堤防工程中的管涌现象及其风险论证

(1)概述。堤防是河流中下游地区防洪的主要设施。我国筑堤防洪已有千余年的历史。历代修筑的各级堤防长达27万km。其中长江堤防总长达3万km,中下游主干堤防3600km。它们基本上是长期历史的产物,规划布置不尽合理,堤基地质条件复杂,质量参差不齐。以长江堤防为例,它们在冲积平原上沿河而建。其地基主要由河床相沉积、湖相沉积及河漫滩及溃口冲积扇组成,地层复杂,沿深度和长度方向地质条件变化很大。河岸多为二元结构,即上部为相对不透水的粉土和粘土层,下部为透水的砂层及砂砾层。在高洪水位下,背水一面堤后地基极易发生渗透破坏:堤后下部承压水击穿上部相对不透水土层时,导致渗透破坏,即所谓的“管涌”。由于历代修堤不可能按照现代挡水建筑物理论方法进行科学规划、设计和施工,往往是就近取土,堤后取土坑形成沟塘;堤防在历次加高、延长、溃口——复建过程中形成,填土成分不均,年代不一,搭接部位错杂隐蔽;堤身填土密实度一般达不到标准,存在有生物洞穴、杂物和其他隐患;堤前水下滩地因冲刷淘深出现崩塌,危及堤防本身安全。据长江委多年险情统计,最为严重和普遍的汛期险情是渗透破坏(俗称管涌),它占总险情的60%以上,其中尤以堤基渗透破坏的危害为烈。1998年九江市溃堤等几大溃口,多由堤基“管涌”引起。另外,在汛期高洪水位下,堤身渗漏、散浸等险情十分严重。汛期堤身失稳(俗称脱坡、跌窝等)是另一种重要的险情,占险情的14.4%。1998年洪水也暴露出我国江河堤防安全性评价及管理水平尚有待发展和提高。堤防管理已成为我国江河防洪防汛工作的薄弱环节之一,不仅影响防洪减灾的科学决策,也影响到流域水利规划的合理制定。

(2)堤防防渗与稳定的研究。对于土坡的稳定、变形和渗透及其引起的破坏问题国内外的学者已经进行了长期系统的研究。这些研究涉及边坡稳定的极限平衡与可靠度的研究、渗流控制研究、变形控制研究等。但是这类研究多集中于天然土坡和土石坝,尽管它们对于堤防工程有重要的参考价值,但针对堤防工程的特殊性和复杂性的理论研究工作相对薄弱。结合多年和1998年防洪和堤防加固的实践,以水利部和防汛办为首进行了许多有意义的总结工作。在国外对堤防的渗透破坏机理、发生条件及包括降雨影响的渗透计算也有所研究。在堤防防渗与稳定基础理论研究方面,我国自然科学基金专设重大项目《洪水特性与减灾方法研究》(2000～2004)。内容包括堤防的渗流计算分析;渗透破坏的模型试验与计算分析,渗流与抗滑稳定间的耦合分析;减压井的国内外调研、现场调查、室内试验等系列的工作。长江科学院结合荆江大堤,对不同的堤身填土和二元、多元的地层构造及有限厚或者深厚的透水地层等不同组合,开展了堤防渗流规律和加固措施的研究。

事实上堤防工程中所谓的“管涌”,包含了流土和管涌等复杂的渗透破坏现象。近年来的现场调查表明:堤防渗透破坏具有十分复杂的机理和影响因素,因而除需要在开展理论分析和模型试验外,还需要深入现场调查,揭示各种地质条件下渗透破坏形成的内在成因和规律,为此科研人员对1998年洪水详细记录下来的“管涌”发生部位和特征状态进行认真的统计分析。对管涌发生距离的风险做出科学的论证,为长江干堤加固工程中保护区宽度这一重要指标的确定提供理论依据。

