關(guān)于堤防工程的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和超標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)用(一)

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堤防工程是防洪工程體系的重要組成部分。本文通過(guò)對(duì)長(zhǎng)江1998年防洪歷史片段的回顧提出一些值得思考的問(wèn)題。通過(guò)對(duì)堤防工程的功能作用、設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和超標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)用的討論,探討提出應(yīng)該開(kāi)展的研究工作,通過(guò)這些研究工作的開(kāi)展可以進(jìn)一步提高防洪工程體系建設(shè)和運(yùn)用的科學(xué)性、有效性和可靠性,對(duì)于充分發(fā)揮堤防工程對(duì)社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的作用具有重要意義。
    1. 1998年防洪片段回顧和引起的思考
    1998年我國(guó)長(zhǎng)江、松花江、嫩江流域都發(fā)生了大洪水,政府和廣大軍民經(jīng)過(guò)艱苦的奮戰(zhàn)限度地降低了洪災(zāi)損失,取得了防洪斗爭(zhēng)的重大勝利。長(zhǎng)江流域宜昌站形成了六次大的洪峰;由于上、下游洪水疊加,長(zhǎng)江流域的洪水過(guò)程顯示了水位上漲迅猛、水位高、高水位持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、洪峰流量大的特點(diǎn)[1].與1954年比較,湖北荊州地區(qū)的堤防工程經(jīng)受了更為嚴(yán)峻的考驗(yàn)。可以說(shuō)除了九江長(zhǎng)江干堤的潰口堵口外,1998年長(zhǎng)江流域防洪最為吃緊的戰(zhàn)場(chǎng)在湖北荊州地區(qū)。
    在沙市第四次洪峰和第六次洪峰到來(lái)之前,荊江分洪區(qū)都做了分洪準(zhǔn)備。經(jīng)過(guò)精心調(diào)度,沙市第四次洪峰以44.95m的水位與荊江分洪區(qū)的啟用水位(45m)擦肩而過(guò)。第六次洪峰更加兇險(xiǎn),沙市水位一度達(dá)到45.22m,超過(guò)了荊江分洪區(qū)的啟用水位?;仡櫟诹魏榉迩暗闹卮鬀Q策和當(dāng)時(shí)堤防工程的運(yùn)行情況,可以引出應(yīng)該關(guān)心的問(wèn)題。
    第六次洪峰來(lái)臨之前預(yù)計(jì)沙市的洪峰水位將超過(guò)45m.根據(jù)預(yù)定的方案,當(dāng)沙市水位達(dá)到45m,并預(yù)報(bào)將繼續(xù)上漲時(shí),為了保證荊江大堤、江漢平原和武漢市的安全,要啟用荊江分洪區(qū)分洪,但啟用荊江分洪區(qū)的最后決策必須由中央做出。8月16日,長(zhǎng)江防汛總指揮部向國(guó)家防總提出了書(shū)面意見(jiàn),其中技術(shù)上關(guān)鍵的兩條是:“荊江分洪區(qū)的運(yùn)用對(duì)緩解洪湖長(zhǎng)江干堤的緊張狀況有一定的作用,但是沒(méi)有決定性的作用,關(guān)鍵是加強(qiáng)對(duì)洪湖長(zhǎng)江干堤的防守,落實(shí)24小時(shí)不間斷的巡查,對(duì)查出的險(xiǎn)情應(yīng)立即采取科學(xué)的、高標(biāo)準(zhǔn)的排險(xiǎn)、搶險(xiǎn)措施”:“據(jù)當(dāng)前預(yù)報(bào)的水雨情,對(duì)荊江大堤的安全尚不存在不可克服的困難,但需堅(jiān)持嚴(yán)防死守?!?[1]在此意見(jiàn)基礎(chǔ)上,中央經(jīng)過(guò)綜合考慮后決定不運(yùn)用荊江分洪區(qū)。
    8月17日9時(shí),沙市達(dá)到45.22m的洪峰水位,比1954年水位高0.55m,比荊江分洪區(qū)啟用水位高0.22m.當(dāng)年的荊江大堤已經(jīng)基本建設(shè)達(dá)標(biāo),作為一級(jí)堤防,堤頂高程系按沙市設(shè)計(jì)水位45m加2m的安全超高設(shè)計(jì),荊江大堤沒(méi)有出現(xiàn)漫頂現(xiàn)象,其它險(xiǎn)情也不多見(jiàn)。
