黃河下游標準化堤防的論證與形成

李文家，李 焯

（1.黃河水利委員會，河南 鄭州450003；2.黃河水利委員會 水文局，河南 鄭州 450004）

黃河因水少沙多、水沙關系不協調的特殊河情，在堤防約束水流后，導致黃河下游河道在兩岸堤防建成不長的時間里就成為高懸于華北平原之上的懸河。隨著河床淤積升高，堤防防洪能力降低，加上主流頂沖以沙質土為主體的土堤，難以防守。據記載，公元前602年至1938年，黃河堤防決口的年份有543 a，改道26次，大的遷徙5次，在32萬km2的華北平原上肆意泛濫。每次決口，水沙俱下，洪水淹沒，泥沙淤高，給中華民族帶來巨大的災難。

20世紀50年代以后，通過大量的調查研究，對黃河堤防決口成因及特點的認識水平大為提高。黃河下游防洪由單一的堤防建設，轉向在下游建設堤防、控導工程，開辟滯洪區，在中游建設水庫工程，在黃土高原地區開展水土保持，保證了黃河下游大堤70 a伏秋大汛沒有決口。

黃河下游堤防是防洪的第一道屏障，是華北平原乃至國家經濟社會穩定發展和生態安全的保障線。1949年以來進行了4期黃河下游堤防建設，逐步形成了防洪保障線、搶險交通線、生態景觀線的標準化堤防。筆者有幸作為主要技術負責人參與了黃河下游標準化堤防論證與建設的全過程。

1 標準化堤防建設的背景

在每次黃河大改道后，需要重新建設改道段的堤防，形成新的河道。兩次改道之間，根據河道淤積情況，加高培厚堤防，并對決口口門進行堵復，盡量延長新河道的行河年限。

1855年在銅瓦廂決口改道后，黃河由在江蘇清江入黃海改為在山東利津入渤海，至1880年前后形成完整堤防［1］。從1949年中華人民共和國成立至標準化堤防開工建設前，對現狀長1 371 km的臨黃大堤進行了3期大規模的加高加培和134處（5 369道壩垛，總長311.3 km）險工的改建。

第一期建設從1950年開始至1957年主體工程建設完成［2］。該時期黃河下游堤防按照防御花園口站25 000 m3/s、高村 18 500 m3/s、孫口 10 800 m3/s、孫口以下約9 000 m3/s洪水設計，堤頂高程比當時的水位高2～3 m，頂寬5～10 m，邊坡坡比為1 ∶2.5～1 ∶3.0，完成土方1.4億m3。

第二期建設從1962年開始至1965年主體工程建設完成。該時期黃河下游堤防按照防御花園口站22 000 m3/s、高村 18 400 m3/s、孫口 16 200 m3/s、孫口以下約13 000 m3/s洪水設計，堤頂高程比當時的水位高2.1～3.0 m，頂寬7～11 m，邊坡坡比為1∶2.5～1∶3.0，按浸潤線1∶8檢查，斷面不足的加后戧或者前戧，完成土方0.5億m3。

第三期建設從1974年開始至1983年主體工程建設完成。該時期黃河下游堤防按照防御花園口站22 000 m3/s、高村 20 000 m3/s、孫口 17 500 m3/s、孫口以下11 000 m3/s（經東平湖滯洪區分洪后，并考慮平陰和長清縣山區洪水加入）洪水設計，堤頂高程比當時的水位高2.1～3.0 m，頂寬7～12 m，邊坡坡比為1∶2.5～1∶3，浸潤線按險工段 1∶8、平工段 1∶7檢查，斷面不足的加后戧或前戧；全線進行壓力灌漿；根據資金情況，淤區頂寬按平工段30～50 m、險工段50～100 m，進行了部分堤段放淤固堤實踐，完成土方2.0億m3。