(3)我国堤防工程的加固技术。

1)垂直防渗设施。在规模巨大的堤防加固工程中,我国工程技术人员开发了一系列堤基垂直防渗和减压的新技术。深层搅拌水泥防渗墙技术使用地基土作为墙体的主要材料,使垂直防渗墙造价大大降低,在长江荆南大堤,完成了42km,总计面积达527746万m2。使用射水法、拉槽法修建薄壁混凝土墙的技术相继在安徽同马大堤,湖北荆南、粑铺大堤等工程使用。此外,土工膜垂直防渗墙也获得了较多使用。这些垂直防渗措施在一些管湧多发的地区起了保证大堤安全的关键性作用。

2)减压井技术。减压井具有造价低,不影响地下水环境等优点,是防止管湧的有效措施。但淤堵问题长期以来一直影响着这一技术的推广。在长江大堤加固工程湖南段,新型的可拆卸、冲洗和更换的减压井问世,经过近二年的运行,效果良好,见图9-3。

图9-3　新型产品拆卸、冲洗和更换减压井的内部构件

3)崩岸治理新技术。崩岸上是威胁防渗安全的重大自然灾害。长江大堤的一些险工险段,每年河岸回缩达数十米至上百米。近年通过GPS和声纳技术结合,在崩岸治理方面的技术进步主要体现在以下两个方面。(www.xing528.com)

a.水下地形测量技术。近年来GPS定位和水下地形测量技术更新,中国水利水电科学研究院近期曾对长江堤防水下地形和抛石情况进行过一次全面的检测。采用回声测深仪,可保证水下地形误差在1cm 以内,采用条带测深仪,可一次在50～200m 范围内条带式形成水下地形图。采用地层剖面仪,可以区分抛石和原河床。这些新技术为了解水下河道的冲淤变化提供了强有力的手段,也为崩岸的早期检测和治理提供了技术保证。

b.崩岸治理新技术。在崩岸治理方面,摆脱了以往单纯依靠抛石的做法,开发了水下铰链沉排、土工模袋和土木布砂袋等新工艺,护理范围达到水下20余m 的长江深泓区。中国水科院在江西省江心洲、棉船洲这些崩岸重灾区建设的这些水下防护工程已经历三年多的考验,江岸一直保持稳定。

(4)堤防工程安全性评价。堤防工程安全性评价最近几年才引起重视,但目前堤防工程安全评价的提法也较为笼统,无论是在国外还是在国内,目前还没有一个明确的定义。在水利界,存在堤坝工程重大事故的危险,虽然这种事故的发生概率很小,但后果却极为严重。经验证明,传统经验型的管理方法已经不适用,需要转换为预测型的实时风险管理体系,这方面的研究工作已经引起国际水利界的广泛关注。

与大坝安全评价相比,国内外对于堤防工程安全评价的研究尚处于起步阶段,目前还没有形成一个适用的理论和方法。在国外,一些国家已经开始利用先进的计算机信息技术,对堤防信息进行管理和集成,为防汛调度提供决策依据。有关资料表明,堤防工程的技术分析、风险评估和安全评价已成为今后堤防工程科学管理的发展方向。例如,日本、荷兰等发达国家的江河(海)堤防的管理决策系统就比较先进。但是,从现有资料看,不同国家针对自己的国情和堤防工程的特点,研究的侧重点也有所不同。

1)堤防工程安全性调查的指标体系和调查方法。在日本,现有河川堤防所防御的大部分地区内,人口和资产有明显的集中趋势,要求提高河川堤防工程安全性的社会呼声也日益高涨。在此背景下,日本建设省河川局针对日本全国各地河川堤防的安全性问题,组织专家在深入研究基础上,编制了系列化的技术指南《河川堤防总检点手册》。它们被用于指导全日本堤防工程安全性调查和评价工作。日本堤防渗透安全性调查的基本步骤是先普查后细查。在普查中,根据堤防及地基土层的土质特点、外力条件和受灾历史,按最不利状态优先和综合考虑的原则,将各段堤防的渗透安全性概略地划分为:A(安全性高)、B(安全性较高)、C(安全性较低)和D(安全性低)四种不同的等级。依据已概略划分出的堤防渗透安全性等级,考虑堤防后防洪区的重要性程度,可选出需要详细调查的堤段区间。堤防实际的渗透安全性最终由详细的土质调查和分析评价的结果来确定。细查是在选定区间内实施的。包括实施详细的土质调查和在此基础上进行详细的堤防渗透安全性评价两部分。普查和细查的结果不仅为堤防加固处理方案和方法的选择、也为堤防的管理工作提供科学依据。这方面的经验可供我们参考和借鉴。

