馮敬敬,何文社,袁 龍
(1.濰坊濱海經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)區(qū) 農(nóng)林水利局,山東 濰坊 262737;2.蘭州交通大學(xué) 土木工程學(xué)院,甘肅 蘭州 730070)
蘭渝鐵路是跨越甘川渝三省市的交通大動(dòng)脈,是連結(jié)西北、西南等地區(qū)的重要通道.該鐵路位于甘肅、四川、陜西及重慶境內(nèi),北起蘭州樞紐,向南經(jīng)甘肅的榆中、渭源、漳縣、岷縣、宕昌、隴南后通過(guò)陜西省邊界進(jìn)入四川省,經(jīng)廣元、蒼溪、閬中、南部、南充、武勝后,經(jīng)合川接入重慶樞紐,正線全長(zhǎng)820 km.在蘭州市區(qū)段擬建南坡坪、楊家灣黃河特大橋.其中楊家灣特大橋位于青白石鄉(xiāng)楊家灣村,全橋采用高架全橋渡方式跨越,橋梁全長(zhǎng)1 437 m.橋梁孔跨式樣采用3-32 m+(40+2×64+40)m連續(xù)梁+32-32 m+3-24 m后張法混凝土連續(xù)梁,其中跨越主河槽采用一聯(lián)(40+2×64+40)m連續(xù)梁(物理模型試驗(yàn)時(shí),由于有的橋墩對(duì)水流沒(méi)有影響,故模型試驗(yàn)中只模擬了26跨).橋址距上游蘭州水文站13.0 km,距下游包蘭鐵路東崗鎮(zhèn)黃河橋0.6 km,橋梁法線與主流的夾角約25°.橋位處主河槽寬度約250 m,河床由卵石、砂卵石、沙壤土組成.
鑒于楊家灣黃河特大橋的特殊地理位置,必須對(duì)其防洪影響做出評(píng)價(jià).對(duì)此,采用了能更好反映原型河道建橋后防洪影響的河工模型試驗(yàn).
黃河蘭州段位于蘭州盆地,西起西柳溝,東至桑園峽,呈東西走向,河段全長(zhǎng)44.84 km.其中桑園峽所處河段為黃河蘭州段最窄的峽口斷面,其寬度只有120 m,較平均河寬350 m縮窄了230 m,在此峽口河段形成卡口,發(fā)生洪水時(shí)易造成上游河段壅水,是黃河蘭州段洪水排泄不暢的主要原因[1-2].
根據(jù)黃河蘭州水文站歷年統(tǒng)計(jì)資料,黃河水面比降為0.7‰~1.3‰.河段枯水流量540 m3/s,平均流量1 000 m3/s,造床流量3 000 m3/s,百年一遇流量6 500 m3/s.1964年劉家峽水電站建成后,黃河懸移質(zhì)中細(xì)粒徑為0.021 mm,平均粒徑為0.033 mm,懸移質(zhì)顆粒級(jí)配中d>0.5 mm的粗沙占懸移質(zhì)總量的0.1%,每年約5.11萬(wàn)t,合2.84萬(wàn)m3.
根據(jù)楊家灣特大橋河床主槽9個(gè)鉆孔資料加權(quán)平均得到河床泥沙平均粒徑為46.1 mm,各特征粒徑為:d95=170 mm,d75=65 mm,d50=26.5 mm,d25=5.4 mm,dcp=46.3 mm,γs=2.74 kg/m3.
黃河蘭州段縱穿蘭州市城區(qū),地質(zhì)構(gòu)造條件較好.《蘭州市市區(qū)防洪規(guī)劃》對(duì)蘭州市區(qū)段的26個(gè)斷面的沖淤進(jìn)行了對(duì)比分析,統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明,除小部分河段航道疏浚使河道的局部水深有一定變化外,大部分河段沖淤基本平衡,且受山體地質(zhì)條件的約束,中山橋附近的上、下游河段未因歷史上發(fā)生特大洪水而發(fā)生明顯的改道和變遷.由蘭州水文站歷年水文斷面套繪圖(圖1)可以看出,1967年到1987年汛前河道處于淤積狀態(tài).黃河大堤修整后,河道斷面沖淤變化不大.2006年與2000年比較,平均淤積厚度0.10 m,河道處于基本沖淤平衡狀態(tài)[3].
