涇河大橋洪水沖刷與河道演變趨勢分析

胡 娜

（陜西省涇河工程局，陜西 咸陽 713800）

1 概況

為加快高陵縣經(jīng)濟(jì)發(fā)展的步伐，促進(jìn)涇河南北兩岸工業(yè)園區(qū)溝通和交流，擬在高陵縣涇渭鎮(zhèn)店子王村新建涇河大橋一座。路線全長1.167 km，橋梁最大高度27.0 m，橋面高程378.081 m～379.286 m，寬31 m，共23跨，其中跨徑40 m共1跨、30 m共14跨為連續(xù)箱梁，跨徑50 m共8跨為連續(xù)T梁。涇河大橋按100年一遇洪水設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)洪峰流量為15400 m3/s，設(shè)計(jì)洪水位為373.80 m。為確保大橋安全建設(shè)，需對工程區(qū)河道沖刷和河勢發(fā)展趨勢進(jìn)行探討。

2 水沙特性

2.1 水沙特性

涇河為典型的大陸性季風(fēng)區(qū)氣溫和半干燥氣候，年平均氣溫13.3℃，多年平均降水量553.3 mm，降水量年內(nèi)分配不均，年際變化較大，7～10月降水量占全年的60%以上，11～2月降水量僅占全年的5%～8%。年際間變幅在3.0左右。多年平均蒸發(fā)量800～1000 mm。涇河干流下段第四系地層廣泛分布，且沉積厚度及相變有自西向東、由北向南遞增、顆粒由粗變細(xì)的規(guī)律。根據(jù)河道砂石開采和橋梁建設(shè)的鉆孔資料，涇河橋位河段河床組成為：河床上部為粘土和粉細(xì)砂，厚19.0 m左右，中間夾細(xì)砂，厚5.0～8.0 m；河床的下部和主槽為中粗沙及砂卵石，厚度約3～4 m。根據(jù)涇河張家山水文站（1950～2011年）資料統(tǒng)計(jì)，多年平均徑流量16.6億m3、輸沙量2.32億t。年最大輸沙量11.7億t（1933年），最小輸沙量0.324億t（1972年）。

2.2 暴雨洪水特性

涇河流域及周邊地區(qū)地形變化多樣，流域內(nèi)的降雨和雨強(qiáng)分布受大氣環(huán)流和地形等因素的綜合影響。涇河流域暴雨最早發(fā)生在4月份，最遲到10月份，其中量級和強(qiáng)度較大的暴雨一般出現(xiàn)在7～8月份。暴雨分為兩種類型：一是鋒面雨，特點(diǎn)是降雨歷時(shí)長、強(qiáng)度均勻、籠罩面積大；二是雷暴雨，特點(diǎn)是雨量集中、歷時(shí)短、強(qiáng)度大、籠罩面積小。涇河流域一次暴雨歷時(shí)為2～3天，最大暴雨時(shí)段為24小時(shí)左右，其主雨峰約為12小時(shí)。涇河洪水主要由暴雨形成，峰高量大，陡漲陡落。其多發(fā)生在主汛期7～9月份上旬，干流洪水歷時(shí)較短、一般洪水歷時(shí)3～9天，其中主峰歷時(shí)2～3天。張家山水文站實(shí)測最大洪峰流量9200 m3/s(1933年8月8日)。

3 河道演變分析

3.1 歷史河道演變分析

涇河在陜西省境內(nèi)為黃土高原溝壑區(qū)，兩岸從上至下分布有13個(gè)石嘴，控制著涇河干流的走向，從歷史上看，涇河的主流相對穩(wěn)定，河流沖淤變化不大，處于相對沖淤平衡狀態(tài)。涇河大橋?yàn)槠皆秃拥溃瑳芎佑野稙辄S土臺塬，左岸多為平原，自古以來，涇河自涇惠渠渠首穿越峽谷后一直沿右岸臺塬坡腳行洪，基本上右岸為高坎，左岸為灘地，歷年來河勢變化不大，僅在少數(shù)的彎道處有彎頂上提下挫的現(xiàn)象，整個(gè)河勢變化不大，相對穩(wěn)定，沖淤相對平衡。

3.2 近期河道沖淤變化分析

涇河為典型降水補(bǔ)給型河流，洪枯水流量懸殊較大，具有陡漲陡落的特點(diǎn)，根據(jù)張家山水文站實(shí)測資料分析，多年平均流量55.8 m3/s，多年平均含沙量132 kg/m3，多年平均徑流量17.6億m3，多年平均輸沙量為2.32億t。年來沙量隨來水量的增加而加大，一次洪水過程中具有漲沖落淤的特性，水沙比例基本協(xié)調(diào)，一般沙峰較水峰同步或滯后。

