鄱阳湖圩堤风险评估与应急抢险技术

雷 声，孙东亚，万国勇，王萱子，吴庆华，许小华

（1.江西省水利科学院，江西 南昌，330029；2.中国水利水电科学研究院，北京，100044；3.中铁水利水电规划设计集团有限公司，江西 南昌，330029；4.长江科学院，湖北 武汉，430010）

鄱阳湖地处长江干流与五河来水的汇合地带，受特殊的地理位置、自然条件及极端天气的影响，湖区自然灾害频繁，防洪减灾任务繁重。据统计，湖区1949年以来共发生大洪水20余次，1954年、1998年特大洪涝灾害，湖区长期处于高水位，造成滨湖大量圩堤溃决，损失惨重。2020年6～7月，长江流域中游和鄱阳湖流域再次遭遇集中大暴雨袭击，全省防汛形势严峻复杂，面对突发灾害，全省上下持续作战、英勇奋战，防汛救灾取得重大胜利。

圩堤工程是鄱阳湖防洪工程体系的重要组成部分，也是历年防汛抢险的主战场。在应对超历史大洪水过程中，鄱阳湖圩堤险情研判与应急处置、巡堤查险与专家会诊、圩堤安全风险评估等技术得到广泛应用，为科学防汛提供了有力的支撑，有效减轻了洪涝灾害损失，取得了显著效果。

1 鄱阳湖圩堤概况

1.1 圩堤现状

鄱阳湖区是长江中下游五大平原区之一，土地肥沃，雨量充沛，自古就是我国鱼米之乡、国家粮仓，在全国占有重要地位。为了抵御洪水，人们开始在低洼的滨湖河道两岸筑堤护田，早在东汉永元年间（公元89～105），豫章太守张躬筑南塘，以捍章（赣）水，成为鄱阳湖最早筑堤的记录。

经过多年的发展，圩堤成为鄱阳湖防洪工程体系的重要组成部分，包括圩堤工程、平退工程。滨湖沿江地区现有圩堤462座，其中重点圩堤46座、1～5万亩圩堤41座、0.1～1万亩圩堤148座；保护面积万亩以上单退圩堤27座，万亩以下单退圩堤175座。湖区堤线长3563.6km，保护农田 50.41 万 hm2，人口 842.6 万人[1，2]。

1.2 圩堤结构情况

鄱阳湖圩堤修筑在滨湖尾闾河湖漫滩之上，由于地处冲积平原，受长期的水力运动，上游挟带的细粒泥沙，慢慢沉积并覆盖在河床上，形成上部为细砂或粘土、下部为粗砂和砾石的沉积结构，地质上属典型的下粗上细的二元结构。圩堤修筑时就地取材，堤身由细砂或粘性土组成。由于特殊的筑坝材料和堤基特点，圩堤需要进行必要的防渗处理，才能提高洪水抵御能力。

1.3 洪水特点

鄱阳湖流域雨量丰沛，全省多年平均降雨1 638mm，境内河流众多，流域面积10km2以上河流3 771条。每年4～6月为主汛期，雨水汇入五大河流并进入鄱阳湖，水位开始上涨。长江中上游主汛期比江西省晚1～2个月，由于汛期错开，正常年份不会产生大洪水。若鄱阳湖流域汛期推迟或延长，叠加长江中上游强降雨影响，湖水随五河来水迅速上涨，受长江托顶甚至倒灌而难以消退，对鄱阳湖构成“上来下顶”之势[3]。这种独特的江湖关系对鄱阳湖洪水影响深远，受五河来水和长江水顶托双重影响，鄱阳湖历史上洪涝灾害频发，一旦遭遇上述最不利因素，鄱阳湖高水位运行时间长久，有时甚至长达数月，造成湖区圩堤御水时间很长（见图1）。

图1 鄱阳湖星子站高水位超警戒天数统计

2 圩堤险情专家会诊与安全风险评估

在防汛抢险过程中，基层防汛巡堤人员多为分片负责的行政人员或村镇群众，驻堤专业人员极少，而单个险情的研判与应急处置对现场人员专业要求比较高，高水位下险情发展往往非常快，需要快速确定最佳应急抢险方案。同时，为了合理配置抢险资源，有效分配抢险人员、物资，做好应急预案，需要对区内各圩堤安全状况进行风险评估，科学决策，达到有限资源的抢险效果最优化。

