黄河下游标准化堤防的论证与形成

李文家，李 焯

（1.黄河水利委员会，河南 郑州450003；2.黄河水利委员会 水文局，河南 郑州 450004）

黄河因水少沙多、水沙关系不协调的特殊河情，在堤防约束水流后，导致黄河下游河道在两岸堤防建成不长的时间里就成为高悬于华北平原之上的悬河。随着河床淤积升高，堤防防洪能力降低，加上主流顶冲以沙质土为主体的土堤，难以防守。据记载，公元前602年至1938年，黄河堤防决口的年份有543 a，改道26次，大的迁徙5次，在32万km2的华北平原上肆意泛滥。每次决口，水沙俱下，洪水淹没，泥沙淤高，给中华民族带来巨大的灾难。

20世纪50年代以后，通过大量的调查研究，对黄河堤防决口成因及特点的认识水平大为提高。黄河下游防洪由单一的堤防建设，转向在下游建设堤防、控导工程，开辟滞洪区，在中游建设水库工程，在黄土高原地区开展水土保持，保证了黄河下游大堤70 a伏秋大汛没有决口。

黄河下游堤防是防洪的第一道屏障，是华北平原乃至国家经济社会稳定发展和生态安全的保障线。1949年以来进行了4期黄河下游堤防建设，逐步形成了防洪保障线、抢险交通线、生态景观线的标准化堤防。笔者有幸作为主要技术负责人参与了黄河下游标准化堤防论证与建设的全过程。

1 标准化堤防建设的背景

在每次黄河大改道后，需要重新建设改道段的堤防，形成新的河道。两次改道之间，根据河道淤积情况，加高培厚堤防，并对决口口门进行堵复，尽量延长新河道的行河年限。

1855年在铜瓦厢决口改道后，黄河由在江苏清江入黄海改为在山东利津入渤海，至1880年前后形成完整堤防［1］。从1949年中华人民共和国成立至标准化堤防开工建设前，对现状长1 371 km的临黄大堤进行了3期大规模的加高加培和134处（5 369道坝垛，总长311.3 km）险工的改建。

第一期建设从1950年开始至1957年主体工程建设完成［2］。该时期黄河下游堤防按照防御花园口站25 000 m3/s、高村 18 500 m3/s、孙口 10 800 m3/s、孙口以下约9 000 m3/s洪水设计，堤顶高程比当时的水位高2～3 m，顶宽5～10 m，边坡坡比为1 ∶2.5～1 ∶3.0，完成土方1.4亿m3。

第二期建设从1962年开始至1965年主体工程建设完成。该时期黄河下游堤防按照防御花园口站22 000 m3/s、高村 18 400 m3/s、孙口 16 200 m3/s、孙口以下约13 000 m3/s洪水设计，堤顶高程比当时的水位高2.1～3.0 m，顶宽7～11 m，边坡坡比为1∶2.5～1∶3.0，按浸润线1∶8检查，断面不足的加后戗或者前戗，完成土方0.5亿m3。

第三期建设从1974年开始至1983年主体工程建设完成。该时期黄河下游堤防按照防御花园口站22 000 m3/s、高村 20 000 m3/s、孙口 17 500 m3/s、孙口以下11 000 m3/s（经东平湖滞洪区分洪后，并考虑平阴和长清县山区洪水加入）洪水设计，堤顶高程比当时的水位高2.1～3.0 m，顶宽7～12 m，边坡坡比为1∶2.5～1∶3，浸润线按险工段 1∶8、平工段 1∶7检查，断面不足的加后戗或前戗；全线进行压力灌浆；根据资金情况，淤区顶宽按平工段30～50 m、险工段50～100 m，进行了部分堤段放淤固堤实践，完成土方2.0亿m3。

