肖晨光，张 肖，孙玉明，曹秀清，蒋尚明

(1.安徽省(水利部淮河水利委员会)水利科学研究院，安徽 合肥 230088；2.安徽省水利厅，安徽 合肥 230022)

1 引言

为扩大汛期河道泄洪能力，解决河道防洪问题，在河道治理中常采取建设行洪区、蓄洪区、分洪河道、退堤、切滩、加高堤防等工程措施，这些措施都会涉及到大量堤防建设。以淮河为例，在淮河干流中游建有行洪区9处、蓄洪区6处、分洪河道2条，建有淮北大堤、行洪堤、蓄洪堤、城市防洪堤、一般保护堤等各类堤防。而在堤防上建设最多的水工建筑物就是穿堤涵闸，这些穿堤涵闸承担着泄水排涝、引水灌溉、挡水防洪等功能[1]。据安徽省水利厅的数据，安徽省淮河流域的各类堤防上，共有穿堤涵闸10 360座。大量的穿堤涵闸在汛期可能成为影响堤防防洪安全的重大隐患点，洪水期穿堤涵闸一旦溃损，将给堤防保护区的人民生命财产安全带来严重威胁[2-3]。

在我国的防汛抗洪实践中，时常会发生穿堤涵闸出险的问题。如：1996年安徽省东至县长江干堤杨墩排灌站穿堤涵闸出险，历经围堰垮塌、钢筋笼冲散等三次抢堵失败后终于成功控制了险情[4]。1999年南垸阁金口闸内的两处管道裂缝诱发了涌水险情，在采用集中抛投杀水势、修筑外平台堵漏洞、挖泥船吹填堵缝隙、内修减压井等措施后稳定了险情[5]。2006年龙海市南溪桥闸发生洪水漫闸险情，混凝土闸门等主体设施碳化严重且存在开裂、缺口、穿孔等现象[6]。2013年濮阳市清丰县的卫河志节闸因消力池设计不佳、混凝土与浆砌石连接段处的施工缺陷、长期冲刷导致的构件老化以及闸门操作不当等原因导致其原消力池及海漫均被冲毁，并形成了漏斗状的冲刷深坑[7]。在抢险相关报告中，有的对出险原因进行了分析，有的对抢险措施作了介绍，有的对水毁情况加以描述，也有的对运行操作不当进行了总结[8-11]。以往有关涵闸的研究，多涉及堤防、涵闸的稳定分析、渗漏量计算和防渗方案的比较等[12]，而针对穿堤涵闸闸门溃损案例的抢险方案缺少决策后评估的研究，也未见对抢险过程中的堵漏方案进行过力学分析。

2020年7月，安徽省淮河姜唐湖行洪区行洪堤上的戴家湖涵闸发生重大涵闸闸门溃损，抢险初期对水压力与水流冲力估计不足，抛投堵漏效果欠佳，方案几经调整，最终有效地控制住了险情，避免了重大损失。该险情处置案例被国家应急管理部列为2020年全国应急救援十大典型案例，也是当年唯一的水利工程抢险案例。本研究以戴家湖涵闸重大险情为例，回溯了涵闸闸门溃损过程及险情处置方案，进行了堵漏稳定条件分析和力学计算，并对涵闸闸门溃损抢险策略进行了讨论，旨在为今后涵闸抢险方案的合理制定与论证提供可借鉴的方法。

2 戴家湖涵闸出险过程及抢险方案

姜唐湖行洪区位于淮河干流左岸、正阳关至临淮岗洪水控制工程之间，面积119.2 km2，耕地9986 hm2，由姜唐湖进水闸与退水闸、沿淮南堤、北侧行洪堤及临淮岗洪水控制工程主坝段组成。

戴家湖涵闸位于颍上县境内姜唐湖行洪区北侧行洪堤上，是颍上县戴家湖村向姜唐湖行洪区排涝的排水涵闸。涵闸共2孔，孔口尺寸为2 m(宽)×2.2 m(高)，涵洞长55.2 m，涵洞底高程14.65 m，相应行洪堤堤顶高程28.2 m[9]。