在堤防建設的同時，對保護堤防兼有控導河勢的險工進行了改建。第一期改建時將歷史上的埽料防護改為石料防護，之后均采用石料防護。

標準化堤防建設前的黃河堤防主要存在以下問題：一是受建設時技術、設備和社會環境等條件的限制，各時期修筑的老堤普遍存在用料不一、壓實度不一的問題。二是建設堤防時用的土料多是附近的砂壤土、粉細砂，滲透系數大，抗水流沖刷和風浪淘刷能力弱，局部用黏土修筑的堤防，因堤防長期不靠水而形成大量干縮裂縫。據2000年9月對黃河下游開封段堤防探測結果，在39.3 km的堤段內就發現各種隱患148處，其中裂縫108處、不均勻體40處。三是黃河下游堤基復雜，特別是老口門堤基有390多處，在堵口時將大量的秸料、木樁、麻料、磚石料等埋于堤身下，形成強透水層，口門背河側有潭坑和洼地。

上述問題，造成遇洪水時臨水大堤段背河側地面管涌眾多，背河側堤坡滲水嚴重，有的管涌距堤腳超過300 m，給堤防帶來重大險情，稍有不慎一般洪水也可能造成堤防決口。1997年和1998年進行的1∶1原型堵漏實戰演習中，在人員、料物、設備齊全的情況下，經全力搶護，也沒有堵住模擬口門。

2 標準化堤防的提出

標準化堤防是對堤防規劃的主要建設措施和建成后效果的完美概括。進入21世紀前后，針對黃河下游堤防建設，編制了《黃河流域治理專項工程建設規劃》［3］（以下簡稱《專項規劃》）、《黃河近期重點開發規劃》［4］（國務院國函［2002］61 號文批復，以下簡稱《重點規劃》）、《黃河流域防洪規劃》［5］（國務院國函［2008］63號文批復，以下簡稱《防洪規劃》）。這3份規劃繼承性地論證了黃河下游堤防設計防洪流量、設計防洪水位和主要建設措施。

黃河下游臨黃大堤保護范圍約為12萬km2，人口約為7 800萬人，耕地1.1億畝（15畝＝1 hm2）。根據國家《防洪標準》和《堤防設計規范》，規劃對黃河下游堤防逐段復核，各段大堤等級均為遠超Ⅰ級，簡稱超級堤防。按防御花園口22 000 m3/s洪水設計，經中游地區小浪底、三門峽、陸渾、故縣水庫聯合防洪運用和河道洪水演進后，大堤沿程設計防洪流量分別為高村20 000 m3/s、孫口17 500 m3/s，然后在東平湖滯洪區防洪運用和河道洪水演進后，并考慮長清、平陰山區洪水加入，以下河段設計防洪流量為11 000 m3/s。采用2000年水平的設計洪水位作為規劃總體布置方案的依據，因小浪底水庫建成后可以保證下游河床20 a左右不淤積升高，故按此標準建設可以保證下游堤防20 a內滿足需求。

20世紀50至90年代進行的3期大規模堤防建設，主要是解決堤防高度問題，堤身質量差，裂縫、加塞、狐獾洞穴、堤基復雜、老口門隱患等對堤防安全威脅最嚴重的問題并沒有得到有效解決。小浪底水庫的建成可使下游河道20 a左右不淤積升高，為解決堤防質量問題爭取了時間。在第三期堤防建設中，曾經采用放淤固堤、后戧、前戧、壓力灌漿以及截滲墻等措施，長期的實踐表明，只有放淤固堤措施可有效解決堤身和堤基問題。規劃首先考慮采取放淤固堤的方法加固堤防，如果占壓村民土地較多，可選截滲墻措施。淤固體的寬度按照基本覆蓋絕大部分管涌出水點考慮，取為100 m；放淤固堤的建設長度和淤固體高度，不同規劃則有所不同。

《專項規劃》安排對下游1 371 km堤防全線進行放淤固堤加固。《重點規劃》和《防洪規劃》根據滲流計算結果、實際滲流表現和堤防重要性確定放淤固堤長度。按滲流計算結果確定平工堤段浸潤線平均坡比為1∶8，險工、老口門堤段為1∶10；滲流實際表現為背河側堤坡出溢點高程一般比臨河側水位低2 m左右，漏洞最高時接近臨河水位。兩者差別很大，究其原因，是常用的堤防滲流計算方法來源于水庫大壩滲流計算方法，將土質假定為均質，利用均質土的滲流系數計算滲流，而堤防與水庫大壩不同，主要表現在堤基處理狀況不同、堤身漫長導致質量控制不如水庫大壩要求高，特別是黃河下游大堤的堤基不僅是處理不如水庫大壩要求高，更重要的是大堤中遺留有眾多老口門堵口時使用的秸木麻磚等。規劃根據堤身滲流實際表現安排堤防加固長度，扣除不需要加固段（沁河口以上）和沁河口以下達標段，《防洪規劃》安排加固堤段1 273 km，之后的《重點規劃》為1 240 km，凡具備放淤固堤條件的，均采取放淤固堤加固。背河側有較大村鎮且無條件搬遷的個別堤段采用截滲墻加固。

