堤防溃口应急抢险技术研究综述

(长江科学院 水利部岩土力学与工程重点实验室，武汉 430010)

1 研究背景

我国江河流域面积广阔，洪涝灾害引起的险情众多，人类多依水而栖，生命财产安全频繁受到威胁，其中，溃口的危害及破坏力尤其巨大。历史记载新中国成立以前的2 000多年中，黄河发生决口1 500多次，长江发生较大洪水灾害200多次，1499—1949年450 a间湖北省境内江汉干堤溃口达180多次。

洪涝灾害自古以来都是人类面临的重要自然灾害，溃口险情一直以来备受关注，但堤防溃口位置往往难以预测，交通大多断绝，堵口物资极度缺乏[1]，应急抢险难度很大，如图1和图2所示。

图1 周家墩民垸堤溃口Fig.1 Dyke burst ofZhoujiadun图2 新华垸溃口Fig.2 Dyke burst ofXinhuayuan

最初原始社会时期对江河堤岸溃口的应对措施为躲避，即“择丘陵而处之”[2]，至先秦时期开始出现堵口措施，但未形成系统，汉代开始使用埽工材料，逐步形成埽工堵口技术，且于宋代发展成熟，至清代广泛应用[3]。近代堵口技术进一步发展，多用柳枝、秸秆、土石料等当地材料作为埽工材料，配合人力和简单的工具，修筑附属挑流坝、引河，以及裹头、正坝、边坝、二坝、后戗，经合龙和闭气后，进行复堤，从而在非汛期对溃口进行封堵[4-5]，形成了较为完整的传统堵口技术。

传统堵口技术耗时长，堵口效率低，且过度依赖人力，机械化程度不高，如图3和图4所示。随着社会发展，传统堵口技术已经无法满足现代堤防工程应急抢险的需求，亟需更高效、更科学的机械化、高水平抢险技术。

图3 传统堵口技术Fig.3 Traditional blockingtechnology图4 人工锤击木桩Fig.4 Manual piling

为了便于工程技术人员更好地掌握溃口发展基本规律，促进堤防堵口应急抢险技术发展，本文拟从溃口口门发展规律和水流特征、堵口应急抢险技术、抛填料稳定与抗冲结构、堵口抢险物资与装备等方面进行系统综述，并结合抢险现代化趋势与要求进行评述，对其中一些关键问题进行探讨，以期能提供有益的借鉴。

2 溃口口门形态变化及水流特征

堤防溃口相关理论研究集中在溃口口门形态变化规律及主要影响因素、漫顶溃决发展规律及水流特征、溃口关键参数计算方法等方面。

田治宗等[6]采用动床实体模型试验，研究了黄河堤防溃口水力和冲淤特性，表明口门下游裹头部位局部冲刷最明显，且口门断面存在绕流是冲刷坑的主要成因；余明辉等[7]利用室内试验探明了无黏性土堤漫顶溃决口门形态变化规律，并指出水头差是影响口门展宽发展的主要因素，河道流量影响口门最终形态，堤身填料粒径越大，溃口发展越快，口门最终宽度越窄；张修衷和王光谦[8]计算了不同溃口宽度、流量和堤身粒径条件下水流演进及冲刷坑发展规律，冲坑深度随时间的发展规律如图5所示，获得了溃口抢险中堵口结构受力及稳定分析的水动力学条件。

图5 冲坑深度随时间的发展规律[8]

魏红艳等[9]指出无黏性土堤漫顶溃决可分为漫流、冲槽、展宽及稳定4个阶段，并揭示了溃决过程中流量与口门宽度、水头差的变化规律； George[10]和Olivier[11]研究了溃堤漫顶水流形态，并将其分为堤顶前半部分的缓流区、堤顶后半部分的急流区以及边坡急流区。

杨光煦[1,12]建立了决口过流量及流速与口门形状及宽度、堤前后水深之间的定量关系，如式(1)所示，并推演了决口背水侧最大流速计算方法，如式(2)所示。

(1)

