面向岸堤坍塌全过程的应急防护措施与装置

涂建伟 蒋德成 崔家仲 何孟芸 贾刚

摘要：岸堤坍塌的应急防护，特别是岸堤决口的应急封堵，是关系到民众生命财产安全的重大问题，而目前针对岸堤坍塌及决口封堵的系统性研究较为缺乏，岸堤坍塌防护装置较少，决口封堵方法较为单一。通过对不同程度岸堤坍塌应急防护关键技术的研究，提出了一种面向岸堤坍塌全过程的“护-防-堵”应急防护体系。针对不同程度的岸堤坍塌研发了对应的防护措施及装置：对于局部坍塌，使用岸堤土工布防护系统和岸堤防冲浮动坝结构；对于严重坍塌，使用自重挡水单元及岸堤潜在决口的自重挡水系统；对于溃堤决口，采用岸堤决口封闭单元及封闭系统。研究成果可为类似工程处置提供参考。

关键词：岸堤坍塌； 全过程； 应急防护； 决口封堵

中图法分类号： TV663.4

文献标志码： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.04.026

0引 言

岸堤是沿河地帶抵御洪水灾害的重要建筑物，但在汛期，受洪水水流的侵蚀、冲刷，容易造成岸堤坍塌破坏，甚至产生岸堤决口，导致洪涝灾害，严重威胁着广大民众生命财产安全。尤其是长时间大面积的降雨导致河流水位上涨，岸堤发生局部坍塌时，对局部坍塌的岸堤进行应急防护，维护岸堤安全至关重要。

目前岸堤坍塌相关研究主要集中在岸堤稳定性分析、决口水力学特性、决口封堵技术及实践经验总结等方面。Biscarini［1］、Munoz［2］等采用CFD模型模拟溃坝水流特性；崔堃鹏等通过研究目前洪涝灾害的防灾减灾工程措施、非工程措施及应急救援技术，总结了当前采取的主要应急救援技术及其发展趋势［3］；孙即超等［4］通过测量图片获得岸堤坍塌的开裂露头位置，提出了路径损伤的理论和计算公式，进而推导出冲刷下岸堤的损伤路径和演变公式，以期对岸堤的损伤坍塌进行预测；胡志根等［5］采用物理模型试验观测分析截流进占过程中的水力学关系，为单戗堤立堵截流的计算分析和工程设计提供了参考；曾秀娟［6］、李火坤［7］等利用数值模拟技术研究堤防决口的水力学特性，为堤防抢险及制定决口封堵方案提供了参考；熊勇等［8］研究指出，尽管不同流域的决口封堵技术存在一定差异，但其核心思想均为利用抛填法逐步戗堤进占，保证抛投物料抗冲稳定性；刘剑［9］、柳欢［10］等分享了决口封堵抢险工程实践中的关键技术；刘俊谊［11］、邬爱清［12］等针对决口封堵抛投物料流失率较高的问题，研究了一种四面体堵口构件，并进行了相应的抛投试验模拟研究。但是，目前国内针对岸堤坍塌及决口封堵的处理措施缺乏较为系统性的研究，对岸堤坍塌及决口封堵一般使用单一的土建处理方式，尚未见针对不同程度岸堤坍塌的应急处理装置，仅在城市防洪中有部分应急挡水装置，如应用于地下车库入口处临时挡水用的“L”形防洪挡水板［13］等，但该类型装置承载能力有限，不能适应不同阶段的岸堤防护，更不能用于岸堤防洪。

而岸堤坍塌应急防护和岸堤决口封堵，往往面临着时间紧、任务重、交通阻断、抢险物资匮乏、施工场地限制等诸多难题，因此系统性地研究面向岸堤坍塌全过程的应急防护措施及应急防护装置意义重大。

1岸堤坍塌应急防护的现状与不足岸堤坍塌的应急防护，主要以护坡、固基为主，以防止溃堤事故的发生。

目前岸堤坍塌的应急防护主要以土工作业的方式构筑岸堤，修复坍塌部位或封堵决口：发现岸堤发生局部坍塌后，随即组织岸堤应急防护；如果岸堤坍塌已经较为严重，或者已经发生溃堤产生岸堤决口，随即组织决口封堵，如图1所示。

