黃河內(nèi)蒙古段涉河橋梁孔跨布置的關(guān)鍵技術(shù)探討

仝海杰 錢勝 孔純勝

摘 要：黃河內(nèi)蒙古河段是黃河上游防洪防凌重點河段，目前這一河段規(guī)劃建設(shè)的橋梁較多，為避免橋梁建設(shè)對黃河防洪防凌的不利影響，需要對大橋設(shè)計的重點指標(biāo)——孔跨寬度進(jìn)行多方面論證。結(jié)合黃河內(nèi)蒙古烏海段河道范圍內(nèi)擬建大橋案例，分析提出內(nèi)蒙古段大橋孔跨設(shè)計時，除滿足技術(shù)審查標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的最低孔跨要求外，還應(yīng)重點從對防洪防凌、河勢變化的影響及通航要求方面論證適宜的孔跨寬度。經(jīng)論證，烏海黃河大橋從防洪防凌及河勢變化要求的最小孔跨寬度不宜小于200 m;根據(jù)數(shù)學(xué)模型計算，在可通航水域范圍內(nèi)，橋軸線及其附近的水流最大流速為3.61 m/s，最大夾角35.6°，最大橫流流速1.48 m/s，水流條件較差，應(yīng)一跨跨越通航水域。綜合各技術(shù)分析結(jié)果，烏海黃河大橋主槽內(nèi)孔跨寬度不宜小于280 m，以保證該河段防洪防凌、河勢變化及通航安全。

關(guān)鍵詞：橋梁孔跨;防洪防凌;通航;黃河內(nèi)蒙古段

中圖分類號：TV87;TV882.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2021.10.014

引用格式：仝海杰，錢勝，孔純勝.黃河內(nèi)蒙古段涉河橋梁孔跨布置的關(guān)鍵技術(shù)探討[J].人民黃河，2021，43（10）：70-74.

Abstract： The Inner Mongolia section of the Yellow River is a key section of the upper reaches of the Yellow River for flood control and icing prevention. At present， there are many bridges planned for construction in the Inner Mongolia section of the Yellow River. In order to avoid the impact of bridge construction on the Yellow Rivers flood control and icing prevention， it is necessary to carry out multifaceted arguments on the key indicator of the span width in bridge design. Based on the case of the proposed bridge within the Wuhai section of the Yellow River， Inner Mongolia， when analyzing and proposing the design of the bridge span of the Inner Mongolia section， in addition to meeting the minimum span requirements specified in the technical review standards， it should also focus on the impact on flood control and river regime changes. Demonstrate the appropriate span width in terms of navigation requirements. It has been demonstrated that the minimum span width required by the Wuhai Yellow River Bridge for flood control and river regime changes should not be less than 200 m; according to mathematical model calculations， within the navigable water area， the maximum flow velocity of the bridge axis and its vicinity is 3.61 m/s ， the maximum included angle is 35.6°， the maximum cross flow is 1.48 m/s， and the current conditions are poor， so it should cross the navigable water area with one span. Based on the results of various technical analyses， the span width of the inner hole of the main channel of Wuhai Bridge should not be less than 280 m to ensure the flood control， river regime change and security safety of the river section.

Key words： bridge span; flood and ice prevention; navigation; Inner Mongolia section of the Yellow River

黃河內(nèi)蒙古河段位于黃河流域最北端，從寧夏石嘴山入境至準(zhǔn)格爾旗馬柵鄉(xiāng)，干流全長843.5 km，河道總落差僅162.5 m。受兩岸地形控制，形成峽谷與寬河段相間的格局，石嘴山至海勃灣水庫庫尾、海勃灣水庫壩下至舊磴口、喇嘛灣至馬柵為峽谷型河道，其余河段河面開闊，由游蕩型、過渡型及彎曲型河道組成，河勢不穩(wěn)定。受特殊的地理位置影響，內(nèi)蒙古河段封河自下而上，開河自上而下，流凌封河期容易形成冰塞，開河期容易形成冰壩，是黃河凌汛災(zāi)害最為嚴(yán)重、復(fù)雜的河段。黃河內(nèi)蒙古河段是黃河上游防洪防凌重點河段，目前這一河段規(guī)劃建設(shè)的橋梁較多，橋梁設(shè)計時要避免或減少對防洪防凌的不利影響;同時黃河內(nèi)蒙古河段又是規(guī)劃通航的河段，通航影響不容忽視，需要對大橋設(shè)計的重點指標(biāo)——孔跨寬度進(jìn)行多方面論證。根據(jù)多年工作經(jīng)驗，本文結(jié)合擬建的包頭至銀川高速鐵路工程烏海黃河特大橋（簡稱“烏海大橋”，橋位見圖1），從防洪防凌、河勢變化及通航條件三個方面對黃河內(nèi)蒙古河段大橋孔跨設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行探討。

