关于堤防工程的设计标准和超标准运用（二）

3. 堤防工程设计标准的讨论
　　《堤防工程设计规范》[4]中关于堤防工程设计的规定是建立在防洪标准基础上的。根据防洪标准（洪水重现期）划分堤防工程的级别，根据堤防工程级别设定工程的安全加高值和稳定安全系数作为设计标准。
　　由于长江流域洪水的复杂性，很难对长江中下游制定出一般概念的某一重现期的整体防洪设计水位，长江流域规划和防洪规划对长江流域中下游堤防工程按1954年型洪水设定设计水位，作为其防洪标准。遇超标准洪水时按规划启用分蓄洪区。三峡工程投入运行后，根据当时剩余的防洪库容和下游区间河段（宜昌-枝城或宜昌-城陵矶）洪水确定其下泄流量，以实现补偿调度[3]，遇超标准洪水时仍然要启用分蓄洪区。总之，长江流域中下游堤防工程的防洪标准维持1954年型洪水对应的水位不变，只是三峡工程正常运行后会降低中下游堤防工程经历高洪水位和启用分蓄洪区的频率或减少分蓄洪量。
　　关于堤防工程设计标准，本文并不打算讨论安全加高值和各项安全系数。要指出的是，有关结构稳定的要求应该与其它（如管理、交通、环境）方面的要求区别开来，类似堤顶宽度、堤坡坡比、堤身材料和填筑密度等指标虽然对结构稳定有直接影响，但都只是从属指标，应该在设计过程中具体研究确定，而不应该在规范和规划文件中指定。至于为了绿化、观景和防汛交通等而对堤身结构设计参数（如堤顶宽度、堤坡坡比等）提出的要求则是另一回事，设计中可以结合工程结构安全的需要综合研究确定。
　　值得重点研究的是渗流控制设计标准。渗透变形和渗透破坏的概念是在室内实验中建立的。渗透变形的概念可以直接用到实际工程中，其判断依据是土体的结构被破坏或级配发生调整，使渗透系数发生了明显变化，工程中的直观现象就是与上游水位涨落相联系的冒浑水现象。渗透变形发生的机理有四种，但表现形式可以归为流土和管涌两类，防汛工作中大家统称为“管涌”。渗透破坏的发生是与室内试样的尺寸有关的，实际上是模型的破坏，也就是变形路径已经抵达供水的上游面，如果硬要与防汛现场建立联系，只能说相当于溃堤或溃坝。溃堤不一定是渗透变形的必然结果。许多文献[5][6][7][8][9][10]都报道了渗透变形扩展规律的研究工作，认识的共同趋向是渗透变形在有些条件下会休止，也就是存在“无害管涌”。进一步研究有害与无害管涌的形成条件，提出险情危害性的判定标准，以便完善渗流控制设计的标准，并用以指导防洪抢险工作，这是非常必要的。
　　《堤防工程设计规范》没有将堤防渗水（散浸）列为渗流控制的对象。但堤身大面散浸会降低土体的强度和堤坡的稳定性，也可能随着洪水位的变化在堤身薄弱处形成集中渗漏，并进而引起渗透变形，所以设计中对堤身大面散浸是应该重视的，具体控制标准值得进一步研究。至于高洪水位长期作用下在堤内地面和低洼地带出现的渗水应该是允许的，不必列为渗流控制目标，只要在防汛中适当观察巡视，防止由于偶然因素引起变形就可以了。
　　4. 堤防工程超标准运用的意义
　　长江在湖北荆州地区不仅是1998年经历了超标准的洪水水位，1996和1999年也在部分水文站出现了超标准的洪峰水位。尽管洪水流量均没有超过1954年，但水位却频繁超过了1954年的水位，其原因已有过许多分析[1][11] [12] .但不管是何种原因， 荆州地区长江干堤超设计水位运用的频率很高却是事实。这种频率在三峡工程竣工前不会显著降低。即使是三峡工程正式投入运行并扮演起防洪调控的重要角色，也只能 “使荆江地区的防洪标准达到100a一遇；遇1000a一遇或类似1870年特大洪水时，控制枝城流量不大于80，000m3/s，在已规划安排的分蓄洪区的配合运用下，保证荆江河段行洪安全，避免南北两岸干堤溃决发生毁灭性灾害，在保证上述目标达到的情况下，尽可能使城陵矶附近地区的分洪量有较大幅度的减少” [3].当三峡工程防洪调度执行对荆江补偿调度方式时，仅以控制沙市水位为目标，沙市以下河段出现超标准洪水的几率会比沙市以上河段高。
　　张人权等通过研究指出，“第四纪以来，洞庭-江汉平原构造沉降速率不断增大，现代构造沉降速率达到5~10mm/a.堤防顶面以及堤内地面正在持续不断地以每百年0.5~1m的速率下沉”[13]，其结果将迫使人类不断地加高堤防，否则其挡水能力实际上会降低，或者说会发生防洪标准与堤防实际能够达到的正常运用能力漂移的情况，实际超标准运用的机会会增加。
　　1998年长江中下游超高水位严重考验两岸堤防工程之时，政府都没能下定启用荆江分洪区的最后决心。避免分洪能带来的经济、社会、环境效应和政治影响是巨大的。1998年避免使用荆江分洪区远不仅是避免了150亿元的经济损失。随着分洪区经济的发展，政府下这种决心的难度会越来越大，对超标准运用堤防工程和水库的期望会越来越高。
　　1998年长江中下游堤防工程的达标情况差别很大，大多数工程的建设严重滞后。洪湖长江干堤因风浪而出现短时间的漫顶，说明当时堤防工程的挡水能力和防洪抢险的能力已经达到极限。随着这几年的大规模加固工程建设，长江干堤已经普遍达标，短时间接受超标准运用的潜力应该是有的。
　　但是， 堤防工程超标准运用必须有科学依据。设计标准下的运用是正常的，超标准运用是有风险的，研究工作越不足，风险就越大。风险来自两个方面：漫顶和溃堤。避免分洪区的使用不允许以干堤的漫顶或溃堤为代价。
　　对不同的河段要研究超标准洪水过程的特征和洪水过程的组合，以及相应的堤身堤基渗流场和安全稳定状态，评价各种险情发生灾变的可能性，研究险情处理方案和措施。
　　提高水文（包括洪水过程） 、气象（风浪）预报的精度，建立和完善工程安全监测与预警预报系统，做到洪水调度和防洪抢险工作的适时响应，无论对降低漫顶还是溃堤的风险来说都是重要的。合理进行堤顶结构设计，研究适合用于临时应急挡水（浪）的措施，有利于适时提高堤防工程的挡水能力，降低发生漫顶的风险。
　　5. 结论与建议
　　关于1998年防洪取得的胜利有许多东西值得深入研究，以便指导今天和未来的工作实践。本文只是就与堤防工程有关的几个问题进行了粗浅的讨论，概括起来有几点结论和建议：
　　1. 1998年荆州地区的部分堤防工程和防洪抢险能力达到了极限状态；
　　2. 堤防工程的设计标准，尤其是渗流控制设计标准还值得进一步研究完善；
　　3. 堤防工程的超标准运用不是偶然现象，而且至少在局部河段还会发生；
　　4. 考虑到洪水过程中超高水位的时间段有限，有条件地超标准运用堤防工程应该是允许的；
　　5. 超标准运用堤防工程会有一定的风险，科学研究和准备工作做得越充分，风险就越小，所以有必要投入一定的精力开展相应的科学研究工作。