新版堤防除险加固技术进展.doc

堤防除险加固技术进展及应用

摘 要 本人通过总结在洞庭湖区数年的防汛抢险工作经验,对堤防除险加固已有的实用技术进行了初步汇总，并对其合用条件、效果、工程造价等进行介绍。全文重要介绍堤基管涌、堤身除险加固技术, 崩岸治理和护底技术，挖泥船吹填压浸固基技术，堤坡防护技术，隐患探测新技术，堤身填筑质量检测及水下测量新技术。
关键词 堤基管涌 堤身 除险加固 崩岸治理 护底 挖泥船 吹填压浸 堤坡防护 隐患探测 堤身填筑质量检测 水下测量 新技术
洞庭湖位于长江中游荆江南岸,湖泊总面积18780平方公里,其中在我省有15200平方公里。此外在我省境内的大堤总长5812公里，其中一线防洪大堤3471公里。洞庭湖区属长江和湘、资、沅、澧尾闾冲积平原，地势平坦，土壤肥沃，土地资源丰富耕地面积1000多万亩，是国家的以粮为主、多种农产品综合经营的商品生产基地，素有“湖广熟、天下足”之美称。
然而，因受气候和地形的影响，洞庭湖水灾频繁又成为全省特别是湖区人民的心腹之患，1998年的洪水更给湖南导致约422亿元的特大经济损失。解放以后，我省在中央政府的大力支持下投入巨资对洞庭湖及四水堤垸进行了重点整治。我公司作为水利厅直属的水利施工公司自五十年代至今一直从事洞庭湖区的防汛抢险和整治工作，积累了丰富的施工经验。下面我就在水利战线三十数年的工作经验就堤防除险加固技术及其应用进行总结，局限性之处敬请专家、同行批评、指正。
　　一、堤基管涌除险加固技术
根据我省1996年、1998年洪水期间洞庭湖区及四水干堤重大险情的记录资料，堤基管涌占险情总数的54.5%，居各种险情之首。历史上，湖区决堤，90%以上都是堤基管涌导致的。防洪抢险的实践表白，堤基管涌大都发生于双层地基，同时还往往发生于堤基的薄弱环节，如水塘、取土坑、水井及表层土相对较薄的地方。因此，堤基管涌除险加固一方面应采用填塘(坑)固堤措施，把大堤两侧的取土坑、塘等薄弱处填平，对反滤层不合规定的水井采用封井措施，这样花钱不多，但可以解决部分管涌问题。假如尚有管涌出现，则应进一步采用"前截、后压和导渗"的方法进行整治，"前截"涉及外滩铺盖、临水侧堤脚附近或堤顶垂直防渗措施。"后压"即背水侧做压盖，放缓堤坡也可归属此类。"导渗"则涉及减压沟、减压井等，导渗工程应离开背水堤脚一定距离，以保证堤防安全。
1、垂直防渗技术的合用条件及新技术
　　垂直防渗最适宜于透水层较薄的堤基，此时可以做成封闭式垂直防渗，基本截断了洪水期江、湖水对地下水的补给，堤基管涌可以得到彻底根治。但是，由于封闭式垂直防渗切断了江、湖水和地下水互相补给的途径，假如防渗线过长，是否会带来一定的负面效应，还应进行研究。
　　对透水层很厚、隔水层很深的双层堤基，采用封闭式垂直防渗施工难度大且造价太高，悬挂式防渗墙的防渗效果又很差．因此不宜采用。当堤基透水层内存在连续的浅层弱透水层时，可以考虑半封闭式垂直防渗，但必须在勘察资料充足且通过渗流计算具体论证和技术经济比较后方可实行，以免导致浪费。
　　随着垂直防渗技术的不断发展，其造价不断减少，已经由传统方法的每平方米600～800元减少到现在的每平方米170～250元，从而使垂直防渗用于堤基防渗成为也许。目前比较成熟且技术经济指标比较好的垂直防渗技术有：薄抓斗成槽造墙技术；射水法成槽造墒技术；锯槽成墙技术；液压开槽机成墙技术；振动沉模成墙技术；多头小直径深层搅拌桩截渗墙技术等。
　　2、"后压"方法的合用条件及施工新技术
