堤防決口封堵材料應(yīng)用分析

任建斌

(武警水電指揮部，北京 100055)

堤防決口封堵材料應(yīng)用分析

任建斌

(武警水電指揮部，北京 100055)

堤防決口突發(fā)性強(qiáng)、破壞力大，可造成重大人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。本文通過(guò)計(jì)算分析決口水力學(xué)特性和堵口材料抗沖穩(wěn)定性，正確選擇堵口材料的粒徑和堵口方法，系統(tǒng)分析論述傳統(tǒng)和現(xiàn)代的各種堤防決口封堵材料的適用條件、應(yīng)用形式和實(shí)踐應(yīng)用等，提出因地制宜、就地取材、多種組合、不斷創(chuàng)新的現(xiàn)代搶險(xiǎn)新模式。

堤防；決口；封堵；材料

1 概 述

堤防是世界上最早廣為采用的一種重要防洪工程，是現(xiàn)代江河防洪工程體系的重要組成部分。我國(guó)江河眾多，截至2015年底，已建成堤防總長(zhǎng)度達(dá)29萬(wàn)km，其中主要堤防有7萬(wàn)km。

我國(guó)由于洪水災(zāi)害多、堤防防洪能力偏低、人類(lèi)活動(dòng)影響等因素，堤防經(jīng)常受到洪水災(zāi)害的威脅。在洪水長(zhǎng)時(shí)間浸泡和沖擊作用下，超過(guò)堤防抵抗能力，或者汛期搶護(hù)不當(dāng)或不及時(shí)，就會(huì)造成堤壩潰決。例如，1931年長(zhǎng)江干堤決口350多處，武漢三鎮(zhèn)被淹達(dá)3個(gè)多月，死亡14萬(wàn)余人。黃河在兩千年來(lái)，決口達(dá)1500余次，改道20余次。1998年，長(zhǎng)江、嫩江、松花江流域堤防出現(xiàn)較大范圍決口。因此，決口封堵是一項(xiàng)責(zé)任重大、難度巨大的任務(wù)。

正確選擇和應(yīng)用堵口材料是決口封堵成功的關(guān)鍵。目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于堤防決口封堵的研究，大多集中堤防決口封堵的具體技術(shù)方法，對(duì)堵口材料未進(jìn)行全面系統(tǒng)論述，特別是對(duì)近年來(lái)出現(xiàn)的新材料應(yīng)用研究不夠。本文結(jié)合實(shí)踐分析、研究新型堵口材料，對(duì)保證搶險(xiǎn)任務(wù)順利完成具有重要意義。

2 決口封堵準(zhǔn)備

堤防一旦決口，必須采取有效措施穩(wěn)固堤頭、封堵決口、加固復(fù)堤，減少災(zāi)害損失，縮小淹沒(méi)范圍。堵口前，應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，采取科學(xué)堵口原則，一般應(yīng)先堵下游口門(mén)，后堵上游口門(mén)，先堵小口，后堵大口。從方便堵口角度，合理選擇壩基線(xiàn)，必要時(shí)可開(kāi)挖引河，修筑挑流壩。

2.1 搶筑裹頭

堤防決口后，為防止水流沖刷使口門(mén)繼續(xù)擴(kuò)大，要根據(jù)不同決口洪水的水位差、流速及決口處的地形、地質(zhì)條件及人員物料準(zhǔn)備情況，及時(shí)對(duì)口門(mén)兩端堤頭進(jìn)行保護(hù)，并為下一步堵口創(chuàng)造條件。搶筑裹頭拋投料的尺寸必須滿(mǎn)足抗沖穩(wěn)定要求，裹頭形式要滿(mǎn)足搶險(xiǎn)作業(yè)要求。一般在低水頭流速小、土質(zhì)較好的條件下，采用打樁填柳或拋石(袋)裹護(hù)。在高水頭流速大、土質(zhì)較差的條件下，可在堤頭前鋪放土工布軟體排或拋柴石枕、打鋼管構(gòu)架拋石、拋填抗沖石籠等進(jìn)行裹護(hù)。