淤固體頂部高程按覆蓋滲水出溢點考慮，與設計洪水位持平。

堤防建設的另一重要任務為加高幫寬。加高幫寬后的堤頂高程為設計洪水對應的2000年水位加超高，超高一般為波浪爬高、風壅增水高及安全加高之和，沁河口至高村堤段還要考慮將花園口22 000 m3/s以上洪水演進至渠村分洪閘的需求。經分析，沁河口以上河段超高為2.5 m，沁河口至高村段為3.0 m，高村至艾山段為2.5 m，艾山以下河段為2.1 m。

加高幫寬后堤頂寬度的確定，主要考慮堤身穩定要求及防汛搶險、料物儲存、交通運輸、工程管理等因素。考慮到臨黃大堤屬于特別重要的超Ⅰ級堤防，設計頂寬采用12 m。堤防臨、背河邊坡坡比為1∶3.0。《專項規劃》安排加高幫寬堤段長1 151 km；《防洪規劃》進一步分析了當時堤防斷面與設計堤防斷面的差別，安排加高幫寬1 191 km，其中加高598 km；之后的《重點規劃》安排加高幫寬1 109 km，其中加高27 km。

同時安排對135處共5 279道壩垛護岸、長310 km的險工進行改建。改建設計標準為：工程級別與所在堤防相同，頂部高程比堤頂高程低1 m，根石臺與3 000 m3/s流量對應水位持平；根據穩定性和石料儲備、防汛搶險需求，壩體頂寬15 m，坦石裹護部位邊坡坡比為1∶1.3，非裹護部位為1∶2.0，坦石頂寬1 m，外坡坡比為1∶1.5；根石臺頂寬2～3 m，內坡坡比為1∶1.3，外坡坡比為1∶1.5，平均深12 m。

規劃堤防附屬工程主要包括：根據小浪底水庫下游河道在一定時期不淤積升高的情況，將堤頂的防汛道路由土質路面改建為瀝青碎石路面；在平工段栽植30～50 m寬的防浪林；在淤固體頂部栽植適生林，在堤頂種植適合當地的行道林。

2003年黃河水利委員會把上述規劃的堤防概括為標準化堤防，建成以后將形成下游的防洪安全保障線、搶險交通線和生態景觀線。

3 標準化堤防的再論證

規劃安排的黃河下游防洪工程項目（標準化堤防是其中最重要的內容）需要進行深入的可行性研究等前期工作才能立項。黃河下游標準化堤防經過了黃河下游2001—2005年防洪工程建設可行性研究，1999—2004年6個年度防洪工程建設初步設計，亞行貸款項目黃河下游防洪工程建設可行性研究及劃分為5個子項目的初步設計，2005年、2006年和2007年3個年度黃河下游防洪工程建設實施方案，黃河下游近期防洪工程建設可行性研究及初步設計（簡稱“近期項目”），黃河下游防洪工程建設可行性研究及初步設計（簡稱“十三五項目”）等項目論證，其中：可行性研究通過黃河水利委員會（簡稱黃委）初審、水利部規劃設計總院（簡稱水規總院）審查和國家發改委委托中國國際工程咨詢公司評估，1999—2004年6個年度防洪工程建設初步設計由黃委審查批復，實施方案和其他初步設計通過黃委初審、水規總院審查、國家發改委概算評估中心審查和評估概算、水利部批準。近20 a中經歷正式技術審查會46次（不含復審會），其中黃委18次、水利部和國家發改委層次各14次。隨著時間的推進，審查要求越來越高，論證水平也不斷提高，現對標準化堤防的核心技術論證總結如下。