目前处理岸堤坍塌的主要方法为：通过在坍塌部位迎水面抛投抗冲四面体截流石或堆砌钢筋石笼等重物形成临时岸堤，抗击洪水对岸堤的继续冲刷，以阻止岸堤继续坍塌。但目前常用的岸堤坍塌应急修复方法存在以下主要问题：

① 需要大型施工机械参与，对作业空间有一定要求，需要为大型机械的进入抢修道路；

② 施工工期较长，有进一步发生岸堤坍塌的风险；

③ 局部坍塌防护工程量大，耗费人力、财力巨大；

④ 洪水期间土建施工难度较大；

⑤ 如若堤岸较深，抗冲四面体截流石或堆砌钢筋石笼等重物需要堆叠抛投，往往由于河底地面不平整，或者先抛投的重物在水流冲击下未安放平整，而影响其上部重物的堆叠，只能采取多块重物大面积抛投的方式堆叠，无法快速构筑临时岸堤，进而增加溃堤风险，并可能承受溃堤带来的巨额经济损失。

若岸堤坍塌应急防护不及时，发生岸堤决口，将严重威胁下游民众的生命财产安全，需要尽快对决口进行封堵。目前封堵岸堤决口的主要方法为：通过抛填法抢筑裹头，从决口两侧双向戗堤进占，从而实现决口封堵；通过在决口部位抛投抗冲四面体截流石或堆砌钢筋石笼等重物抗击洪水冲击，以降低决口洪水流速，封闭决口，然后在背水面利用土石加固堤岸防止稳定性崩塌，从而在决口处构筑临时岸堤。但目前常用的封堵岸堤决口方法存在以下主要问题：

① 需要大型施工机械参与；

② 施工工期较长；

③ 决口封闭工程量大；

④ 对地形条件等依赖较多；

⑤ 难以快速封闭决口。决口处流速较大，且随着土工作业的推进，决口逐渐收小，流速会相应加快，抛投的重物更容易被冲毁，越往后期，决口封闭的难度越大。这是目前决口封闭最大的技术难题，且尚未得到有效解决。

2面向岸堤坍塌全过程的应急防护措施

针对目前岸堤坍塌应急防护措施存在的不足，通过对岸堤坍塌过程特征的系统性研究，提出了一种面向岸堤坍塌全过程的“护-防-堵”应急防护体系（见图2），并研究与其对应的应急防护装置。

面向岸堤坍塌全过程的“护-防-堵”应急防护体系，根据岸堤的损坏程度将岸堤坍塌分为3个阶段：局部坍塌阶段、严重坍塌阶段和溃堤决口阶段。由于岸堤坍塌的发生和发现均具有随机性，当发现某处岸堤发生坍塌时，岸堤状态可能处于以上3个阶段的任意一个。传统的岸堤应急防护方法，无论岸堤坍塌处于何种阶段，均需立即采取应对措施，一般以土建抛投为主对岸堤进行加固或者对决口进行封堵，防止灾害进一步扩大。

本文提出的“护-防-堵”应急防护体系，不需要大量土建作业参与，将传统的抛投法进行岸堤加固方式改为采用应急防护装置予以应对。当岸堤坍塌处于局部坍塌状态，尚无较大溃堤风险时，只需采用相应的岸堤应急防护装置对坍塌处进行防护，防止发生局部坍塌的岸堤在水流的冲刷下继续扩大；当岸堤坍塌已处于严重坍塌状态，溃堤风险较大时，应立即采用相应的岸堤应急防护装置在坍塌的岸堤背水面构建临时岸堤；当岸堤坍塌已出现决口，发生了洪涝灾害时，应立即采用相应的岸堤决口封闭装置，对决口进行快速封堵，尽量减小洪涝灾害的损失。

3面向岸堤坍塌全过程的应急防护装置

面向岸堤坍塌全过程的应急防护装置，其关键技术特征需要满足以下几个方面：

① 简单有效，能够针对岸堤坍塌全过程的各个阶段有针对性地进行有效应急处理；

② 安装方便，尽量减少大型施工机械的参与，减少道路、施工场地等对应急防护过程的制约；

③ 施工便利，力求以最快的速度完成岸堤坍塌防护或决口封堵，减少生命财产损失；

④ 结构简单，力求模块化制作，便于储备。

3.1岸堤坍塌应急防护装置——“护”