2.2 現(xiàn)場(chǎng)勘察和資料收集

在進(jìn)行決口封堵前，必須做好水文、地形、地質(zhì)資料收集和河勢(shì)勘察工作。要實(shí)測(cè)口門(mén)的寬度，繪制斷面圖，掌握水深、流速和流量等。

2.3 制定封堵方案和計(jì)劃

根據(jù)水文、水下地形及河勢(shì)的變化和當(dāng)?shù)鼗I集物料能力等，進(jìn)行堵口設(shè)計(jì)，分析、研究堵口最佳時(shí)機(jī)，布置搶險(xiǎn)現(xiàn)場(chǎng)，確定封堵方案，并制定具體實(shí)施計(jì)劃。

2.4 做好堵口準(zhǔn)備

廣泛動(dòng)員，分工負(fù)責(zé)，協(xié)同配合，盡快組織搶險(xiǎn)隊(duì)伍和力量，配備到位施工機(jī)械和設(shè)備及工具，籌集搶險(xiǎn)物資和材料。

3 決口水力學(xué)特性及堵口材料抗沖穩(wěn)定計(jì)算

堤防決口屬于非恒定含間斷的淺水問(wèn)題，實(shí)際堤防決口形狀、寬度變化及水流地質(zhì)條件都十分復(fù)雜，模型試驗(yàn)和計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬是解決工程問(wèn)題的主要手段之一。對(duì)決口流量、決口寬度、決口迎水水深、迎水背水水位差、決口平均流速等參數(shù)進(jìn)行測(cè)量和模擬計(jì)算，得到不同工況條件下的決口水力學(xué)特性，根據(jù)這些變化規(guī)律確定堤防決口封堵材料種類(lèi)、數(shù)量、粒徑及拋投強(qiáng)度等，為制定最佳堵口方案提供參考。

3.1 決口過(guò)流量及流速

堤防決口最大過(guò)流量Qmax(m3/s)

式中n——口門(mén)形狀系數(shù)，矩形取1.0，拋物線(xiàn)線(xiàn)形取1.5，三角形取2.0；

g——重力加速度，m/s2；

b——口門(mén)寬度，m；

H1——決口水深，m。

當(dāng)背水側(cè)有一定水深H2后，用側(cè)堰公式計(jì)算決口過(guò)流量Q(m3/s)：

式中μ——流量系數(shù)，取0.6～0.65。

決口處平均流速v(m/s)，一般通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，并進(jìn)行復(fù)核：

式中Z——迎水與背水水位差，m；μ1——流速系數(shù)，在起始階段為0.6，隨著決口背水淹沒(méi)區(qū)的水深加大，逐漸增為1.0。

3.2 拋投材料粒徑計(jì)算

拋投材料抗沖穩(wěn)定性是選擇制作堵口材料的重要指標(biāo)，目前比較認(rèn)同止動(dòng)流速的觀點(diǎn)，大多用前蘇聯(lián)S.V.Isbash公式確定流速與材料粒徑的關(guān)系：

式中v——決口處平均流速，m/s；K——穩(wěn)定系數(shù)，取0.89～1.2；D——堵口材料粒徑，m；γs、γ——堵口材料重度和水的重度，N/m3；g——重力加速度，m/s2。

一般塊石(單體)堵口材料K取0.9，群體拋投混合料K取0.93，群體拋投均勻石塊K取1.07。

高流速?zèng)Q口的堵口材料抗沖穩(wěn)定措施主要是正確選擇堵口材料粒徑、防止流失，深水低流速堵口材料穩(wěn)定措施主要是防止堤頭坍塌。在實(shí)踐中，拋填量及材料消耗量往往遠(yuǎn)大于計(jì)算值，為確保高強(qiáng)度連續(xù)搶險(xiǎn)作業(yè)，應(yīng)備足主要堵口材料。