為解決黃河下游大堤堤身和堤基各個時期建設的用料、質量不一，存在嚴重險點隱患問題，一是全面調查歷史決堤口門分布情況和近期靠水堤段的出險情況，并建立數據庫；二是利用電測法對部分堤段堤身存在的裂縫、漏洞、不均勻體等安全隱患進行普查；三是按照《堤防設計規范》（以下簡稱規范）要求每間隔1 000 m布置1個鉆孔、每間隔5 000 m布置1個勘探斷面，在勘探過程中對部分鉆孔進行注水試驗，根據注入水滲漏情況判別堤身土的均勻情況。

險情調查結果表明，未經放淤固堤加固的大部分堤段靠水后，背河側堤坡滲水嚴重，出溢點一般比臨河側水位低2～3 m；背河側地面管涌成群狀出現，大部分距大堤坡腳80～100 m，個別可達300 m。勘探試驗結果表明，堤身以砂壤土為主，土質不均，夾有粉砂透鏡體，部分堤段有粉砂層，干密度一般為1.34～1.45 g/cm3，遠低于要求值，黏粒含量也遠小于規范要求；堤基以粉砂為主，砂壤土、壤土互層，夾雜細砂透鏡體，透水性強；32組注水試驗中全部漏失和嚴重漏失的有23組，其余9組持水能力很差，主要原因是堤身土質疏松，堤身裂縫、漏洞多，堤基滲漏水嚴重。地質物探、勘探試驗和堤防臨水時表現基本一致。

在規劃階段發現，利用規范規定的滲流計算方法所得黃河下游堤防允許出溢比降與實際表現不一致，在進一步前期工作論證時逐步解決了這個問題。

土體在滲流作用下發生破壞，因土體顆粒級配和土體結構的不同，存在流土、管涌、接觸沖刷、接觸流失4種破壞形式。第一種是在上升的滲流作用下，表層為黏性土與其他細粒土組成的土體或較均勻的粉細砂層中，局部土體表面隆起、頂穿，或者不均勻的砂層中粗細顆粒同時浮動而流失。第二種是土體中細顆粒在滲流作用下，由骨架孔隙通道流失，稱為管涌，主要發生在砂礫石地基中。規范給出了前兩種的滲流計算方法，后面兩種則沒有。勘探試驗表明，黃河下游大堤堤身、堤基土質主要為壤土、砂壤土、黏土及粉細砂，不均勻系數一般不大于5，堤身和堤基沒有類似砂礫石骨架形成的管涌條件，因此“近期項目”及其以前的前期工作采用第一種方法計算滲流。

黃河下游堤身土體的洞穴與孔洞中的水流多為管狀流，各種裂縫中的水流多為網狀流，各種裂縫多與孔洞、洞穴貫通，其水流狀態十分復雜。堤基老口門往往產生管狀流。黃河下游堤防堤身、堤基土特殊的結構情況，造成黃河堤防險情主要表現為管涌，部分險情為嚴重滲水，破壞性質遠較規范指出的流土和管涌破壞嚴重，因此“近期項目”及其以前的前期工作分析計算的允許出溢比降與實際不符。

受目前技術手段限制，規范雖然沒有明確類似黃河下游堤防滲透破壞允許比降的計算方法，但強調應根據土層的地質條件進行選擇或進行綜合比較。為解決上述問題，綜合分析黃河下游堤防出險的實際情況，采用現狀堤身斷面及巖土力學指標、發生險情位置的上下游水位，反演發生的險情，得出允許出逸比降，取得與實際吻合的計算方法和參數，為標準化堤防論證提供了重要的理論支撐。

4 標準化堤防的建設

黃河下游防洪工程由黃委代水利部管理，黃委下設的河南和山東兩個黃河河務局均下設市（地）黃河河務局，市（地）河務局下設市（縣）黃河河務局，市（縣）黃河河務局下設河務段，分別管轄行政區域內的防洪工程。除“近期項目”中部分堤段和“十三五項目”中黃河下游標準化堤防建設外，由各個市（地）河務局作為項目法人，“近期項目”中部分堤段和“十三五項目”中堤段由河南和山東黃河河務局下設的黃河下游防洪工程建設管理中心作為項目法人。按照項目法人制、招投標制、監理制，項目法人與中標企業簽訂合同，建設黃河下游標準化堤防。

