应急科普丨解密“堤防杀手”——管涌暨其机理和常见处置原则

  水利天下微信公众号   2024-07-17 16:23:38

管涌,作为一种堤防隐患,其严重性不容忽视。管涌之所以被视为堤防的“杀手”,是因为其一旦发生,往往会对堤防造成迅速而严重的破坏,甚至导致决口等严重后果。什么是管涌?它为何是闻之色变的堤防杀手?管涌如何处置?本文拟结合实际案例,为您一一解密。 

引 言  

管涌,是一种土质堤坝最常见的险情。

在洞庭湖边,有人称之为“沙眼”。在鄱阳湖畔,它被形象地称为“泡泉”。

每到汛期,泡泉在鄱阳湖区频频出镜,谈之色变。

翻开地方水利志和有关文献,江湖圩区百姓简直是一部与管涌的斗争史。

20世纪90年代以来,洞庭湖区发生多处特大管涌险情。1996年长春垸、钱粮湖垸、共双茶垸,1998年南汉垸、安造垸,1999年民主垸,2014年善卷垸,2017年烂泥湖垸特大管涌险情,均严重威胁堤垸安全。其中,安造垸、钱粮湖垸、共双茶垸、民主垸溃堤,造成重大经济损失。

一、何为管涌

圩堤都修筑在河流中下游,或三角洲的河漫滩上。洪水期河流断面扩大,河漫滩洪水流速减小,挟带的细粒泥沙沉积并覆盖在河床上,形成下部为粗砂和砾石组成的河床沉积物,上部为细砂或粘土组成的河漫滩沉积物。这种下粗上细的沉积结构,称为“二元结构”。

圩堤修筑时就地取材,堤身由细砂或粘性土组成,简称“均质土堤”。当河湖的水位升高时,圩堤开始临水,水体慢慢洇渗进入堤身,在压力的作用下,整个渗入过程从高到低,一直持续到背水面的堤脚。

这个时候把堤坝垂直坝轴线横向切开,可以分成上干下湿两部分,干湿交替的分界线称为“浸润线”。

浸润线以下,土体被完全浸透,持水量已达到饱和,力学性质变差,浸泡软化、抗剪力下降,称为“完全饱和土体”。

浸润线以上为较干部分,含水量尚未达到饱和状态,称为“非饱和土体”,故浸润线越低堤防越安全。

浸润线的起点,是外河水位和圩堤的接触点,终点为背水面的堤脚附近,称为“出逸点”或出逸高程。

水从堤脚出逸点以下开始慢慢渗出,这种现象俗称“堤出汗”,学名“散浸”。散浸是非常普遍的堤防险情,河湖水位越高、出逸点越高,渗水量越大,土的力学性质越差,甚至造成淤泥“软脚”现象,对堤坝越危险。

由于堤防都修筑在二元结构上面,上层是细砂或粘土,下层是更粗的砂砾石层。当河湖水位继续上涨,堤内上下水位压力差继续加大,堤身或者堤基础内部的细颗粒砂土在水压的推动作用下,会顺着水流方向被移动、带走,形成管状通道。

从堤脚甚至更远的薄弱地段,如堤身、池塘、稻田、人工水井、腐殖土层、房前屋后,持续将含有泥砂的浑水涌出地面,出水时涌口上下翻滚并形成明显的砂环,这种现象就是管涌。

当其出口处于粘性土时,表象为土体局部表面隆起,浮动或大块土体移动流失,此时也称为流土。管涌的危害非常大,由于挟砂带土,管涌通道会越来越大。如果处置不及时,管涌发展非常迅速,当堤身或堤基大量砂土被带走后,形成空洞,堤坝会突然塌陷,甚至溃决。

