京漢鐵路橋遺留橋墩對(duì)黃河河勢(shì)的影響與治理

李 勇，王衛(wèi)紅，王萬(wàn)戰(zhàn)

（黃河水利科學(xué)研究院水利部黃河泥沙重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南鄭州450003）

河勢(shì)是水流與河床相互作用而形成的河流平面態(tài)勢(shì)［1］，或者說(shuō)是河道水流平面形式的變化［2］，處于不斷的演變與調(diào)整過(guò)程中［3］，分析河勢(shì)演變成因是治河防洪的一項(xiàng)基礎(chǔ)性工作。黃河是世界上河勢(shì)演變最復(fù)雜的河流［2］，其河勢(shì)變化受眾多因素的影響。水沙條件是引起河勢(shì)調(diào)整的主要?jiǎng)恿σ蛩兀髁?、含沙量、水沙關(guān)系及水沙年內(nèi)分配的變化都會(huì)引起河勢(shì)的調(diào)整［4-6］，另外在長(zhǎng)期小水時(shí)期突發(fā)大洪水以及發(fā)生高含沙水流，也會(huì)引起河勢(shì)變化［7-8］。河床物質(zhì)組成及河床大幅度沖淤，是引起河勢(shì)變化的主要邊界因素，如河床由細(xì)沙組成無(wú)法扼制嚴(yán)重的塌灘塌岸進(jìn)而發(fā)生河勢(shì)調(diào)整［9］，以及發(fā)生“揭河底”“裁彎取直”等河床劇烈調(diào)整等［10］。河道整治工程、大型水利工程、涉水建筑物修建及挖河疏浚等治理工程的實(shí)施，包括在河道內(nèi)棄土棄渣等，都會(huì)使水沙過(guò)程發(fā)生變化，進(jìn)而對(duì)河勢(shì)產(chǎn)生影響［11-18］?？傊?，目前對(duì)河勢(shì)變化成因的研究已有相當(dāng)多的成果。

黃河下游花園口河段是典型的游蕩型河道，河勢(shì)對(duì)外界因素的干擾有著高度響應(yīng)關(guān)系，一直為黃河防洪的重點(diǎn)河段。該河段于1906年建成通車的京漢鐵路橋，因基礎(chǔ)較淺，靠拋石維持穩(wěn)定。據(jù)資料記載，1933—1949年累計(jì)拋石約30萬(wàn)m3，相當(dāng)于筑起一座長(zhǎng)3 km，高、寬各10 m的石頭長(zhǎng)壩。隨著京廣鐵路的建成通車，京漢鐵路橋于1960年停止使用并予以拆除，但是位于水下的橋墩及散拋石未能清除。在小浪底水庫(kù)運(yùn)用前，這些障礙物位于河床淤積面以下，對(duì)河勢(shì)的影響相對(duì)較小，然而近年來(lái)隨著河床不斷沖刷下切，遺留橋墩和拋石顯露出來(lái)，成為行洪障礙物，對(duì)河勢(shì)產(chǎn)生較大影響，給防洪安全帶來(lái)了很大的不確定性。目前這一問(wèn)題并未引起人們應(yīng)有的高度重視，對(duì)其影響仍缺乏分析。為此，筆者依據(jù)河勢(shì)觀測(cè)資料，通過(guò)河勢(shì)圖統(tǒng)計(jì)分析，研究京漢鐵路橋遺留橋墩及拋石對(duì)河勢(shì)的影響，并提出相應(yīng)的治理建議，為該河段河道整治及防洪提供科學(xué)依據(jù)。

1 河勢(shì)調(diào)整特點(diǎn)及原因分析

1．1 河勢(shì)調(diào)整特點(diǎn)

在2000年小浪底水庫(kù)運(yùn)用前，特別是1986—1999年，研究河段河道基本處于淤積狀態(tài)，京漢鐵路橋遺址的遺留橋墩大都在床面以下，對(duì)水流及河勢(shì)影響不大。隨著小浪底水庫(kù)的攔沙運(yùn)用及長(zhǎng)期持續(xù)下泄清水、小水的作用，加之近些年在該橋址上游3．2 km及下游0．6 km范圍內(nèi)修建的桃花峪大橋和鄭焦城際鐵路橋，在4 km范圍內(nèi)有三座大橋、兩條高壓線和京漢鐵路橋遺留的橋墩，以及修建桃花峪大橋遺留的左岸施工道路（后期進(jìn)行了加固），河勢(shì)與現(xiàn)有微彎型河道整治設(shè)計(jì)條件（4 000 m3／s中水流量、較高含沙量）差異很大，致使部分河段尤其是京漢鐵路橋所在的桃花峪—花園口段河勢(shì)變化大，與規(guī)劃治導(dǎo)線存在較大差異，表現(xiàn)出受“長(zhǎng)期低含沙水流，河勢(shì)更易于先趨直、后坐彎”［19］規(guī)律的控制，河勢(shì)在前期（2010年之前）趨于順直方向發(fā)展、下挫較為明顯，2004年以來(lái)老田庵工程開(kāi)始脫河，之后使得保合寨、馬莊、花園口工程也逐漸脫河，花園口引黃閘出現(xiàn)引水困難，花園口景觀不復(fù)存在。隨著河床沖刷的加劇，位于老田庵上首的京漢鐵路橋遺留橋墩、拋石明顯顯現(xiàn)出來(lái)，對(duì)河勢(shì)影響較大，加之主流靠右岸、嚴(yán)重偏離治導(dǎo)線，導(dǎo)致其下的多處工程脫河（見(jiàn)圖1）。

