关于堤防工程的设计标准和超标准运用（一）

　　堤防工程是防洪工程体系的重要组成部分。本文通过对长江1998年防洪历史片段的回顾提出一些值得思考的问题。通过对堤防工程的功能作用、设计标准和超标准运用的讨论，探讨提出应该开展的研究工作，通过这些研究工作的开展可以进一步提高防洪工程体系建设和运用的科学性、有效性和可靠性，对于充分发挥堤防工程对社会、经济、环境可持续发展的作用具有重要意义。
　　1. 1998年防洪片段回顾和引起的思考
　　1998年我国长江、松花江、嫩江流域都发生了大洪水，政府和广大军民经过艰苦的奋战最大限度地降低了洪灾损失，取得了防洪斗争的重大胜利。长江流域宜昌站形成了六次大的洪峰；由于上、下游洪水叠加，长江流域的洪水过程显示了水位上涨迅猛、水位高、高水位持续时间长、洪峰流量大的特点[1].与1954年比较，湖北荆州地区的堤防工程经受了更为严峻的考验。可以说除了九江长江干堤的溃口堵口外，1998年长江流域防洪最为吃紧的战场在湖北荆州地区。
　　在沙市第四次洪峰和第六次洪峰到来之前，荆江分洪区都做了分洪准备。经过精心调度，沙市第四次洪峰以44.95m的水位与荆江分洪区的启用水位（45m）擦肩而过。第六次洪峰更加凶险，沙市水位一度达到45.22m，超过了荆江分洪区的启用水位。回顾第六次洪峰前的重大决策和当时堤防工程的运行情况，可以引出应该关心的问题。
　　第六次洪峰来临之前预计沙市的洪峰水位将超过45m.根据预定的方案，当沙市水位达到45m，并预报将继续上涨时，为了保证荆江大堤、江汉平原和武汉市的安全，要启用荆江分洪区分洪，但启用荆江分洪区的最后决策必须由中央做出。8月16日，长江防汛总指挥部向国家防总提出了书面意见，其中技术上关键的两条是：“荆江分洪区的运用对缓解洪湖长江干堤的紧张状况有一定的作用，但是没有决定性的作用，关键是加强对洪湖长江干堤的防守，落实24小时不间断的巡查，对查出的险情应立即采取科学的、高标准的排险、抢险措施”：“据当前预报的水雨情，对荆江大堤的安全尚不存在不可克服的困难，但需坚持严防死守。” [1]在此意见基础上，中央经过综合考虑后决定不运用荆江分洪区。
　　8月17日9时，沙市达到45.22m的洪峰水位，比1954年最高水位高0.55m，比荆江分洪区启用水位高0.22m.当年的荆江大堤已经基本建设达标，作为一级堤防，堤顶高程系按沙市设计水位45m加2m的安全超高设计，荆江大堤没有出现漫顶现象，其它险情也不多见。
　　8月20日20时，洪湖市螺山站水位达到34.95m的峰值，超过1954年最高水位1.78m.当年的洪湖长江干堤远未实现达标建设。作为长江防总派出的专家，作者当时在现场了解到，当螺山站水位达到34.95m时，全长135km的洪湖长江干堤有43km需要利用子堤挡水，为防止风浪引起的漫顶，几乎全线抢筑了子堤。22日18时左右狂风暴雨掀起的风浪在燕窝堤段漫过了子堤，所幸时间不长。第六次洪峰来临前已出现的重大堤身、堤基险情就达22处之多。我们专家组每天在参加当地防汛指挥部的防汛形势和险情协商会后都会根据需要去查看新、老险情。即使没有接到新的情况报告也会主动到老险情现场去察看和指导。但20日开始，我们已经无法做到主动去关心老险情了，把主要精力转向全线检查子堤高度、宽度、牢固程度和挡水情况这样技术要求较低，平时不需要我们关心的事情上。至于堤身、堤基险情，我们只在接到情况报告后才去。之所以做出这种转变，是因为省、地、市各级技术人员已经盯在各个具体的险点上无法脱身，全线子堤巡查的工作成了人员部署上的薄弱环节，我们不得不弥补上去。情况表明，当时洪湖长江干堤的防洪已经达到了极限状态。
　　荆南长江干堤建设也严重滞后于规划目标，抢筑的子堤绵延几十公里长，石首市境内的子堤最高的筑到了2m多高，堤身、堤基和穿堤涵闸的险情也很多。
