涂建偉 蔣德成 崔家仲 何孟蕓 賈剛

摘要：岸堤坍塌的應急防護，特別是岸堤決口的應急封堵，是關系到民眾生命財產(chǎn)安全的重大問題，而目前針對岸堤坍塌及決口封堵的系統(tǒng)性研究較為缺乏，岸堤坍塌防護裝置較少，決口封堵方法較為單一。通過對不同程度岸堤坍塌應急防護關鍵技術的研究，提出了一種面向岸堤坍塌全過程的“護-防-堵”應急防護體系。針對不同程度的岸堤坍塌研發(fā)了對應的防護措施及裝置：對于局部坍塌，使用岸堤土工布防護系統(tǒng)和岸堤防沖浮動壩結構；對于嚴重坍塌，使用自重擋水單元及岸堤潛在決口的自重擋水系統(tǒng)；對于潰堤決口，采用岸堤決口封閉單元及封閉系統(tǒng)。研究成果可為類似工程處置提供參考。

關鍵詞：岸堤坍塌； 全過程； 應急防護； 決口封堵

中圖法分類號： TV663.4

文獻標志碼： 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災害的重要建筑物，但在汛期，受洪水水流的侵蝕、沖刷，容易造成岸堤坍塌破壞，甚至產(chǎn)生岸堤決口，導致洪澇災害，嚴重威脅著廣大民眾生命財產(chǎn)安全。尤其是長時間大面積的降雨導致河流水位上漲，岸堤發(fā)生局部坍塌時，對局部坍塌的岸堤進行應急防護，維護岸堤安全至關重要。

目前岸堤坍塌相關研究主要集中在岸堤穩(wěn)定性分析、決口水力學特性、決口封堵技術及實踐經(jīng)驗總結等方面。Biscarini［1］、Munoz［2］等采用CFD模型模擬潰壩水流特性；崔堃鵬等通過研究目前洪澇災害的防災減災工程措施、非工程措施及應急救援技術，總結了當前采取的主要應急救援技術及其發(fā)展趨勢［3］；孫即超等［4］通過測量圖片獲得岸堤坍塌的開裂露頭位置，提出了路徑損傷的理論和計算公式，進而推導出沖刷下岸堤的損傷路徑和演變公式，以期對岸堤的損傷坍塌進行預測；胡志根等［5］采用物理模型試驗觀測分析截流進占過程中的水力學關系，為單戧堤立堵截流的計算分析和工程設計提供了參考；曾秀娟［6］、李火坤［7］等利用數(shù)值模擬技術研究堤防決口的水力學特性，為堤防搶險及制定決口封堵方案提供了參考；熊勇等［8］研究指出，盡管不同流域的決口封堵技術存在一定差異，但其核心思想均為利用拋填法逐步戧堤進占，保證拋投物料抗沖穩(wěn)定性；劉劍［9］、柳歡［10］等分享了決口封堵?lián)岆U工程實踐中的關鍵技術；劉俊誼［11］、鄔愛清［12］等針對決口封堵拋投物料流失率較高的問題，研究了一種四面體堵口構件，并進行了相應的拋投試驗模擬研究。但是，目前國內(nèi)針對岸堤坍塌及決口封堵的處理措施缺乏較為系統(tǒng)性的研究，對岸堤坍塌及決口封堵一般使用單一的土建處理方式，尚未見針對不同程度岸堤坍塌的應急處理裝置，僅在城市防洪中有部分應急擋水裝置，如應用于地下車庫入口處臨時擋水用的“L”形防洪擋水板［13］等，但該類型裝置承載能力有限，不能適應不同階段的岸堤防護，更不能用于岸堤防洪。

而岸堤坍塌應急防護和岸堤決口封堵，往往面臨著時間緊、任務重、交通阻斷、搶險物資匱乏、施工場地限制等諸多難題，因此系統(tǒng)性地研究面向岸堤坍塌全過程的應急防護措施及應急防護裝置意義重大。