岸堤坍塌应急防护装置——“护”，是针对处于局部坍塌阶段的岸堤应急防护所研制，其关键技术在于通过减小局部坍塌岸堤处的水流速度，以降低水流对岸堤的冲击力，或者通过隔离水流，避免水流冲击力直接作用在发生局部坍塌的岸堤上，从而防止水流对已经发生局部坍塌的岸堤进一步掏刷，保护岸堤。

基于上述岸堤坍塌应急防护装置共有的关键技术特征，本文提出了针对岸堤局部坍塌的应急防护装置：“岸堤土工布防护结构及岸堤土工布防护系统”和“岸堤防冲浮动坝结构及岸堤防冲系统”。其中“岸堤防冲浮动坝结构及岸堤防冲系统”已获得技术发明专利授权［14］。“岸堤土工布防护结构及岸堤土工布防护系统”采用“隔水”思想，防止水流直接作用在已经发生局部坍塌的岸堤上；“岸堤防冲浮动坝结构及岸堤防冲系统”采用“阻流”思想，通过逐步减缓已经发生局部坍塌的岸堤处的水流速度，使已发生局部坍塌的岸堤处于近似静水中，避免岸堤在高速水流掏刷下进一步破坏。

3.1.1岸堤土工布防护结构及岸堤土工布防护系统

如图3所示，岸堤土工布防护结构主要由主链条、固定用柔性连接网和土工布挡水层组成。主链条为相互平行设置的两条重型链条，用于对柔性网和土工布层的两侧边沿进行张拉定位，以确保其具有一定的稳定性，使土工布防护结构在水下安装后可以贴合岸堤。安装于洪水冲击方向上游侧的重型链条下端连接截流石。柔性网可为柔性钢丝网，其主要作用是对土工布层的安装支撑和牵拉，便于土工布层的铺设，确保土工布层铺设完成后能顺畅撑开。柔性网的两侧边沿分别与两条主链条固定连接，土工布层与柔性网之间可通过系带连接。土工布层被平铺到发生局部坍塌的岸堤对应边坡上，以起到隔离水流的作用，避免水流直接冲击、侵蚀岸堤局部坍塌区的岸堤结构。

岸堤土工布防护结构可用固定单元长度模块化制作。发生岸堤局部坍塌时，可将多个防护单元沿河道水流方向依次铺设，铺设区域覆盖岸堤局部坍塌区及其上下游紧邻区域内的岸堤，防护单元数量根据实际所需保护的岸堤具体长度确定，从而组成岸堤土工布防护系统。土工布防护系统需要层叠铺设，即上游侧土工布层的边沿需要与下游侧的土工布层边沿相互搭接，并使下游防护单元中带有截流石的主链条平压在上游防护单元上，如此可避免水流掀翻岸堤土工布防护系统的土工布层，提高土工布层的贴敷效果。岸堤土工布防护系统铺设完成后，通过压重将重型链条固定在岸堤上。

3.1.2岸堤防冲浮动坝结构及岸堤防冲系统

如图4所示，岸堤防冲浮动坝结构主要由主链条、浮箱、阻流网和牵引绳组成。主链条为重型链条，以确保其具有一定的稳定性，使防冲浮动坝结构在水下安装后可以贴合岸堤，其下端连接截流石。浮箱设在水面用于托起阻流网，确保阻流网从水面向下延伸设置，形成对河道水流的有效阻挡屏障。浮箱的长度决定了阻流网从岸堤的边沿伸入到河道内的最大宽度，浮箱的浮力大小根据阻流网的下沉载荷进行设置；浮箱一端与主链条连接并可以沿主链条滑动。阻流网由水平尼龙阻流网和垂直阻流链条组成，垂直阻流链条的下部设置重锤，上部悬挂于浮箱上，以获得良好的阻流形态，水平阻流网编织在垂直阻流链条上，以加强阻流效果。阻流网的一侧与主链条连接，从而加强阻流网与岸堤的贴合作用。牵引绳共两根，分别连接到浮箱两端，通过调整两根牵引绳的张紧程度，可调整岸堤防冲浮动坝的安装角度。岸堤防冲浮动坝调整完成后，牵引绳的另一端采用压重的方式固定在岸堤上。