　　经过军民的齐心协力，加上防洪工程的合理调度运用，在没有启用荆江分洪区的情况下，荆州地区的长江干堤以未达标的面貌抵御了超标准的洪峰水位，这是一系列局部抗洪斗争胜利的集成，是一次重大战略决策的伟大胜利，也是一次堤防工程超标准运用的典型案例。
　　经历这次防洪胜利后，至少有3个问题值得研究：
　　 如何评价1998年荆州地区长江干堤在超标准运用中经历的风险？
　　 如何评价堤防工程的挡水能力？
　　如何确定以后的超标准运用方案？
　　本文不可能一下子回答这三个问题，但下面将就与之相关的几个基本问题进行初步的讨论。
　　2. 堤防工程作用及其挡水能力的一般讨论
　　解决防洪问题的根本途径实际上只有两条：提供足够的蓄洪能力和保证适当的泄洪能力。对于一个（流域、河段或防洪体系）系统来说，在一个时间段内可以建立如下关于洪水的等式：
　　洪水总量F=蓄洪总量R+泄洪总量S （1）
　　三个变量统一为体积量纲。洪水总量包括来自相邻系统的洪水加上本系统产生的洪水；蓄洪总量是本系统内新蓄存的洪水；泄洪总量是从本系统排泄出去的洪水。
　　长江流域的防洪工程体系包括堤防工程、水库和蓄滞洪区。兴修水库是提高蓄洪能力的主动行为。堤防工程对蓄洪能力的影响是两方面的：将洪水限制在河道和漫滩范围内，约束了洪水的泛滥空间，减少了蓄洪空间的平均宽度；同时由于堤防工程的存在又抬高了河道的蓄洪水位，在忽略河道冲淤变化的条件下，也就是增加了蓄洪的平均水深。所以堤防工程对蓄洪能力的影响是复杂的。蓄滞洪区往往利用的是堤防工程建设前的天然蓄洪空间，堤防工程建设后按一定的调度原则有条件地使用这部分蓄洪空间，所以蓄滞洪区的设置是增加了蓄洪能力的。
　　单位长度河段的蓄洪能力C可以简单地表示为
　　C=W×D （2）
　　W是河段蓄洪空间的平均宽度，当两岸都有堤防工程时就相当于两岸堤防的间距；D是河段蓄洪空间的平均水深，不考虑河道冲淤变化时，它只随蓄洪水位H的变化而变化。
　　由（2）式可见，合理地确定堤距对于保证河段的蓄洪能力是非常重要的；堤距不当时就不得不提高蓄洪水位。为了简化起见，也可虑到堤防工程已经建成，堤距已经确定，以下的讨论不考虑河段蓄洪空间宽度的变化。
　　以往的规划、规范和设计文件都是通过设计洪水位确定堤防工程防洪目标的。三峡工程的防洪调度方式也是通过控制泄洪流量达到关键水文站的水位控制目标[3].所以设计水位被看作堤防工程的关键特征值。
　　堤防工程的挡水能力可以理解为它能够安全承受洪水的作用使其保护区免受洪水侵袭的能力。所谓安全承受洪水的作用，起码的要求是不因洪水的作用而发生漫顶和溃堤。漫顶是由于堤顶高程不足引起的。合理确定堤防工程的设计水位和安全超高可以避免相应洪水过程中出现漫顶现象。水库和蓄滞洪区是通过控制泄洪和分洪流量来实现河道洪水水位控制目的的。只要水位流量关系准确，根据降雨或洪水来量可以预报并通过调洪而避免漫顶现象。溃堤的发生则复杂得多，一般都有一个由险情的发生、扩展、直至堤身塌陷、溃决的演变过程。险情的发生和扩展与堤防工程自身条件（堤身结构、材料特性，渗流控制措施，地基及内、外滩地质条件）有关，也与本次洪水过程（包括洪水水位和洪峰形态），甚至与前次洪水过程或汛前水位过程有关。在堤防工程自身条件一定时，其挡水能力不应该只是体现在所能抵挡的洪峰最高水位，而应该是体现为能够安全经历的洪水过程。
　　本文关于1998年防洪片段的回顾已经表明湖北省荆州地区的堤防工程曾以未达标的面貌经历了六次洪峰的考验，抵御了超标准的洪峰水位，这些堤防工程当时体现的挡水能力远远超出了为它们设定的防洪目标，不过这是以军民“严防死守”，不断加筑一段段子堤，抢护和日夜守护一处处险情为代价的。
　　所以堤防工程的挡水能力又是与防洪过程中的投入相对应的。对于已建堤防，在防洪过程中要求其达到的挡水能力越强，就必须投入越多。当然其挡水能力是有极限的，而且要求越高，承担的风险就越大。防洪实战中，如何发挥堤防工程的挡水能力，必须结合整个防洪工程体系的联合作用来考虑。正常情况下，应以发挥与其设计标准对应的挡水能力为限。