng)空腔都靠近背水坡一側(cè)時(shí)，一旦洪水浸入蟻道便會(huì)使大半個(gè)堤身內(nèi)隱含著高壓水體，繼續(xù)作用會(huì)將堵塞蟻道的松散堆積物沖開(kāi)，而在出水口形成管涌。故此，空亡蟻巢造成的險(xiǎn)情一般無(wú)散浸階段或歷時(shí)很短，導(dǎo)致突發(fā)性災(zāi)難。

三、直接穿堤蟻道的工程特性

直接穿堤蟻道是指由土棲白蟻修筑的沿橫向或斜向穿越堤身的蟻穴通道。這種蟻穴通道主要存在于成年蟻巢中，根據(jù)其空間分布形態(tài)、水力學(xué)特點(diǎn)和巖土工程特性，可分為3種形式，即直泄式蟻穴通道、虹吸管式蟻穴通道和串穴式蟻穴通道。

1.直泄式蟻穴通道

直泄式蟻穴通道是由蟻路組成的泄水通道。在蟻穴系統(tǒng)中最具典型的代表是位于最低位置的通風(fēng)排濕道（見(jiàn)圖2），其埋藏較深，遇洪水浸入時(shí)，其間的細(xì)小連接通道易被工蟻堵塞。該泄水通道較粗大，滲流路徑不長(zhǎng)，空氣對(duì)流暢通，進(jìn)出口多位于主巢附近的兩側(cè)坡面上，宜于水流排泄。

當(dāng)洪水位超過(guò)直泄式蟻穴通道的進(jìn)水口時(shí)，水流便會(huì)沿著通道緩緩流出，隨著水位的升高，出水量逐漸增大，并直接沖刷坡面土體而出現(xiàn)險(xiǎn)情。由于此類險(xiǎn)情多發(fā)生在洪水來(lái)臨的早期，進(jìn)水口浸沒(méi)深度較小，只要仔細(xì)觀察，及時(shí)封堵進(jìn)水口，一般不會(huì)造成大的危害。但該類蟻道水力路徑短，黏滯阻力小，流速快，沖蝕破壞能力強(qiáng)，若疏忽觀察，處理緩慢，亦會(huì)形成較大規(guī)模的穿孔管涌現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)將導(dǎo)致堤壩決口而形成災(zāi)難。

2.虹吸管式蟻穴通道

虹吸管式蟻穴通道是沿堤壩表層貫穿堤身，且具有虹吸管水力特征的一種淺埋式蟻穴通道（見(jiàn)圖3）。該類通道多存在于季節(jié)性擋水的江、河、湖、海的堤防工程中，主要由取食道組成，僅靠細(xì)小的下行蟻道與菌巢聯(lián)系。由于蟻群取食的需要，蟻道大多會(huì)延伸至堤內(nèi)平臺(tái)和堤外灘地等有食物的地方，然后通過(guò)泥被、泥線等地表掩蓋物采取食物。其分布范圍較大，網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)復(fù)雜，除在堤身內(nèi)具有較集中的粗大通道外，在灘地和平臺(tái)處則會(huì)發(fā)展成許多細(xì)小的分枝狀蟻道。

由虹吸管的水力特點(diǎn)可知，該類通道只有在洪水位高于其最高點(diǎn)，并將蟻道內(nèi)注滿水后才會(huì)開(kāi)始導(dǎo)水，此時(shí)，整個(gè)蟻道系統(tǒng)只起到泄水作用；但由于背水坡側(cè)的蟻道較長(zhǎng)，自由出流口到泄水管頂點(diǎn)的高差較大，水流出流速度快，具有較大的沖蝕破壞能力。當(dāng)洪水位回落至蟻道的最高點(diǎn)以下時(shí)，整個(gè)蟻道系統(tǒng)將呈現(xiàn)出虹吸管流的特征，此時(shí)，高出水位的蟻道內(nèi)出現(xiàn)負(fù)壓，且水位回落得越多，蟻道內(nèi)的負(fù)壓就越大，產(chǎn)生最大負(fù)壓的位置多在堤頂內(nèi)側(cè)附近的蟻道內(nèi)；若蟻道與巢腔有直接水力聯(lián)系，則會(huì)形成危害性更大的負(fù)壓包，對(duì)堤身土體產(chǎn)生較明顯的真空吸蝕作用。