1岸堤坍塌應急防護的現(xiàn)狀與不足岸堤坍塌的應急防護，主要以護坡、固基為主，以防止?jié)⒌淌鹿实陌l(fā)生。

目前岸堤坍塌的應急防護主要以土工作業(yè)的方式構筑岸堤，修復坍塌部位或封堵決口：發(fā)現(xiàn)岸堤發(fā)生局部坍塌后，隨即組織岸堤應急防護；如果岸堤坍塌已經(jīng)較為嚴重，或者已經(jīng)發(fā)生潰堤產(chǎn)生岸堤決口，隨即組織決口封堵，如圖1所示。

目前處理岸堤坍塌的主要方法為：通過在坍塌部位迎水面拋投抗沖四面體截流石或堆砌鋼筋石籠等重物形成臨時岸堤，抗擊洪水對岸堤的繼續(xù)沖刷，以阻止岸堤繼續(xù)坍塌。但目前常用的岸堤坍塌應急修復方法存在以下主要問題：

① 需要大型施工機械參與，對作業(yè)空間有一定要求，需要為大型機械的進入搶修道路；

② 施工工期較長，有進一步發(fā)生岸堤坍塌的風險；

③ 局部坍塌防護工程量大，耗費人力、財力巨大；

④ 洪水期間土建施工難度較大；

⑤ 如若堤岸較深，抗沖四面體截流石或堆砌鋼筋石籠等重物需要堆疊拋投，往往由于河底地面不平整，或者先拋投的重物在水流沖擊下未安放平整，而影響其上部重物的堆疊，只能采取多塊重物大面積拋投的方式堆疊，無法快速構筑臨時岸堤，進而增加潰堤風險，并可能承受潰堤帶來的巨額經(jīng)濟損失。

若岸堤坍塌應急防護不及時，發(fā)生岸堤決口，將嚴重威脅下游民眾的生命財產(chǎn)安全，需要盡快對決口進行封堵。目前封堵岸堤決口的主要方法為：通過拋填法搶筑裹頭，從決口兩側(cè)雙向戧堤進占，從而實現(xiàn)決口封堵；通過在決口部位拋投抗沖四面體截流石或堆砌鋼筋石籠等重物抗擊洪水沖擊，以降低決口洪水流速，封閉決口，然后在背水面利用土石加固堤岸防止穩(wěn)定性崩塌，從而在決口處構筑臨時岸堤。但目前常用的封堵岸堤決口方法存在以下主要問題：

① 需要大型施工機械參與；

② 施工工期較長；

③ 決口封閉工程量大；

④ 對地形條件等依賴較多；

⑤ 難以快速封閉決口。決口處流速較大，且隨著土工作業(yè)的推進，決口逐漸收小，流速會相應加快，拋投的重物更容易被沖毀，越往后期，決口封閉的難度越大。這是目前決口封閉最大的技術難題，且尚未得到有效解決。

2面向岸堤坍塌全過程的應急防護措施

針對目前岸堤坍塌應急防護措施存在的不足，通過對岸堤坍塌過程特征的系統(tǒng)性研究，提出了一種面向岸堤坍塌全過程的“護-防-堵”應急防護體系（見圖2），并研究與其對應的應急防護裝置。

面向岸堤坍塌全過程的“護-防-堵”應急防護體系，根據(jù)岸堤的損壞程度將岸堤坍塌分為3個階段：局部坍塌階段、嚴重坍塌階段和潰堤決口階段。由于岸堤坍塌的發(fā)生和發(fā)現(xiàn)均具有隨機性，當發(fā)現(xiàn)某處岸堤發(fā)生坍塌時，岸堤狀態(tài)可能處于以上3個階段的任意一個。傳統(tǒng)的岸堤應急防護方法，無論岸堤坍塌處于何種階段，均需立即采取應對措施，一般以土建拋投為主對岸堤進行加固或者對決口進行封堵，防止災害進一步擴大。