"后压"的合用条件：当背水侧地形条件允许时，"后压"是一种非常好的方法，是长治久安的除险措施。它一方面可以避免在压盖范围内发生管涌，另一方面，即使在压盖范围以外出现管涌，也加大了管涌距堤脚的距离，从而减少了管涌的发展速度和管涌的危害限度。当按照规范计算出的压盖宽度很大时,可以考虑和减压井结合使用，以减小压盖宽度。应当指出，盖重的宽度除进行必要的计算外，应重视对历史险情的实地调查。盖重通常应不小于历史险情出现的范围，并应根据具体地形、地质条件和堤防的重要限度选用。一般至少为50m，但也不应超过200m。根据施工经验，控制宽度为200m，此宽度可控制历史管涌险情的90%以上，对临水侧有民垸的宽滩堤段，控制宽度为100m。
一般的盖重方法是采用挖泥船吹填施工解决，盖重所需的填料为河、湖中的粉细砂，这样既能有效地排出吹填施工时沉积在填料中的积水，又能在汛期高水位的情况下起导渗的作用，减少管涌等溃垸事故的发生。如长江干堤湖南段加固工程中，华容洪山头至君山段、城陵矶至黄盖湖段均采用该法施工解决，并取得了良好的效果。2023年5月底，我省望城县洋湖垸因新奥燃气公司穿河施工方法不妥，导致靳江河洋湖垸堤段出现重大管涌。我公司采用挖泥船施工，在管涌堤段吹填盖重“后压”施工，不到一个月的时间内就所有解决好该事故堤段，保证了靳江河洋湖垸堤段的安全度汛。
　　3、"导渗"工程的合用条件及新技术
受背水侧地形条件或建筑物等条件的制约，当不能采用垂直防渗或压盖措施时，可以采用减压井来解决堤基管涌问题。单从渗流计算结果看，减压井几乎合用于所有管涌堤基的除险。但是，工程实践表白，减压井的最大问题是淤堵，另一方面是排水带来一定限度的内涝。在竣工初期，减压井的运营效果一般都很好，但随着时间的推移，减压井的排水量往往逐渐减小，减压效果也越来越差。关于减压井的淤堵，研究表白涉及机械的、化学的甚至生物的，并与减压井过滤器的位置、结构、材料、地下水质以及运营方式等密切相关。目前有关单位正在进行长效减压井的研究工作，涉及人工合成材料井管、过滤器以及滤芯可更换式减压井结构等，有望取得较好的成果。
　　二、堤身除险加固新技术
　　除漫溢外，堤身险情重要有散浸、漏洞、跌窝、裂缝、脱坡等，堤身隐患是导致堤身险情的重要因素之一。堤身除险的传统方法重要有抽槽回填、锥探灌浆、帮坡和预浸水等方法，近年来在堤身除险加固中应用了垂直铺塑和劈裂灌浆等新型实用技术。
　　1、垂直铺塑技术
　　垂直铺塑是用土工防渗膜做为防渗材料的一种垂直防渗技术，涉及机械开槽、铺膜和沟槽回填三个工序。目前有刮板式、旋转式、往复式、高压水冲式等多种开槽铺塑机械，全套设备约20～60万元。该项技术对解决堤身散浸、集中渗流、堤脚附近的渗透破坏等效果显著。垂直铺塑工程造价约每平方米70元，且施工速度快，是一项值得推广的新技术。
　　2、劈裂灌浆技术
沿堤身轴线单排布孔，运用灌浆压力将堤身沿堤身走向劈开并灌浆，从而在堤身内形成一道厚度0.1～0.2m的连续防渗心墙，同时还具有压密堤身和充填洞穴的作用，可获得事半功倍的效果。该方法造价低廉，功效高，但应注意浆体材料及配比，以防浆体长期不能固化。此外，还应采用优化的灌浆工艺，保证灌浆效果。该方法比传统的锥探灌浆造价低、效果好。1988年，常德市鼎城区八官垸堤段的除险加固工程即是采用劈裂灌浆技术施工，并通过了多个洪水期的考验，没有发生险情。
三、崩岸治理和护底技术
　　崩岸重要受河势及堤基地质条件的影响，在凹岸迎流顶冲堤段，水流冲刷抗冲能力差的地层，如粉细砂层、细砂层、粉土层等，最终使堤岸失稳而崩塌。汛期因高水位浸泡、水位骤降和风浪的影响，崩岸更易发生。治理崩岸的重要措施有丁坝导流、退堤还滩、抛石护脚和其他(模袋混凝土、软体排等)平顺防护措施。丁坝是一种间断性的有重点的防护形式，具有调整水流的作用，但也会增长坝头附近河床冲刷的危险，甚至给对岸导致危害，应用时应充足论证并慎重采用。当堤外无滩或滩地狭窄、堤身受到崩岸威胁而保护堤岸又有困难时，可采用退堤还滩的办法，但不可避免地要丧失大片土地，应进行技术经济比较和全面论证后采用。崩岸防护技术重要有：