1 防洪防凌

孔跨寬度的大小，對河道防洪和橋梁建設(shè)投資影響較大。孔跨寬度小，河道范圍內(nèi)橋墩數(shù)量多，阻水面積大，造成的河道壅水高，有堤防及整治工程的河段易造成河防工程防洪標(biāo)準(zhǔn)降低，橋墩附近易造成局部淤積和沖刷，凌汛河段還易產(chǎn)生冰塞冰壩[1]?？卓鐚挾仍酱?，工程投資越大。根據(jù)《黃河河道管理范圍內(nèi)建設(shè)項目技術(shù)審查標(biāo)準(zhǔn)》，內(nèi)蒙古河段三盛公以上主河槽孔跨不應(yīng)小于80 m，灘地孔跨不應(yīng)小于40 m[2]。該標(biāo)準(zhǔn)是對河段內(nèi)孔跨寬度的最低要求，具體設(shè)計時還應(yīng)根據(jù)河道具體情況取適宜的孔跨寬度。

烏海大橋位于海勃灣水利樞紐庫尾段的上游，距壩址36.3 km，屬于峽谷型河段，兩岸無堤防，校核防洪標(biāo)準(zhǔn)為300 a一遇。橋位處河道寬580 m，現(xiàn)狀主槽寬250 m。由于大橋兩岸為山體和臺地，現(xiàn)狀及規(guī)劃均無堤防及其他整治工程，因此大橋壅水不會增加兩岸淹沒面積，孔跨寬度布置對防洪影響不大。但是該河段是黃河內(nèi)蒙古段凌汛災(zāi)害較為嚴(yán)重的河段，需重點分析孔跨布置對防凌的影響。

根據(jù)近期烏海市防凌資料記載，橋位河段冬季流凌日期最早在11月中下旬，流凌至封凍一般為17 d，最長為30 d，最短為6 d;開河日期在3月13日前后，凌汛歷時一般為5～10 d。根據(jù)該河段石嘴山、磴口水文站歷年冰情統(tǒng)計（見表1），橋位河段多數(shù)年份為穩(wěn)定封凍，1986年以前流冰塊尺寸較大，最大為1 000 m×200 m（長×寬），1986年以后最大流冰塊尺寸有所減小。根據(jù)1971年以來的統(tǒng)計，出現(xiàn)最大流冰塊寬度超過100 m的次數(shù)有7次，占24.1%，超過200 m的次數(shù)有2次，占6.9%;長度超過100 m的次數(shù)有10次，占34.5%，超過200 m的次數(shù)有6次，占20.7%。據(jù)統(tǒng)計，最大河心冰厚0.42 m，最大岸邊冰厚0.5 m，最大流冰速度0.84 m/s，冰塊較厚，流速較快，對橋墩的撞擊力較大。雖然1986年（龍羊峽水庫蓄水運用）以來橋位河段的最大流冰塊尺寸有所減小，但受特殊地理位置的影響，特別是烏海大橋位于彎道處，大橋孔跨設(shè)計時一定要考慮對防凌的影響，保證較大流冰塊的順利通過，防止較大冰塊對橋墩產(chǎn)生撞擊破壞，以及因橋墩阻水阻冰而在橋前形成冰塞冰壩。因此，從防洪防凌角度分析，烏海大橋主河槽內(nèi)孔跨不宜小于200 m。

2 河勢分析

黃河內(nèi)蒙古河段位于黃河上游下段和中游上段，其中：石嘴山—烏達(dá)公路橋、蒲灘拐—馬柵鄉(xiāng)為峽谷型河段，河道相對穩(wěn)定;三盛公至蒲灘拐為平原型河段，其河岸主要由黃河沖積堆積的粉細(xì)沙、沙壤土組成，結(jié)構(gòu)疏松，受河水沖刷易塌岸，為不穩(wěn)定河岸。河勢分析在大橋孔跨設(shè)計中主要是確定河道的主槽擺動范圍，在主槽擺動范圍內(nèi)的大橋孔跨均應(yīng)按主槽考慮。如三盛公庫區(qū)中段包銀高鐵磴口黃河特大橋所在河段現(xiàn)狀主槽寬度為820 m，經(jīng)河勢分析，擺動主槽范圍為1 300 m[3]，因此1 300 m主槽擺動范圍內(nèi)大橋孔跨寬度均應(yīng)按主槽考慮，該分析結(jié)論已應(yīng)用到包銀高鐵磴口黃河特大橋的孔跨設(shè)計中。