4 堵口材料應(yīng)用

決口封堵是一項(xiàng)緊迫艱難復(fù)雜的系統(tǒng)工程，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件、當(dāng)?shù)匚锪瞎┙o、機(jī)械設(shè)備配備等情況選擇合適堵口材料，是堵口能否成功的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。決口封堵材料的種類(lèi)很多，大致可分為就地取材類(lèi)、預(yù)制塊體類(lèi)、框架組合類(lèi)、橡膠織物類(lèi)和浮體沉廂類(lèi)等。

4.1 就地取材類(lèi)

主要指搶險(xiǎn)區(qū)域就近可以獲取和加工制作，包括埽料、塊石和土工料等。

4.1.1 埽工料

埽料是指用梢料、葦、秸和土石分層做埽的材料。埽工源于黃河并主要用于黃河。埽工料和類(lèi)似埽工方法堵口在漢代已經(jīng)開(kāi)始出現(xiàn)，《史記·河渠書(shū)》記載最早的一次著名堵口是漢武帝元光三年(公元前109年)的瓠子堵口。到宋代，埽工技術(shù)發(fā)展成熟，《夢(mèng)溪筆談》記載：“凡塞河決，垂合，中間一埽，謂之合龍門(mén)?！鼻宕衅?，埽工形式為卷埽，乾隆年間，逐步把卷埽改為沉廂式修埽方式，并把秸料作為正式埽工材料。20世紀(jì)30年代，為提高埽工抵御水流的能力，逐步以柳枝石塊鉛絲代替了秸土麻繩，柳石捆廂進(jìn)占、柳石枕合龍成為黃河堵口的主要形式。除填土和埽工外，黃河堵口還采用編竹裝石、長(zhǎng)繩結(jié)磚等形式。

埽工堵口技術(shù)是人民堵口搶險(xiǎn)的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)和智慧結(jié)晶，但從歷次搶險(xiǎn)實(shí)踐看，每當(dāng)遇到險(xiǎn)情特別是重大險(xiǎn)情時(shí)，傳統(tǒng)堵口技術(shù)往往需要人海戰(zhàn)術(shù)，耗費(fèi)大量人力物力，有時(shí)因搶險(xiǎn)速度慢、效率低，而不能及時(shí)有效控制險(xiǎn)情。隨著社會(huì)發(fā)展和科技進(jìn)步，新材料、新技術(shù)、新設(shè)備的創(chuàng)新使用，極大減少了勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了搶險(xiǎn)效率。

4.1.2 石(袋)戧堤

新中國(guó)成立后，石渣料和塊石大量用于決口封堵，特別是可以用現(xiàn)代大型機(jī)械設(shè)備進(jìn)行裝運(yùn)拋填作業(yè)。拋石(袋)戧堤進(jìn)占具有節(jié)省人力、施工強(qiáng)度高、適合連續(xù)作戰(zhàn)、施工進(jìn)度快等優(yōu)點(diǎn)。土石料運(yùn)輸距離一般不超過(guò)15km，需要先在斷堤側(cè)修筑道路，利用自卸車(chē)運(yùn)輸，水下部分采用直接拋填，水上采用分層填筑，推土機(jī)鋪料、推平，振動(dòng)碾壓實(shí)，填筑、碾壓層厚控制在0.6～0.8m，進(jìn)占過(guò)程中，為保證堤頭穩(wěn)定，減少水流對(duì)戧堤上下端角的沖刷，可以在戧端用塊石、網(wǎng)籠做上下挑頭，中間回填石渣料，確保戧堤端頭穩(wěn)定。在戧堤進(jìn)占過(guò)程中，要及時(shí)對(duì)戧堤加高培厚，增加堤壩穩(wěn)定性(見(jiàn)圖1)。

圖1 決口封堵典型斷面圖(單位：m)

土石袋是在編織袋、草袋、麻袋內(nèi)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沖刷性能大大提高，具有一定穩(wěn)定性，同時(shí)通過(guò)壓實(shí)變形使袋與袋之間嵌合更加緊密。土石袋材料容易獲取，制作技術(shù)簡(jiǎn)單，便于機(jī)械化施工，廣泛應(yīng)用于堤防搶險(xiǎn)和決口封堵。因此，還衍生出很多替代品，如土工織物袋或其他特制袋，有更好的強(qiáng)度和適應(yīng)性，使封堵更加有效。根據(jù)快速施工原則，促進(jìn)研發(fā)出組合裝袋機(jī)等新型搶險(xiǎn)裝備。土石袋封堵適用于龍口寬度較小且水深較淺的決口。