(2)

式中:Q为决口过流量(m3/s)；μ为流量系数，0.6～0.65；H1为堤前水深;H2为堤后水深(m)；b为口门宽度(m)；V为口门平均流速(m/s)；Z为水头差(m)；μ1为流速系数，取0.6～1.0。

梁林和倪晋仁[13]在已有溃坝计算方法的基础上，考虑口门水流特征和形态变化过程，建立了适用于溃堤过程模拟的数学模型；颜志庆等[14]对堤防溃口特征和水流特性相关研究进行了综述，参考溃坝流量计算公式[15]，并结合溃堤与宽顶堰流之间的相似与差异[16]，总结了溃堤口门流量与流速的计算和验证方法。

上述研究从室内试验及预测计算方法等角度对溃口形态变化及影响因素进行了研究，可得到如下基本规律：水头差是溃口规模与口门最终形态的主要因素，河道流量和堤身填料影响溃口发展速度和口门最终形态；决口过流量及流速可通过口门形状及宽度、堤前后水深等参数进行定量计算。

现有研究对掌握溃口关键参数提供了一定的理论基础，而研究堵口措施对溃口发展的影响规律是堵口效果评价的重要途径，但相关研究较为缺乏。

3 溃口应急抢险技术研究

长期以来,传统堵口抢险技术是应对溃口灾害的主要措施，直到近几十年，众多学者专家开始对堵口技术进行研究与开发，取得了众多成果。

20世纪90年代长江流域的几次洪水，大规模堵口案例为堵口抢险积累了丰富的经验，形成了完整的堵口抢险技术体系。1998年九江堵口抢险中，第一时间抛投大量汽车、重型卡车、小型船只等交通工具，但都未能在溃口站住，最后，用1 000 t长航运煤船才挡住了溃口，并且继续在水流前面抛了几只小船，才把溃口稳定下来。杨光煦[1,17]总结九江溃口抢险经验，提出堵口抢险关键技术环节：沉船初堵、裹头抢护、抛填截流戗堤、钢木组合结构组合堤、布置后戗台、水下抛土铺盖闭气。具体堵口工程结构和堵口现场，如图6所示。

图6 九江堵口工程结构示意图及抢险现场

中国人民解放军51002部队[18]官兵提出了钢木土石组合坝堵口技术，并在1996年饶阳和1998年九江堵口进行应用，劳道邦和贾千里[19]对该技术中结构设计进行了稳定性分析，并提供了坝材选型研究。

由于地形和泥沙条件差异，黄河流域堵口技术与长江流域堵口技术有一定的差异。针对黄河流域溃口险情，黄河防汛抗旱总指挥办公室在1999年11月至2001年11月期间专门组织多家单位开展堵口抢险科技攻关，取得了较多成果，并在长期实践中，逐步建立了适用于黄河流域堵口抢险系统技术。朱太顺[20]总结联合攻关研究成果，提出适用于黄河堵口抢险的“裹”、“拦”、“导”、“分”、“堵”、“排”、 “围”的七字方针；李跃伦等[21]对该七字方针的科学合理性进行了验证分析；张素平等[22]结合黄河堤防溃口典型案例对该方针进行了深入解析；徐龄福[5]指出堵口可按裹头防护、进堵、合龙、闭气和善后复口进行，并分步进行了相应详细叙述；祝杰等[23]讨论了该方法在黄河以外其他流域的适用性。