2)堤防工程安全评价的方法。安全评价对于堤防工程长期维持安全运行是必不可少的。但是,在这方面,目前只有荷兰进行过相关的研究。荷兰的防洪体系由一个称为主干堤的综合系统构成。所谓的破坏界限取决于三个因素:①社会能接受的安全性标准;②测试和评价结构物强度的方法;③确定和评价水力边界(荷载)的方法。从这三点出发,遵循挡水结构物的评分标准,并在指南中采用了一种称为“ROG”(rules of game)的方法,将荷兰的堤防工程安全性等级共分为四级:优(good)、良(sufficient)、中(doubt)和差(bad)。这些破坏界限已经在荷兰水工建筑技术顾问委员会提出的设计、评价准则中加以规定。荷兰的研究经验表明,堤防工程安全性评价不是一个静态事件,而是一个连续的动态过程。荷兰的国家法律要求每5年进行一次详细的堤防检查和安全性评价,政府每5年颁布与安全标准有关的水力边界条件,另外,每5年发布运用最新知识进行安全评价的技术指导。

应当指出,各国对于堤防工程安全评价研究的侧重点之所以不同,是与其堤防的特点和国情有关的。例如,日本的堤防特点是防洪标准不算很高,但堤防质量高,能基本保证不出险情或者是洪水漫顶堤防也不会溃堤,因而失事风险考虑的不多,围绕堤防进行的科学试验较为深入。在堤防工程安全性调查的方法、内容和渗透安全性评价等方面积累的经验也可供我们借鉴和参考。荷兰的堤防大多数为海堤,堤防系统由封闭的堤防圈构成。同一堤防圈内设防标准相同,防洪水位一致,其特点是波浪对堤防的破坏作用较为突出。近年来的堤防设计和加固采用了可靠性设计方法,设有相应的风险标准。荷兰在堤防工程可靠性设计和风险分析方面的经验和思路可供我国参考和借鉴。我国目前也进行这方面的研究,完成了堤防工程安全性评价指标体系和调查方法的构建,研究提出了长江堤防安全评价的三个层次:即堤防工程的风险分析、单项工程的安全评价和堤防工程的安全性综合评价。建立了长江中下游堤防的工程安全调查和评价的指标体系,将工程措施和非工程措施因素反映在安全性评价的指标体系之中。将层次分析及模糊数学方法结合,提出了长江堤防工程安全性综合评价模型。对长江中下游堤防进行了风险分析,在对于长江堤防破坏机理分析的基础上,采用可靠度理论推求了堤防失事概率,根据保护区社会经济情况分析堤防失事后果及其度量方法,从而构筑了适合于沉降堤防特点的风险分析框架。

引进了安全系统工程的有关理念,对长江堤防进行危险分析,采用预先分析法对堤防系统中的危险进行分析;按照逻辑关系,建造相关的事故树,定量计算堤防系统的故障概率及可靠度参数。在危险性分析的基础上,建立长江堤防的安全评价体系。将工程措施的安全效应引入评价体系中,建立了堤防安全的二次评价体系;对于信息不全和不确定的AHP(层次分析法),的提出了处理方法,扩大了该方法的使用范围。采用Delphi语言,开发了堤防工程的安全性综合评价的系统软件,与GIS系统结合,实现了堤防工程安全平价的自动化和可视化。这些方法尚有待于在应用中进一步完善。