黃河下游放淤固堤寬度研究

潘明強 王俊昀

摘要：為有效利用土地資源，科學論證黃河下游放淤固堤寬度，通過分析黃河下游地質資料，發現下游堤防滲透破壞的主要原因是堤身土料黏粒含量少、土質不均勻，以及堤腳低洼，坑塘多，堤基存在淺層透水砂層。考慮到黃河下游堤防質量參差不齊，出險原因各異，主要從三個方面論證放淤固堤寬度：一是對黃河下游堤防歷史險情進行統計分析，黃河下游發生滲水、管涌等滲透破壞的情形，85%分布在距堤腳50m以內，14%分布在距堤腳50～100m范圍內；二是借鑒國內外放淤固堤寬度的研究成果，黃河下游放淤固堤寬度應超過100m；三是依據地質勘察成果，開展堤防滲流穩定計算，驗證放淤固堤寬度80～100m的效果。最終得出黃河下游較為科學的放淤固堤寬度為80～100m。

摘要：放淤固堤寬度；滲透破壞；黃河下游

中圖分類號：TV871；TV882.1

文獻標志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2018.08.010

黃河下游兩岸堤防，是防御洪水、保護黃淮海平原防洪安全的屏障。為保證堤防安全，中華人民共和國成立以來，黃河下游進行了三次大復堤。近年來，大規模開展了標準化堤防建設，堤防加固是其重要內容之一。目前，黃河下游已達標的堤防加固長度為1036.133km，其中放淤固堤長度993.991km。堤防淤背區由三部分組成：一是淤背體，二是采用二、三類土質的包邊蓋頂，三是施工時逐步抬高的圍格堤。黃河下游放淤固堤的目的是增大堤身斷面，有利于堤身的抗滑穩定：延長堤防滲徑，降低出逸比降，消除險點隱患：放淤固堤同時改變了堤防臨背懸差，增強了堤防的抗洪能力。

放淤固堤的寬度應覆蓋歷史上背河堤腳以外經常出現流土、滲水等險情的范圍，以避免類似險情再次發生；充分考慮現有堤防的實際情況，淤背體高度應高于背河堤坡在大洪水時出險（滲水、滑坡、漏洞等）范圍，坡度應符合穩定要求（包括滲流、地震等）：淤筑體的表面保護，要滿足環境保護要求，并應有與工程相適應的耐久性。

為了落實十分珍惜、合理利用土地和切實保護耕地的基本國策，黃河下游堤防加固設計應堅持“在保證堤防防洪安全的前提下，盡可能減小淤背體寬度”的原則。黃河下游堤防是隨著河道變遷、在民埝的基礎上經歷代不斷培修而成的，受當時社會、經濟、技術等條件的限制，以及下游堤防頻繁決口的影響，不同堤段的堤身、堤基存在不同程度的質量問題，加上目前滲流穩定計算模型與堤防實際表現仍有一定差距，因此淤背體的設計寬度應從歷史出險范圍、滲流穩定計算以及國內外研究成果等方面進行論證。

1 黃河下游堤防滲透破壞原因分析

黃河下游兩岸堤防在歷史上頻繁出險，其出險形式多表現為沖決、潰決以及嚴重裂縫、滲水和管涌。分析出險的主要原因，可歸納為以下幾個方面。

（1）堤身土料由砂壤土、黏土、壤土及粉砂土混摻組成，土質極不均勻。從歷次隱患探測成果和土工試驗測定指標判斷，黃河下游堤身填筑質量較差，存在裂縫、空洞等現象，易引起堤身滲漏，表現為堤坡和堤腳部位的出滲。

堤防地質勘察發現，有相當多堤段堤身干密度小于1.5t/m3。堤防隱患探測表明，堤身存在較多明顯隱患，主要為松散體和裂縫，少數為空洞，隱患大多位于堤頂以下2～9m，處于堤身的中上部。