2020年7月，受强降雨和上游来水影响，淮河干流安徽省淮南市以上发生超保证水位洪水[10]。7月20日，在运用了濛洼、南润段、邱家湖等行蓄洪区后，水位仍超保证水位的情况下，为有效降低淮河干流正阳关段水位，减轻防洪压力，安徽省防汛指挥部调度启用了姜唐湖行洪区行蓄洪。至7月26日上午9时，姜唐湖行洪区内水位达26.24 m，相应洪量7.7亿m3。

7月26日9时57分，大雨倾盆，随着一声巨响洪水从姜唐湖行洪区通过戴家湖涵闸大量涌入堤后垂岗圩内戴家湖村一侧，在堤后约40 m处形成直径约10 m的上翻紊流区，汛后检查发现，戴家湖涵闸西侧铸铁闸门断裂，被水流冲走。当时姜唐湖侧水位26.24 m，戴家湖侧水位18.5 m，闸门处水深约12 m，内外水头差约8 m，涵洞进水流量约40 m3/s。戴家湖涵闸在垂岗圩侧无反向进水消能设施[11]。

垂岗圩内平均地面高程约21.22 m，如果险情得不到及时控制造成堤防垮塌，姜唐湖行洪区的7.7亿m3洪水将灌入垂岗圩，严重威胁圩内2个乡镇8476人和1270 hm2农田安全，甚至可能波及到颍上县城安全，后果不堪设想。险情出现后当地政府立即组织转移安置垂岗圩内群众。同时采取三项工程措施，对溃损涵闸进行抢险，如图1所示。

(1)涵闸前抛投堵漏。戴家湖涵闸闸门险情发生后，现场立即组织在姜唐湖行洪区侧涵闸前进行抛投堵漏。前期抛投材料为填充块石的小型钢筋笼；后期抛投材料主要为装有沙石编织袋的大型钢丝网笼。抢险期间共抛投钢丝网笼约500套、钢筋笼92个、沙石料3000余吨。但抢险初期抛投堵漏效果欠佳，经过多轮抛投后，涵洞出水量偶有减小，但随着抛投停止又重新恢复。之后，在闸前放置用钢管制作的大于孔口的排架封堵。

(2)涵洞后构筑养水盆。在垂岗圩侧涵洞后构筑养水盆。利用行洪堤、西侧老堤和北侧东侧新筑围堤，形成养水盆，减少行洪堤内外水头差。现场采取插旗定线的方式对新围堤进行放样，用挖掘机和推土机进行施工。7月29日14时30分养水盆新筑围堤与行洪堤合龙蓄水。随着养水盆水位抬高，老堤背水侧出现管涌渗流；于是在管涌处又紧急构筑了老堤小型养水盆，控制住了渗流。由于含水量高、部分断面坡度较陡，新筑堤防出现纵向裂缝；又对新堤进行了迎水坡削坡减载和背水坡加建堤后平台等措施，随后养水盆围堤稳定。养水盆建成后顶口面积约2万m2，周长643 m，其中：姜唐湖行洪堤长177 m、西侧老堤长150 m、新筑围堤长316 m。

(3)涵闸前填筑黏土封堵平台。7月29日，为进一步封堵涵闸漏洞，防止后续可能再次出现新一轮的暴雨洪水，开始在姜唐湖行洪区侧涵闸前填筑黏土，以求彻底封堵溃损涵闸，阻断闸门漏水。填筑工作由自卸汽车运送黏土，沿行洪堤从涵闸两侧向闸前逐层推进，并用推土机和挖掘机平土整形。8月1日晨黏土封堵平台填筑完成，平台顺行洪堤方向长32 m，平台顶端距行洪堤29.6 m，平台底部水下前沿距行洪堤55 m，平台顶面高程26.10～25.96 m。

3 抛投堵漏材料力学分析

在戴家湖涵闸抢险初期，先是将块石装入钢筋笼在闸前抛投小型块石钢筋笼；后将沙、石混装入编织袋，将多个沙石编织袋放入钢丝网笼中，增加体积形成大型沙石钢丝网笼抛投。抛投堵漏是针对溃口抢险的经典措施。但在本次抢险过程中未能按预期控制漏水势头，在汛后对涵洞和闸门进行安全鉴定时，在清理抢险抛投物的过程中发现，抢险时抛下的近3000吨沙石料没有按设想驻留在涵洞内，大多被冲至堤后。说明初期投下的材料未在抢险过程中发挥应有堵漏作用。以下针对两种抛投方案进行力学分析[13]，以探寻初期堵漏失败的原因。