另外，部分学者针对溃口规模和特点，提出了多种适用条件不同的堵口抢险技术。潘恕等[24]提出了橡胶坝围堰快速堵口技术，并指出适用于流速不大于3 m/s，水深不超过5 m的溃口条件；毛昶熙[25]指出立堵、平堵、混合堵是合龙常用堵口方法，并对各自特点和适用条件进行了分析；汪滨等[26]指出现有堵口技术效率偏低，并对钢木组合堤构筑进行了改进，利用螺旋锚在急流中生根，提出了相应的机械下锚机；汪滨等[27]为了提高堵口效率，提出了一种快速堵口装备式体系、安装装置及使用方法，但存在工法繁琐、抗冲可靠性问题；江召兵等[28]在沉箱堵口的基础上，利用火箭锚提供锚固力，提出了一种火箭锚快速锚碇沉箱的堵口方法；严建国等[29]为实现远距离控制作业，降低风险，在水力学模型试验的基础上，提出了箱型结构物封堵堤坝溃口技术。

综上分析可知，因地形和水力条件不同，不同流域的堵口抢险技术存在一定的差异，不同堵口抢险技术的适用条件也不同，但堵口的核心思想均为逐步抛填逐步降低流速，即抛填物料稳定后降低流速，而流速降低后抛填物料稳定性进一步提高。初堵抛填物料的抗冲稳定性应满足初始流速条件，初堵后决口流速降低，全过程配合裹头防护等多项辅助措施，最终闭气成堤。

4 抛投料抗冲稳定性与抗冲结构体系

保证抛投物料抗冲稳定性是成功堵口的关键，抗冲结构体系是提高抛投物料抗冲稳定性的有效措施。

4.1 抛投料体抗冲稳定性

堵口工程中，抛投料体的选择极其重要[30]。最早，伊兹巴什和哈德列等[31]针对平堵提出了块石抛投稳定性计算的伊氏公式；肖焕雄等[32-34]在伊氏公式的基础上，改进和推导了混凝土四面体和立方体的抗冲稳定计算方法；戴晓兵和张仕善[35]在截流模型试验的基础上，提出了半经验半理论公式。杨光煦[1,11]研究了抛石堵口过程中水力学特征，推导了堆石体平均过水量qs与堆石体几何尺寸以及块径之间的定量计算公示，如式(3)所示，建立了堆石抛投体在流水中的抗冲稳定性验算方法。

(3)

其中，

式中:H为堆石料高度(m)；L为堆石料底宽(m)；K为紊流渗透系数(m/s)；Δz为水头差；n为堆石料孔隙率，约0.4；D为块径(cm)；a为形状系数，球形取4，棱角块石取5。

铅丝网石笼在黄河流域堵口抢险中应用较多，如图7(a)所示。周景芍等[36]通过模型试验研究铅丝网石笼水下沉落形式为弧线下沉，可分解为沿坡面下沉和顺水流方向滑动，同时指出高水流条件下会出现先滑落后滚落的运动形式，并研究了坡面沉落时间和抛投偏移量。单定军等[37]利用溃口模型试验模拟堵口条件下重物抛投运动过程，并建立了运动过程预测模型。

图7 现代常用堵口抛投场

土工长管袋和土工包具有较强的地形适应能力，透水性和抗冲刷性能均可控，在堵口抢险中的应用越来越多，如图7(b)所示。程义吉[38]研究指出土工长管袋适用于平堵，且施工流速不宜超过3 m/s；周景芍等[36]研究了土工长管袋在水中下沉为头慢尾快，且管带自身呈上凸曲线，向下游偏移量在1～2.5 m之间，沉落过程中，拉绳拉力随着管袋大小、流速、水深的增大而增大，绳越长，拉力越小，拉力最大出现在长管袋触底瞬间；赵雨霖等[39]研究指出不同流速条件下，土工包土石比例不同，当流速低于1 m/s时，土石比例可大于5∶1；当流速在1～2 m/s之间时，土石比例4∶1；当流速>2 m/s时，土石比例3∶1较为合适。