2.1 巡堤查险与专家会诊系统

鄱阳湖圩堤汛期启动响应后，各地采用24h不间断分组巡堤查险方式，确保险情第一时间发现、第一时间处置。随着移动互联网、大数据和无人机等新技术的快速普及，可研发巡堤查险与专家会诊系统，供巡堤人员对险情现场坐标进行采集，以图片、视频或语音的方式对险情进行描述，将圩堤险情点和处理情况利用移动APP系统及时收集并发送给防汛抢险指挥部，实时反映在系统“一张图”上，方便指挥部组织专家在后台综合研判险情。对现场不方便到达的危险区域，可使用无人机巡堤查险并通过移动APP系统实时传输数据、视频。指挥部也可利用系统中视频连线的功能直接与防汛一线的专家进行视频连线，实时处理险情。在完成了日常巡堤查险任务后，巡堤人员可通过后台管理系统“一键式”导出工作报告（见图2）。

图2 巡堤查险与专家会诊系统界面

该系统在应对2020年鄱阳湖防汛抢险过程中紧急上线，发挥了良好的效果，具体功能如下：

（1）基础信息查询。该模块主要实现圩堤基本数据和信息的全面展示，包括圩堤监测监控数据、建设及运行管理档案、运行管理信息、知识库信息、评估体系、模型方法信息等。

（2）一张图查询。为满足圩堤安全综合评估过程中的GIS应用需求，平台提供统一的一张图展示服务，实现空间数据可视化、基础数据的可视化表现。通过一张图集成圩堤基础信息、监测信息、业务信息三类图层，直观的反应圩堤地理情况、监测点位置分布、监测信息实际情况、业务信息分布统计和处理情况等信息。

（3）知识库查询。该模块实现对圩堤安全评估和防汛抢险相关知识库分类目录进行展示、增加、编辑与删除。包括解决方案、经验分享、管理手册、工程规范、仪器使用手册、维护成功标准、案例资料等分类。用户点击目录管理，系统展示分类目录列表，用户点击某一目录，可对目录进行查看、增加、修改与删除等操作。

（4）防汛会商。防汛会商主要供汛期防汛人员使用，将防汛现场的各种情况及数据实时传输到系统，其他防汛人员和专家可积极参与讨论处置，实现远程会商。

（5）实时播报。该模块主要实现巡堤查险轨迹、险情位置、现场图像、语音、视屏实时上报展示，指挥中心地图自动定位、语音实时播报，可以实时视频连线现场人员，实现远程在线会诊。

（6）风险图。该模块根据圩堤现场险情分布情况，结合未来来水情况等，绘制圩堤风险图，以不同颜色区分风险等级，并能实现动态调整，指导科学防汛和人员转移。

（7）险情统计。该模块将上传的各种渗水、管涌、滑坡、崩岸等险情分类统计，以图表的形式直观的进行展示，方便防汛人员和专家及时掌握整体防汛态势；同时可一键生成专家报告。

（8）人员、物资分布统计。该模块将现场防汛人员和防汛物资在一张图上集中展示和管理，方便掌握现场防汛人员及物资配备情况，便于宏观调控。

2.2 圩堤安全风险评估体系构建

鄱阳湖圩堤工程类型多、堤线长、分布广，运行条件差异大，堤身堤基隐患分布随机性强，由于保护区人口、经济和面积相关较大，对不同风险的容忍程度和经济损失承受能力也有较大差异。有必要建立一套圩堤安全风险评价指标体系，实时评估各圩堤的安全现状，有利于合理配置抢险资源，做好防御预案。

采用层次分析法，将圩堤工程系统按照漫顶、渗透失稳、滑动失稳、护坡破坏这四种典型的失效形态分为相应的四个防护分类，各个防护分类又由圩堤各个结构组成部分构成，由此建立圩堤工程状态评价指标体系，该体系是一个多目标多层次的指标体系（见图3）。

