扫码下载时刻APP
周永强 向新颜
洞庭湖是我国第二大淡水湖泊、长江最重要的调蓄湖泊和国家重要湿地，担负长江流域水安全、生态安全和国家粮食安全的重大责任。洞庭湖区现有堤垸226个，一线防洪大堤3471千米，其中重点垸11个，国家级蓄洪垸24个。
洞庭湖区堤防工程突出短板是砂石基础、软弱地基，基础渗流导致的渗透变形是汛期最为常见的险情，更是防汛的短板。高洪水位时，堤防基础渗透严重，常发生渗透破坏，引发管涌险情，防汛风险极大。据多年汛期险情分析，堤防基础险情（管涌险情）占险情总数量50%以上。
特大管涌险情一般由翻沙鼓水、管涌险情逐步发展而成，具有突发性，常规管涌险情的抢护方法很难处置特大型管涌险情。本文尝试以2017年7月烂泥湖垸羊角堤段特大管涌险情发展变化、应急处置为例，结合洞庭湖区曾发生的特大管涌应急抢护实际，开展技术探讨。
一、羊角堤段特大管涌险情及抢护
1、工程概况：烂泥湖垸是洞庭湖区11个重点垸之一，位于湘水与资水尾闾之间，地跨益阳、岳阳、长沙三市，分属益阳市的赫山区、岳阳市的湘阴县、长沙市的望城区和宁乡市共四个县（市、区）。赫山区管理堤防28.9公里。
险情点位于资江大堤16+520（赫山区桩号）处，堤顶高程为38.70米（吴淞高程，下同），堤面宽16米，外坡坡比为1:2.5，内坡坡比为1:3.0，垸内近堤脚地面高程约30.20米，据地质勘探资料，该堤段基础存在砂卵石透水层。
该堤段系人工逐年加修而，1994年冬进行了培修加固，形成原状堤防；1999年进行了填塘固基，吹填粉细沙厚度为1.3～2.0米，外坡为预制砼块护坡，2017年实施堤顶砼路面硬化。
2、险情描述及抢险过程
2017年6月下旬至7月上旬，受上游来水及湘江、洞庭湖高洪水位顶托，资江尾闾地区持续超保证水位，7月2日，小河口站水位达38.03米，为历史第二高洪水位（仅次于1996年7月水位）。
7月1日14时，羊角堤段压水井开始泛水带沙。镇防汛机构即派技术人员前往处置，18时许通过采取砂卵石反滤围井的办法进行处置。
2日10时，值守人员报告“管涌的溢水量有扩大迹象”，技术人员采取加大加高反滤围井的处置方法。
3日15时，现场值守技术人员报告“处险点溢水量加大”，技术人员前往处置，17时左右控制了险情。
22时20分，现场报告“管涌溢水量明显增大，且呈扩大趋势”，增派技术人员及抢险队员赶往现场处置。
22时30分，赫山区防指接到紧急报告后，紧急调运防汛物资，调派技术专家及民兵应急分队赶往现场处置。
22时40分，管涌溢水口直径扩大至2米左右，水柱约1.5米高，涌水流量达1.5立方米/秒，形成特大管涌，由于涌水流量过大，抛入管涌口的砂袋立刻被冲走，同时，险情急剧扩大。
23时55分，大堤呈马鞍形塌陷，鞍底从临河侧向背水侧呈倾斜状，临河侧堤肩从最初下沉0.2米逐渐扩大到0.7米，背水侧堤肩最大下沉1.5米，此时外河水位37.5米低于外河水位。堤身塌陷后，管涌处流量减小，现场技术人员采取导滤压浸方案处置。
4日0时20分，大米运达抢险现场，在塌陷堤段临河侧修筑子堤，同时组织人员用麻袋装砂卵石抛填管涌口，削减管涌水势。
4日0时40分，对塌陷堤段堤面进行粘土回填，在临水坡修筑防渗平台。至14时，在大堤临水侧修筑了一个宽度12米，长度为90米防渗平台。
4日1时15分，采用砂石自御船在塌陷堤段背水坡修筑支撑平台，至14时，形成了长度为70米、宽10米与堤面同高的透水戗台。