（2）黃河堤防是在歷史民埝的基礎上加高培厚而成的，基礎沒有進行處理，堤基存在淺層透水砂層，背河側存在諸多坑塘和溝渠，使上部弱透水覆蓋層變薄，水位較高時河水通過透水性較強的砂層而產生滲透破壞。歷史上黃河堤防曾多次決口泛濫，每次決口的堵復都使用了大量的秸柳軟料，現行大堤共有老口門390余處，更加重了基礎的滲水程度。

（3）臨河側存在堤溝河，地勢低洼，同時過去堤防建設時有近堤取土現象，減弱了防滲鋪蓋作用。

2 黃河下游堤防歷史出險范圍

根據歷史險情資料統計，黃河背河堤腳以外發生滲水、管涌、陷坑，85%分布在距堤腳50m以內，14%分布在距堤腳50～100m范圍內，個別險點（約占1%）在100～200m的范圍內，最遠達到300m（“96·8”洪水山東梁山縣黃花寺一岳莊段大堤）。現就近年來黃河靠水堤段堤防險情說明如下。

1996年8月，花園口最大流量7860m3/s，堤防出現裂縫總長5280m，背河側地面滲水長度40383m，嚴重管涌群8處。其中河南封丘荊隆宮堤段8月4日17時發現臨河距堤腳40m處水面打旋冒泡，背河距堤腳100m處一機井冒水。封丘黃河河務局在臨河采用壓膜無紡布截滲、背河做反濾井處理后才控制了險情。山東梁山縣黃花寺一岳莊段大堤于8月13日開始偎水，16日12時至18日10時，321+900-327+950堤段背河多處滲水，總長2820m，18日7時在321+715處背河柳蔭地界溝內發現一處管涌，后迅速發展成管涌群，管涌范圍長15m、寬1.2m，最大管涌口直徑5cm，沙堆直徑76cm，發現險情后，在臨河采取了散拋黏土堵漏截滲措施。1997年和1998年進行了1：1原型堵漏實戰演習，在人員、料物、設備齊全的情況下，也沒有堵住模擬口門。

2002年調水調沙試驗期間，黃河當地流量僅2500m3/S左右，但鄆城大堤285+000-289+711段偎水，平均偎堤水深2.5m，堤防背河側地面全線呈明水，其中285+540-285+740段距背河堤腳80～95m范圍內發生連續的管涌群。285+570處有一個直徑15cm的管涌，呈間歇性噴涌，噴涌時水花高于水面3cm，水色渾濁，人工探摸管壁呈圓柱狀，洞內有滑膩的稀泥，并伴有少量直徑較小的淤土顆粒：285+600處有一個直徑5cm的管涌，出渾水，洞口周圍出現沙環。

2003年9-10月，小浪底水庫按控制花園口流量2500m3/S左右下泄，蘭考蔡集控導工程附近生產堤決口，蘭考、東明約35km堤防臨水，偎堤水深一般為1.7～4.9m，發生臨河堤坡腳滑塌、背河滲水、管涌等嚴重險情，全線背河側地面均出現大范圍的明水區，特別是有2km長的堤段背河側出現了嚴重的管涌群帶，大部分集中在距堤腳100m范圍內，最遠達130m。

3 國內外研究成果

對于放淤固堤寬度，國內外都開展過大量的研究。中國水利水電科學研究院根據管涌砂槽模型試驗成果，結合理論計算，對蓋重（淤背）最大、最小寬度給出了具體建議：對粉細砂堤基而言，建議堤防蓋重的最小寬度為（3～4）H（H為設計水位與背河水位之差），最大寬度為（12～14）H，堤坡較陡時取大值，堤坡較緩時取小值；對于中砂、粗砂堤基，以及堤身更緩、堤基更寬的情況，則蓋重的最大寬度可適當減少。據此，筆者選擇黃河下游不同堤段的類似地層斷面，計算設計洪水位（花園口22000m3/S流量相應水位）下不同堤段所需蓋重寬度，得出黃河下游放淤固堤寬度最大值在99.96～181.72m之間，見表1。