本文提出的“護-防-堵”應急防護體系，不需要大量土建作業(yè)參與，將傳統(tǒng)的拋投法進行岸堤加固方式改為采用應急防護裝置予以應對。當岸堤坍塌處于局部坍塌狀態(tài)，尚無較大潰堤風險時，只需采用相應的岸堤應急防護裝置對坍塌處進行防護，防止發(fā)生局部坍塌的岸堤在水流的沖刷下繼續(xù)擴大；當岸堤坍塌已處于嚴重坍塌狀態(tài)，潰堤風險較大時，應立即采用相應的岸堤應急防護裝置在坍塌的岸堤背水面構建臨時岸堤；當岸堤坍塌已出現(xiàn)決口，發(fā)生了洪澇災害時，應立即采用相應的岸堤決口封閉裝置，對決口進行快速封堵，盡量減小洪澇災害的損失。

3面向岸堤坍塌全過程的應急防護裝置

面向岸堤坍塌全過程的應急防護裝置，其關鍵技術特征需要滿足以下幾個方面：

① 簡單有效，能夠針對岸堤坍塌全過程的各個階段有針對性地進行有效應急處理；

② 安裝方便，盡量減少大型施工機械的參與，減少道路、施工場地等對應急防護過程的制約；

③ 施工便利，力求以最快的速度完成岸堤坍塌防護或決口封堵，減少生命財產(chǎn)損失；

④ 結構簡單，力求模塊化制作，便于儲備。

3.1岸堤坍塌應急防護裝置——“護”

岸堤坍塌應急防護裝置——“護”，是針對處于局部坍塌階段的岸堤應急防護所研制，其關鍵技術在于通過減小局部坍塌岸堤處的水流速度，以降低水流對岸堤的沖擊力，或者通過隔離水流，避免水流沖擊力直接作用在發(fā)生局部坍塌的岸堤上，從而防止水流對已經(jīng)發(fā)生局部坍塌的岸堤進一步掏刷，保護岸堤。

基于上述岸堤坍塌應急防護裝置共有的關鍵技術特征，本文提出了針對岸堤局部坍塌的應急防護裝置：“岸堤土工布防護結構及岸堤土工布防護系統(tǒng)”和“岸堤防沖浮動壩結構及岸堤防沖系統(tǒng)”。其中“岸堤防沖浮動壩結構及岸堤防沖系統(tǒng)”已獲得技術發(fā)明專利授權［14］?！鞍兜掏凉げ挤雷o結構及岸堤土工布防護系統(tǒng)”采用“隔水”思想，防止水流直接作用在已經(jīng)發(fā)生局部坍塌的岸堤上；“岸堤防沖浮動壩結構及岸堤防沖系統(tǒng)”采用“阻流”思想，通過逐步減緩已經(jīng)發(fā)生局部坍塌的岸堤處的水流速度，使已發(fā)生局部坍塌的岸堤處于近似靜水中，避免岸堤在高速水流掏刷下進一步破壞。

3.1.1岸堤土工布防護結構及岸堤土工布防護系統(tǒng)

如圖3所示，岸堤土工布防護結構主要由主鏈條、固定用柔性連接網(wǎng)和土工布擋水層組成。主鏈條為相互平行設置的兩條重型鏈條，用于對柔性網(wǎng)和土工布層的兩側(cè)邊沿進行張拉定位，以確保其具有一定的穩(wěn)定性，使土工布防護結構在水下安裝后可以貼合岸堤。安裝于洪水沖擊方向上游側(cè)的重型鏈條下端連接截流石。柔性網(wǎng)可為柔性鋼絲網(wǎng)，其主要作用是對土工布層的安裝支撐和牽拉，便于土工布層的鋪設，確保土工布層鋪設完成后能順暢撐開。柔性網(wǎng)的兩側(cè)邊沿分別與兩條主鏈條固定連接，土工布層與柔性網(wǎng)之間可通過系帶連接。土工布層被平鋪到發(fā)生局部坍塌的岸堤對應邊坡上，以起到隔離水流的作用，避免水流直接沖擊、侵蝕岸堤局部坍塌區(qū)的岸堤結構。