    8月20日20時(shí),洪湖市螺山站水位達(dá)到34.95m的峰值,超過(guò)1954年水位1.78m.當(dāng)年的洪湖長(zhǎng)江干堤遠(yuǎn)未實(shí)現(xiàn)達(dá)標(biāo)建設(shè)。作為長(zhǎng)江防總派出的專家,作者當(dāng)時(shí)在現(xiàn)場(chǎng)了解到,當(dāng)螺山站水位達(dá)到34.95m時(shí),全長(zhǎng)135km的洪湖長(zhǎng)江干堤有43km需要利用子堤擋水,為防止風(fēng)浪引起的漫頂,幾乎全線搶筑了子堤。22日18時(shí)左右狂風(fēng)暴雨掀起的風(fēng)浪在燕窩堤段漫過(guò)了子堤,所幸時(shí)間不長(zhǎng)。第六次洪峰來(lái)臨前已出現(xiàn)的重大堤身、堤基險(xiǎn)情就達(dá)22處之多。我們專家組每天在參加當(dāng)?shù)胤姥粗笓]部的防汛形勢(shì)和險(xiǎn)情協(xié)商會(huì)后都會(huì)根據(jù)需要去查看新、老險(xiǎn)情。即使沒(méi)有接到新的情況報(bào)告也會(huì)主動(dòng)到老險(xiǎn)情現(xiàn)場(chǎng)去察看和指導(dǎo)。但20日開(kāi)始,我們已經(jīng)無(wú)法做到主動(dòng)去關(guān)心老險(xiǎn)情了,把主要精力轉(zhuǎn)向全線檢查子堤高度、寬度、牢固程度和擋水情況這樣技術(shù)要求較低,平時(shí)不需要我們關(guān)心的事情上。至于堤身、堤基險(xiǎn)情,我們只在接到情況報(bào)告后才去。之所以做出這種轉(zhuǎn)變,是因?yàn)槭?、地、市各?jí)技術(shù)人員已經(jīng)盯在各個(gè)具體的險(xiǎn)點(diǎn)上無(wú)法脫身,全線子堤巡查的工作成了人員部署上的薄弱環(huán)節(jié),我們不得不彌補(bǔ)上去。情況表明,當(dāng)時(shí)洪湖長(zhǎng)江干堤的防洪已經(jīng)達(dá)到了極限狀態(tài)。
    荊南長(zhǎng)江干堤建設(shè)也嚴(yán)重滯后于規(guī)劃目標(biāo),搶筑的子堤綿延幾十公里長(zhǎng),石首市境內(nèi)的子堤的筑到了2m多高,堤身、堤基和穿堤涵閘的險(xiǎn)情也很多。
    經(jīng)過(guò)軍民的齊心協(xié)力,加上防洪工程的合理調(diào)度運(yùn)用,在沒(méi)有啟用荊江分洪區(qū)的情況下,荊州地區(qū)的長(zhǎng)江干堤以未達(dá)標(biāo)的面貌抵御了超標(biāo)準(zhǔn)的洪峰水位,這是一系列局部抗洪斗爭(zhēng)勝利的集成,是一次重大戰(zhàn)略決策的偉大勝利,也是一次堤防工程超標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)用的典型案例。
    經(jīng)歷這次防洪勝利后,至少有3個(gè)問(wèn)題值得研究:
     如何評(píng)價(jià)1998年荊州地區(qū)長(zhǎng)江干堤在超標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)用中經(jīng)歷的風(fēng)險(xiǎn)?
     如何評(píng)價(jià)堤防工程的擋水能力?
    如何確定以后的超標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)用方案?
    本文不可能一下子回答這三個(gè)問(wèn)題,但下面將就與之相關(guān)的幾個(gè)基本問(wèn)題進(jìn)行初步的討論。
    2. 堤防工程作用及其擋水能力的一般討論
    解決防洪問(wèn)題的根本途徑實(shí)際上只有兩條:提供足夠的蓄洪能力和保證適當(dāng)?shù)男购槟芰?。?duì)于一個(gè)(流域、河段或防洪體系)系統(tǒng)來(lái)說(shuō),在一個(gè)時(shí)間段內(nèi)可以建立如下關(guān)于洪水的等式:
    洪水總量F=蓄洪總量R+泄洪總量S (1)
    三個(gè)變量統(tǒng)一為體積量綱。洪水總量包括來(lái)自相鄰系統(tǒng)的洪水加上本系統(tǒng)產(chǎn)生的洪水;蓄洪總量是本系統(tǒng)內(nèi)新蓄存的洪水;泄洪總量是從本系統(tǒng)排泄出去的洪水。