岸堤防冲浮动坝可模块化制作。发生岸堤局部坍塌时，可将多个防护单元沿河道依次布設，布设区域覆盖岸堤局部坍塌区及其上下游紧邻区域内的岸堤，防护单元数量根据实际所需保护的岸堤具体长度确定，从而组成岸堤防冲系统。

岸堤防冲系统可以降低局部流速，防止高速水流继续掏刷坍塌的岸堤。首个岸堤防冲浮动坝结构距局部坍塌区需具有足够距离，通过多个防护单元层层阻流，以确保岸堤局部坍塌区的水流能得到有效减缓，进而确保对整个岸堤局部坍塌区都具有较好的防冲效果。

3.2岸堤坍塌应急防护装置——“防”

岸堤坍塌应急防护装置——“防”，是针对处于岸堤严重坍塌阶段的应急防护所研制，其关键技术在于结构稳定，能够承受岸堤决口后的水压力，可快速构建。

基于岸堤坍塌应急防护装置共有的关键技术特征，本文提出了针对岸堤严重坍塌的应急防护装置“自重挡水单元及岸堤潜在决口的自重挡水系统”。该防护装置已获得了技术发明专利授权［15］。

如图5所示，自重挡水单元主要由挡水板框架、承压底板框架、单元连接系和止水层组成。挡水板框架和承压底板框架均采用格栅框架结构，其四周边沿采用型钢制作，二者联合构成“L”形挡水结构。当“L”形挡水结构内侧有水压时，借助水体自身水压力作为挡水单元的稳定力。单元连接系采用柔性钢丝绳，其两端与挡水板框架的上端边沿和承压底板框架的前端边沿连接，以实现对拉作用，提高挡水板框架的抗倾倒能力。止水层采用涂胶帆布，铺设于“L”形挡水结构内侧，止水层与“L”形挡水结构可通过系带连接，方便安装且能避免自由移动。为了提高自重挡水单元安装后的稳定性，承压底板框架的正下方对应的土体应换填为细沙石透水层，以提高土体的透水性，进而降低土体中水对承压底板框架的背压作用，可提高自重挡水单元安装稳定性的同时改善止水层的止水效果。此外，为进一步改善止水层的止水效果，将承压底板框架前端边沿处的土体换填为黏土层，将止水层超前覆盖在部分黏土层上，并将止水层前端边沿埋入到黏土层内。换填后的黏土层可降低自重挡水单元前的渗水，进而减少通过黏土层渗入到承压底板框架正下方的渗水，改善止水效果的同时提高自重挡水单元的安装稳定性。

自重挡水单元可模块化制作。发生岸堤严重坍塌时，在严重坍塌的岸堤背水面依次安装多个自重挡水单元，由多个自重挡水单元在岸堤潜在决口背水侧形成自重挡水系统，作为可能发生溃堤后的挡水结构，避免溃堤产生的灾害。完整的自重挡水系统其构建过程如下：首先在岸堤潜在决口两端的岸堤处分别设置一个与岸堤连接的端部土工围堰，并预埋刚性连接框架；然后，安装自重挡水单元，并相互连接，使之包围整个岸堤潜在决口部位，形成临时挡水墙。多个自重挡水单元的具体安装方式为：对岸堤背水面进行简单平整和细沙换填后，安装自重挡水单元的挡水板框架、承压底板框架和单元连接系，然后安装止水层，止水层之间采用魔术贴连接方式快速安装。由自重挡水单元构建自重挡水系统时，考虑到施工过程中挡水墙的走向可能需要弯曲转向，在转向部位的两个自重挡水单元之间设置转角挡水板框架，从而在两个自重挡水单元的承压底板框架之间形成三角形区域，该三角形区域需采用细沙石填平，增强透水效果。在转角挡水板框架和对应的三角形区域内侧铺设止水层，以此实现挡水墙的转向。

3.3岸堤坍塌应急防护装置——“堵”