國外關于堤防蓋重尺寸的研究成果：美國要求其寬度至少為4倍堤高，通常蓋重的寬度限制在91.4～121.9m范圍內：荷蘭規定，當采用蓋重進行除險加固時，建議其寬度最小為2～3倍堤高，對于最大值沒有明確要求：德國“DN19712防洪堤技術標準”中規定，蓋重要有足夠的寬度，保證堤基滲透破壞點與背水堤腳有足夠的距離，從而對堤防不再產生危害。

4 滲流穩定計算成果

黃河下游堤防由于歷史上培修和各次復堤的質量參差不齊，且堤防長期不靠水，并處于地下水位以上，因此堤身土體普遍存在裂縫、洞穴、土質疏松等空隙結構以及不均勻體，造成堤身質量很差：堤基分布眾多歷史決口老口門，老口門堵復時拋投了大量的秸料、麻繩、木樁、磚石瓦塊，堤基易形成過水通道。堤身土體的洞穴與空洞中的滲透水流多為管狀流，裂縫中的滲透水流多為網狀流，且裂縫多與空洞、洞穴貫通，其滲透水流狀態十分復雜。因此，堤防滲流穩定計算成果可以作為堤防加固的重要依據之一，但不宜作為判定淤背寬度的唯一標準。

土體孔隙中的地下水有多種狀態，堤防滲流所研究的一般是地下水中的重力水，這一部分水的運動受重力支配，不受分子力的約束。通常所稱的地下水面或浸潤面，也是指不包括毛管區的地下水面。即使僅對這種重力水進行研究，也仍然是十分復雜的問題，在計算時需要從影響滲透性的因素和計算條件兩個方面進行假定和簡化。對滲透性有影響的因素很多，如土體的結構、顆粒形狀和大小、孔隙率、水的飽和度和水溫等，這些因素在不同條件下呈現不同的滲流運動規律。

堤防滲流計算方法可分為流體力學解法和水力學解法兩類。目前工程設計和科學研究大多采用平面有限單元分析方法，即根據流體力學原理，對于符合達西定律的二向滲流，且土體與液體壓縮性可以忽略的條件下，水頭函數滿足拉普拉斯方程：式中：h為水頭；kx、kz分別為x、z方向的滲透系數。

《黃河下游防洪工程可行性研究報告》按照淤背寬度80～100m的標準，針對需要放淤固堤的段落，共選取47個斷面進行滲流穩定計算。斷面選取時盡可能涵蓋不同地質情況，具有一定的代表性。計算斷面的分布情況及計算結果見表2。

圖1和圖2分別為左岸下段30+500斷面在放淤固堤前、后的滲流穩定計算結果。

計算結果表明，設計洪水條件下，所選取的47個計算斷面中，有43個現狀斷面在設計洪水條件下發生滲透破壞，占91.5%：4個斷面沒有發生滲透破壞，呈滲流穩定狀態，占8.5%。經堤防加固（其中放淤固堤43個斷面，截滲墻4個斷面）后，則有45個斷面為滲流穩定，占95.7%：僅有2個斷面仍產生滲透破壞，占4.3%。計算中發現，現狀沒有發生滲透破壞的4個斷面，其大堤堤坡或坡腳處均出現了滲流出逸點，只是出逸比降小于破壞土層的允許比降，沒有發生滲透破壞而已。

綜上所述，由歷史出險范圍、國內外研究成果和滲流穩定計算結果而得j出的黃河下游放淤固堤設計寬度均為100m左右，現行的放淤固堤設計寬度80～100m是適宜的。

5 結語

影響放淤固堤設計寬度的因素錯綜復雜，包括堤身結構、施工質量、歷史口門堵復、害堤動物破壞狀況、運行及管理養護以及堤基結構等多重因素，傳統的滲流穩定計算很難真實模擬堤防滲透破壞的實際情況。作為設計指標的淤背寬度，在保證安全的前提下，宜整齊劃一，跨度不宜過大，以利于具體實施；否則，工程邊界不平順，堤防彎道、突變較多，不利于工程管理和防洪安全。因此，當前黃河下游放淤固堤的設計寬度仍是80～100m。