1、抛石护脚技术
抛石(也可用石笼)护脚是崩岸治理中采用最多的方法，效果明显。但抛石造价较高，且往往抛石时不设反滤垫层，致使抛石下部的地层仍然被水流冲刷，抛石下沉，一段时间后仍要再进行抛石防护。用天然砂石料做抛石的反滤垫层，难度大、造价高且易被水流带走，不大也许采用，随着土工布的推广应用，使水下铺设反滤垫层成为也许，假如抛石时可以铺设土工布反滤垫层，则抛石治理崩岸的效果将大大提高。但目前水下铺设土工布反滤垫层的机具和工艺尚不成熟，有待进一步进一步研究。该方法在2023年长江干堤（湖南岳阳云溪段）加固工程中得到了广泛的应用。
2、铰链混凝土块防护技术
　用钢铰链将混凝土预制块互相连接，形成柔性排体，既可抗冲，又可适应变形，从而达成防护的目的。
　3、土工模袋防护技术
土工模袋是由上下两层土工织物制成的大面积连续袋状材料，模袋内充填混凝土或水泥砂浆，充填料凝固后即形成防护体 模袋混凝土护坡。根据有无过滤排水点，模袋分为有过滤点模袋和无过滤点模袋。根据模袋之间的连接方式和成型后的形状，模袋又分为铰链型模袋和框格式模袋等。根据模袋的加工工艺和所用材料，模袋又分为机织模袋和简易模袋。土工模袋防护技术具有地形适应性强、整体性好、抗冲刷能力强和施工快捷、经久耐用、价格合理和可以水下施工等优点，防护效果较好。但目前存在的最大困难是水深流急情况下的施工问题，涉及施工机械、充灌及沉放工艺等，目前有关单位正在开展这方面的研究和试点工作。2023年，在长沙市捞刀河出口改道及五合垸综合整治吹填工程施工过程中，捞刀河新河及湘江东岸堤段水下部分就是运用模袋护坡，在较短的时间内以较快的速度赶在汛期到来前期完毕施工任务，为该工程新修堤段的安全度汛赢得了宝贵的时间。
4、土工织物软体排防护技术
土工织物软体排是以土工织物为基本材料做成大片排体形式的防冲防护结构，所用土工织物多为织造土工织物。目前所使用的软体排分两种：压载软体排和充砂管袋软体排。软体排防护效果突出，经济效益显著，是湖区治理工程技术的重大革新。
压载软体排：用土工织物缝接成大尺寸反滤排布，排布上加压重形成防冲防护结构。压重可采用块石、土枕、土袋、铁丝石笼、土工网格石笼、石笼网格充填土袋、联锁混凝土块等。这种排体是目前国内外应用最广的土工合成材料护底结构形式，比较合用于冰上或浅水沉排，水深流急情况下沉排施工困难。
　　充砂管袋软体排：充砂管袋软体排是以织造土工织物为基本材料制成管袋排体，管袋内充填砂土或水泥土形成大片防冲排体。目前国内重要有两种形式：一种是用两层织造土工织物按一定间距缝合形成互相成排的模袋，模袋预留灌砂口进行充灌；另一种是用织造土工织物缝制成长条形封底的管袋，再将管袋并排与大片织造土工织物连接一体，然后从袋口充灌砂土。充砂软体排制做简便，可实现机械化充砂，运用排体自重沉放，不需另加压载，并且可以用河砂充灌。若模袋内为砂土，一旦模袋破损则砂土就会流出，影响排体的稳定，为解决这一难题，可以充灌胶凝材料，如水泥土等。应用中充砂软体排碰到的最大难题是如何在水深流急情况下沉排，目前国内已有专门的水下沉排船，但设备及施工工艺尚需改善。
　 5、四周六边透水框架防护技术
四周六边透水框架是由水利部西北水利科学研究所开发的一种新型护岸技术，特点是可以缓流落淤、消能防冲，且适应地形的能力强，框架可以用钢筋混凝土杆或木(竹)杆制作，杆长1m，施工时最佳将3～4个成串抛投。
四、挖泥船吹填压浸固基技术
绞吸式挖泥船是对一定宽度、深度规定的挖槽内土方实行水下机械开挖，