3.1 小型块石钢筋笼抛投材料受力分析抢险时，戴家湖涵闸行洪区侧闸前闸底板以上水深约12 m，洪水通过涵洞灌入垂岗圩，圩内低洼地被淹，垂岗圩侧闸底板以上水深约为4 m，涵闸内外水头差约为8 m。抢险初期，闸前采取抛投填满块石的小型钢筋笼堵漏，钢筋笼近似于边长为1 m的立方体，对其进行受力计算分析，如图2所示：

图2 戴家湖涵闸抢险小型块石钢筋笼抛投材料受力分析简图

堵漏石笼在竖直方向受石笼重力以及浮力作用，石笼向下的合力计算公式如下：

N=G-F浮=ρ石V石D石g-ρ水V石D石g

(1)

式中：N为石笼对涵洞底板的压力；G为石笼的重力；F浮为石笼的浮力；ρ石为石料的密度，根据测量取2.5×103kg/ m3(综合考虑钢筋笼的钢筋和钢筋笼内的石料密度)；V石为石笼的体积，取1 m3；D石为石笼中石块的密实度，即石块及钢筋的体积与石笼体积之比，根据测量，取0.75；ρ水为水的密度，取1×103kg/ m3；g为重力加速度，取9.8 m/s2。

由于上下游水头差导致涵洞内形成高速水流，为简化计算，设涵洞内的水流为均匀流，石笼仅底面接触涵洞，且单面垂直面向水流，则堵漏石笼在水平方向受到的水流冲击力可以由冲量公式推算[14]，即：

mv=F冲Δt

(2)

ρ水vΔtSv=F冲Δt

(3)

考虑石笼中存在孔隙渗流以及水力损失，则推算石笼所受的水流冲击力计算公式为：

F冲=φ1ρ水Sv2

(4)

式中：F冲为石笼受到的水流冲击力；m为冲击石笼的水体质量；v为水体流速，根据实测取9.09 m/s；Δt为水体冲击石笼的时间；S为石笼受水流冲击的面积，取1 m2；φ1为考虑石笼孔隙渗流以及水力损失的水压力折减系数，其与石笼密实度D石相关，取0.75；ρ水为水的密度，取1×103kg/m3。

考虑到涵洞底部平整光滑，没有凸起物阻拦、稳固石笼，石笼仅依靠其与涵洞底面的摩擦力对抗水流冲力[15]，摩擦力计算公式为：

f=μN

(5)

式中：f为涵洞底部对石笼的摩擦力；μ为接触面的摩擦系数；根据《港口及航道护岸工程设计与施工规范》取0.6；N为石笼对涵洞底板的压力。

则石笼所受的水平方向合力计算公式为：

F合=F冲-f

(6)

经计算，石笼所受水流冲击力为61.98 kN，摩擦力为5.73 kN，合力为56.25 kN，方向为顺水流方向，冲击力远超摩擦力。石笼无法在该水力条件下于涵洞内稳定，抛投的石笼进入涵洞内即会被高速水流冲走，无法产生预期的堵漏效果。

3.2 大型沙石钢丝网笼抛投材料受力分析经过一段时间的调度后，大型施工机械开始参与抢险，此时抛投材料调整为：编织袋内混装沙子、石子，将装有沙石的编织袋集中放在柔性钢丝网笼内，形成体积与涵洞口尺寸相当或略大于涵洞孔口的大型沙石钢丝网笼，用长臂挖掘机吊于闸前抛投。由于网笼由细钢丝网等柔性材料制成，成不规则形状，可以变形将涵洞填满。为方便计算，将其简化为一个长宽高为2.2 m×2 m×2.2 m的立方体沙石网笼，其受力简图如图3所示。

图3 戴家湖涵闸抢险沙石钢丝网笼抛投材料受力分析简图

此时，上下游水位基本未变，沙石网笼进入涵洞内相对密实，假设可将洞口完全封堵，则可以用水静力学理论对其进行受力分析，沙石网笼竖向受力由式(1)计算，其中D石取0.95。沙石网笼侧向水压力计算公式为：