1．2 河勢(shì)調(diào)整原因分析

（1）桃花峪控導(dǎo)工程長(zhǎng)期靠溜不力。受長(zhǎng)期低含沙小水作用，東安—花園口河段在2010年之前河勢(shì)呈逐漸趨直趨勢(shì)，但之后河勢(shì)開(kāi)始坐彎，加之2010年開(kāi)始修建桃花峪大橋，自2012年起河勢(shì)在東安控導(dǎo)工程（沁河入黃口處）靠溜下挫，主流出東安控導(dǎo)工程流經(jīng)桃花峪黃河大橋處，受左岸灘地和建橋施工道路的共同作用，主流以近乎與桃花峪控導(dǎo)工程垂直的角度（自北向南）頂沖桃花峪控導(dǎo)工程下首，出現(xiàn)了S形畸形河灣（見(jiàn)圖2），使得桃花峪控導(dǎo)工程送溜能力顯著降低。

（2）京漢鐵路橋墩及周邊拋石的顯著影響。進(jìn)一步分析桃花峪至老田庵河段河勢(shì)與規(guī)劃治導(dǎo)線的關(guān)系表明，主流出桃花峪控導(dǎo)工程送溜段以后，雖送溜能力較弱，但主溜方向仍與規(guī)劃治導(dǎo)線較為一致。但是，京漢鐵路遺留橋墩及周邊拋石形成了梳篦（分散）作用，對(duì)河勢(shì)影響相當(dāng)明顯（見(jiàn)圖3），在其下游主流分散為兩股，在橋群處形成較大心灘，其中主溜沿右岸灘地流至老田庵控導(dǎo)工程尾端，老田庵控導(dǎo)工程沒(méi)有起到導(dǎo)溜、送溜的作用，并進(jìn)而導(dǎo)致連鎖反應(yīng)，使老田庵控導(dǎo)工程以下的保合寨控導(dǎo)、馬莊控導(dǎo)、花園口險(xiǎn)工均不靠河，東大壩下延僅靠回溜。

小浪底水庫(kù)投入運(yùn)用以前，該河段總體處于持續(xù)淤積抬升狀態(tài)，遺留橋墩及周邊拋石對(duì)河勢(shì)的影響相對(duì)較小。但在小浪底水庫(kù)投入運(yùn)用后，隨著河道的持續(xù)沖刷，遺留橋墩及周邊拋石（見(jiàn)圖4）對(duì)其上游河道的“局部侵蝕基準(zhǔn)面”作用及對(duì)橋位附近水流的“梳篦、分散”作用逐步顯現(xiàn)，并持續(xù)增強(qiáng)。

分析橋位上、下游水面線變化及水位落差變化過(guò)程（見(jiàn)圖5）可以看出，自2004年開(kāi)始橋位下游的水面比降較上游比降已經(jīng)顯現(xiàn)出增大的趨勢(shì)，底部拋石已經(jīng)開(kāi)始發(fā)揮類似寬頂堰的作用。到2013年橋位上下游水位落差已經(jīng)較為明顯，2013年10月、2014年10月、2015年10月河道斷面測(cè)驗(yàn)時(shí)的水位差分別達(dá)到0．24、0．33、0．71 m（相應(yīng)流量分別為 1 060、421、298 m3／s），遺留橋墩阻水、跌水作用及其對(duì)下游河勢(shì)的影響更加直接，甚至逐步起到?jīng)Q定性的作用。

隨著該河段河道的進(jìn)一步?jīng)_刷下切，未來(lái)遺留橋墩及周邊拋石的寬頂堰作用將會(huì)進(jìn)一步增強(qiáng)，水流在全斷面近乎均勻地通過(guò)寬頂堰下泄，將使橋位下游的水流在橫斷面上分布更加均勻，下游河勢(shì)將進(jìn)一步發(fā)生調(diào)整。