水力输送转移。在开挖过程中，挖泥船一方面依靠绞刀和绞刀桥架的重量在水平面以下压于被开挖泥层表面，通过绞刀刀片和牙齿连续旋转切削，使上层分离并和挖槽内的清水混合。经吸泥口吸入泥泵后充足混合形成泥浆，泥浆排出泥泵后具有一定的压力和流速经排泥管线输送至吹填压浸固基区，泥沙排水固结即可达成填塘、淤背和压盖的效果。
机械吹填压浸固固基法是压盖施工的一种好方法，既加固了大堤，又对河道起到了一定的清淤作用，造价也相对较低，在有条件的地方应当大力进行推广。该方法早在86年就成功应用于我省东洞庭湖区采桑湖险工堤段处险加固。岳阳君山采桑湖大堤兴建于上世纪50年代末，因该河段系软土地基，修筑施工时地基解决施工技术不成熟，导致大堤建成后在汛期多次发生翻砂鼓水等现象。本地政府和水利部门虽在该堤段进行了抛石护坡、加宽堤基等多项处险加固措施，均未见成效。到八十年代该处险情更加明显，每逢汛期更是重点防护堤段。1987年8月，省水利厅经专家论证后调遣我公司“一0五号”绞吸式挖泥船对采桑湖堤段进行吹填压浸固基施工。我公司“一0五号”绞吸式挖泥船施工时先在险工堤段沿大堤轴线方向在堤内脚吹填一条宽约200米，长1000米，高出水面的大堤堤基对大堤进行固基解决，然后在已吹填好的堤基上吹填修筑大堤,并在大堤内侧修建两处平台进行压浸施工。本项目竣工时累计完毕吹填土方量120万立方米。此后，该堤段经受住了1996、1998、1999年等特大洪水的考验，再未发生过翻砂鼓水等现象。
近几年，吹填压浸固基施工技术得到了进一步更新改造，如省疏浚公司从荷兰引进的“海狸”型绞吸式挖泥船可以进行远距离(4000m)、高浓度、大流量输送，适应性更强。2023年我省启动洞庭湖区“两水夹堤”险工解决项目，均采用绞吸式挖泥船对望城县东福段及振湘段、华容县城安息耳堤段等十余处危险堤段进行吹填压浸施工。在经受住了两个洪水期的考验后，这些堤段均未再生管涌等险情。
五、堤坡防护技术
传统的堤坡防护技术重要有砌石护坡、混凝土预制块护坡等，近年来在堤坡防护中应用了模袋混凝土护坡、草皮护坡和土壤固化护坡等新技术。
1、模袋混凝土防护技术(参考前面介绍)
　2、土壤固化护坡技术
土壤固化护坡技术是运用土壤固化剂将堤坡表层土进行固化，从而达成抗冲、抗冻、防浪、防渗目的的一种护坡新技术。土壤固化剂以前多用于道路修筑，1999年初在湖南省资江大堤益阳小河口段护坡工程中进行了试用，取得的相应实验数据和施工工艺为土壤固化护坡技术提供了参考依据和经验。
　3、草皮护坡技术
　根系发达的草皮可以起到防浪和防水流冲刷的作用，兼有绿化、美化环境的效果，同时造价较低，是一种较好的护坡方法。近年使用土工织物草皮护坡，比单一草皮护坡具有更强的抗冲能力。草皮护坡一般多用于背水堤坡的防护，对不经常过水的季节性河流或临水坡前有较高、较宽滩地的一般性堤段也可以采用。
六、隐患探测新技术
　我省洞庭湖区及四水的干堤绝大部分是经历代加高培厚而成，堤基及填筑情况复杂，堤防隐患重要有生物洞穴，腐殖物，抢险物料(木桩、草袋等)，堤内暗沟、暗管、废井、坟墓等，堤身填筑隐患有冻土块、工段接头、新旧堤身接合面等。此外，堤基经受历次管涌破坏后，也许存在管涌洞或疏松条带，积累到一定限度后一旦再遭遇高洪水位则也许酿成更大的管涌险情，直至导致堤身塌陷而决口。堤防隐患是导致汛期重大险情的重要因素之一，假如可以事先探测出来并进行解决，则可以使险情大为减少，同时也使除险加固更有针对性。
　目前，在我国堤防工程中应用的隐患探测仪器重要有：时间域电磁法、自然电场法、电阻率法(高密度电法)、微波探测法(探地雷达)、放射性同位素示踪法和测温法等。这些方法各有特点，一种方法不也许对所有隐患类型都合用，不同方法联合使用可以取长补短，从而有望取得较好的效果。