這些材料應(yīng)用靈活方便，可以戧堤也可以護(hù)底，可以采用立堵、平堵和混合堵等多種形式。隨著水上舟橋等裝備的發(fā)展，在交通條件有限的情況下，還可利用舟橋進(jìn)行水上拋投。

4.1.3 土工料

土料是最常用的堵口材料，在決口合龍后，先從迎水側(cè)拋投砂卵石反濾料，反鏟修坡平整成型。再?gòu)姆礊V料上游迎水側(cè)分層拋填黏土，分層厚度不大于40cm，推土機(jī)推平，振動(dòng)碾壓實(shí)，反鏟修坡整形，最后實(shí)現(xiàn)防滲閉氣。

2010年6月，江西唱?jiǎng)P堤發(fā)生決口，口門(mén)寬度348m，四個(gè)鎮(zhèn)受災(zāi)，10萬(wàn)人被迫離開(kāi)家園，損失嚴(yán)重。決口處于撫河沖積平原上，地勢(shì)較為平坦，施工道路較為方便，附近10～20km范圍內(nèi)有多處可供土石料開(kāi)采，采用單戧雙向機(jī)械化立堵，戧堤進(jìn)占材料為石渣、塊石料，龍口合龍材料為大塊石、鋼筋石籠及鉛絲石籠，防滲閉氣材料為砂卵石反濾料和黏土。

4.2 預(yù)制塊體類(lèi)

主要是指能夠預(yù)先加工制作的堵口材料，包括混凝土四面體、混凝土異形塊體、鐵棱角、鋼筋石籠、鉛絲石籠等。這些物料需預(yù)先制作，并儲(chǔ)備一定數(shù)量。主要用于裹頭、合龍等關(guān)鍵部位搶險(xiǎn)。如果在戧堤合龍時(shí)龍口流速過(guò)大，可以將鋼筋石籠、混凝土體用鋼絲繩串成一串再推入龍口，增加抗沖能力，再拋填塊石、石渣、土料等進(jìn)行合龍，效果更好。

4.3 框架組合類(lèi)

主要是用鋼管、木樁、扣件、模板等制作組成三腳架、鋼木組合構(gòu)架和桁架、鋼(木)柵排等結(jié)構(gòu)形式攔截、穩(wěn)定拋投料，實(shí)現(xiàn)封堵。

鋼木組合構(gòu)架封堵首先要插打鋼管和木樁定位，從決口堤頭兩端向中間依次進(jìn)行，形成2～5層排樁(排距一般為1.2～1.5m，入土深度一般1～1.5m)。采用快速接頭卡扣將縱橫方向的鋼管水平聯(lián)系桿與已插入覆蓋層內(nèi)的鋼管、木樁聯(lián)成三維空間構(gòu)架(見(jiàn)圖2)。不斷向決口中心進(jìn)占、加固，直至左右構(gòu)架相聯(lián)，形成整體鋼木組合構(gòu)架。再不斷加密至間距0.2～0.3m，與此同時(shí)向構(gòu)架內(nèi)以先平堵后立堵方式拋投填料(塊石、石袋、土袋、柳梢壓石)，出水后進(jìn)行人力碼砌。必要時(shí)，背水側(cè)采用斜撐、迎水側(cè)采用拉桿增強(qiáng)整體性和穩(wěn)定性。

