黃河下游放淤固堤寬度研究

潘明強(qiáng) 王俊昀

摘要：為有效利用土地資源，科學(xué)論證黃河下游放淤固堤寬度，通過分析黃河下游地質(zhì)資料，發(fā)現(xiàn)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(zhì)不均勻，以及堤腳低洼，坑塘多，堤基存在淺層透水砂層?？紤]到黃河下游堤防質(zhì)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(jìn)行統(tǒng)計分析，黃河下游發(fā)生滲水、管涌等滲透破壞的情形，85%分布在距堤腳50m以內(nèi)，14%分布在距堤腳50～100m范圍內(nèi)；二是借鑒國內(nèi)外放淤固堤寬度的研究成果，黃河下游放淤固堤寬度應(yīng)超過100m；三是依據(jù)地質(zhì)勘察成果，開展堤防滲流穩(wěn)定計算，驗(yàn)證放淤固堤寬度80～100m的效果。最終得出黃河下游較為科學(xué)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(xiàn)標(biāo)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(hù)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(jìn)行了三次大復(fù)堤。近年來，大規(guī)模開展了標(biāo)準(zhǔn)化堤防建設(shè)，堤防加固是其重要內(nèi)容之一。目前，黃河下游已達(dá)標(biāo)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(qū)由三部分組成：一是淤背體，二是采用二、三類土質(zhì)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(wěn)定：延長堤防滲徑，降低出逸比降，消除險點(diǎn)隱患：放淤固堤同時改變了堤防臨背懸差，增強(qiáng)了堤防的抗洪能力。

放淤固堤的寬度應(yīng)覆蓋歷史上背河堤腳以外經(jīng)常出現(xiàn)流土、滲水等險情的范圍，以避免類似險情再次發(fā)生；充分考慮現(xiàn)有堤防的實(shí)際情況，淤背體高度應(yīng)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(yīng)符合穩(wěn)定要求（包括滲流、地震等）：淤筑體的表面保護(hù)，要滿足環(huán)境保護(hù)要求，并應(yīng)有與工程相適應(yīng)的耐久性。

為了落實(shí)十分珍惜、合理利用土地和切實(shí)保護(hù)耕地的基本國策，黃河下游堤防加固設(shè)計應(yīng)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(chǔ)上經(jīng)歷代不斷培修而成的，受當(dāng)時社會、經(jīng)濟(jì)、技術(shù)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(zhì)量問題，加上目前滲流穩(wěn)定計算模型與堤防實(shí)際表現(xiàn)仍有一定差距，因此淤背體的設(shè)計寬度應(yīng)從歷史出險范圍、滲流穩(wěn)定計算以及國內(nèi)外研究成果等方面進(jìn)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(xiàn)為沖決、潰決以及嚴(yán)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(zhì)極不均勻。從歷次隱患探測成果和土工試驗(yàn)測定指標(biāo)判斷，黃河下游堤身填筑質(zhì)量較差，存在裂縫、空洞等現(xiàn)象，易引起堤身滲漏，表現(xiàn)為堤坡和堤腳部位的出滲。

堤防地質(zhì)勘察發(fā)現(xiàn)，有相當(dāng)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(shù)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(chǔ)上加高培厚而成的，基礎(chǔ)沒有進(jìn)行處理，堤基存在淺層透水砂層，背河側(cè)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(qiáng)的砂層而產(chǎn)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(fù)都使用了大量的秸柳軟料，現(xiàn)行大堤共有老口門390余處，更加重了基礎(chǔ)的滲水程度。

（3）臨河側(cè)存在堤溝河，地勢低洼，同時過去堤防建設(shè)時有近堤取土現(xiàn)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(jù)歷史險情資料統(tǒng)計，黃河背河堤腳以外發(fā)生滲水、管涌、陷坑，85%分布在距堤腳50m以內(nèi)，14%分布在距堤腳50～100m范圍內(nèi)，個別險點(diǎn)（約占1%）在100～200m的范圍內(nèi)，最遠(yuǎn)達(dá)到300m（“96·8”洪水山東梁山縣黃花寺一岳莊段大堤）?，F(xiàn)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(xiàn)裂縫總長5280m，背河側(cè)地面滲水長度40383m，嚴(yán)重管涌群8處。其中河南封丘荊隆宮堤段8月4日17時發(fā)現(xiàn)臨河距堤腳40m處水面打旋冒泡，背河距堤腳100m處一機(jī)井冒水。封丘黃河河務(wù)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(nèi)發(fā)現(xiàn)一處管涌，后迅速發(fā)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(fā)現(xiàn)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(jìn)行了1：1原型堵漏實(shí)戰(zhàn)演習(xí)，在人員、料物、設(shè)備齊全的情況下，也沒有堵住模擬口門。