岸堤土工布防護結構可用固定單元長度模塊化制作。發(fā)生岸堤局部坍塌時，可將多個防護單元沿河道水流方向依次鋪設，鋪設區(qū)域覆蓋岸堤局部坍塌區(qū)及其上下游緊鄰區(qū)域內(nèi)的岸堤，防護單元數(shù)量根據(jù)實際所需保護的岸堤具體長度確定，從而組成岸堤土工布防護系統(tǒng)。土工布防護系統(tǒng)需要層疊鋪設，即上游側(cè)土工布層的邊沿需要與下游側(cè)的土工布層邊沿相互搭接，并使下游防護單元中帶有截流石的主鏈條平壓在上游防護單元上，如此可避免水流掀翻岸堤土工布防護系統(tǒng)的土工布層，提高土工布層的貼敷效果。岸堤土工布防護系統(tǒng)鋪設完成后，通過壓重將重型鏈條固定在岸堤上。

3.1.2岸堤防沖浮動壩結構及岸堤防沖系統(tǒng)

如圖4所示，岸堤防沖浮動壩結構主要由主鏈條、浮箱、阻流網(wǎng)和牽引繩組成。主鏈條為重型鏈條，以確保其具有一定的穩(wěn)定性，使防沖浮動壩結構在水下安裝后可以貼合岸堤，其下端連接截流石。浮箱設在水面用于托起阻流網(wǎng)，確保阻流網(wǎng)從水面向下延伸設置，形成對河道水流的有效阻擋屏障。浮箱的長度決定了阻流網(wǎng)從岸堤的邊沿伸入到河道內(nèi)的最大寬度，浮箱的浮力大小根據(jù)阻流網(wǎng)的下沉載荷進行設置；浮箱一端與主鏈條連接并可以沿主鏈條滑動。阻流網(wǎng)由水平尼龍阻流網(wǎng)和垂直阻流鏈條組成，垂直阻流鏈條的下部設置重錘，上部懸掛于浮箱上，以獲得良好的阻流形態(tài)，水平阻流網(wǎng)編織在垂直阻流鏈條上，以加強阻流效果。阻流網(wǎng)的一側(cè)與主鏈條連接，從而加強阻流網(wǎng)與岸堤的貼合作用。牽引繩共兩根，分別連接到浮箱兩端，通過調(diào)整兩根牽引繩的張緊程度，可調(diào)整岸堤防沖浮動壩的安裝角度。岸堤防沖浮動壩調(diào)整完成后，牽引繩的另一端采用壓重的方式固定在岸堤上。

岸堤防沖浮動壩可模塊化制作。發(fā)生岸堤局部坍塌時，可將多個防護單元沿河道依次布設，布設區(qū)域覆蓋岸堤局部坍塌區(qū)及其上下游緊鄰區(qū)域內(nèi)的岸堤，防護單元數(shù)量根據(jù)實際所需保護的岸堤具體長度確定，從而組成岸堤防沖系統(tǒng)。

岸堤防沖系統(tǒng)可以降低局部流速，防止高速水流繼續(xù)掏刷坍塌的岸堤。首個岸堤防沖浮動壩結構距局部坍塌區(qū)需具有足夠距離，通過多個防護單元層層阻流，以確保岸堤局部坍塌區(qū)的水流能得到有效減緩，進而確保對整個岸堤局部坍塌區(qū)都具有較好的防沖效果。

3.2岸堤坍塌應急防護裝置——“防”

岸堤坍塌應急防護裝置——“防”，是針對處于岸堤嚴重坍塌階段的應急防護所研制，其關鍵技術在于結構穩(wěn)定，能夠承受岸堤決口后的水壓力，可快速構建。

基于岸堤坍塌應急防護裝置共有的關鍵技術特征，本文提出了針對岸堤嚴重坍塌的應急防護裝置“自重擋水單元及岸堤潛在決口的自重擋水系統(tǒng)”。該防護裝置已獲得了技術發(fā)明專利授權［15］。