    長(zhǎng)江流域的防洪工程體系包括堤防工程、水庫(kù)和蓄滯洪區(qū)。興修水庫(kù)是提高蓄洪能力的主動(dòng)行為。堤防工程對(duì)蓄洪能力的影響是兩方面的:將洪水限制在河道和漫灘范圍內(nèi),約束了洪水的泛濫空間,減少了蓄洪空間的平均寬度;同時(shí)由于堤防工程的存在又抬高了河道的蓄洪水位,在忽略河道沖淤變化的條件下,也就是增加了蓄洪的平均水深。所以堤防工程對(duì)蓄洪能力的影響是復(fù)雜的。蓄滯洪區(qū)往往利用的是堤防工程建設(shè)前的天然蓄洪空間,堤防工程建設(shè)后按一定的調(diào)度原則有條件地使用這部分蓄洪空間,所以蓄滯洪區(qū)的設(shè)置是增加了蓄洪能力的。
    單位長(zhǎng)度河段的蓄洪能力C可以簡(jiǎn)單地表示為
    C=W×D (2)
    W是河段蓄洪空間的平均寬度,當(dāng)兩岸都有堤防工程時(shí)就相當(dāng)于兩岸堤防的間距;D是河段蓄洪空間的平均水深,不考慮河道沖淤變化時(shí),它只隨蓄洪水位H的變化而變化。
    由(2)式可見(jiàn),合理地確定堤距對(duì)于保證河段的蓄洪能力是非常重要的;堤距不當(dāng)時(shí)就不得不提高蓄洪水位。為了簡(jiǎn)化起見(jiàn),也可慮到堤防工程已經(jīng)建成,堤距已經(jīng)確定,以下的討論不考慮河段蓄洪空間寬度的變化。
    以往的規(guī)劃、規(guī)范和設(shè)計(jì)文件都是通過(guò)設(shè)計(jì)洪水位確定堤防工程防洪目標(biāo)的。三峽工程的防洪調(diào)度方式也是通過(guò)控制泄洪流量達(dá)到關(guān)鍵水文站的水位控制目標(biāo)[3].所以設(shè)計(jì)水位被看作堤防工程的關(guān)鍵特征值。
    堤防工程的擋水能力可以理解為它能夠安全承受洪水的作用使其保護(hù)區(qū)免受洪水侵襲的能力。所謂安全承受洪水的作用,起碼的要求是不因洪水的作用而發(fā)生漫頂和潰堤。漫頂是由于堤頂高程不足引起的。合理確定堤防工程的設(shè)計(jì)水位和安全超高可以避免相應(yīng)洪水過(guò)程中出現(xiàn)漫頂現(xiàn)象。水庫(kù)和蓄滯洪區(qū)是通過(guò)控制泄洪和分洪流量來(lái)實(shí)現(xiàn)河道洪水水位控制目的的。只要水位流量關(guān)系準(zhǔn)確,根據(jù)降雨或洪水來(lái)量可以預(yù)報(bào)并通過(guò)調(diào)洪而避免漫頂現(xiàn)象。潰堤的發(fā)生則復(fù)雜得多,一般都有一個(gè)由險(xiǎn)情的發(fā)生、擴(kuò)展、直至堤身塌陷、潰決的演變過(guò)程。險(xiǎn)情的發(fā)生和擴(kuò)展與堤防工程自身?xiàng)l件(堤身結(jié)構(gòu)、材料特性,滲流控制措施,地基及內(nèi)、外灘地質(zhì)條件)有關(guān),也與本次洪水過(guò)程(包括洪水水位和洪峰形態(tài)),甚至與前次洪水過(guò)程或汛前水位過(guò)程有關(guān)。在堤防工程自身?xiàng)l件一定時(shí),其擋水能力不應(yīng)該只是體現(xiàn)在所能抵擋的洪峰水位,而應(yīng)該是體現(xiàn)為能夠安全經(jīng)歷的洪水過(guò)程。
    本文關(guān)于1998年防洪片段的回顧已經(jīng)表明湖北省荊州地區(qū)的堤防工程曾以未達(dá)標(biāo)的面貌經(jīng)歷了六次洪峰的考驗(yàn),抵御了超標(biāo)準(zhǔn)的洪峰水位,這些堤防工程當(dāng)時(shí)體現(xiàn)的擋水能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了為它們?cè)O(shè)定的防洪目標(biāo),不過(guò)這是以軍民“嚴(yán)防死守”,不斷加筑一段段子堤,搶護(hù)和日夜守護(hù)一處處險(xiǎn)情為代價(jià)的。
    所以堤防工程的擋水能力又是與防洪過(guò)程中的投入相對(duì)應(yīng)的。對(duì)于已建堤防,在防洪過(guò)程中要求其達(dá)到的擋水能力越強(qiáng),就必須投入越多。當(dāng)然其擋水能力是有極限的,而且要求越高,承擔(dān)的風(fēng)險(xiǎn)就越大。防洪實(shí)戰(zhàn)中,如何發(fā)揮堤防工程的擋水能力,必須結(jié)合整個(gè)防洪工程體系的聯(lián)合作用來(lái)考慮。正常情況下,應(yīng)以發(fā)揮與其設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)應(yīng)的擋水能力為限。