2002年調(diào)水調(diào)沙試驗(yàn)期間，黃河當(dāng)?shù)亓髁績H2500m3/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(cè)地面全線呈明水，其中285+540-285+740段距背河堤腳80～95m范圍內(nèi)發(fā)生連續(xù)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(nèi)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(xiàn)沙環(huán)。

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(dǎo)工程附近生產(chǎn)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(fā)生臨河堤坡腳滑塌、背河滲水、管涌等嚴(yán)重險情，全線背河側(cè)地面均出現(xiàn)大范圍的明水區(qū)，特別是有2km長的堤段背河側(cè)出現(xiàn)了嚴(yán)重的管涌群帶，大部分集中在距堤腳100m范圍內(nèi)，最遠(yuǎn)達(dá)130m。

3 國內(nèi)外研究成果

對于放淤固堤寬度，國內(nèi)外都開展過大量的研究。中國水利水電科學(xué)研究院根據(jù)管涌砂槽模型試驗(yàn)成果，結(jié)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(xì)砂堤基而言，建議堤防蓋重的最小寬度為（3～4）H（H為設(shè)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(dāng)減少。據(jù)此，筆者選擇黃河下游不同堤段的類似地層斷面，計算設(shè)計洪水位（花園口22000m3/S流量相應(yīng)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(guān)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(nèi)：荷蘭規(guī)定，當(dāng)采用蓋重進(jìn)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(shù)標(biāo)準(zhǔn)”中規(guī)定，蓋重要有足夠的寬度，保證堤基滲透破壞點(diǎn)與背水堤腳有足夠的距離，從而對堤防不再產(chǎn)生危害。

4 滲流穩(wěn)定計算成果

黃河下游堤防由于歷史上培修和各次復(fù)堤的質(zhì)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(zhì)疏松等空隙結(jié)構(gòu)以及不均勻體，造成堤身質(zhì)量很差：堤基分布眾多歷史決口老口門，老口門堵復(fù)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(wǎng)狀流，且裂縫多與空洞、洞穴貫通，其滲透水流狀態(tài)十分復(fù)雜。因此，堤防滲流穩(wěn)定計算成果可以作為堤防加固的重要依據(jù)之一，但不宜作為判定淤背寬度的唯一標(biāo)準(zhǔn)。

土體孔隙中的地下水有多種狀態(tài)，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(yùn)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(qū)的地下水面。即使僅對這種重力水進(jìn)行研究，也仍然是十分復(fù)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(jìn)行假定和簡化。對滲透性有影響的因素很多，如土體的結(jié)構(gòu)、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(xiàn)不同的滲流運(yùn)動規(guī)律。

堤防滲流計算方法可分為流體力學(xué)解法和水力學(xué)解法兩類。目前工程設(shè)計和科學(xué)研究大多采用平面有限單元分析方法，即根據(jù)流體力學(xué)原理，對于符合達(dá)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(shù)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(shù)。

《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(biāo)準(zhǔn)，針對需要放淤固堤的段落，共選取47個斷面進(jìn)行滲流穩(wěn)定計算。斷面選取時盡可能涵蓋不同地質(zhì)情況，具有一定的代表性。計算斷面的分布情況及計算結(jié)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(wěn)定計算結(jié)果。

計算結(jié)果表明，設(shè)計洪水條件下，所選取的47個計算斷面中，有43個現(xiàn)狀斷面在設(shè)計洪水條件下發(fā)生滲透破壞，占91.5%：4個斷面沒有發(fā)生滲透破壞，呈滲流穩(wěn)定狀態(tài)，占8.5%。經(jīng)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(wěn)定，占95.7%：僅有2個斷面仍產(chǎn)生滲透破壞，占4.3%。計算中發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)狀沒有發(fā)生滲透破壞的4個斷面，其大堤堤坡或坡腳處均出現(xiàn)了滲流出逸點(diǎn)，只是出逸比降小于破壞土層的允許比降，沒有發(fā)生滲透破壞而已。

綜上所述，由歷史出險范圍、國內(nèi)外研究成果和滲流穩(wěn)定計算結(jié)果而得j出的黃河下游放淤固堤設(shè)計寬度均為100m左右，現(xiàn)行的放淤固堤設(shè)計寬度80～100m是適宜的。

5 結(jié)語

影響放淤固堤設(shè)計寬度的因素錯綜復(fù)雜，包括堤身結(jié)構(gòu)、施工質(zhì)量、歷史口門堵復(fù)、害堤動物破壞狀況、運(yùn)行及管理養(yǎng)護(hù)以及堤基結(jié)構(gòu)等多重因素，傳統(tǒng)的滲流穩(wěn)定計算很難真實(shí)模擬堤防滲透破壞的實(shí)際情況。作為設(shè)計指標(biāo)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(shí)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(dāng)前黃河下游放淤固堤的設(shè)計寬度仍是80～100m。