黄河下游放淤固堤宽度研究

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摘要：为有效利用土地资源，科学论证黄河下游放淤固堤宽度，通过分析黄河下游地质资料，发现下游堤防渗透破坏的主要原因是堤身土料黏粒含量少、土质不均匀，以及堤脚低洼，坑塘多，堤基存在浅层透水砂层。考虑到黄河下游堤防质量参差不齐，出险原因各异，主要从三个方面论证放淤固堤宽度：一是对黄河下游堤防历史险情进行统计分析，黄河下游发生渗水、管涌等渗透破坏的情形，85%分布在距堤脚50m以内，14%分布在距堤脚50～100m范围内；二是借鉴国内外放淤固堤宽度的研究成果，黄河下游放淤固堤宽度应超过100m；三是依据地质勘察成果，开展堤防渗流稳定计算，验证放淤固堤宽度80～100m的效果。最终得出黄河下游较为科学的放淤固堤宽度为80～100m。

摘要：放淤固堤宽度；渗透破坏；黄河下游

中图分类号：TV871；TV882.1

文献标志码：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2018.08.010

黄河下游两岸堤防，是防御洪水、保护黄淮海平原防洪安全的屏障。为保证堤防安全，中华人民共和国成立以来，黄河下游进行了三次大复堤。近年来，大规模开展了标准化堤防建设，堤防加固是其重要内容之一。目前，黄河下游已达标的堤防加固长度为1036.133km，其中放淤固堤长度993.991km。堤防淤背区由三部分组成：一是淤背体，二是采用二、三类土质的包边盖顶，三是施工时逐步抬高的围格堤。黄河下游放淤固堤的目的是增大堤身断面，有利于堤身的抗滑稳定：延长堤防渗径，降低出逸比降，消除险点隐患：放淤固堤同时改变了堤防临背悬差，增强了堤防的抗洪能力。

放淤固堤的宽度应覆盖历史上背河堤脚以外经常出现流土、渗水等险情的范围，以避免类似险情再次发生；充分考虑现有堤防的实际情况，淤背体高度应高于背河堤坡在大洪水时出险（渗水、滑坡、漏洞等）范围，坡度应符合稳定要求（包括渗流、地震等）：淤筑体的表面保护，要满足环境保护要求，并应有与工程相适应的耐久性。

为了落实十分珍惜、合理利用土地和切实保护耕地的基本国策，黄河下游堤防加固设计应坚持“在保证堤防防洪安全的前提下，尽可能减小淤背体宽度”的原则。黄河下游堤防是随着河道变迁、在民埝的基础上经历代不断培修而成的，受当时社会、经济、技术等条件的限制，以及下游堤防频繁决口的影响，不同堤段的堤身、堤基存在不同程度的质量问题，加上目前渗流稳定计算模型与堤防实际表现仍有一定差距，因此淤背体的设计宽度应从历史出险范围、渗流稳定计算以及国内外研究成果等方面进行论证。

1 黄河下游堤防渗透破坏原因分析

黄河下游两岸堤防在历史上频繁出险，其出险形式多表现为冲决、溃决以及严重裂缝、渗水和管涌。分析出险的主要原因，可归纳为以下几个方面。

（1）堤身土料由砂壤土、黏土、壤土及粉砂土混掺组成，土质极不均匀。从历次隐患探测成果和土工试验测定指标判断，黄河下游堤身填筑质量较差，存在裂缝、空洞等现象，易引起堤身渗漏，表现为堤坡和堤脚部位的出渗。

堤防地质勘察发现，有相当多堤段堤身干密度小于1.5t/m3。堤防隐患探测表明，堤身存在较多明显隐患，主要为松散体和裂缝，少數为空洞，隐患大多位于堤顶以下2～9m，处于堤身的中上部。

