以柔性堤防对付洪水

在古代,不少堤防便屡修屡决口,今年夏季江西唱凯堤的倒塌提醒我们,当代的堤防建设应该要使用一些新的技术,而不能拿水流险恶来做挡箭牌,挡不住洪水不能怪洪水。

朱诗鳌,现任职于武汉水利电力大学水力发电工程系。长期从事水工建筑物、坝工技术史和土工合成材料应用的教学、科研与工程实践工作,著述有《坝工技术史》,合编合译有《中国水利史稿》、《水利史话》等。

从唱凯堤的溃决谈起

2010年6月21日晚,江西省第二大河抚河干流的唱凯堤突然溃决,肆虐的洪水使5个乡镇瞬间成为泽国,威胁着10多万群众的生命安全!值得庆幸的是,经过封堵抢险人员的奋战,唱凯堤决口终于在6月27日合龙。转移的受灾群众现在终于可以重返家园了。

中国人治水的实践无需多言,由来已久,堤防的历史可以追溯到大禹治水时期,甚至更早。到3千多年前的西周,堤防已具一定规模。直到今天,堤防仍然是我国水利工程中重点项目之一。

然而,堤防却又是一柄“双刃剑”,运用得好,会造福人类;运用得不好,一旦溃决,便会给人们的生命与财产带来巨大的损失。令人痛心的是,堤防溃决这个问题,从几千年前开始一直延续到今天,简直就像感冒对人们健康周而复始的威胁一样。比如唱凯堤在历史上就曾多次决口。为什么会造成这种“修堤―决口―再修堤―再决口”的轮回现象呢?这是因为 每次再修堤时仍然是按照已有的方法,将老堤再重建一次而已,下次洪水再来,当然可能再次决口。在生产力低下的古代,这样处理是可以理解的。然而今日有无可能建造一种一劳永逸的堤防呢?

堤防溃决的机理

堤防与水坝一样,属于挡水建筑物。堤防由堤身与堤基两部分组成。堤身主要是由砂石料建成的,堤基一般也是由砂石料组成的。砂石料是一种散粒体结构,即颗粒之间是松散的,没有联系力的。这种结构在受到剪切作用力(就像剪刀剪东西时的作用力)时,就容易产生破坏。如果砂石料抵抗这种剪切作用力的能力(即抗剪强度)不足时,堤身,甚至包括堤基就会产生坍滑失稳,最终酿成堤防溃决。

其次,上游面的水还要在这种散粒体结构内部从上游向下游流动(这种流动用肉眼是看不见的),即所谓渗透水流。在高水位情况下,堤内渗透水流的渗流速度会增大,也可能使砂石体产生破坏,即所谓渗透变形。最常见的渗透变形有管涌与流土两种形式。比如管涌(俗称“翻沙鼓水”),就是堤中的土颗粒随渗透水流从堤内不断被带出到堤外地面,从而在堤中形成贯穿的通道,最终也会酿成堤防溃决。

最后,还要指出的是,堤防与水坝不一样,水坝面临的水是不沿坝轴线方向流动的,而堤身和堤基还会遭受流速较大的河道水流冲刷的威胁。尤其是砂质堤基,极易被水流冲淘。这会使得堤身失去立足之地而失稳。

堤防质量不够引发决口

从媒体已经报道的唱凯堤决口的信息得知,唱凯堤决口的原因是:“决口处为迎流顶冲位置”;堤身堤基因“长时间高水位浸泡”而松软;“堤身堤基土质差”等。但这些都不能称之为唱凯堤决口的内因,这只能看成是一些客观条件,一些外因而已。

真正的原因是没有对土质差的唱凯堤堤身与堤基作认真而科学的处理,这才是内因!一座经过认真而科学处理的坚固堤防是不会畏惧迎流顶冲的,更谈不上长时间浸泡后就会溃决。

在我国古代堤防的建设上,曾创造过多种方法,如用柴排保护堤基等,在当时都起过积极的作用。但受时代的限制,这些方法都很原始,且为经验型的方法。现在,我们的堤防建设虽然已经完全进入到了由理论指导设计的阶段,虽然国标《堤防工程设计规范》也提倡采用新技术,但出于种种原因,一般的工程所使用的技术和使用的材料,还是沿袭老的传统。比如说到堤岸防护,通常都会首选浆砌块石墙式护岸等,其实这些方法存在很多弊端,既不经济也不耐久。

土工合成材料来了

实际上,我们有先进的土工合成材料护堤新技术。土工合成材料是由高分子聚合物制成的用于岩土工程的材料,自20世纪70年代以来,在国内外便广泛应用于水利、海港、公路、冶金等工程中。土工合成材料其实是一个总的名称,它包含多种具体的材料,如土工布、土工薄膜、土工格栅和三维植草网垫等。

土工布的作用是多方面的,可以用来建造加筋土、做软体沉排和反滤层等。而三维植草网垫的作用,是铺设在土质坡面上用以植草;草根穿过网垫深入土体之中,以其复杂的根系进一步增强土坡稳定。

笔者在1997年曾经在海南省万泉河采用过一种应用土工合成材料防护堤岸的方法。其基本的思路同样包括堤身与堤基两部分的防护。堤身部分是用无纺土工布建造加筋土和用三维植草网垫植草进行防护,而堤基部分采用有纺土工布软体沉排技术进行防护。

所谓加筋土,是在土体中铺设“筋材”(如土工布、土工格栅和镀锌金属条带等),以增强土体的强度和整体稳定性。实际上,“加筋土”是一个古老的概念。据说在3千多年前,巴比伦人就曾用土中加筋的技术修建过庙塔。我国的长城在某些部分就是用树枝、碎石与黏土混合建造的。但过去人们使用的筋材都是天然纤维如树枝芦苇,加筋效果不理想。只是到了现代,有了土工合成材料,加筋土理论与施工技术才达到现在的高水平。

万泉河堤防工程迄今已安全运行了13年之久,经受过流速达5m/s的激流冲击的考验。而且在“迎流顶冲”(即堤岸直接受到河水的正面冲击)堤段,也安然无恙。现在整个堤岸上生长出的草木郁郁葱葱,完全回归到了自然,这是以砌石体为代表的传统护堤技术无法相比的。

坚固的堤防以柔克刚

万泉河采用的这种堤防工程可谓固若金汤,不会溃决。但不是因为它真的像金属造的城墙那么刚强坚固,恰恰相反,是因为它具有柔性,才得以制服凶猛的洪流,可谓柔中现刚、以柔克刚。我们甚至可以称它为柔性堤防。

首先,无论是堤身还是堤基,都用土工布封闭起来了。土工布和土料都是柔性的(相对于砌石与混凝土等刚性体)。堤身段的加筋土是用无纺土工布一层一层把土料包起来的,不仅可以保护土料不被冲走,还能确保堤身的抗滑稳定性(但需经过精确设计)。此外,在坡面上利用三维植草网垫植的草也是柔性的,它有较强的吸收水流波能的作用,还美化了环境。堤基段的软体沉排则是用有纺土工布满铺在堤基表面(其上用块石等压住,以免漂浮),可确保堤基土料不被冲淘,堤身也无下顾之忧了。

此外,这种堤防还具有以下优越性:因为是柔性的,它能适应地基变形而不致裂坏;不仅不存在像浆砌石体那样有使用寿命问题,而且是越用越牢固。

值得一提的是,万泉河采用这种技术建造的堤防,与唱凯堤有一个有意思的对比:即两者的堤身与堤基都是砂性土,两者都处于迎流顶冲位置,然而两者的命运却截然相反。