图3 圩堤工程安全风险评价指标体系构建

通过收集历史溃堤案例可知，大多数的圩堤失事源于漫顶、渗流破坏和滑坡，其中漫顶失事占62.6%，管涌失事占32.58%，滑坡失事占4.82%。根据各失效模式的发生概率，构造目标层圩堤工程状态对于准则层四种圩堤典型失效形态的判断矩阵，按层次分析法原理采用专家打分构建判断矩阵，得到基础指标相对总目标圩堤工程状态的权值计算结果（见表1）。

表1 各基础指标相对总目标的权值计算结果

建立各基础指标赋值标准，以指标C1（堤顶高程）为例（见表2）。

表2 堤顶高程C1赋值标准

结合鄱阳湖圩堤管理现状和工作实践，可将圩堤风险等级划分为3级，即低风险、中风险和高风险，按不同的风险等级采取建议的措施（见表3）。

表3 圩堤风险等级划分标准

3 圩堤常见险情研判与应急处置

3.1 常见险情分类

由于圩堤堤线长、洪水抵御时间长、长期浸泡后土体力学性能较差、堤身材质和堤基透水性强，加上仅有重点圩堤和部分万亩圩堤进行了除险加固等因素，造成鄱阳湖水位一旦超警戒，各类险情伴随而来，滨湖沿河群众防汛压力极大。

根据全国统计分析，造成圩堤的失稳险情可归纳为漫顶、边坡失稳、渗透破坏、护面冲刷等典型模式。由于险情发展从小到大，从轻微影响到失稳是一个孕育过程，鄱阳湖圩堤险情可进一步细分为管涌、散浸、接触冲刷、漏洞、滑（脱）坡、跌窝、崩岸、裂缝、风浪和漫溢等。图4为2020年鄱阳湖洪水期间各类险情的统计，列前三的分别为漏洞、管涌和散浸，分别占比32.4%、30.7%、16.4%。

图4 2020年鄱阳湖圩堤险情统计

3.2 险情研判与应急处置——以管涌为例

管涌是圩堤工程中最常见的一种渗透破坏险情，本文以管涌为例介绍险情的研判与应急处置。

3.2.1 险情破坏机理与说明

高水位渗压下，堤基土体中细颗粒沿粗颗粒间空隙被水流带出堤基外的现象称为管涌。当其出口处于砂性土时，表象为翻沙鼓水、周围多形成隆起的沙环；当其出口处于粘性土时，表象为土体局部表面隆起、浮动或大块土体移动流失，此时也称为流土（见图5）。

图5 管涌险情破坏机理

管涌在鄱阳湖区被广泛称为“泡泉”，是一种危害性非常大的险情，需要尽快发现第一时间处置。1983年鄱阳湖发生流域性大洪水，江西省圩堤出险总数为5 531处，排第一位的泡泉险情1 817处，占比32.85%[4]。1998年汛期，南昌市所辖圩堤发生险情中排第一的管涌占30.6%[5]。成朱联圩发现泡泉多达1 820个，其中涌口直径10cm以上的大泡泉多达593个，涌口直径20cm以上的特大泡泉有52个[6]。1998年长江中下游地区的大小圩堤发生较大险情1 702处，其中有872处都是管涌，占总数51.2%，长江干堤发生较大险情698次，其中管涌366次，占总数52.4%；在具有溃决风险的34处重大险情里，有19处都是管涌或管涌群，占总数57.8%[7]。2020年鄱阳湖洪水管涌占比16.4%。

3.2.2 管涌抢险合理范围的确定

汛期堤基管涌一般出现在堤外，为安全起见破坏允许水平平均比降按0.04考虑，结合丁留谦等学者的研究成果[8]和鄱阳湖圩堤管涌发展特点，以H为圩堤两侧水头差，则可作以下规定：

（1）距堤脚外20H作为不用抢险的范围，该部位堤基管涌对堤身影响有限，汛期应加强观察，汛后用透水砂料处理。但是，如果管涌发生一段时间（0.5h）后涌砂较多或有加剧的趋势，则需要进行抢险处理，这种情况可能是堤基内有特殊的缺陷，如老口门、老河道，或者历史上曾经在近堤脚处发生过重大管涌险情、堤基砂层已经受过破坏等情况。