（2）黄河堤防是在历史民埝的基础上加高培厚而成的，基础没有进行处理，堤基存在浅层透水砂层，背河侧存在诸多坑塘和沟渠，使上部弱透水覆盖层变薄，水位较高时河水通过透水性较强的砂层而产生渗透破坏。历史上黄河堤防曾多次决口泛滥，每次决口的堵复都使用了大量的秸柳软料，现行大堤共有老口门390余处，更加重了基础的渗水程度。

（3）临河侧存在堤沟河，地势低洼，同时过去堤防建设时有近堤取土现象，减弱了防渗铺盖作用。

2 黄河下游堤防历史出险范围

根据历史险情资料统计，黄河背河堤脚以外发生渗水、管涌、陷坑，85%分布在距堤脚50m以内，14%分布在距堤脚50～100m范围内，个别险点（约占1%）在100～200m的范围内，最远达到300m（“96·8”洪水山东梁山县黄花寺一岳庄段大堤）。现就近年来黄河靠水堤段堤防险情说明如下。

1996年8月，花园口最大流量7860m3/s，堤防出现裂缝总长5280m，背河侧地面渗水长度40383m，严重管涌群8处。其中河南封丘荆隆宫堤段8月4日17时发现临河距堤脚40m处水面打旋冒泡，背河距堤脚100m处一机井冒水。封丘黄河河务局在临河采用压膜无纺布截渗、背河做反滤井处理后才控制了险情。山东梁山县黄花寺一岳庄段大堤于8月13日开始偎水，16日12时至18日10时，321+900-327+950堤段背河多处渗水，总长2820m，18日7时在321+715处背河柳荫地界沟内发现一处管涌，后迅速发展成管涌群，管涌范围长15m、宽1.2m，最大管涌口直径5cm，沙堆直径76cm，发现险情后，在临河采取了散抛黏土堵漏截渗措施。1997年和1998年进行了1：1原型堵漏实战演习，在人员、料物、设备齐全的情况下，也没有堵住模拟口门。

2002年调水调沙试验期间，黄河当地流量仅2500m3/S左右，但郓城大堤285+000-289+711段偎水，平均偎堤水深2.5m，堤防背河侧地面全线呈明水，其中285+540-285+740段距背河堤脚80～95m范围内发生连续的管涌群。285+570处有一个直径15cm的管涌，呈间歇性喷涌，喷涌时水花高于水面3cm，水色浑浊，人工探摸管壁呈圆柱状，洞内有滑腻的稀泥，并伴有少量直径较小的淤土颗粒：285+600处有一个直径5cm的管涌，出浑水，洞口周围出现沙环。

2003年9-10月，小浪底水库按控制花园口流量2500m3/S左右下泄，兰考蔡集控导工程附近生产堤决口，兰考、东明约35km堤防临水，偎堤水深一般为1.7～4.9m，发生临河堤坡脚滑塌、背河渗水、管涌等严重险情，全线背河侧地面均出现大范围的明水区，特别是有2km长的堤段背河侧出现了严重的管涌群带，大部分集中在距堤脚100m范围内，最远达130m。

3 国内外研究成果

对于放淤固堤宽度，国内外都开展过大量的研究。中国水利水电科学研究院根据管涌砂槽模型试验成果，结合理论计算，对盖重（淤背）最大、最小宽度给出了具体建议：对粉细砂堤基而言，建议堤防盖重的最小宽度为（3～4）H（H为设计水位与背河水位之差），最大宽度为（12～14）H，堤坡较陡时取大值，堤坡较缓时取小值；对于中砂、粗砂堤基，以及堤身更缓、堤基更宽的情况，则盖重的最大宽度可适当减少。据此，笔者选择黄河下游不同堤段的类似地层断面，计算设计洪水位（花园口22000m3/S流量相应水位）下不同堤段所需盖重宽度，得出黄河下游放淤固堤宽度最大值在99.96～181.72m之间，见表1。