4日1时40分，抢险部队到达现场，以管涌溢出点为中心，抛投袋装砂卵石，同时，修筑小范围雍水围堰，提高水位。
4时左右，涌水量有所减小，采用2台装载机运砂卵石压浸，
至4日10时，完成了一个长70米、宽35米、面积2450平方米的压浸导滤平台，管涌险情基本得到控制。
3、抢险耗费。从3日22时20分，特大管涌形成，至4日10时，险情基本达到控制，历时12小时奋战，调用车、船及机械设备千余台，耗费砂卵石3.8万吨、块石200方、粘土1.8万方、大米120吨，参加抢险的人员有5300余人；抢险消耗资金近1000万元。
二、羊角堤段发生特大管涌原因分析
根据羊角管涌险情发展过程结合地质勘察及汛后除险加固施工情况分析，相关技术人员对管涌险情发生原因进行了系统分析。
1.堤基地质条件差。据地勘报告，该堤段为人工多次加高培厚而成；堤基属双层地基结构，从上向下依次为粉质粘土（层厚2米）、粘土（层厚5.6米）、粉细砂（层厚3.4米）和7-10米砂卵石层，基础表层土体力学性状较差；同时，砂卵石层透水性强，渗透系数2.1×10-2cm/s～2.9×10-3cm/s。2002年7月，该险情点上游约4.5公里处的小河口堤段曾发生特大管涌群；管涌险情为资江沿线大堤最常见险情。
2.人为因素影响。因河道采砂，河床下切，原有覆盖层破坏，
卵石层外露，河床、堤基下部砂卵石层直接连通至垸内相对不透水层下部，渗透水头增大。同时，湖区群众习惯采取压水井取水，造孔方式简单，长期使用后成为泛沙鼓水险情隐患点。羊角特大管涌险情处压水井距内堤脚27米，2012年至出险前一直在使用。
3.高洪水位影响。近20年来，资江羊角段未出现过38.00米左右高水位，特别是长时间维持在超保证水位1米以上。羊角段特大管涌险情的爆发点距大堤内堤脚较近，且覆盖层受到简易压水井的破坏，使覆盖层下的粉细沙随高压地下水潜移而涌出地表，酿成严重的管涌险情，由于大量粉细砂流失淘空堤基，最终导致大堤出现塌陷。
4.处置经验不足。羊角段险情从刚发现时的压水井泛沙鼓水到发展成特大管涌，经历了56小时，期间，险情多次出现反复，现场抢险人员凭经验进行处置。特别是防汛人员在7月1日，试图用机械拔出取水管，扰动了管道周边土体，助推了险情发展。
洞庭湖区堤防普遍存在上述类似地质基础，堤脚附近压水井亦很普遍。据湖南省水利水电勘测设计研究总院资料，湖区三级以上堤防中有599千米砂质基础严重堤段；“98洪水”后，主管部门多次强调对近堤脚200米范围内压水井进行封堵，但处置结果不彻底，高洪水位时存在较大风险。
三、特大管涌、应急抢护技术探讨
根据长春垸土地河（1996年7月）、民主垸中洲（1999年7月）、烂泥湖垸羊角（2017年7月）管涌险情发展及抢险过程，综合洞庭湖区曾经发生的其它特大型管涌特点及抢护方案，提出如下具有共性的观点。
1.特大管涌的判断标准
1）常规管涌险情可以通过砂石压浸，形成导滤体，阻止基础细小颗粒流出；而特大管涌形成后，砂石袋、甚至砂石麻袋也会被涌水冲走，在涌水口无法开展压浸处置。
2）涌水口径在0.3米、水柱高0.3米左右甚至更大，这种情形出现后，涌水口处已很难压浸处置，险情会进一步扩大。
3）涌水携带大量泥沙，泥沙含量在20%以上，流体呈黑墨色，偶有较大粒径砾石带出。
2.特大管涌的发展、变化过程
1）管涌溢出口上部逐步垮塌，并向近堤方向发展，涌水口径、涌水量进一步加大。