F=φ2hbρ水g(h顶+h底)/2

(7)

式中：F为侧向水压力；φ2为考虑沙石网笼孔隙渗流的水压力折减系数，取0.90；h为沙石网笼高，取涵洞高2.2 m；b为沙石网笼宽，取涵洞宽2 m；h顶为沙石网笼顶部水深，左侧和右侧分别取1.8 m和9.8 m；h底为沙石网笼底部水深，左侧和右侧分别取4和12 m。由于沙石网笼使用软性材料制成，其中的沙石子会体现出与砂砾石相似特性，向两侧挤压涵洞壁，所以沙石网笼所受的摩擦力分为底面摩擦力和侧面摩擦力，其中沙石网笼的侧向压力参考静止土压力公式计算，计算公式如下：

f=μ(N+2E0)

(8)

E0=0.5γ浮h2lk0

(9)

γ浮=D石(ρ石-ρ水)g

(10)

式中：f为涵洞底部对沙石网笼的摩擦力；μ为接触面的摩擦系数，根据《港口及航道护岸工程设计与施工规范》取0.6；N为沙石网笼对涵洞底板的压力；E0为沙石网笼的侧向压力；γ浮为沙石网笼的浮重度；h为沙石网笼高，取涵洞高2.2 m；l为沙石网笼长，取2.2 m；k0为侧向压力系数，取0.40。

经计算，沙石网笼所受右侧水压力F1为423.01 kN，左侧水压力F2为112.54 kN，底面摩擦力为81.11 kN，侧面摩擦力35.69 kN，水平方向合力为193.67 kN，方向为图3中从右侧向左侧，受力面平均压强为44.02 kPa，沙石网笼仍无法在该水头条件下稳定，会被堤内外的高水头差推出涵洞，导致堵漏失败。

3.3 堵漏材料稳定条件分析经上述计算分析可以看出，抛投堵漏失败的原因主要是：行洪堤内外高水头差，以及其带来的涵洞内高速水流冲力，使得抛投材料难以稳固。

(1)小型块石钢筋笼抛投阶段稳定条件分析。在小型块石钢筋笼抛投阶段，建立流速与堵漏材料所受水平合力之间的相关关系可以发现，漏洞处流速越小石笼所受合力越小(如图4所示)。当流速为2.76 m/s时，石笼成合力为0的临界状态，小于等于该值时，石笼可以稳固在涵洞内，并随着投放量的增加逐渐封堵涵洞。而实际抢险中流速约为9.09 m/s，已远超稳定临界流速，这是块石钢筋笼堵漏失败的根本原因。

图4 小型块石钢筋笼抛投阶段流速与抛投材料所受合力关系

进一步研究发现，相同体积且底面为正方形的石笼，其迎水面面积越小、底宽与高度之比越大时，使其合力为零的临界流速越大，石笼的稳定性越高。如图5(a)—(c)所示，图中实线箭头为水流方向，S面为迎水面，当迎水面积为0.75 m2时，其稳定临界流速为3.19 m/s，当迎水面积为0.50 m2时，其稳定临界流速为3.91 m/s，(如图4所示)相较实际抛投石笼的1 m2时，分别提高了15.47%和41.43%。

图5 不同抛投材料形态

所以针对涵闸闸门溃损的块石钢筋笼抛投抢险，抛投石笼可以采用矮粗型，以增强其抛堵后的稳定性，增大堵漏成功率。在实际操作中矮粗型石笼在复杂水力条件下，可能会形成“站立”姿态，但随着石笼触底，摩擦力和水流冲力形成的力矩会使矮粗石笼形成稳定“卧位”(如图5(d)所示)。最终在多轮石笼投掷后在涵洞内形成一个整体的类长条形石笼阵，堵住洞口(如图5(e)所示)。

需要注意的是，该方式也要在石笼的稳定临界流速范围内实施，才能起到堵漏效果。且需考虑石笼过于扁平带来的较大石料难以装填问题，以及紊流扬起石笼的可能。

(2)大型沙石钢丝网笼抛投阶段稳定条件分析。在大型沙石钢丝网笼抛投阶段，建立流速与堵漏材料所受水平合力之间的相关关系可以发现，堤内外水头差越小沙石网笼所受合力越小。当水头差小于等于3.01 m时，石网笼的合力为0，可以稳固在涵洞内，起到封堵效果。实际抛投时水头差已经达到8 m，远超稳定临界水头，导致堵漏失败。(如图6所示)