（2）管涌口到背水堤脚的距离小于10H作为必须抢险的范围。

（3）当管涌口至背水堤脚距离为10H～20H之间时，可根据带砂情况决定是否采取抢险措施，如带砂量逐步减少且出砂量不多，可加强观察，反之应采取措施。

3.2.3 险情严重程度判别（见表4）

表4 管涌险情严重程度参考表

3.2.4 管涌抢险方法的确定

管涌险情是鄱阳湖圩堤最常见、发生频率最高的险情，根据管涌险情孕育机制及鄱阳湖圩堤典型的堤基二元土体结构特性，一旦发现管涌险情，应根据险情的严重程度，采用以下方法进行应急处置：

（1）反滤压浸。当管涌口到背水堤脚的距离在10H～19H之间时且管涌出流量不大，水流浑浊度不高，管涌险情不严重时，为节省人力物力，可直接采用砂卵石压浸的方法进行应急处置，处置后定期观察险情的变化再采取适当的措施即可（见图6）。

图6 反滤压浸示意图

（2）反滤围井。当管涌口到背水堤脚的距离在10H以内且管涌出流量较大，水流涌沙较多，管涌险情严重时，应筑反滤围井，且在井内按级配要求填筑反滤料，直到渗水畅流，无砂粒带出为止。反滤料填好后需加强观察，如填料下沉应继续补充直至到稳定[9]（见图7）。

图7 反滤围井示意图

（3）蓄水反压。当管涌在不大范围内成群出现，且附近有渠道、田埂，或具有周边地势较高的有利条件时，可采用蓄水反压的方法减小堤内外水头差，遏制管涌险情的发展。蓄水反压做好后，仍需注意观察，如发现险情有变，应及时处置，直到险情稳定为止（见图 8）。

图8 蓄水反压抢险效果图

（4）组装充水式抢险装备。上述抢险方式采用的是传统砂土围井和反压方法，虽就地取材，但也存在耗时长、所需人员多、取材不便等不足，影响抢险效率。近年来，组装式防洪墙和围井等新技术得到应用，但由于采用钢材，存在造价高、重量大、不便捷和不经济等问题，难以全面推广应用。因此，基于组装充水式的抢险装备具有较好的应用前景，该装备袋体材料为Pvc涂层布料，可通过拼装的方式快速组装、快速充水，形成一定高度的线性或封闭性环状水袋管拼装体，增加有效的堤坝防洪高度或降低堤基的水力比降，可提升圩堤管涌与漫顶溃堤等险情的抢险效率[10]（见图9）。

图9 组装充水式抢险装备——围井

3.3 圩堤应急抢险读本编制

由于鄱阳湖区洪涝灾害较为频繁，滨湖沿河基层群众在长期和洪水抗争的过程中，总结了不少行之有效的险情处置方法和实践经验，但往往缺少理论支撑。可以在详细调研的基础上，评估历年各类险情处置措施的合理性和优缺点，结合岩土力学、工程水力学和渗流分析理论，提炼总结防汛抢险经验，将长期形成的“经验”归纳转化为“科学理论”，编制江湖圩堤应急抢险理论与实务书等书籍，指导高校水相关专业学生和水利专业人员掌握抢险知识；同时，为普及圩堤保护区基层群众的防汛科学知识，可采取图文并茂的形式，归纳提炼为易被非水利专业人员接受和理解的防汛抢险处置措施，编制江湖圩堤防汛抢险科普知识读本。

4 结语

圩堤是鄱阳湖防洪体系的重要组成部分，也是历年防汛抢险的主战场。本文在分析鄱阳湖圩堤现状、堤身和堤基结构特点和抵御洪水工况特点的基础上，对湖区圩堤常见险情进行了分析，并以管涌为典型险情，从险情特征、合理抢险范围分析、险情严重程度判别和管涌抢险方法的选定进行了介绍，提出了面向不同受众群体编制圩堤应急抢险读本的思路。针对基层防汛技术人员薄弱的现状，本文介绍了巡堤查险与专家会诊系统的主要功能和研发内容，构建了圩堤安全风险评估体系，并应用到2020年鄱阳湖洪涝灾害圩堤应急抢险中，取得了良好效果。