國外关于堤防盖重尺寸的研究成果：美国要求其宽度至少为4倍堤高，通常盖重的宽度限制在91.4～121.9m范围内：荷兰规定，当采用盖重进行除险加固时，建议其宽度最小为2～3倍堤高，对于最大值没有明确要求：德国“DN19712防洪堤技术标准”中规定，盖重要有足够的宽度，保证堤基渗透破坏点与背水堤脚有足够的距离，从而对堤防不再产生危害。

4 渗流稳定计算成果

黄河下游堤防由于历史上培修和各次复堤的质量参差不齐，且堤防长期不靠水，并处于地下水位以上，因此堤身土体普遍存在裂缝、洞穴、土质疏松等空隙结构以及不均匀体，造成堤身质量很差：堤基分布众多历史决口老口门，老口门堵复时抛投了大量的秸料、麻绳、木桩、砖石瓦块，堤基易形成过水通道。堤身土体的洞穴与空洞中的渗透水流多为管状流，裂缝中的渗透水流多为网状流，且裂缝多与空洞、洞穴贯通，其渗透水流状态十分复杂。因此，堤防渗流稳定计算成果可以作为堤防加固的重要依据之一，但不宜作为判定淤背宽度的唯一标准。

土体孔隙中的地下水有多种状态，堤防渗流所研究的一般是地下水中的重力水，这一部分水的运动受重力支配，不受分子力的约束。通常所称的地下水面或浸润面，也是指不包括毛管区的地下水面。即使仅对这种重力水进行研究，也仍然是十分复杂的问题，在计算时需要从影响渗透性的因素和计算条件两个方面进行假定和简化。对渗透性有影响的因素很多，如土体的结构、颗粒形状和大小、孔隙率、水的饱和度和水温等，这些因素在不同条件下呈现不同的渗流运动规律。

堤防渗流计算方法可分为流体力学解法和水力学解法两类。目前工程设计和科学研究大多采用平面有限单元分析方法，即根据流体力学原理，对于符合达西定律的二向渗流，且土体与液体压缩性可以忽略的条件下，水头函数满足拉普拉斯方程：式中：h为水头；kx、kz分别为x、z方向的渗透系数。

《黄河下游防洪工程可行性研究报告》按照淤背宽度80～100m的标准，针对需要放淤固堤的段落，共选取47个断面进行渗流稳定计算。断面选取时尽可能涵盖不同地质情况，具有一定的代表性。计算断面的分布情况及计算结果见表2。

图1和图2分别为左岸下段30+500断面在放淤固堤前、后的渗流稳定计算结果。

计算结果表明，设计洪水条件下，所选取的47个计算断面中，有43个现状断面在设计洪水条件下发生渗透破坏，占91.5%：4个断面没有发生渗透破坏，呈渗流稳定状态，占8.5%。经堤防加固（其中放淤固堤43个断面，截渗墙4个断面）后，则有45个断面为渗流稳定，占95.7%：仅有2个断面仍产生渗透破坏，占4.3%。计算中发现，现状没有发生渗透破坏的4个断面，其大堤堤坡或坡脚处均出现了渗流出逸点，只是出逸比降小于破坏土层的允许比降，没有发生渗透破坏而已。

综上所述，由历史出险范围、国内外研究成果和渗流稳定计算结果而得j出的黄河下游放淤固堤设计宽度均为100m左右，现行的放淤固堤设计宽度80～100m是适宜的。

5 结语

影响放淤固堤设计宽度的因素错综复杂，包括堤身结构、施工质量、历史口门堵复、害堤动物破坏状况、运行及管理养护以及堤基结构等多重因素，传统的渗流稳定计算很难真实模拟堤防渗透破坏的实际情况。作为设计指标的淤背宽度，在保证安全的前提下，宜整齐划一，跨度不宜过大，以利于具体实施；否则，工程边界不平顺，堤防弯道、突变较多，不利于工程管理和防洪安全。因此，当前黄河下游放淤固堤的设计宽度仍是80～100m。