在堤防建设的同时，对保护堤防兼有控导河势的险工进行了改建。第一期改建时将历史上的埽料防护改为石料防护，之后均采用石料防护。

标准化堤防建设前的黄河堤防主要存在以下问题：一是受建设时技术、设备和社会环境等条件的限制，各时期修筑的老堤普遍存在用料不一、压实度不一的问题。二是建设堤防时用的土料多是附近的砂壤土、粉细砂，渗透系数大，抗水流冲刷和风浪淘刷能力弱，局部用黏土修筑的堤防，因堤防长期不靠水而形成大量干缩裂缝。据2000年9月对黄河下游开封段堤防探测结果，在39.3 km的堤段内就发现各种隐患148处，其中裂缝108处、不均匀体40处。三是黄河下游堤基复杂，特别是老口门堤基有390多处，在堵口时将大量的秸料、木桩、麻料、砖石料等埋于堤身下，形成强透水层，口门背河侧有潭坑和洼地。

上述问题，造成遇洪水时临水大堤段背河侧地面管涌众多，背河侧堤坡渗水严重，有的管涌距堤脚超过300 m，给堤防带来重大险情，稍有不慎一般洪水也可能造成堤防决口。1997年和1998年进行的1∶1原型堵漏实战演习中，在人员、料物、设备齐全的情况下，经全力抢护，也没有堵住模拟口门。

2 标准化堤防的提出

标准化堤防是对堤防规划的主要建设措施和建成后效果的完美概括。进入21世纪前后，针对黄河下游堤防建设，编制了《黄河流域治理专项工程建设规划》［3］（以下简称《专项规划》）、《黄河近期重点开发规划》［4］（国务院国函［2002］61 号文批复，以下简称《重点规划》）、《黄河流域防洪规划》［5］（国务院国函［2008］63号文批复，以下简称《防洪规划》）。这3份规划继承性地论证了黄河下游堤防设计防洪流量、设计防洪水位和主要建设措施。

黄河下游临黄大堤保护范围约为12万km2，人口约为7 800万人，耕地1.1亿亩（15亩＝1 hm2）。根据国家《防洪标准》和《堤防设计规范》，规划对黄河下游堤防逐段复核，各段大堤等级均为远超Ⅰ级，简称超级堤防。按防御花园口22 000 m3/s洪水设计，经中游地区小浪底、三门峡、陆浑、故县水库联合防洪运用和河道洪水演进后，大堤沿程设计防洪流量分别为高村20 000 m3/s、孙口17 500 m3/s，然后在东平湖滞洪区防洪运用和河道洪水演进后，并考虑长清、平阴山区洪水加入，以下河段设计防洪流量为11 000 m3/s。采用2000年水平的设计洪水位作为规划总体布置方案的依据，因小浪底水库建成后可以保证下游河床20 a左右不淤积升高，故按此标准建设可以保证下游堤防20 a内满足需求。

20世纪50至90年代进行的3期大规模堤防建设，主要是解决堤防高度问题，堤身质量差，裂缝、加塞、狐獾洞穴、堤基复杂、老口门隐患等对堤防安全威胁最严重的问题并没有得到有效解决。小浪底水库的建成可使下游河道20 a左右不淤积升高，为解决堤防质量问题争取了时间。在第三期堤防建设中，曾经采用放淤固堤、后戗、前戗、压力灌浆以及截渗墙等措施，长期的实践表明，只有放淤固堤措施可有效解决堤身和堤基问题。规划首先考虑采取放淤固堤的方法加固堤防，如果占压村民土地较多，可选截渗墙措施。淤固体的宽度按照基本覆盖绝大部分管涌出水点考虑，取为100 m；放淤固堤的建设长度和淤固体高度，不同规划则有所不同。

《专项规划》安排对下游1 371 km堤防全线进行放淤固堤加固。《重点规划》和《防洪规划》根据渗流计算结果、实际渗流表现和堤防重要性确定放淤固堤长度。按渗流计算结果确定平工堤段浸润线平均坡比为1∶8，险工、老口门堤段为1∶10；渗流实际表现为背河侧堤坡出溢点高程一般比临河侧水位低2 m左右，漏洞最高时接近临河水位。两者差别很大，究其原因，是常用的堤防渗流计算方法来源于水库大坝渗流计算方法，将土质假定为均质，利用均质土的渗流系数计算渗流，而堤防与水库大坝不同，主要表现在堤基处理状况不同、堤身漫长导致质量控制不如水库大坝要求高，特别是黄河下游大堤的堤基不仅是处理不如水库大坝要求高，更重要的是大堤中遗留有众多老口门堵口时使用的秸木麻砖等。规划根据堤身渗流实际表现安排堤防加固长度，扣除不需要加固段（沁河口以上）和沁河口以下达标段，《防洪规划》安排加固堤段1 273 km，之后的《重点规划》为1 240 km，凡具备放淤固堤条件的，均采取放淤固堤加固。背河侧有较大村镇且无条件搬迁的个别堤段采用截渗墙加固。