如圖5所示，自重擋水單元主要由擋水板框架、承壓底板框架、單元連接系和止水層組成。擋水板框架和承壓底板框架均采用格柵框架結構，其四周邊沿采用型鋼制作，二者聯(lián)合構成“L”形擋水結構。當“L”形擋水結構內(nèi)側(cè)有水壓時，借助水體自身水壓力作為擋水單元的穩(wěn)定力。單元連接系采用柔性鋼絲繩，其兩端與擋水板框架的上端邊沿和承壓底板框架的前端邊沿連接，以實現(xiàn)對拉作用，提高擋水板框架的抗傾倒能力。止水層采用涂膠帆布，鋪設于“L”形擋水結構內(nèi)側(cè)，止水層與“L”形擋水結構可通過系帶連接，方便安裝且能避免自由移動。為了提高自重擋水單元安裝后的穩(wěn)定性，承壓底板框架的正下方對應的土體應換填為細沙石透水層，以提高土體的透水性，進而降低土體中水對承壓底板框架的背壓作用，可提高自重擋水單元安裝穩(wěn)定性的同時改善止水層的止水效果。此外，為進一步改善止水層的止水效果，將承壓底板框架前端邊沿處的土體換填為黏土層，將止水層超前覆蓋在部分黏土層上，并將止水層前端邊沿埋入到黏土層內(nèi)。換填后的黏土層可降低自重擋水單元前的滲水，進而減少通過黏土層滲入到承壓底板框架正下方的滲水，改善止水效果的同時提高自重擋水單元的安裝穩(wěn)定性。

自重擋水單元可模塊化制作。發(fā)生岸堤嚴重坍塌時，在嚴重坍塌的岸堤背水面依次安裝多個自重擋水單元，由多個自重擋水單元在岸堤潛在決口背水側(cè)形成自重擋水系統(tǒng)，作為可能發(fā)生潰堤后的擋水結構，避免潰堤產(chǎn)生的災害。完整的自重擋水系統(tǒng)其構建過程如下：首先在岸堤潛在決口兩端的岸堤處分別設置一個與岸堤連接的端部土工圍堰，并預埋剛性連接框架；然后，安裝自重擋水單元，并相互連接，使之包圍整個岸堤潛在決口部位，形成臨時擋水墻。多個自重擋水單元的具體安裝方式為：對岸堤背水面進行簡單平整和細沙換填后，安裝自重擋水單元的擋水板框架、承壓底板框架和單元連接系，然后安裝止水層，止水層之間采用魔術貼連接方式快速安裝。由自重擋水單元構建自重擋水系統(tǒng)時，考慮到施工過程中擋水墻的走向可能需要彎曲轉(zhuǎn)向，在轉(zhuǎn)向部位的兩個自重擋水單元之間設置轉(zhuǎn)角擋水板框架，從而在兩個自重擋水單元的承壓底板框架之間形成三角形區(qū)域，該三角形區(qū)域需采用細沙石填平，增強透水效果。在轉(zhuǎn)角擋水板框架和對應的三角形區(qū)域內(nèi)側(cè)鋪設止水層，以此實現(xiàn)擋水墻的轉(zhuǎn)向。

3.3岸堤坍塌應急防護裝置——“堵”

岸堤坍塌應急防護裝置——“堵”，是針對岸堤已經(jīng)產(chǎn)生潰堤決口的應急封堵所研制，其主要思想是采用應急防洪裝置替代傳統(tǒng)拋填法進行決口封堵，避免進占式施工過程中因水流速度不斷增加而帶來施工難度逐步增加的問題。所提出的“岸堤決口封閉單元、封閉系統(tǒng)及封閉方法”已獲得了技術發(fā)明專利授權［16］。該裝置也可應用于工程圍堰的構建等其他施工場合。

