廣州市中心城區(qū)堤防陷坑特征及防治措施研究

張勇強，徐夢華

(1.廣州市珠江前后航道流域事務(wù)中心，廣州 510640；2.華南理工大學(xué)，廣州 510640)

1 概述

廣州市中心城區(qū)珠江堤防總長為138 km，主要分布在西航道、前航道、后航道3個航道，堤防長度分別為44 km、49 km、45 km，防洪設(shè)計標準為200年一遇[1-3]。廣州市珠江堤防前航道白鵝潭至海印橋段為民國時期所建設(shè)，具有悠久的歷史，其斷面設(shè)計采用漿砌條石結(jié)構(gòu)，其他新建各段堤防根據(jù)其不同的地質(zhì)、地形條件，選擇不同的設(shè)計結(jié)構(gòu)形式，主要包括重力式結(jié)構(gòu)(沉箱式、扶壁式)、灌注樁結(jié)構(gòu)、復(fù)式結(jié)構(gòu)等[4]。堤防經(jīng)過多年的運行，由于暴雨、天文大潮、止水失效、堤頂重型機械違章碾壓等自然、人為原因，堤頂出現(xiàn)周期性的陷坑[5-6]。本文擬對2016—2020期間陷坑在時間和空間分布規(guī)律進行深入分析，探討陷坑的主要影響因素以及措施的有效性，為其他城市內(nèi)澇區(qū)的堤防設(shè)施防護提供借鑒。

1.1 陷坑時間分布規(guī)律

對2016—2020年逐月的陷坑總數(shù)進行統(tǒng)計，結(jié)果如圖1所示，采取處理措施前后陷坑數(shù)月度平均值對比如圖2所示。

從圖1和圖2可以看出：① 2016—2020年月平均陷坑個數(shù)分別為19、19、14、10、6，可見采取了相關(guān)措施后，陷坑發(fā)生頻率顯著降低，2018年環(huán)比下降24%，

圖1 2016-2020年月度堤防陷坑數(shù)量統(tǒng)計示意

圖2 采用措施前后年月度平均陷坑數(shù)量統(tǒng)計示意

2019年環(huán)比下降32%，2020年環(huán)比下降40%。2018—2020年月平均陷坑10個相比2016—2017月平均陷坑19個，下降比例為48%；② 2016—2020年堤防陷坑總數(shù)雖然差距較大，月平均個數(shù)分布規(guī)律比較相似，2016—2019年4—5月、8—9月出現(xiàn)頻次較高，主要原因是4—5月梅雨、8—9月臺風(fēng)引發(fā)暴雨，加快了堤防回填砂土的流失，導(dǎo)致陷坑的出現(xiàn)。2020年陷坑高發(fā)月集中在5—6月，8—9月較少主要原因是2020年采取措施前和措施后降雨量均是影響堤防陷坑數(shù)量增加的外部原因。

1.2 陷坑空間分布規(guī)律

廣州市中心城區(qū)珠江空間分布為西航道(含沉香島、大坦沙島)、前航道(含二沙島、海心沙島)、后航道(含大學(xué)城環(huán)島)，堤防分布位于河道兩側(cè)及江心島。其中西航道左岸堤防簡稱西左、右岸堤防簡稱西右，其他航道簡稱類似。根據(jù)堤段的長度統(tǒng)計出不同堤段陷坑分布密度。2016—2020年各堤段陷坑分布數(shù)量、分布密度統(tǒng)計見圖3～圖4。