2）从大堤背水面堤脚开始，一直至堤顶，出现纵横交错、不规则的裂缝，缝宽3-5CM、可见深度1米左右。
3）特大管涌发生3小时左右，大堤发生马鞍状塌陷，从迎水面向内堤肩倾斜，最大塌陷深度约1.5米（内堤肩处），塌陷影响堤长40米左右，堤体结构松散。
4）堤体塌陷后，管涌溢出口水量聚减，3-5分钟后，出水量逐步增加，但较塌陷前小。
3.特大管涌抢护要点
1998年7月，抢护南汉垸西伏堤段特大管涌时，同时采取了修筑蓄水围堰、堤顶加高、外抛袋装大米等措施，后大堤塌陷，未发生漫溢、溃口；1999年7月，民主垸中洲堤段特大管涌发生后，因未修筑挡水子堤，塌陷后，外河水位高出塌陷鞍部，漫溢后溃口；2014年7月，鼎城区善卷垸特大管涌发生后，主要采取修筑围堰，蓄水反压，堤身未塌陷。
1）在管涌发生点垂直大堤位置上下各30米范围靠堤外肩堆填宽2-3米、高2米左右子堤，并逐步增加，防止堤身塌陷后漫溢；如地形条件有利、抢险力量及物料等能满足修筑围堰要求，应同时抢修围堰，降低内外水头差，缓解险情。
2）采用砂石料填筑内戗台，稳固堤身，同时，可使堤身渗水排出，兼导浸滤水作用。戗台顶部高程不低于外河水位，面宽3-5米，长60米。
3）堤身塌陷后的短时间内，管涌溢出点出水量顿减，应以涌水口为中心抢修砂石导滤体，并逐步扩大砂石滤体面积、增加厚度。
4）迎水面铺设土工膜等防水材料，并不断抛填土料，形成截渗戗台，减少堤身渗水量。
羊角堤段塌陷后，采用自卸船在大堤内侧形成了一道宽10米长70米的内戗台，砂石戗台发挥了及时排除堤身渗水，更为松散堤体提供支撑保护；在大堤临水侧修筑了一个宽度12米，长度为90米防渗平台，减少了堤身渗水；同时，修筑了小范围雍水围堰，抬高内水位0.3米左右。上述措施共同作用，控制了险情。
四、对特大管涌险情的思考
1.系统研究堤防管涌机理、根治技术措施
目前，洞庭湖区堤基防渗主要采取水泥土防渗墙、高压旋喷防渗墙及塑性混凝土防渗墙等技术，但防渗墙多为悬挂式，难以深入弱透水层，或因地质原因，防渗墙成墙效果差、技术指标达不到设计要求，很难满足基础防渗要求。建议有关科研机构，针对洞庭湖砂石基础特点，系统研究堤防管涌机理、经济实用的渗控技术，从根本上解决洞庭湖区砂石基础渗流问题，减少汛期风险，保障堤垸安全。
2.因地制宜，制定切实可行的防汛工作预案
防汛工作实行“网格化”管理，将特定防洪对象划分为若干个单元网格，对单元格内人员转移、材料设备进场线路实行精细管理；利用“风险图”对成灾顺序、范围、时间分析判断；可能发生的次生灾害分析、应对措施等，确保人员及物资调配、交通秩序、电力通信保障等有条不紊。
羊角特大管涌险情发生后，第一时间调运了附近“以船代仓”的砂石船舶，调集大量机械设备，保障了抢险的需要。建议防汛应急部门进一步完善重要抢险物资“以船代仓”“以车代仓”制度，防汛关键时刻，征集社会车辆、机械设备在预定区域待命，确保第一时间能够投入抢险现场。
3.强化管理，提高堤防抗风险能力
科学规划河道采砂区域，限定采砂方式，开展河道采砂对堤防风险评估，探讨采砂对堤防影响的补偿机制；从根本上解决沿堤线群众的饮用水问题，有效封堵堤脚200米范围内压水井，严格管控堤脚200米-1000米范围内压水井，降低管涌发生的物质条件。
（本文作者系湖南省洞庭湖水利事务中心、高级工程师 周永强；益阳市赫山区水利局副局长、工程师 向新颜）