如圖6所示，岸堤決口封閉單元主要結構由活動擋水板框架、承壓底板框架、4根立柱、鎖定裝置和止水裝置組成?；顒訐跛蹇蚣芎统袎旱装蹇蚣芫捎酶駯趴蚣芙Y構，表面焊接鋼面板，活動擋水板處于關閉擋水狀態(tài)時，二者聯(lián)合構成“L”形擋水結構。當“L”形擋水結構內(nèi)側(cè)有水壓時，借助水體自身水壓力作為擋水單元的穩(wěn)定力。在承壓底板框架的上游側(cè)底部設置有承插板，安裝岸堤決口封閉單元時插入到底部土體內(nèi)，以提高岸堤決口封閉單元的整體定位性，增強擋水穩(wěn)定性和止水效果。4根立柱為決口封閉單元的安裝立柱，在下游側(cè)的其中一根立柱上設置鉸鏈機構與活動擋水板相連，活動擋水板可以圍繞該立柱在小于90°范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動。鎖定裝置設置在有鉸鏈機構的立柱所對應的上游側(cè)立柱上，用于控制活動擋水板處于開啟狀態(tài)。止水裝置包括設置在活動擋板下游側(cè)兩邊的主止水裝置，以及設置在下游側(cè)兩根立柱旁邊的側(cè)止水裝置，主止水裝置采用P型橡膠水封，側(cè)止水裝置采用條形橡膠水封。

決口封閉單元可模塊化制作。發(fā)生岸堤決口時，采用由多個決口封閉單元和端部土工封閉單元組成的決口封閉系統(tǒng)，對決口進行快速封閉。具體施工程序是：首先將決口封閉單元的活動擋水板通過鎖定裝置鎖定，使活動擋水板處于開啟狀態(tài)。在決口上游側(cè)一定范圍內(nèi)，成弧線狀逐個吊裝多個決口封閉單元，弧線狀安裝可以調(diào)整每個決口封閉單元的角度，使每個決口封閉單元內(nèi)的水流流向盡量平行于鎖定中的活動擋板，此時由于活動擋板處于開啟狀態(tài)，決口處流速不會有太大變化。然后，在4根立柱上架設臨時通道，采用機械或者人工的方式錘擊上游側(cè)立柱，使設置在承壓底板框架上游側(cè)底部的承插板插入土體內(nèi)，此時作用在承壓底板框架上的向下水壓力也能輔助承插板的插入。待所有的決口封閉單元均吊裝完成后，在端部構建土工封閉單元，使決口封閉單元與岸堤連成一個整體。通過設置在4根立柱上的臨時通道，依次解除每個決口封閉單元的鎖定裝置，其活動擋水板在水壓力的作用下圍繞鉸鏈轉(zhuǎn)動而自動關閉，決口的水壓力能使活動擋水板緊貼下游側(cè)立柱并壓縮止水裝置，完成單個決口封閉單元的封堵。所有的決口封閉單元均關閉后，少量滲水不會影響后續(xù)對潰堤決口處岸堤的修復加固。

4結 語

本文根據(jù)岸堤的損壞程度將岸堤坍塌分為局部坍塌、嚴重坍塌和潰堤決口3個階段，對處于每個階段的岸堤坍塌應急防護提出了相應的防護措施和防護裝置，形成了一套面向岸堤坍塌全過程的“護-防-堵”應急防護體系，為岸堤坍塌的防護和決口封堵提供了全新的思路。所提出的應急防護體系不同于傳統(tǒng)的岸堤應急防護施工方法，即當岸堤坍塌尚未發(fā)生決口時，僅采用應急防護裝置對岸堤進行應急防護，不需要立即進行土建修復，待洪水退去后再行修復或加固，省時省力。對于岸堤決口的封堵，采用本文提出的決口封閉裝置，不僅能快速實現(xiàn)決口封堵，還能有效避免傳統(tǒng)進占式戧堤決口流速不斷增大，造成施工越來越困難的技術難題。

本文所提出的面向岸堤坍塌全過程的“護-防-堵”應急防護體系，有效減小了岸堤坍塌應急防護對于時間、場地、原材料等施工條件的依賴?；凇白o-防-堵”的岸堤坍塌全過程技術特征所研制的應急防護裝置，具有安全可靠、結構簡單、施工便利、模塊化制作和安裝、便于儲備等特點。通過對應急防護裝置進一步擴展和完善，可以作為抗洪搶險的儲備物資，具有較強的工程應用價值。

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（編輯：胡旭東）