圖3 2016—2020年不同堤段陷坑數(shù)量分布示意

圖4 2016—2020年不同堤段陷坑密度分布示意

從2016—2020年各堤段陷坑分布數(shù)量、分布密度統(tǒng)計結(jié)果可以看出：

1)從陷坑數(shù)量來看，2016—2020年所有堤段陷坑數(shù)量基本呈現(xiàn)下降趨勢，但后左堤段在2017—2018年出現(xiàn)較大程度反彈，2019—2020年陷坑數(shù)量恢復(fù)下降趨勢。主要原因：后左堤段2017年度陷坑封堵較晚，大部分伸縮縫破損堤段已漏砂，導(dǎo)致后續(xù)年度陷坑繼續(xù)出現(xiàn)，加之2018年度的山竹臺風(fēng)引發(fā)海水倒灌、水位升高，加速了回填砂的外漏。西右堤段2016—2020年陷坑個數(shù)年平均為7個，年度分布情況基本在7個上下波動，未呈明顯下降趨勢。主要原因：陷坑主要發(fā)生在芳村碼頭段和花地河上游段，該段岸線為碼頭占用，伸縮縫水上封堵無法作業(yè)，后續(xù)年度陷坑逐漸發(fā)生，從陷坑修復(fù)開挖現(xiàn)場可以明顯判斷。

2)2020年度從分布數(shù)量來看，排名前3的堤段分別為：西左16個、后左14個、大坦沙10個、前右10個；從分布密度來看，排名前3的堤段分別為：大坦沙1.1個/km、沉香島1.1個/km、西右0.8個/km。綜合考慮2020年堤防長度、陷坑個數(shù)和陷坑分布密度，要加強后左、西左、大坦沙等堤段的巡查工作。

3)對后左堤段開展專項分析。對2016—2019年數(shù)據(jù)進行初步篩選，發(fā)現(xiàn)陷坑基本集中在后左2+000～8+000，年度陷坑平均數(shù)占比85%。以500 m為1段進一步細分，后左3+000～3+500和后左4+000～4+500年度陷坑平均數(shù)和為15，占比為55%，是后左堤段陷坑分布密度的13倍。但是2020年后左3+000～3+500陷坑個數(shù)為0，后左4+000～4+500陷坑個數(shù)為7，分布密度仍然較高。后續(xù)年度后左堤段應(yīng)重點關(guān)注后左4+000～4+500。

4)海心沙、大學(xué)城陷坑出現(xiàn)概率極低。

2 堤防陷坑其它特征

2.1 陷坑位置分布特征

陷坑發(fā)生位置呈現(xiàn)一定的規(guī)律，以前航道某段堤防為例，其結(jié)構(gòu)為拋石、沉箱和L形擋墻組成，陷坑位置見圖5～圖6，陷坑易在可見岸墻分縫位置附近產(chǎn)生(見圖7～圖8)，陷坑邊界距離擋墻距離見表1。

圖5 陷坑斷面位置示意(單位：高程m，尺寸mm)

圖6 現(xiàn)場某陷坑位置示意

圖7 陷坑局部開挖照片1示意

圖8 陷坑局部開挖照片2示意

表1 2016—2020年陷坑邊界距離擋墻距離S統(tǒng)計規(guī)律 m

由陷坑位置統(tǒng)計結(jié)果可以看出：① 2016—2020年陷坑數(shù)量83%集中在貼近岸墻0～1 m位置，其中S=0貼近岸墻邊的占68%；② 2016—2020年陷坑發(fā)生位置平均值分別為1 m、0.8 m、1 m、0.9 m、0.9 m，5個年度加權(quán)平均值為0.9 m；分析陷坑修復(fù)現(xiàn)場開挖后可發(fā)現(xiàn)，珠江潮水位的經(jīng)常變動導(dǎo)致伸縮縫處止水失效，大暴雨引發(fā)回填砂加速滲漏是陷坑出現(xiàn)的主要原因，因此，岸邊0～1 m范圍內(nèi)伸縮縫位置是陷坑巡查防護的重點區(qū)域；1 m范圍外如遇到地下有煤氣、排水管線等設(shè)施的區(qū)域同樣要加強巡查；③ 在陷坑實施有效的預(yù)防措施作用下，2018—2020年0～1 m內(nèi)陷坑比例逐漸減少，但是其中部分擋墻區(qū)間內(nèi)陷坑比例增加，可能是由市政煤氣排水管道所造成，因此，有必要對管道所在區(qū)域進行相應(yīng)的防護。

2.2 陷坑深度分布規(guī)律

陷坑深度也呈現(xiàn)了一定的分布規(guī)律，對2016—2020年堤防陷坑深度的分布范圍、平均值、標準差和中位數(shù)進行統(tǒng)計分析見表2。