為分析三門峽水庫的溯源淤積是否對涇河的沖淤帶來影響，1964年在涇河尾閭段設(shè)置了兩個(gè)淤積監(jiān)測斷面。黃科研、陜西省三門峽庫區(qū)管理局曾多次對渭河下游的沖淤作過分析和論證，三門峽水庫建庫前，渭河下游主槽是一條相對沖淤平衡的河道，而渭南以下的灘面是微淤的；三門峽建成并投入運(yùn)用以來，三門峽庫區(qū)泥沙淤積嚴(yán)重，水庫溯源淤積逐漸向上游發(fā)展，淤積重心逐漸上移。根據(jù)實(shí)測資料統(tǒng)計(jì)與分析，截至2012年渭河下游共淤積泥沙10.9768億m3，其中在涇河入渭口附近的渭27～29斷面間的河道沖刷0.1545億m3。同時(shí)根據(jù)黃科院泥沙所的分析成果，三門峽水庫建成運(yùn)用以來，水庫的淤積末端在涇河口下游的臨潼水文站附近，因此，渭河下游的泥沙淤積不會影響涇河下游尾閭段的河道沖淤。20世紀(jì)60年代在涇河西銅鐵路大橋下游設(shè)立了桃園水文站，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，桃園水文站河道雖然有沖有淤，但沖淤變化不大，除1970年、1973年、1975年、1976年等年份主槽有所淤積，枯水位略有抬升外，其余年份主槽有沖有淤，但幅度很小，河床基本穩(wěn)定。

綜上所述，在涇河店子王涇河大橋工程河段，涇河近期河道是一條相對沖淤平衡的河道。

3.3 河勢變化分析

在店子王涇河大橋河段選取了 1957、1967、1977、1987、1997、2011年典型河勢套繪于圖，可以看出，上世紀(jì)50年代涇河主流經(jīng)現(xiàn)西銅鐵路橋后，順流而下，在西銅公路橋下游附近，折向河道左岸，然后順流而下至高莊彎道，然后沿右岸岸坎順流而下。上世紀(jì)60年代初，新建西銅公路橋后，由于水流受到橋墩的導(dǎo)流作用，涇河主流逐漸變?yōu)檠氐曜油醮甯呖岔樍鞫拢诘曜油醮甯浇膹澋捞幊３霈F(xiàn)岸坎坍塌現(xiàn)象。70年代修建了店子王護(hù)岸控導(dǎo)工程，至今該河段河勢未出現(xiàn)明顯變化，目前在工程河段涇河主流經(jīng)西銅鐵路橋、西銅公路橋后進(jìn)入店子王護(hù)岸控導(dǎo)工程后折向左岸的高莊彎道水流經(jīng)高莊彎道后又折向右岸，沿長慶龍鳳園小區(qū)漿砌石護(hù)岸工程而下。近40多年以來工程河段河勢基本穩(wěn)定。

由于橋位斷面上游0.64 km處為桃園水文站測驗(yàn)河段，該段河床縱向和橫向平面形態(tài)與橋位斷面附近河床基本一致，繪制桃園水文站1973、1977和 2007、2010、2012年實(shí)測大斷面圖，可以看出，自1973年以來，該河段的主槽寬度在180 m范圍以內(nèi)，主槽基本穩(wěn)定，主流擺動(dòng)在200 m范圍以內(nèi)，擺動(dòng)幅度較小。橋位處主槽擺動(dòng)幅度與沖淤變化分析結(jié)果基本一致，主流在200 m范圍以內(nèi)擺動(dòng)。

4 河道沖刷與河勢穩(wěn)定性分析

4.1 沖刷分析計(jì)算

在自然情況下，河流總是處在不斷變化和發(fā)展過程中。當(dāng)河流上興建了涉河建筑物后，河床演變將變得更加迅速和劇烈。本次大橋橋梁墩臺沖刷按照中華人民共和國交通部行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《公路工程水文勘測設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG C30—2002）第7.3.1條中非粘性土河床的有關(guān)公式進(jìn)行計(jì)算。

4.1.1 橋下河道一般沖刷和局部沖刷計(jì)算

設(shè)計(jì)水位時(shí)，主槽寬度169 m，其中共有4組橋墩，主槽平均水深12.04 m，每個(gè)橋墩阻水寬度7.19 m，主槽過水面積2039 m2，主槽流量8480 m3/s。根據(jù)沖刷計(jì)算公式，利用采集沙樣分析的河床質(zhì)粒徑資料、設(shè)計(jì)洪水資料及水文、地質(zhì)條件，分析確定沖刷計(jì)算參數(shù)，大橋橋位處泥沙平均粒徑確定為5.04 mm。計(jì)算結(jié)果為：橋位斷面100年一遇洪水一般沖刷主槽最大水深15.41 m，絕對沖深2.88 m，灘面最大水深9.03 m。橋位斷面100年一遇洪水局部沖刷計(jì)算主槽3.98 m，所以橋墩局部沖深采用值3.98 m。