图6 大型沙石钢丝网笼抛投阶段堤内外水头差与抛投材料所受合力关系

4 涵闸闸门溃损抢险策略与讨论

4.1 闸门溃损堵漏抢险策略通过抛投堵漏力学分析可以发现，在高水头差的涵闸溃损抢险中，由于溃口流速大且涵洞内壁光滑，抛投材料仅依靠摩擦力在涵洞内驻留较为困难。在具备条件时，可尽量选用大于溃口尺寸的刚性封堵物进行封堵，利用溃口四周的混凝土结构提供支持力维持封堵物稳定。具体可以采用由钢管焊接、填充石块的大型刚性石笼；或大于溃口尺寸的钢板封堵，并填充使之密闭。

但实际情况中，往往由于险情发生突然、天气恶劣、出险地交通不便、大型施工机械缺乏、防汛物资可选择性不多等原因，难以及时制作、抛投大体积封堵物。此时可观测溃口内外水头差及溃口流速，当水头、流速不大时，可制作矮粗型封堵物抛投封堵，且要提高抛投强度，利用连续高强度抛投，使多个石笼在涵洞底部快速形成一层扁平型石笼阵，在迎水面积和水流冲击力增加较少的情况下，作为一个整体成倍增大摩擦力和稳定性(如图5(e)中虚线所示)。并可通过继续抛投逐层封堵涵洞。

当溃口内外水头差很高、水流流速很大，且没有条件采用大型封堵物封堵时，可在溃口下游构筑“养水盆”以减小溃口内外水头差，待达到稳定临界水头和流速以内时再展开封堵[16]。

4.2 大型养水盆建造养水盆又称减压围井，是在堤防背河侧抢堵管涌和漏洞的一种有效的方法。多年来，在堤防抢险中，养水盆技术的应用较为广泛。通常情况下，在处理局部管涌或渗透量小的险情时，养水盆的尺寸无需太大，只要能在洞口内外建立连通，并保证围井稳固即可。如2003年汛期淮河李咀孜涵闸堤段采用了周长为 140 m 的养水盆，保住了淮河大堤黑李下段的安全。河南焦作武陟河务一局研制的装配式橡塑养水盆，采用玻璃钢圆桶制成，直径仅为1.5 m[16]。

而在戴家湖涵闸抢险过程中，由于堤内外水头差过大，洞口出水流量达到40 m3/s；必须在离涵闸水流出口更远处才具备养水盆施工条件；因此养水盆的建造规模更大，周长达到了643 m，顶口面积约2万m2。在施工过程中，充分利用了堤后的地形情况，以老堤和涵闸所在行洪堤作为养水盆的两条边。新建围堤连接新、老堤，且建在地面高程较高处，其长度为316 m，仅占养水盆总周长的49.1%。节省了建造时间和成本，取得了良好的效果，大大减小了堤内外水头差，为洞口的黏土封堵提供了有利条件。在今后的类似抢险中，也应根据出险处周围地形条件，因地制宜地建造养水盆。

5 结论

(1)本研究以2020年淮河姜唐湖行洪区戴家湖涵闸闸门溃损重大险情为例，回溯了涵闸闸门溃损过程及抛投堵漏、构筑养水盆、填筑黏土封堵平台等险情处置方案。并对抛投堵漏材料进行了水下力学分析。发现在抛投小型块石钢筋笼时，抛堵物受水流冲力过大，导致无法稳定；计算临界稳定流速为2.76 m/s；矮粗型石笼的稳定流速更大。在抛投大型沙石钢丝网笼时，抛堵物受堤内水压过大，同样无法稳定；计算临界稳定水头差为3.01 m。

(2)本研究对涵闸闸门溃损抢险策略进行了分析，提出了在堵漏抢险时，应尽量减小内外水位差，降低涵洞内水流流速；采用大于孔口尺寸的封堵支撑材料；大型养水盆建造要根据周围情况，充分利用地形条件。