▼ 管涌决堤实验

2024年华容县团洲垸管涌决口实例

2024年7月3日15时30分许,迎水侧岸边出现漩涡,表明管状通道已经形成。

堤防堤顶塌陷下挫1m有余。

表明已有大量堤身砂土被带走,形成空洞,造成坝体变形。

17时48分,紧急封堵失败后,随着砂土继续带走,堤垸溃决。

7月8日22时33分,决堤近77小时后,经过全力抢险,军民合力,团洲垸成功合龙。

1998年长江九江大堤决口实例

1998年,震惊全国的长江九江城防堤管涌,从发现到决口不到1小时。

决口过程:8月7日中午12时45分,该堤4~5号闸之间,内侧堤脚处发现小泡泉,13时出现3个泡泉喷水点并夹有泥块,高度达30cm。时隔半小时,出水点扩大,因大量堤身土体被带走,堤顶出现直径约2m的塌陷洞,十分钟后大堤决口,最终口门宽度扩大到50米。

经过数万军民五天五夜的英勇奋战,最终堵口成功。

二、上堵下排

管涌必须尽早发现,第一时间处置,把险情控制在萌芽阶段,这也是汛期要求人员拉网式巡堤的原因。

为了减少渗水量,堤防迎水面通常采用透水性差的粘土材料,为使渗水顺利排出,背水面坡脚采用透水性好的反滤材料,保护出口,也就是常说的“上堵下排”。

管涌发现以后,用得最多的处置措施是“反滤围井”。根据泡泉的大小,用不透水的粘土装袋围一井圈,称为“围井”。利用连通器原理,抬高井内水位,减小上下游水位差,这种方式称为“养水盆”。

同时,在围井内泡泉口依次铺填粒径由细到粗的粗砂、砾砂、卵砂。把渗水中的泥沙反向过滤,在铺填的砂石层中渗水自由流出。渗清水,是泡泉险情处置成功的金标志, 这种措施称为“反滤 ”。反滤也被广泛用于堤脚导渗沟出口保护。

根据险情的现状,反滤围井或大或小,有时甚至像“锤地鼠游戏”,处理好一个,边上又冒出一个,形成管涌群。这时,需要将围井尽量圈大。

反滤围井属于堤防管涌险情的应急抢险措施。为了减小或消除管涌隐患,在修筑堤防时,需要反复碾压土层,提高堤身的密实度,减小细颗粒在水压的作用下被带走,在迎水面铺筑不透水的粘土层,降低浸润线, 这种措施称为“粘土斜墙 ”。

沿堤轴线,选择适宜的施工方法,增加一层垂直防渗体,降低浸润线,提高堤身防渗性,统称“垂直防渗 ”。常用的方法有:垂直铺膜、 喷射注水泥浆、 射水成墙、 深层搅拌桩 等。这种措施施工方便,效果良好,大量用于堤防的除险加固。

由于很多堤防都是就地取材,使背水面堤脚不远处会形成大量因取土产生的沟塘,成为养殖鱼塘、藕塘或长满水草。高水位时极易成为土体的薄弱环节,产生管涌且巡查难度很大。常用的措施是:将河道里的砂质土利用机械方式吹填,填平沟塘,形成透水性好的“压浸平台 ”,保护浸润线出口,以上措施简称为“填塘压浸 ”。

三、洪水之眼

在江湖堤防的内侧,每当一场大洪水退去, 会留下各种各样的反滤围井沙袋圈, 这是人类和洪水奋战的记忆。

老水利人讲, 一个管涌就是一个惊心动魄的故事。新水利人说, 每个管涌围井, 都是一个值得学习的成功案例。

有的远在堤坝内侧的稻田里。

有的散落在池塘中。

有的在房前屋后。

有的紧靠堤脚。

有的三五成群。

有的体型庞大,土圈围上可站几十人。

有的被插上三角旗以示警。

有的气泡翻滚, 甚至一点就着, 被戏称为“火泡泉”。

有人称之为“ 大地溃疡 ”。

也有人称之为“洪水之眼 ”。

更有人称之为“堤坝杀手 ”。

管涌作为一类常见的堤防工程险情,各地圩区人民在实践中,积累了丰富的抢险经验。

本文仅对管涌机理和常见处置原则进行了简单介绍,在险情处置过程中,需要结合实际情况综合确定适合的措施。

责编:蒋茜

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来源:水利天下微信公众号

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