圖2 鋼木組合構(gòu)架決口封堵剖面圖

這類(lèi)材料組裝拆卸靈活，可利用打樁機(jī)械作業(yè)，組裝后整體穩(wěn)定性好，搭設(shè)模板可以作為搶險(xiǎn)平臺(tái)。未拋填料前，阻水面小，拋填料時(shí)，構(gòu)架可起攔截作用，可以節(jié)省0.5～1.5倍材料，拋入填料可進(jìn)一步穩(wěn)定和加固鋼木構(gòu)架。適用于大型裝運(yùn)設(shè)備不易操作的特殊條件下施工。由于靠人力搭設(shè)，應(yīng)用條件為口門(mén)處流速不大于2～3.5m/s，水深不大于8m。1998年8月7日，長(zhǎng)江堤防九江段在長(zhǎng)期超歷史水位下突然潰決，決口發(fā)展到60余m，水頭差3.4m，采用鋼木組合構(gòu)架用5天時(shí)間成功實(shí)現(xiàn)封堵。

4.4 橡膠織物類(lèi)

屬柔性堵口材料，主要指近年來(lái)?yè)岆U(xiǎn)中采用的新材料如塑料編織布、土工織物、膨脹截流橡膠袋、塑枕、模袋混凝土等。塑料編織布由聚丙烯和聚乙烯兩種塑料熱加工復(fù)合而成，內(nèi)層由聚丙烯加工的塑料纖維帶編織而成，具有很高的韌性和彎曲疲勞。膨脹截流橡膠袋遇水后快速膨脹，重量、體積快速增加，可達(dá)原重量、體積的80～100倍，具有儲(chǔ)運(yùn)方便、組裝快速、保護(hù)環(huán)境等特點(diǎn)。這類(lèi)材料主要用于小型決口的封堵防沖防滲搶險(xiǎn)。

4.5 浮體沉廂類(lèi)

主要包括沉船技術(shù)和箱形結(jié)構(gòu)物。船只是決口上最易得到的堵口材料，在龍口流速大、其他堵口材料效果均不佳的情況下采用沉船堵口，可以減緩口門(mén)被沖刷擴(kuò)大加深，又可作為堵口搶險(xiǎn)作業(yè)平臺(tái)、攔石鋼管柵等的上部支撐體。沉船技術(shù)是目前決口初堵的有效措施之一，箱形結(jié)構(gòu)物技術(shù)成本低廉、作業(yè)速度快，可降低傳統(tǒng)堵口作業(yè)方法的難度和風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)潰口寬度、潰口流速在一定范圍內(nèi)時(shí)，用箱形結(jié)構(gòu)物封堵潰口的作業(yè)方法是有效可行的，沉廂堵口后減緩水勢(shì)效果明顯，決口擴(kuò)大的危害性可基本得到控制，為后續(xù)拋投作業(yè)提供良好條件。

在九江決口初堵階段，采用了沉船堵口，將長(zhǎng)達(dá)80m、滿(mǎn)載1650t煤炭的大駁船鉚定并沉擱在距堤防7.5m的決口正面 ,再將6條小駁船和1條拖船分別沉在煤船的兩頭和外側(cè)，決口處水頭明顯降低，流速減小，為后來(lái)的搶險(xiǎn)創(chuàng)造了必要條件。

5 結(jié) 語(yǔ)

堤防決口封堵要因地制宜、就地取材，在現(xiàn)代搶險(xiǎn)實(shí)踐中，往往多種材料組合應(yīng)用，因此，需要結(jié)合當(dāng)?shù)胤姥磳?shí)際，對(duì)土工編織布、編織袋、機(jī)織布、混凝土預(yù)制塊、鋼管、木樁等搶險(xiǎn)材料進(jìn)行預(yù)制儲(chǔ)備，同時(shí)，要在傳統(tǒng)材料和搶險(xiǎn)方法的基礎(chǔ)上不斷創(chuàng)新和改進(jìn)，充分利用打樁機(jī)、組合裝袋機(jī)、機(jī)械捆拋枕機(jī)、拋石機(jī)、石籠網(wǎng)片編織機(jī)等先進(jìn)的專(zhuān)用搶險(xiǎn)裝備與自卸車(chē)、挖掘機(jī)、推土機(jī)、裝載機(jī)等大型裝運(yùn)機(jī)械配合，實(shí)現(xiàn)機(jī)械化快速搶險(xiǎn)。

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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