岸堤坍塌应急防护装置——“堵”，是针对岸堤已经产生溃堤决口的应急封堵所研制，其主要思想是采用应急防洪装置替代传统抛填法进行决口封堵，避免进占式施工过程中因水流速度不断增加而带来施工难度逐步增加的问题。所提出的“岸堤决口封闭单元、封闭系统及封闭方法”已获得了技术发明专利授权［16］。该装置也可应用于工程围堰的构建等其他施工场合。

如图6所示，岸堤决口封闭单元主要结构由活动挡水板框架、承压底板框架、4根立柱、锁定装置和止水装置组成。活动挡水板框架和承压底板框架均采用格栅框架结构，表面焊接钢面板，活动挡水板处于关闭挡水状态时，二者联合构成“L”形挡水结构。当“L”形挡水结构内侧有水压时，借助水体自身水压力作为挡水单元的稳定力。在承压底板框架的上游侧底部设置有承插板，安裝岸堤决口封闭单元时插入到底部土体内，以提高岸堤决口封闭单元的整体定位性，增强挡水稳定性和止水效果。4根立柱为决口封闭单元的安装立柱，在下游侧的其中一根立柱上设置铰链机构与活动挡水板相连，活动挡水板可以围绕该立柱在小于90°范围内转动。锁定装置设置在有铰链机构的立柱所对应的上游侧立柱上，用于控制活动挡水板处于开启状态。止水装置包括设置在活动挡板下游侧两边的主止水装置，以及设置在下游侧两根立柱旁边的侧止水装置，主止水装置采用P型橡胶水封，侧止水装置采用条形橡胶水封。

决口封闭单元可模块化制作。发生岸堤决口时，采用由多个决口封闭单元和端部土工封闭单元组成的决口封闭系统，对决口进行快速封闭。具体施工程序是：首先将决口封闭单元的活动挡水板通过锁定装置锁定，使活动挡水板处于开启状态。在决口上游侧一定范围内，成弧线状逐个吊装多个决口封闭单元，弧线状安装可以调整每个决口封闭单元的角度，使每个决口封闭单元内的水流流向尽量平行于锁定中的活动挡板，此时由于活动挡板处于开启状态，决口处流速不会有太大变化。然后，在4根立柱上架设临时通道，采用机械或者人工的方式锤击上游侧立柱，使设置在承压底板框架上游侧底部的承插板插入土体内，此时作用在承压底板框架上的向下水压力也能辅助承插板的插入。待所有的决口封闭单元均吊装完成后，在端部构建土工封闭单元，使决口封闭单元与岸堤连成一个整体。通过设置在4根立柱上的临时通道，依次解除每个决口封闭单元的锁定装置，其活动挡水板在水压力的作用下围绕铰链转动而自动关闭，决口的水压力能使活动挡水板紧贴下游侧立柱并压缩止水装置，完成单个决口封闭单元的封堵。所有的决口封闭单元均关闭后，少量渗水不会影响后续对溃堤决口处岸堤的修复加固。

4结 语

本文根据岸堤的损坏程度将岸堤坍塌分为局部坍塌、严重坍塌和溃堤决口3个阶段，对处于每个阶段的岸堤坍塌应急防护提出了相应的防护措施和防护装置，形成了一套面向岸堤坍塌全过程的“护-防-堵”应急防护体系，为岸堤坍塌的防护和决口封堵提供了全新的思路。所提出的应急防护体系不同于传统的岸堤应急防护施工方法，即当岸堤坍塌尚未发生决口时，仅采用应急防护装置对岸堤进行应急防护，不需要立即进行土建修复，待洪水退去后再行修复或加固，省时省力。对于岸堤决口的封堵，采用本文提出的决口封闭装置，不仅能快速实现决口封堵，还能有效避免传统进占式戗堤决口流速不断增大，造成施工越来越困难的技术难题。

本文所提出的面向岸堤坍塌全过程的“护-防-堵”应急防护体系，有效减小了岸堤坍塌应急防护对于时间、场地、原材料等施工条件的依赖。基于“护-防-堵”的岸堤坍塌全过程技术特征所研制的应急防护装置，具有安全可靠、结构简单、施工便利、模块化制作和安装、便于储备等特点。通过对应急防护装置进一步扩展和完善，可以作为抗洪抢险的储备物资，具有较强的工程应用价值。

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（编辑：胡旭东）