第五章 防汛抢险工程

　
　第一节 概 述

　　江河湖海堤防是目前防御洪水的主要工程措施之一。由于历史或其他原因，现在堤防的堤身和地基存在着各种不同的隐患。一旦汛期出现险情，就必须进行紧急抢险。其中抢险材料与抢险技术是两个重要环节。防汛抢险所面临的局面往往是险情迫在眉睫，因此要求所采用的材料质量轻，易于搬运，不易腐烂，而且施工简便，效果立竿见影。近年来发展起来的土工合成材料及其制品能更好地满足上述要求。

　　1991年，长江中下游、太湖流域发生了严重洪涝灾害(主要是涝灾)。在防汛抢险中使用物料方面和以往相比有一个很大的变化。安徽、江苏两省农民、市民白筹使用了6000多万条曾装过化肥的编织袋，用这些袋子装土配合非织造土工织物、织造土工织物、麻袋、草袋、木椿等抢筑了很多子堤，处理了溃口、漏洞、崩岸与内脱坡等险情，赢得了时间，减少了灾害造成的损失。土工合成材料在防汛抢险中的作用由此初露锋芒。

　　1998年，长江和嫩江、松花江发生特大洪水，水位之高、时间之长、范围之广是历史上罕见的。长江发生了继1954年以来又一次全流域大洪水，先后出现8次洪峰，高洪水位维持长达90余天，防洪形势十分严峻。在党中央、国务院、中央军委的直接领导和指挥下，取得了抗洪抢险的全面胜利。50年来建设的水利工程和防洪设施发挥了巨大的调洪作用，特别是土工合成材料在抗洪抢险中的突出作用，成为战胜这场洪水的重要因素之一，为人们所瞩目。

　　本章首先简要阐述堤防渗流与堤防安全的关系，论述抢险加固的基本原则，然后重点阐述土工合成材料如何在防汛抢险中实际应用，包括常见的一些险情以及应用的若干实例。但需要指出的是，防汛抢险是一项突击性的、因地制宜的应急任务，着眼于“抢”字，不象一般永久性或临时性工程那样，有充裕时间，可以按正常程序和预定计划进行试验、设计和施工。故以下所举实例往往难免资料欠完整，情况欠周详，但读者仍可从中领略其应用要旨，体会其优点，以参考借鉴，举一反三。

　　土工合成材料在防汛抢险中可单独使用，也可结合其他天然材料共同作用。在本章所列的实例中，许多是两者结合的。

第二节 渗流与堤防安全

　　　图5-l(a)是非汛期堤防内渗流的情况，此时堤后地表完全不受渗流影响。图5-1(b)、(c)是汛期江水位居高不下时，某些堤段的渗流场分布情况，从该等势线图(在一条等势线上，各点的测压水位在同一水平面上)可以看到，此时堤防背水侧从坡脚到堤后地表，均形成了渗流的出逸面。这种状态在汛期常常可以看到。汛期的外江水位是否会导致堤内渗水出逸，并是否因此会酿成大的险情，主要受几个关键因素控制：首先是堤身与地基的渗透性。它决定土体遇水后从非饱和状态到饱和状态发展的时间长短，以及堤段渗透水量的大小。在多层地基中，渗透系数越低的土层，对渗水的阻力越大，承受的水力比降越高。第二个关键因素是渗水出逸处土体承受的水力比降，称为出逸比降。在渗流作用下，土体的渗透变形都发生在有渗流出口的地方，然后才向内部扩展，所以作用在出口处的出逸比降非常关键，它影响到口部位的土体是否起动、变形。第三个关键因素是土体能够承受的不会发生渗透变形的最大水力比降，称为临界比降Jcr它被用来表示土体的抗渗强度。对不同的土质和不同的土体结构，其值是不同的。当堤防出口处的出逸比降值超过土体抗渗强度时，土体就会发生渗透变形。土的渗透变形的形式有多种，主要有二：一是流土，二是管涌。前者是出口处土体整体浮动的现象，后者则是土颗粒在土体内的移动。这两者的形式虽然有所不同，但其基本原因是近似的，都是渗流力超过土的浮容重引起的，习惯上均称为“管涌”。当J＜J_cr时，土体保持渗透稳定；当J≥J_cr时，土体从平衡临界状态到渗透变形或破坏。 J是土体实际承受的出逸比降，J_cr是出口处土体的临界比降。 J会随着时间和水位变化而变化。

　　出逸比降可用流网法或有限元法计算得到：

式中符号的含义可见图5-2，其中△Ln为两等势线间水流的平均流程。土体的允许比降可通过试验方法或经验公式得到。在实际工程中，土中的比降不允许采用达到极限平衡状态时的临界比降值，一般认为应给以1.5～3.0左右的安全系数，这样所得的值即为允许比降[J]。对于中小工程，无粘性土的抗渗指标可参照表5-1选取。