故此，由虹吸管式蟻穴通道所形成的險(xiǎn)情具有兩個(gè)主要特點(diǎn)：①險(xiǎn)情發(fā)生在即將漫堤水位時(shí)和汛期的中后階段。②高洪水位時(shí)期以泄水滲漏破壞為主，表現(xiàn)為高壓水流沖破蟻道后所產(chǎn)生的漏水點(diǎn)，以及背水坡腳出流口的沖蝕破壞；退水階段除在出流口產(chǎn)生沖蝕破壞之外，還會(huì)因負(fù)壓潛蝕作用而在堤頂內(nèi)側(cè)及內(nèi)坡上部產(chǎn)生塌陷；當(dāng)其與較大的巢腔連通形成負(fù)壓包時(shí)則會(huì)產(chǎn)生危險(xiǎn)性較大的跌窩，嚴(yán)重者會(huì)形成塌坡，且破壞點(diǎn)多在堤頂內(nèi)側(cè)1/3寬度范圍內(nèi)。

3.串穴式蟻穴通道

串穴式蟻穴通道是由蟻路與主巢菌腔等空腔部分串聯(lián)起來(lái)，并貫穿堤身的一種蟻穴通道（見(jiàn)圖4）。該類蟻道是土棲白蟻生衍繁殖的主要活動(dòng)空間，常由多條主次蟻路和多個(gè)主副巢腔組成，形成了復(fù)雜的蟻穴空腔—通道網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，且巢齡越長(zhǎng)，系統(tǒng)就越復(fù)雜。在深度位置上，介于虹吸管式蟻穴通道和直泄式蟻穴通道之間，進(jìn)出水口位置高低不一；在平面位置上，進(jìn)出水口有多個(gè)，且無(wú)一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，有的甚至偏離到離主巢位置200 m以外的地方。

該類蟻穴通道組成上的復(fù)雜性，導(dǎo)致了其水力學(xué)條件及巖土工程特征的復(fù)雜性與多變性。當(dāng)水流浸入蟻穴系統(tǒng)時(shí)，不僅對(duì)蟻道產(chǎn)生影響，而且還會(huì)對(duì)主巢和菌腔產(chǎn)生影響，同時(shí)，蟻道內(nèi)的水流和空腔內(nèi)的水流之間亦會(huì)產(chǎn)生制約性的相互作用。隨著洪水位的升高，整個(gè)蟻穴系統(tǒng)逐漸被水充滿，此時(shí)，主巢菌圃等空腔部分將變成堤壩內(nèi)的地下儲(chǔ)水容器，連接迎水坡面的蟻道變?yōu)檫M(jìn)水管，連接背水坡的蟻道可看成泄水管（見(jiàn)圖5）。顯然，進(jìn)水管兩端的水頭差較小，管內(nèi)水力學(xué)條件相對(duì)穩(wěn)定；而泄水管兩端的水頭差較大，管內(nèi)水力條件變化較大，水流對(duì)通道的擴(kuò)徑改造作用也強(qiáng)。當(dāng)自由泄水量較大時(shí)，對(duì)腔內(nèi)水量來(lái)說(shuō)有Q出>Q入，腔內(nèi)將泄出部分儲(chǔ)存水量而出現(xiàn)負(fù)壓，腔頂土體因浸泡和真空吸蝕作用產(chǎn)生垮落，并堵塞泄水管而出現(xiàn)Q出

故此，因串穴式蟻穴通道而產(chǎn)生的險(xiǎn)情具有下列特征：①險(xiǎn)情在洪水漲落的整個(gè)過(guò)程中都有可能出現(xiàn)，出險(xiǎn)點(diǎn)多在堤內(nèi)坡腳以上的斜面上；②出險(xiǎn)點(diǎn)和進(jìn)水口的位置沒(méi)有一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，兩者甚至?xí)喔艉苓h(yuǎn)；③出水量時(shí)大時(shí)小，時(shí)清時(shí)濁，并常伴有白蟻和菌圃碎屑流出；④當(dāng)出險(xiǎn)時(shí)間較長(zhǎng)或因判斷不準(zhǔn)、處理不當(dāng)時(shí)，會(huì)在堤面內(nèi)側(cè)及上部坡面上出現(xiàn)跌窩或塌坡等重大險(xiǎn)情；⑤會(huì)同時(shí)存在多個(gè)進(jìn)水點(diǎn)和出水點(diǎn)，險(xiǎn)情復(fù)雜，不易處理。

四、組合式穿堤蟻道的工程特性

組合式穿堤蟻道是指由非穿透性蟻穴通道與其他成因的裂縫、洞穴等組合而成的穿堤通道。非穿透性蟻穴通道多存在于幼年蟻巢中，其埋深較淺，延伸范圍有限，只有與另一側(cè)的裂縫、洞穴連通后，才能組合成穿堤導(dǎo)水通道。常見(jiàn)的形式有3種，即裂縫與蟻穴的組合、動(dòng)物洞穴與蟻穴的組合、植物腐爛根莖與蟻穴的組合。