淤固体顶部高程按覆盖渗水出溢点考虑，与设计洪水位持平。

堤防建设的另一重要任务为加高帮宽。加高帮宽后的堤顶高程为设计洪水对应的2000年水位加超高，超高一般为波浪爬高、风壅增水高及安全加高之和，沁河口至高村堤段还要考虑将花园口22 000 m3/s以上洪水演进至渠村分洪闸的需求。经分析，沁河口以上河段超高为2.5 m，沁河口至高村段为3.0 m，高村至艾山段为2.5 m，艾山以下河段为2.1 m。

加高帮宽后堤顶宽度的确定，主要考虑堤身稳定要求及防汛抢险、料物储存、交通运输、工程管理等因素。考虑到临黄大堤属于特别重要的超Ⅰ级堤防，设计顶宽采用12 m。堤防临、背河边坡坡比为1∶3.0。《专项规划》安排加高帮宽堤段长1 151 km；《防洪规划》进一步分析了当时堤防断面与设计堤防断面的差别，安排加高帮宽1 191 km，其中加高598 km；之后的《重点规划》安排加高帮宽1 109 km，其中加高27 km。

同时安排对135处共5 279道坝垛护岸、长310 km的险工进行改建。改建设计标准为：工程级别与所在堤防相同，顶部高程比堤顶高程低1 m，根石台与3 000 m3/s流量对应水位持平；根据稳定性和石料储备、防汛抢险需求，坝体顶宽15 m，坦石裹护部位边坡坡比为1∶1.3，非裹护部位为1∶2.0，坦石顶宽1 m，外坡坡比为1∶1.5；根石台顶宽2～3 m，内坡坡比为1∶1.3，外坡坡比为1∶1.5，平均深12 m。

规划堤防附属工程主要包括：根据小浪底水库下游河道在一定时期不淤积升高的情况，将堤顶的防汛道路由土质路面改建为沥青碎石路面；在平工段栽植30～50 m宽的防浪林；在淤固体顶部栽植适生林，在堤顶种植适合当地的行道林。

2003年黄河水利委员会把上述规划的堤防概括为标准化堤防，建成以后将形成下游的防洪安全保障线、抢险交通线和生态景观线。

3 标准化堤防的再论证

规划安排的黄河下游防洪工程项目（标准化堤防是其中最重要的内容）需要进行深入的可行性研究等前期工作才能立项。黄河下游标准化堤防经过了黄河下游2001—2005年防洪工程建设可行性研究，1999—2004年6个年度防洪工程建设初步设计，亚行贷款项目黄河下游防洪工程建设可行性研究及划分为5个子项目的初步设计，2005年、2006年和2007年3个年度黄河下游防洪工程建设实施方案，黄河下游近期防洪工程建设可行性研究及初步设计（简称“近期项目”），黄河下游防洪工程建设可行性研究及初步设计（简称“十三五项目”）等项目论证，其中：可行性研究通过黄河水利委员会（简称黄委）初审、水利部规划设计总院（简称水规总院）审查和国家发改委委托中国国际工程咨询公司评估，1999—2004年6个年度防洪工程建设初步设计由黄委审查批复，实施方案和其他初步设计通过黄委初审、水规总院审查、国家发改委概算评估中心审查和评估概算、水利部批准。近20 a中经历正式技术审查会46次（不含复审会），其中黄委18次、水利部和国家发改委层次各14次。随着时间的推进，审查要求越来越高，论证水平也不断提高，现对标准化堤防的核心技术论证总结如下。