圖1 蘭州水文站歷年水文斷面套繪圖Fig.1 Drawing of hydrologic section by calendar year of Lanzhou city
依據(jù)幾何相似、水流運(yùn)動(dòng)相似、泥沙運(yùn)動(dòng)相似以及河型相似等條件,進(jìn)行了模型設(shè)計(jì)[4-5].模型所選用比尺列于表1.
表1 模型比尺Tab.1 River model scales
試驗(yàn)?zāi)P蜕尺x用寧夏大武口洗煤廠精煤屑.實(shí)體模型按2000年蘭州市河道地形圖制作,長(zhǎng)30 m,寬9 m,布置在試驗(yàn)所用的混凝土場(chǎng)地上.在驗(yàn)證試驗(yàn)過(guò)程中,整個(gè)試驗(yàn)河道全部采用動(dòng)床模型,部分較陡峭的河岸采用定床模型.試驗(yàn)選用黃河蘭州水文站1981年的實(shí)測(cè)洪水過(guò)程,按同倍比放大到百年一遇的洪水過(guò)程,并分段進(jìn)行概化.按比例換算實(shí)際斷面的水位、流速與地形,結(jié)合尾門控制模型,保證模型水位與原型水位從中小流到大流基本吻合;套繪模型斷面流速分布與對(duì)應(yīng)原型斷面流速分布圖,驗(yàn)證模型斷面流速分布;并通過(guò)河床沖淤變化試驗(yàn)驗(yàn)證得出,當(dāng)λqs=30,λt2=480時(shí)模型與原形相似良好.綜上所述,模型在水流運(yùn)動(dòng)相似即河床沖淤變化等諸多方面均滿足試驗(yàn)要求,采用該模型預(yù)報(bào)未來(lái)是可靠的[6].
試驗(yàn)方案分建橋前及建橋后兩種.流量過(guò)程按清水沖刷以及加沙過(guò)程施放.
橋梁的修建縮小了過(guò)水面積,將使得橋梁上游產(chǎn)生壅水.模型試驗(yàn)重點(diǎn)研究了由橋墩壓縮水流產(chǎn)生的壅水.在百年一遇流量6 500 m3/s時(shí),橋墩的阻水面積達(dá)到9.15%,橋前的最大壅水高度為18 cm,壅水范圍為1 300 m.從最大壅水?dāng)嗝嬷翗蚩讌^(qū)段,水面下降產(chǎn)生跌水,跌水高度為9 cm,之后恢復(fù)到建橋前水位.
從測(cè)量結(jié)果看,壅水對(duì)防洪影響不是很明顯,其原因?yàn)?(1)此段河道由于受桑園峽的影響,即使在建橋前當(dāng)流量超過(guò)3 000 m3/s時(shí)便開(kāi)始出現(xiàn)壅水,但隨流量的增大,回水影響范圍亦逐漸增大.當(dāng)達(dá)到百年一遇流量6 500 m3/s時(shí),其回水范圍長(zhǎng)達(dá)1.2 km.相對(duì)于洪水時(shí)桑園峽的壅水來(lái)看,建橋后的壅水對(duì)該河段的影響不大.(2)由于擬建楊家灣特大橋采取高架全橋渡方式跨越,河灘上沒(méi)有路堤,故橋梁沒(méi)有壓縮河道,只有橋墩產(chǎn)生阻水.
為研究建橋后橋址斷面附近流速的變化,整理了建橋后橋下760 m,橋上150 m,橋上920 m處的斷面水流要素資料(見(jiàn)表2).同時(shí)對(duì)比建橋前流速數(shù)據(jù)得出,在最大流量6 500 m3/s時(shí),建橋前比建橋后橋上150 m處平均流速增大1.01%,平均水深增大2.59%,證明楊家灣特大橋的建設(shè)對(duì)河道的流速無(wú)明顯的影響.
從表2可見(jiàn),斷面流速隨流量的增大而增大,但當(dāng)流量大于3 000 m3/s時(shí),則相反.這主要是由于流量增大到3 000 m3/s后,黃河蘭州段末端的桑園峽開(kāi)始壅水,斷面過(guò)水面積增大,流速相應(yīng)減小,說(shuō)明此段河道的流速受桑園峽壅水的影響比較明顯.