七、堤身填筑质量检测新技术
堤身填筑质量重要以密度进行控制，传统方法是环刀取样测试，费时费力。中国水利水电科学研究院通过数年的研究，目前已研究开发出两种比较成熟的快速无损检测仪器，即YS-1型压实计和BZJ-3B表面波压实密度仪，建议进行推广应用。
　1、YS-1型压实计
　将压实计安装在振动碾上，可以对整个碾压面的压实质量进行全面实时控制。使用压实计可以保证施工质量，加快施工进度。该方法与挖坑取样法相结合，既可进行宏观的定性控制，又可做微观的定量控制，从而形成一套完整的碾压质量控制系统，实现对整个碾压工作面压实质量进行全面、实时控制和由人工质检到质检自动化的转变。该仪器合用于各种型号的自行式、牵引式和手扶式振动碾及不同级配的堆石体、砂砾料、填土和碾压混凝土等多种填料，其读数与填料的干密度、沉降率、孔隙率等工程参数之间存在着良好的相关关系。该仪器每台约2.5万元，使用方便，已在多个工程中得到应用，获得了令人满意的效果。
2、BZJ-3B表面波压实密度仪
该仪器可以对压实密度进行点式无损快速定量检测、比传统取样测试方法更合用于大面积压实质量控制，已在涉及堤防工程在内的30多个工程中得到成功应用。该仪器每台约5万元。
此外，核子密度仪也是检测土堤压实密度的一种成熟方法，它可以测出含水量，但是该仪器具有放射性。
八、水下测量新技术
　　应用超声波原理进行水下地形和地表层测量已成为当今世界上一项应用十分广泛和成熟的技术，在我国的海洋调查和海洋石油(气)开发、国防和港口建设方面已得到广泛应用。在堤防建设中，采用该项技术，可为堤防的设计、施工和除险加固工作提供可靠的科学数据。常用的有以下三种仪器：
1、水下扫描声纳
水下扫描声纳可直观地提供水下地形、地貌变化起伏的声像图，该常用来寻找水下物体，对于指导施工、堤防检查和目的寻找是十分有用的，但该种仪器不具有测深仪的测量精度。
　2、单波束或多波束水下测深仪
　　水下地形测量可采用单波束或多波束水下测深仪并配备有GPS或DGPS来进行（全球定位系统或差分式全球定位系统）。前者是进行单点测量，仪器装备简朴，价格便宜；后者为条带状的多点测量，一次测量可获得几十个至上百个测点的水深，又称全覆盖测量，这种仪器测量精度高，但装备复杂，还需配备运动传感器和方向矫正传感器，以修正测点的水深数据，价格也比较贵。我国水利部门目前重要是采用单波束测深仪进行水下地形测量，该仪器具有精度高、测量速度快等优点，可提供数字化地图，这对工程的设计和施工提供了极大的方便。
　3、浅地层剖面仪
　通过发射能量较大的超声波来测量水下地表层的组成结构。在堤防建设中可用来探测根石或基石的埋深，为河道的防护治理提供可靠参数。黄委设计院物探总局1997年引进的美国EdgeTech公司制造的X-STAR浅地层剖面仪，采用新一代的数字化信息解决技术（DSP），使得测量精度和速度大大提高。该仪器自引进以来，对黄河堤防上的几十处丁坝根石的埋深厚度进行了现场测量，涉及在较大含沙水流条件下的测量，取得了比较好的测试结果。
上述几种先进仪器在我国水利工程中的应用，为我国堤防工程的建设提高了技术保证水平和高科技含量。考虑到这几种仪器各自具有独特的功能和特点，品牌与型号也多种多样，在堤防建设和除险加固工作中，可根据实际工作的需要，选样适宜的仪器。
结束语
综上所述，堤防除险加固技术的方法较多，同时随着国内、外水利工程技术的不断进步，堤防除险工程应用的技术也在不断发展和创新，我们可以在已有技术的基础上充足吸取、借鉴同行业的新工艺、新技术，针对除险项目具体的工程地质条件、地形条件、土料来源以及资金贯彻等情况，进行综合考虑，采用单一措施或几种措施综合治理的方案对险工堤段加固解决。