为解决黄河下游大堤堤身和堤基各个时期建设的用料、质量不一，存在严重险点隐患问题，一是全面调查历史决堤口门分布情况和近期靠水堤段的出险情况，并建立数据库；二是利用电测法对部分堤段堤身存在的裂缝、漏洞、不均匀体等安全隐患进行普查；三是按照《堤防设计规范》（以下简称规范）要求每间隔1 000 m布置1个钻孔、每间隔5 000 m布置1个勘探断面，在勘探过程中对部分钻孔进行注水试验，根据注入水渗漏情况判别堤身土的均匀情况。

险情调查结果表明，未经放淤固堤加固的大部分堤段靠水后，背河侧堤坡渗水严重，出溢点一般比临河侧水位低2～3 m；背河侧地面管涌成群状出现，大部分距大堤坡脚80～100 m，个别可达300 m。勘探试验结果表明，堤身以砂壤土为主，土质不均，夹有粉砂透镜体，部分堤段有粉砂层，干密度一般为1.34～1.45 g/cm3，远低于要求值，黏粒含量也远小于规范要求；堤基以粉砂为主，砂壤土、壤土互层，夹杂细砂透镜体，透水性强；32组注水试验中全部漏失和严重漏失的有23组，其余9组持水能力很差，主要原因是堤身土质疏松，堤身裂缝、漏洞多，堤基渗漏水严重。地质物探、勘探试验和堤防临水时表现基本一致。

在规划阶段发现，利用规范规定的渗流计算方法所得黄河下游堤防允许出溢比降与实际表现不一致，在进一步前期工作论证时逐步解决了这个问题。

土体在渗流作用下发生破坏，因土体颗粒级配和土体结构的不同，存在流土、管涌、接触冲刷、接触流失4种破坏形式。第一种是在上升的渗流作用下，表层为黏性土与其他细粒土组成的土体或较均匀的粉细砂层中，局部土体表面隆起、顶穿，或者不均匀的砂层中粗细颗粒同时浮动而流失。第二种是土体中细颗粒在渗流作用下，由骨架孔隙通道流失，称为管涌，主要发生在砂砾石地基中。规范给出了前两种的渗流计算方法，后面两种则没有。勘探试验表明，黄河下游大堤堤身、堤基土质主要为壤土、砂壤土、黏土及粉细砂，不均匀系数一般不大于5，堤身和堤基没有类似砂砾石骨架形成的管涌条件，因此“近期项目”及其以前的前期工作采用第一种方法计算渗流。

黄河下游堤身土体的洞穴与孔洞中的水流多为管状流，各种裂缝中的水流多为网状流，各种裂缝多与孔洞、洞穴贯通，其水流状态十分复杂。堤基老口门往往产生管状流。黄河下游堤防堤身、堤基土特殊的结构情况，造成黄河堤防险情主要表现为管涌，部分险情为严重渗水，破坏性质远较规范指出的流土和管涌破坏严重，因此“近期项目”及其以前的前期工作分析计算的允许出溢比降与实际不符。

受目前技术手段限制，规范虽然没有明确类似黄河下游堤防渗透破坏允许比降的计算方法，但强调应根据土层的地质条件进行选择或进行综合比较。为解决上述问题，综合分析黄河下游堤防出险的实际情况，采用现状堤身断面及岩土力学指标、发生险情位置的上下游水位，反演发生的险情，得出允许出逸比降，取得与实际吻合的计算方法和参数，为标准化堤防论证提供了重要的理论支撑。

4 标准化堤防的建设

黄河下游防洪工程由黄委代水利部管理，黄委下设的河南和山东两个黄河河务局均下设市（地）黄河河务局，市（地）河务局下设市（县）黄河河务局，市（县）黄河河务局下设河务段，分别管辖行政区域内的防洪工程。除“近期项目”中部分堤段和“十三五项目”中黄河下游标准化堤防建设外，由各个市（地）河务局作为项目法人，“近期项目”中部分堤段和“十三五项目”中堤段由河南和山东黄河河务局下设的黄河下游防洪工程建设管理中心作为项目法人。按照项目法人制、招投标制、监理制，项目法人与中标企业签订合同，建设黄河下游标准化堤防。