因?yàn)橐话銢_刷、局部沖刷之間相互關(guān)系目前尚不清楚，河道斷面形態(tài)變化難以準(zhǔn)確預(yù)測，泥沙粒徑粗化影響較為復(fù)雜，因此計(jì)算總沖刷深度從偏于安全考慮采用簡化辦法，按照兩項(xiàng)數(shù)值疊加得出本次推薦數(shù)值，使用設(shè)計(jì)洪水位減去總沖刷水深推薦值得到最低沖刷線高程，見表1。

表1 涇河大橋100年一遇洪水沖刷計(jì)算成果表單位：m

設(shè)計(jì)洪水位減去沖刷水深推薦值既得出該涇河大橋最低沖刷線高程，其值為351.55 m。從表1中看出，高陵縣店子王涇河大橋100年一遇洪水一般沖刷線高程為355.53 m，最低沖刷線高程為351.55 m。

4.1.2 東莊水庫建設(shè)對橋位斷面沖刷的影響

在該橋位斷面以上游80 km處即將建設(shè)涇河?xùn)|莊水庫，按照《陜西省涇河?xùn)|莊水利樞紐工程項(xiàng)目建議書》，在東莊水庫50年運(yùn)行期內(nèi)，隨著水庫防洪減淤效果的顯現(xiàn)，涇河下游河道來沙量的減小，工程河段河道將呈現(xiàn)沖刷趨勢，根據(jù)河道沖淤趨勢預(yù)估分析，預(yù)計(jì)到2070年，該工程河段的自然沖刷深度為2.5 m。因此，計(jì)算店子王涇河大橋100年一遇洪水最低沖刷線高程時(shí)，應(yīng)考慮東莊水庫建成后對涇河下游工程河段的自然沖刷影響，計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 涇河大橋考慮東莊影響最低沖刷線高程計(jì)算成果表

從表2中看出，高陵縣店子王涇河大橋不考慮東莊水庫影響時(shí)100年一遇洪水最低沖刷線高程為351.55 m?？紤]東莊水庫影響時(shí)100年一遇洪水最低沖刷線高程為349.05 m。

4.2 河道的演變趨勢

4.2.1 河道沖淤趨勢預(yù)估

涇河大橋段長期以來處于沖淤相對平衡狀態(tài)。在該橋位斷面以上游80 km處即將建設(shè)涇河?xùn)|莊水庫，根據(jù)《陜西省涇河?xùn)|莊水利樞紐工程項(xiàng)目建議書》，在東莊水庫50年運(yùn)行期內(nèi)，隨著水庫防洪減淤效果的顯現(xiàn)，涇河下游河道來沙量的減小，按照涇河張家山水文站平水平沙年實(shí)測資料計(jì)算，到2070年，渭河下游平均減淤和沖刷厚度1.58 m。由于本工程河段位于涇河下游河口段，橋位斷面距河口距離8.5 km，在設(shè)計(jì)洪水條件下，水面比降、流速均大于渭河，其減淤和沖刷效果亦大于渭河，預(yù)計(jì)到2070年，該工程河段平均減淤和沖刷厚度大于1.58 m，為了大橋設(shè)計(jì)和運(yùn)行安全，對該工程河段平均減淤和沖刷厚度按2.5 m考慮。

4.2.2 河勢變化趨勢預(yù)估

工程河段受到西銅鐵路橋、西銅公路橋、店子王護(hù)岸控導(dǎo)工程等工程節(jié)點(diǎn)的控制，河道主流基本穩(wěn)定，橫向變化較小，河道平面形態(tài)基本不會改變。預(yù)估在工程河段的河勢處于相對穩(wěn)定狀態(tài)。

5 結(jié)語

高陵縣涇河大橋新建工程采用100年一遇洪水設(shè)計(jì)，經(jīng)過對影響大橋工程區(qū)河勢影響因素分析和河道沖刷計(jì)算，涇河大橋自然沖刷為2.50 m，在設(shè)計(jì)洪水條件下，主槽部分一般沖刷深度為2.88 m，局部沖刷深度為3.98 m，最低沖刷線高程為349.05 m。河勢基本穩(wěn)定，適宜工程建設(shè)。