1.裂縫與蟻穴組合的通道

堤壩均為線性土質(zhì)構(gòu)筑物，當(dāng)因含水率的變化、填料土質(zhì)成分的差異以及堤基軟硬交接處的差異沉降等原因所形成的橫向裂縫與蟻穴通道連通后，便形成了穿堤通道。這類通道的水力學(xué)特征主要受裂縫的發(fā)育深度、延伸長(zhǎng)度及縫間開(kāi)度等因素的控制，其導(dǎo)水性越好，對(duì)堤壩的危害就越大。

2.動(dòng)物洞穴與蟻穴組合的通道

當(dāng)巢居在堤壩土體內(nèi)的穿山甲、蛇、鼠等生物所形成的洞穴與蟻穴連通后，便形成了透水性較好的穿堤通道。由于捕食和生存的需要，動(dòng)物洞穴一般較粗大，導(dǎo)水性好，突水流量大，能在短時(shí)間內(nèi)沖毀堤坡；而蟻穴通道則相對(duì)細(xì)小，故其在很大程度上控制了該類組合通道的水力學(xué)條件。另外，動(dòng)物洞穴在坡面上均有明顯的痕跡，只要勤于觀察，及時(shí)治理，便可化險(xiǎn)為夷。

3.植物根系與蟻穴組合的通道

在一些歷史悠久的堤壩一側(cè)，殘留有柳樹(shù)、水杉樹(shù)等根系龐大的死亡樹(shù)蔸時(shí)，地下根須易被土棲白蟻取食而留下空洞，成為蟻穴穿堤通道的外延部分。高洪水位期間，沿樹(shù)蔸周側(cè)滲入的水體，易通過(guò)蝕空的根須流入蟻巢內(nèi)，從而造成堤壩險(xiǎn)情。故對(duì)堤壩坡面上的殘留植物根莖應(yīng)及時(shí)清理，以確保安全。

五、結(jié) 語(yǔ)

①由于土棲白蟻具有臨洪搶險(xiǎn)和維護(hù)蟻道的本能，因此，有蟻蟻巢能延緩或減少險(xiǎn)情的發(fā)生，具有動(dòng)態(tài)發(fā)展的特性；而空亡蟻巢隱藏性強(qiáng)，難以被人們察覺(jué)，常會(huì)造成突發(fā)性的險(xiǎn)情或?yàn)?zāi)難，具有靜態(tài)衰亡的趨勢(shì)。

②對(duì)堤壩安全影響最大的是穿堤蟻穴通道。直泄式穿堤蟻道埋深大，出險(xiǎn)早，易于處理。虹吸管式穿堤蟻道埋深小，高峰水位前出險(xiǎn)，險(xiǎn)情較嚴(yán)重，危險(xiǎn)性也大。串穴式穿堤蟻道埋深介于上述兩者之間，分布范圍廣，有多處出險(xiǎn)的可能，險(xiǎn)情復(fù)雜，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，易出現(xiàn)跌窩、塌坡等重大險(xiǎn)情，是堤防工程中需重點(diǎn)防治的對(duì)象。

③組合式穿堤通道多為橫向裂縫、動(dòng)物洞穴和植物腐爛根莖與蟻穴的組合，這些組合形式均有明顯的地表痕跡，易被發(fā)現(xiàn)與處理。

[1]陳揚(yáng)志,王貴欽,張善政,等.荊江大堤白蟻研究與防治[M].北京:中國(guó)水利水電出版社,1996.

[2]高加成,甘新民.堤壩蟻穴發(fā)育規(guī)律及早期防治措施研究[J].湖南理工學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2003,16（3）.

[3]蔡邦華.黑翅土白蟻的蟻巢結(jié)構(gòu)及其發(fā)展[J].昆蟲(chóng)學(xué)報(bào),1965，14（1）.

[4]李棟.白蟻巢系結(jié)構(gòu)破壞堤壩穩(wěn)定性的研究[J].生態(tài)學(xué)報(bào),1986,6（1）.

[5]李棟.灌漿固堤時(shí)怎樣尋找黑翅土白蟻的巢位[J].昆蟲(chóng)學(xué)報(bào),1990,33（1）.

[6]姚文花，高加成，甘新民，等.蟻害險(xiǎn)情的現(xiàn)場(chǎng)模擬及破壞特征分析[J].人民黃河，2010,32（8）.

[7]高加成,劉曉紅,甘新民.堤壩蟻穴系統(tǒng)的水力—巖土模型及穩(wěn)定性[J].自然災(zāi)害學(xué)報(bào),2004,13（5）.