表2 2016—2020年堤防陷坑巡查深度統(tǒng)計 m

從表2可以看出，2016—2020年陷坑深度平均值為0.53 m，堤頂高程一般為3.1 m左右，陷坑底部平均高程為2.55(堤頂高程為3.1～0.55)，比沉箱頂部高2.0 m，低于200年一遇水位2.76 m[8]。陷坑分布深度比較穩(wěn)定，標準差和中位數(shù)比較穩(wěn)定。巡查人員攜帶陷坑深度探測工具略大于0.5 m即可，建議取1 m的探測桿基本滿足要求。

3 陷坑隱患處理工程措施和非工程措施

3.1 工程措施[9-10]

1)預(yù)防性工程措施

2016—2017年對陷坑容易發(fā)生的前后西3個航道所有堤段，岸墻外側(cè)伸縮縫位置填充泡沫劑，但部分堤段建設(shè)水利工程堤防后被其他行業(yè)占用，如客輪類碼頭、淤泥渣土碼頭、貨運碼頭、涉河項目如橋梁隧道施工，水上作業(yè)船只無法靠近岸墻作業(yè)。其他堤段作業(yè)充分利用潮位時刻表，小型船只高潮位封堵上部分，低潮位封堵下部分，刮除表面多余部分，用水泥顏色涂料粉刷伸縮縫，保持封堵后岸墻面整潔美觀(見圖9所示)。

圖9 岸墻外側(cè)伸縮縫填充泡沫膠示意

2)維修措施1

陷坑修復(fù)時，根據(jù)漲落潮時刻，選擇水位一般低于胸墻底(沉箱頂)時間段，按照1∶1坡比拆除地磚和水泥穩(wěn)定層后開挖至胸墻底(沉箱頂)高程，如伸縮縫處止水破損，則人工利用針管樣式工具填充高分子泡沫膠(見圖10所示)。

圖10 陷坑維修伸縮縫填充泡沫膠示意

3)維修措施2

填充泡沫膠后，參照堤防工程養(yǎng)護修理規(guī)程第八章堤防工程搶修第七節(jié)跌窩(陷坑)搶修[11]和堤防工程施工規(guī)范第六章堤身填筑與砌筑第七節(jié)反濾、排水工程施工[12]方法，沉箱類結(jié)構(gòu)堤防陷坑修復(fù)一般先鋪設(shè)土工布，底面鋪設(shè)反濾層，分層回填中粗砂(不大于50 cm)并沖水密實，最后恢復(fù)墊層和地磚。并按照標準[13]組織開展驗收工作(見圖11～圖12所示)。

圖11 陷坑維修時鋪設(shè)土工布+反濾排水示意

圖12 陷坑維修回填沖水密實示意

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)研，采取相關(guān)工程措施后，修復(fù)過的陷坑基本沒有再次出現(xiàn)塌陷；部分堤段雖然已從岸墻外側(cè)填充了伸縮縫，但是填充之前可能已經(jīng)漏砂，之后經(jīng)歷暴雨或者天文大潮等地面才會出現(xiàn)陷坑，這類陷坑在開挖修復(fù)的時候能夠明顯發(fā)現(xiàn)漏砂痕跡。其他結(jié)構(gòu)如漿砌石擋墻+粘性土堤發(fā)生陷坑應(yīng)急搶修可參照處理[14]。