主體工程施工以機械為主、人工為輔。

（1）加高幫寬。平工段一般在臨河側幫寬，險工段一般在背河側幫寬。開挖和回填均采用機械施工，壓實以拖拉機碾壓為主，輔以邊夯。筑堤用土采用壤土，結合黃河土料實際，黏粒含量不得小于3%，不準使用未經風化的干淤土塊、稀淤軟泥、腐植土、凍土，不得摻有草根、磚、石等雜質。填筑土料壓實度不小于0.94，同時滿足壓實干密度不小于1.5 t/m3。

（2）放淤固堤。施工時進行淤積清基和放淤體覆蓋的堤防清坡，清基清坡土方放置在淤區附近。利用挖泥船、高壓水槍分別開挖主河槽和嫩灘（邊灘）泥沙，利用組合泵（大小泵組合）輸送至淤區淤積。放淤完成后，再利用機械運輸清基清坡土方或者其他灘區耕作土方進行包邊蓋頂，植樹種草，蓋頂厚0.5 m，包邊水平厚1 m。

放淤最小排距為0.5 km左右，最大為10 km左右。施工時根據淤筑堤段的取土土質、排距、水源情況以及各種淤筑機械的特性、適用條件，選用適宜的施工方法。

如果排距較大，取土場位于過水河槽內，采用挖泥船施工；取土場位于靠水的邊灘時，采用挖泥船或組合泵施工；取土場位于嫰灘時，采用組合泵施工。施工時依靠鉸刀或高壓水槍沖擊河床或灘地土質，形成含沙量很高的泥漿，利用泥漿泵抽吸泥漿。

排距較小時直接用泥漿泵輸送至淤區。排距較大時，采取大泵、小泵接力組合方式，利用小泥漿泵輸送至集漿池，再由大泥漿泵集中將泥漿遠距離輸送到淤區。大小泵接力組合方式通常為1臺大泵配9臺4PNL-250或6臺6PNL-265小泥漿泵，大泵的位置要根據施工段的具體情況一次到位。集漿池布設于灘面上，排泥管布置力求平順，以減小排距。

淤區采用分塊（條）交替淤筑方式，以利于泥沙沉淀固結。為使淤區保持平整，排泥管出口設分水支管，并根據淤筑情況不斷調整出泥口位置。退水口高程應隨著淤面的抬高不斷調整，以保證淤區退水通暢，并控制退水含沙量一般不超過3 kg/m3。

5 標準化堤防的巨大作用與意義

標準化堤防建設除加高幫寬和臨水險工改建外，重要任務是利用挖泥船、高壓水槍挖去主槽和嫰灘淤積的泥沙，利用泥漿泵將泥沙輸送到堤防背河側，沉積下來加固堤防。近20 a來，完成土方填筑約5.4億m3，石方約380萬m3，植樹約1 600萬株，以及1 371 km的堤頂路面瀝青碎石硬化，形成了堤頂寬12 m、淤固體頂寬100 m（局部段80 m）、險工基本穩定、淤固體頂部適生林帶、堤頂瀝青碎石硬化的標準化堤防。

標準化堤防基本消除了堤身土質差、透鏡體密布和裂縫洞穴多可能造成的堤防決口險情，基本消除了堤基透鏡體密布、老口門多和近堤坑塘多可能造成的堤防決口險情，且主流頂沖堤防造成堤防坍塌后退時，可為搶險提供較寬闊的場地和爭取較長的搶險時間，頂部適生林還可以為搶險提供較多的料物。淤固體頂部的適生林可以阻擋大風帶起的黃河泥沙，減小風沙對背河側的影響，大大改善了當地生態環境。堤頂硬化道路可以使堤防搶險交通狀況大為改善，可以更及時地投入搶險，防止小險擴大為大險，保障大險有效搶護。形成了黃河下游相對地下河的雛形，降低了“地上懸河”的洪災風險和防洪壓力。

標準化堤防形成的防洪保障線、生態景觀線、搶險交通線對保證今后100～200 a黃河下游防洪安全、保證華北平原經濟社會穩定發展、改善黃河下游兩岸生態環境具有巨大意義，黃河下游標準化堤防將流芳千古。