2 治理建議

建議盡快開(kāi)展京漢鐵路橋（原京廣鐵路橋附近）治導(dǎo)線范圍內(nèi)遺留橋墩及周邊拋石的拆除工作，穩(wěn)定桃花峪—花園口河段河勢(shì)，使桃花峪至老田庵控導(dǎo)工程之間河勢(shì)趨于規(guī)劃治導(dǎo)線方向發(fā)展，使老田庵工程適應(yīng)不同方向的來(lái)溜，具有足夠的導(dǎo)溜、送溜能力；同時(shí)結(jié)合必要的挖河疏浚、切灘導(dǎo)流等措施，逐步使保合寨、馬莊、花園口控導(dǎo)工程（險(xiǎn)工）等逐步按規(guī)劃設(shè)計(jì)方案靠河。爭(zhēng)取在較短的時(shí)間內(nèi)形成類似2003年前后桃花峪—老田庵—保合寨—馬莊—花園口河段較好的“一彎導(dǎo)一彎”的局面（見(jiàn)圖6）。具體措施建議如下。

（1）拆除京漢鐵路橋在治導(dǎo)線范圍內(nèi)的遺留橋墩，確保老田庵工程靠溜。首先拆除京漢鐵路橋治導(dǎo)線靠左岸600 m范圍內(nèi)（設(shè)計(jì)治導(dǎo)線寬度為800 m）遺留的橋墩及周邊拋石（具體拆除量需要進(jìn)一步探測(cè)和專項(xiàng)研究），以確保老田庵工程靠溜。通過(guò)對(duì)治導(dǎo)線范圍內(nèi)阻水橋墩及拋石的徹底清理，引導(dǎo)主流進(jìn)入治導(dǎo)線范圍，確保老田庵工程能夠順利靠溜，再結(jié)合其他工程措施，解決桃花峪—花園口河段的入流（龍頭）河勢(shì)問(wèn)題。

（2）為保證黃河下游龍頭河勢(shì)得到控制后對(duì)該河段河勢(shì)的調(diào)整效果，同步對(duì)東安—桃花峪控導(dǎo)工程間的S形畸形河灣、京漢鐵路橋拆除“豁口”到老田庵控導(dǎo)工程迎溜段之間的河道進(jìn)行挖河疏浚，調(diào)整桃花峪控導(dǎo)工程迎溜角度，保障老田庵控導(dǎo)工程的“迎溜—導(dǎo)溜—送溜”效果；根據(jù)河勢(shì)調(diào)整情況，對(duì)保合寨、馬莊、花園口控導(dǎo)工程前輔以挖河疏浚、切灘導(dǎo)溜（具體需要開(kāi)展專項(xiàng)研究）等措施，形成桃花峪—老田庵—保合寨—馬莊—花園口河段較好的“一彎導(dǎo)一彎”沿規(guī)劃治導(dǎo)線的河勢(shì)，使得花園口險(xiǎn)工靠河，恢復(fù)花園口景觀和花園口引黃閘的取水。

3 結(jié) 語(yǔ)

東安—花園口河段近些年河勢(shì)變化很大，以趨直為主，造成多處整治工程靠溜下挫甚至脫河，花園口附近水流北移，花園口景觀不復(fù)存在，造成花園口引黃閘取水困難。盡管影響河勢(shì)調(diào)整的因素很多，但若通過(guò)清除京漢鐵路橋治導(dǎo)線范圍內(nèi)遺留的橋墩和拋石，再結(jié)合其他工程措施，保證老田庵控導(dǎo)工程靠溜、恢復(fù)花園口景觀是有可能的。

（1）京漢鐵路遺留橋墩及周邊拋石起到了類似于寬頂堰“梳篦、分散主溜”的作用，因主流靠右岸、嚴(yán)重偏離治導(dǎo)線，使老田庵控導(dǎo)工程長(zhǎng)期脫河，導(dǎo)致其下游河勢(shì)逐漸趨直，保合寨、馬莊、花園口工程脫河，造成花園口引黃閘取水困難、花園口景觀不復(fù)存在。

（2）建議拆除京漢鐵路橋（原京廣鐵路橋附近）治導(dǎo)線靠左岸600 m（設(shè)計(jì)治導(dǎo)線寬度為800 m）范圍內(nèi)的遺留橋墩及周邊拋石；結(jié)合桃花峪至京漢鐵橋段的疏浚等措施使老田庵工程迎溜段靠溜，使其下游的保合寨、馬莊和花園口工程靠河，恢復(fù)花園口景觀和涵閘取水。

對(duì)于上述工程措施，還需要進(jìn)行深入的現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)和專項(xiàng)研究。