　　对于粘性土的抗渗强度，可按照扎马林公式求得：

　　式中：[J]为允许比降；Gs为土粒比重； n为孔隙率；k为安全系数。

　　联系到堤防工程，汛期江水位逐渐升高时，堤防土体内的饱和区域逐渐向非饱和区域发展，浸润面也逐渐升高、后移。当饱和区的发展快于江水由上升至回落的速度时，堤后就会形成出逸面，出逸比降也会随江水继续升高而逐渐增大。这时就出现了渗流作用(出逸比降)与土体抗渗能力(临界比降)之间的抗衡。一旦出逸比降接近和超过了土体临界比降，就会引发各种渗透破坏的征兆，如不及时处理就会酿成更大的险情。这就是汛期江水位越高，历时越长，险情就发生得越多、越重的渗流方面的原因。

　　了解了堤防渗流的原理和渗透破坏的控制性因素，有助于我们正确地处理渗透破坏险情。

　　二、汛期险情处理的一般原则

　　堤防汛期险情多种多样，它们因多种内外因素而异，如堤防断面、堤身填土类型及质量、地基土层结构及渗透性、堤防内外的水位条件等。但概括来说，这些险情大致可以分为两大类，即静力失稳和渗透破坏。这两方面是互有联系的，不能截然分开，而且对于静力失稳的破坏，有时也是因渗透破坏而引起的。在本节中，主要讨论与渗透破坏有关的问题。

　　在汛期，由于渗流运动直接或间接造成的堤防与地基的土体变形、破坏，主要有以下一些表现形式：

　　(1) 强透水砂层地基中的承压水顶穿表层弱透水粉质壤土层或淤泥土层，形成集中渗流造成局部流土。如不能及时止住，土的流失会继续向堤的内部发展成为连通的通道。当通道持续发展扩大时，堤防就会下沉、开裂，进而破坏。见图5-3(a)。

　　(5) 堤身或堤基含有贯穿上下游的通道，这些通道有可能是天然存在的强透水薄砂层，也可能是人为的，如堤后有打穿弱透水表层的水井，井周又缺乏适当的反滤层保护，或者穿堤涵管埋设质量差等，这些都易形成接触冲刷通道，危及堤防安全。图5-3(f)所示的二元结构地层，堤后粘性土层底板可能承受着高达全水头80％以上的渗流压力，如被打穿，是极其危险的。　

　　为了堤防的除险加固必须进行渗流控制，其措施主要是防渗和排渗，以及渗流出口处的反滤保护。这些措施就其原理来说，一是减小出逸比降，如上游防渗、下游排渗、延长渗径等措施，以及提高下游水位(养水盆)等。二是增大出口处土体抗渗能力(增大允许比降)，如下游加反滤层、加盖重等。总的就是“上堵下排”原则。图5-4为两种简化的堤坝模型计算结果。图(a)为均质土堤，其渗流量为Q_A，图(b)为同样的土堤加上“上堵下排”措施，其渗流量为Q_B。计算结果表明，Q_B＝0.4Q_A，“上堵”减少了渗透水量，并在上游侧大幅度降低了渗流压力；“下徘”则降低了出口附近的自由水面高度，降低了出逸比降。

　　应当再次强调，加强渗流出口处的保护在汛期具有特别的意义。保护出口处不遭渗流破坏，是保证堤防渗透稳定的主要途径。由于反滤层可以保护土颗粒不致从渗流出口流失，同时渗流一旦进入反滤，渗透压力将全部或大部分消失，所以反滤层成为防止土体渗透破坏的最有效的措施。另外，当堤后地面覆盖上反滤层后，它本身的重量也会使地层的抗浮能力增加，故堤防安全度也增加了。

　　关于土工织物的反滤层设计，可参看第二章。

　　在采用土工合成材料进行堤防除险加固时，同样应遵循“上堵下排”这一原则。对不同性质的土工合成材料，切不可误用，例如在上游侧堵漏或加筑外帮平台，或在堤顶修筑子堤时，应采用土工膜、复合膜或袋装弱透水土料(袋布本身也应该是不透水的)；当处理堤后散浸、管涌时、应采用透水的土工织物或袋装砂、石等透水性较强的材料(袋本身也应是透水的)。这些材料的尺寸、形状和透水特性，对于除险的成败关系重大，必须特别重视。另外，在抢险中还要注意使加固物料与原土面结合紧密，不要让两者的接触部位形成新的渗流通道或薄弱环节。