表2 不同流量下斷面水流要素Tab.2 Cross-section flow elements of different discharges
為分析建橋前、后橋址斷面的地形變化,套繪了橋址斷面(橋上游25 m)建橋前與施放清水過(guò)程末以及加沙過(guò)程末的地形對(duì)比圖(見(jiàn)圖2).
從圖2可知,清水過(guò)程末河床以沖刷為主.其中3#橋墩附近高度在3.0~5.4 m的垃圾平臺(tái)被沖走;4#~9#橋墩之間沖刷深度在1.0~6.5 m之間,最大沖深發(fā)生在7#~8#橋墩之間,此處的臨時(shí)田埂被沖掉,沖刷深度在1.0~2.5 m之間;9#~25#橋墩之間沖淤基本平衡,變化范圍大部分在-0.3~0.3 m之間.而加沙過(guò)程末河床沖淤總體基本平衡.3#橋墩附近的垃圾平臺(tái)被沖掉;4#~7#橋墩之間以淤積為主,淤積厚度在0.25~1.35 m之間;7#~10#橋墩之間沖刷較大,最大沖刷深度為6.8 m,此處的臨時(shí)田埂被沖掉;10#~25#橋墩之間沖淤基本平衡,靠近主河槽的11#~17#橋墩之間略有沖刷,12#~22#橋墩之間略有淤積,其變化范圍大部分在-0.4~0.4 m之間.
從圖2可知,7#~10#橋墩之間的地形變化較大,且均為沖刷,說(shuō)明此部分為橋墩阻水后,為不影響泄洪而需要擴(kuò)大的行洪面積部分.黃河通航標(biāo)準(zhǔn)為內(nèi)河V級(jí),通航凈高為10年一遇水位以上不小于8 m,單向通航空凈寬為40 m,主河道走勢(shì)幾乎沒(méi)有變化,主橋墩位置設(shè)置合理,試驗(yàn)證明滿足橋梁通航標(biāo)準(zhǔn)要求.
圖2 清水沖刷及加沙過(guò)程末橋址上游25 m處河床斷面地形Fig.2 Comparison diagram of riverbed profiles after being scoured by clear water and added sand at the place of 25 meters from upstream bridge site
由試驗(yàn)可知,當(dāng)流量從1 000 m3/s變化到6 500 m3/s時(shí),河道主流均從通航孔中通過(guò),說(shuō)明通航孔位置設(shè)置合理.
流量1 000 m3/s時(shí),由于河道長(zhǎng)期受較小流量的沖刷,深泓線比較彎曲,基本在主槽內(nèi)擺動(dòng).而洪水過(guò)程末深泓線變得比較平順.楊家灣特大橋橋上50 m附近洪水后深泓線基本重合;橋下180 m附近,建橋前洪水過(guò)程末深泓線向左偏移50 m,建橋后洪水過(guò)程末深泓線較建橋前向左偏移40 m.另外由于橋墩的導(dǎo)流作用,橋下300 m下游頂沖點(diǎn)上移65 m.
(1)楊家灣特大橋在設(shè)計(jì)百年一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)時(shí),橋梁總跨徑、橋下凈空高度等滿足規(guī)范規(guī)定,行洪是安全的;從河勢(shì)來(lái)看,通航孔設(shè)置位置合理.
(2)由于橋墩的阻水使得河道過(guò)水面積減小,建議對(duì)6#~11#橋墩,尤其是6#~8#橋墩上下游河道進(jìn)行開(kāi)挖疏浚;同時(shí)對(duì)河道右岸的垃圾進(jìn)行清運(yùn).由于橋墩的導(dǎo)流作用,建橋后橋下游主流的頂沖點(diǎn)上移65 m,使右岸產(chǎn)生淤積,而左岸沖刷加大,建議加強(qiáng)此段左岸河堤以及構(gòu)筑物的防護(hù).
(3)橋梁后產(chǎn)生壅水18 cm,建議相關(guān)部門在橋址附近修建濱河路路堤時(shí),考慮對(duì)防洪的不利影響.
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