分析可知，块状抛投料的抗冲稳定性与几何形状和尺寸密切相关，堆石体在流水中的抗冲稳定性除了与块石块径、形状系数有关，也与堆石体形成后宽度相关，抛投形成宽度越大，堆石体抗冲稳定性越高；土工长管袋(包)沉落偏移量较小，沉落过程中所需的拉力与土工长管袋(包)的大小、沉落区域流速和水深相关，最大拉力出现在触底瞬间，适用条件与填充料的土石比例有关，土石比例越小，可适应的流速越大。

4.2 抗冲结构体系及适用条件

为了增加抛投料的抗冲稳定性，减少堵口过程中抛投料的流失量，不少学者专家[1,4,11,17,19-23,36]研究提出了各种各样抗冲结构物，均不同程度地降低了抛投料体的流失率，具体结构型式如表1所示。

表1 堵口抗冲结构型式

上述结构适用条件各有不同。沉船、沉箱适用于口门过流量、流速、水头差较大的大型溃口，可快速形成堵口条件，如九江堵口初堵；钢栅栏石结构适用于水流速超过3 m/s，人力抛填物易流失的溃口，例如九江堵口合龙，如图8(a)所示；钢木组合构架适用于流速<2.5 m/s、水深不超过8 m的溃口，类似滹沱河饶阳溃口、九江溃口、苏州无锡小型河流溃口，如图8(b)所示；石袋堆码结构适用于流速不大的小型溃口，采用人力装运堵口，如图8(c)所示；埽工结构适用于含沙、泥量较高的决口，避免抛石陷入泥沙内，例如黄河流域溃口，如图8(d)所示；杩槎结构适用于水深不大于4 m、流速不大于3 m的卵石河床溃口，改进后，可用于水深不大于13 m的溃口例如1998年湖南安乡垸堤决口。

图8 堵口抗冲结构型式

综上可知，抛投物料和抗冲结构直接关系抛投料抗冲稳定性，但相关研究目前发展较为缓慢，是堵口抢险急需深入研究的重要方面。

图9 防汛抢险快速植桩常用装备

5 堵口抢险物资与装备

堵口抢险过程中的施工机械与装备直接影响抢险的效率及成败，主要体现在初堵降流速、堵口物料抛投、快速植桩等方面。

目前，初堵降流速是堵口的首要条件，例如九江堵口抢险，沉船初堵为堵口抢险提供了基本条件，大型船只是初堵降流速的重要物资。大型驳船或直升机是大型溃口中抛投土工包必不可少的抛投装备； 挖掘机及装载机等是中小型溃口抢险中抛投铅丝网石笼及土工管袋等必不可少的抢险装备。 堵口抢险中往往有大量植桩工作，植桩的快慢决定了堵口抢险效率的高低。目前堵口抢险常用植桩设备主要分为机械式打桩机、重力/柴油打桩机、气动打桩机，如图9所示，下桩能力依赖锤头自重，下桩深度不超过4 m。

考虑到堤防溃口抢险植桩需求和环境条件，所用机械设备的体积和重量须合适，兼具高效和便携特征。液压激振打击锤利用偏心块高速运动提供上下激振力，配合装载机等现场设备，植桩深度超过15 m，具有较好的便携性、高效性以及环保优势(如图10所示)，是堤防溃口抢险快速植桩装备的发展方向。

图10 液压植桩装备

6 结论与建议

对堤防溃口变化过程、堵口应急抢险技术以及关键措施和装备等方面进行了总结和归纳，主要结论如下。

(1)堤防溃口险情具有突发性，决口部位难以预测，应急抢险现场交通不便，物资紧缺，大型机械难以施工，目前我国堤防溃口应急抢险现代化水平不高，抢险效率偏低。

(2)因地形和水力条件不同，不同流域的堵口抢险技术存在一定的差异，不同堵口抢险技术的适用条件也不同，但堵口的核心思想均为逐步抛填，逐步降低溃口流速，最终合龙、闭气成堤。

(3)轻便高效的现代化抢险装备是提高堤防应急抢险效率的关键内容，是改变堤防抢险“人海战术”现状的重要途径之一。