主体工程施工以机械为主、人工为辅。

（1）加高帮宽。平工段一般在临河侧帮宽，险工段一般在背河侧帮宽。开挖和回填均采用机械施工，压实以拖拉机碾压为主，辅以边夯。筑堤用土采用壤土，结合黄河土料实际，黏粒含量不得小于3%，不准使用未经风化的干淤土块、稀淤软泥、腐植土、冻土，不得掺有草根、砖、石等杂质。填筑土料压实度不小于0.94，同时满足压实干密度不小于1.5 t/m3。

（2）放淤固堤。施工时进行淤积清基和放淤体覆盖的堤防清坡，清基清坡土方放置在淤区附近。利用挖泥船、高压水枪分别开挖主河槽和嫩滩（边滩）泥沙，利用组合泵（大小泵组合）输送至淤区淤积。放淤完成后，再利用机械运输清基清坡土方或者其他滩区耕作土方进行包边盖顶，植树种草，盖顶厚0.5 m，包边水平厚1 m。

放淤最小排距为0.5 km左右，最大为10 km左右。施工时根据淤筑堤段的取土土质、排距、水源情况以及各种淤筑机械的特性、适用条件，选用适宜的施工方法。

如果排距较大，取土场位于过水河槽内，采用挖泥船施工；取土场位于靠水的边滩时，采用挖泥船或组合泵施工；取土场位于嫰滩时，采用组合泵施工。施工时依靠铰刀或高压水枪冲击河床或滩地土质，形成含沙量很高的泥浆，利用泥浆泵抽吸泥浆。

排距较小时直接用泥浆泵输送至淤区。排距较大时，采取大泵、小泵接力组合方式，利用小泥浆泵输送至集浆池，再由大泥浆泵集中将泥浆远距离输送到淤区。大小泵接力组合方式通常为1台大泵配9台4PNL-250或6台6PNL-265小泥浆泵，大泵的位置要根据施工段的具体情况一次到位。集浆池布设于滩面上，排泥管布置力求平顺，以减小排距。

淤区采用分块（条）交替淤筑方式，以利于泥沙沉淀固结。为使淤区保持平整，排泥管出口设分水支管，并根据淤筑情况不断调整出泥口位置。退水口高程应随着淤面的抬高不断调整，以保证淤区退水通畅，并控制退水含沙量一般不超过3 kg/m3。

5 标准化堤防的巨大作用与意义

标准化堤防建设除加高帮宽和临水险工改建外，重要任务是利用挖泥船、高压水枪挖去主槽和嫰滩淤积的泥沙，利用泥浆泵将泥沙输送到堤防背河侧，沉积下来加固堤防。近20 a来，完成土方填筑约5.4亿m3，石方约380万m3，植树约1 600万株，以及1 371 km的堤顶路面沥青碎石硬化，形成了堤顶宽12 m、淤固体顶宽100 m（局部段80 m）、险工基本稳定、淤固体顶部适生林带、堤顶沥青碎石硬化的标准化堤防。

标准化堤防基本消除了堤身土质差、透镜体密布和裂缝洞穴多可能造成的堤防决口险情，基本消除了堤基透镜体密布、老口门多和近堤坑塘多可能造成的堤防决口险情，且主流顶冲堤防造成堤防坍塌后退时，可为抢险提供较宽阔的场地和争取较长的抢险时间，顶部适生林还可以为抢险提供较多的料物。淤固体顶部的适生林可以阻挡大风带起的黄河泥沙，减小风沙对背河侧的影响，大大改善了当地生态环境。堤顶硬化道路可以使堤防抢险交通状况大为改善，可以更及时地投入抢险，防止小险扩大为大险，保障大险有效抢护。形成了黄河下游相对地下河的雏形，降低了“地上悬河”的洪灾风险和防洪压力。

标准化堤防形成的防洪保障线、生态景观线、抢险交通线对保证今后100～200 a黄河下游防洪安全、保证华北平原经济社会稳定发展、改善黄河下游两岸生态环境具有巨大意义，黄河下游标准化堤防将流芳千古。