3.2 非工程措施

1)做好堤防工程管理規(guī)范化建設(shè)[13]。按照《加快推進新時代水利現(xiàn)代化的指導(dǎo)意見》《水利工程管理考核辦法》《廣州市水利工程標準化管理試點實施方案》等要求，2020年開展廣州市中心城區(qū)138 km珠江堤防標準化管理創(chuàng)建工作，2021年2月通過驗收，完成問題整改后2021年6月獲得上級主管部門批復(fù)。通過標準化創(chuàng)建，落實管理責任主體、完善管理制度、加強教育培訓(xùn)、規(guī)范巡查養(yǎng)護、落實隱患整改。涉及陷坑防治巡查方面[15]：完善巡查制度、配置巡查人員、落實巡查人員堤防巡查培訓(xùn)工作，巡查人員根據(jù)陷坑區(qū)間、時間、局部坐標的分布規(guī)律，安排巡查人員在風(fēng)險高發(fā)區(qū)域(某些堤段)、高發(fā)時間(臺風(fēng)、暴雨、天文大潮)加強巡查，尤其是走路有“砰砰”空洞的回聲，巡查人員撥開地磚使用探測桿判斷是否有陷坑，如有做好標志及時上報。年度陷坑統(tǒng)計表明，部分陷坑能夠在地面未塌陷之前提前發(fā)現(xiàn)。

2)及時開展堤防安全評價工作。根據(jù)堤防工程安全評價導(dǎo)則[16]等相關(guān)規(guī)定規(guī)范要求，2019年度開展5個較老舊和陷坑高發(fā)區(qū)域堤段的安全評價工作。2021年8月獲得主管部門批復(fù)，評價結(jié)果為一類堤防6 km，評價結(jié)果為二類堤防32 km。安全評價發(fā)現(xiàn)的問題如：岸墻掏空、伸縮縫漏砂、岸墻雜草等。相關(guān)問題2020年度已安排維修單位及時進場維修，尤其是隱患探測雷達探測發(fā)現(xiàn)的堤防空洞問題已安排專項灌漿設(shè)計、確保堤防安全。

采取相關(guān)非工程措施后，堤防管理水平將有一定程度提升。巡查人員落實各項巡查制度如分段巡查、晝夜巡查，注意“五時”，做到“五到”“三清”“三快”[17]，一定程度提前預(yù)判發(fā)現(xiàn)陷坑，維修單位及時破除路面提前修復(fù)，降低人民生命財產(chǎn)損失。

4 總結(jié)與展望

1)通過實施各類工程措施和非工程措施，堤防陷坑數(shù)量基本呈現(xiàn)明顯的下降趨勢，2018年下降24%，2019年下降32%，2020年下降41%，且修復(fù)過的陷坑基本沒有再次出現(xiàn)塌陷，部分陷坑能夠提前發(fā)現(xiàn)，說明各類措施具有良好的效果。但是汛期尤其是降雨量較大的月份陷坑數(shù)量相比于旱季較大，因此，加強汛期易發(fā)生陷坑堤段巡查，做到“五到”“三清”“三快”，發(fā)現(xiàn)問題及時上報處理。

2)2020年度從分布數(shù)量來看，排名前3堤段分別為：西左16個、后左14個、大坦沙10個、前右10個；從分布密度來看，排名前3堤段分別為：大坦沙1.1個/km、沉香島1.1個/km、西右0.8個/km。綜合考慮2020年堤防長度、陷坑個數(shù)和陷坑分布密度，要加強后左、西左、大坦沙等堤段巡查工作。經(jīng)過專項分析，后左堤段應(yīng)重點關(guān)注后左4+000～4+500。

3)2016—2020年陷坑發(fā)生位置中的83%集中在貼近岸墻0～1 m位置，因此，岸邊0～1 m范圍內(nèi)伸縮縫位置是陷坑巡查防護的重點區(qū)域，1 m范圍外如遇到地下有煤氣、排水管線等設(shè)施的區(qū)域同樣要加強巡查。

4)2016—2020陷坑深度平均值為0.53 m，陷坑底部平均高程為2.55 m(珠基高程)，其他指標如標準差、中位數(shù)都比較穩(wěn)定。巡查人員攜帶陷坑深度探測工具大于0.5 m即可，建議取1 m的探測桿基本滿足要求。

5)2021年及以后應(yīng)繼續(xù)開展堤防陷坑統(tǒng)計和原因分析，更新陷坑高發(fā)區(qū)域，及時調(diào)整陷坑防治工程和非工程措施，加強巡查人員堤防應(yīng)急搶險培訓(xùn)，險情初期能夠及時初步搶險，等待專業(yè)搶險隊伍到來后做好配合工作。