2.1 岸線及洲灘的變化

烏海大橋位于海勃灣庫尾段上游，為典型的峽谷河道，位于黃河S形彎道的出流處。根據(jù)近年實測水邊線及深泓線變化情況（見圖2、圖3）分析，受兩岸山體和臺地制約，多年來河勢較為穩(wěn)定，橋位處左右岸灘槽基本穩(wěn)定，歷年岸線位置基本一致，洲灘變化不大，1984年以來右岸高坎變化幅度僅13 m，岸線較為穩(wěn)定。從歷年實測主槽寬度比較分析得到橋位斷面主槽寬度約為250 m。

2.2 河床橫斷面變化

根據(jù)橋位上下游測驗斷面不同年份河床橫斷面變化情況（見圖4、圖5）分析，斷面深泓點略有變化，變幅在0.5～1.0 m之間，過水?dāng)嗝婷娣e變化不大，河床形態(tài)較為穩(wěn)定，主流較為穩(wěn)定，左右岸岸線變化不大。根據(jù)歷年大斷面套繪分析，橋位下游2 km處HB34斷面主槽寬度約為240 m，上游0.5 km處HB35斷面主槽寬度約為220 m。

根據(jù)橋位上游17.01 km處石嘴山水文站1994年以來典型年份大斷面套繪（見圖6）及斷面不同年份高程1 090 m對應(yīng)的面積和深泓點高程（見表2）分析，石嘴山水文站橫斷面1994—2018年期間，主槽沖淤交替，灘地沖淤變化較小，大水年份多表現(xiàn)為沖刷，洪水過程中主槽向左移動，河段岸線相對穩(wěn)定，河槽內(nèi)未出現(xiàn)洲灘汊道。從歷年斷面變化看出：當(dāng)流量小于3 000 m3/s時，斷面有沖有淤，總體表現(xiàn)為淤積;當(dāng)流量大于3 000 m3/s時，斷面產(chǎn)生沖刷?？傊?，石嘴山斷面沖淤調(diào)整幅度不大，最大沖淤變化在1.6 m左右。

根據(jù)橋位河段河勢及上下游大斷面變化分析，烏海大橋河段河勢較為穩(wěn)定，左右岸岸線變化不大，洲灘變化不大，主槽寬度為250 m（見圖7）。工程河段內(nèi)主槽內(nèi)斷面形態(tài)基本穩(wěn)定，主槽深泓點受河床沖淤調(diào)節(jié)影響有一定沖淤變化，但整體看，工程河段位于海勃灣水庫庫尾段的峽谷河段，河段內(nèi)航槽床面地形年際變化相對較小，航槽河床基本穩(wěn)定，橫斷面沖淤變化對航槽水深、流速影響不大。

3 通航要求

整個黃河河道現(xiàn)狀均未通航，但是黃河航運規(guī)劃目標(biāo)早在1955年編制的《黃河綜合利用規(guī)劃》中就已明確。1988年4月交通部發(fā)布《黃河水系航運規(guī)劃報告》，根據(jù)其規(guī)劃，至2030年工程河段將建成Ⅳ級航道，以通300～500 t級單船及船隊為主[4]。目前，黃河下游也正在開展復(fù)航論證，因此從國家規(guī)劃及經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展考慮，黃河內(nèi)蒙古段大橋建設(shè)必須考慮通航需求。

烏海大橋位于黃河S形彎出流處，處于不利的水流條件。采用二維水動力數(shù)學(xué)模型進(jìn)行水流分析，并通過2020年10月實測流量、流速進(jìn)行驗證。

式中：q為單位面積的源匯強度;H為水深;Z為水位;u和v分別為垂向平均流速在x與y方向的分量;n為糙率;g為重力加速度;νT為水流湍動擴(kuò)散系數(shù);f0為科氏力系數(shù)，f0=2ω0sin ψ，其中ω0為地球自轉(zhuǎn)角速度，ψ為計算區(qū)域的地理緯度;ρ為水流密度;u0、v0分別為水深平均源匯速度在x、y方向的分量;τsx和τsy分別為x、y方向的水面風(fēng)應(yīng)力。

計算過程中根據(jù)實際情況可以對數(shù)學(xué)模型進(jìn)行適當(dāng)簡化，忽略風(fēng)應(yīng)力、地球科氏力的影響。采用ADI逐行法對二維模型的連續(xù)方程和動量方程分別進(jìn)行時空上的積分，離散方程用追趕法求解。

模型計算結(jié)果顯示，在可通航水域（滿足設(shè)計船舶吃水）范圍內(nèi)，橋區(qū)流量為405 m3/s時（最低通航水位對應(yīng)流量），最大流速為1.47 m/s，流速一般為0.95 m/s左右，水流最大夾角約為16.7°，最大橫流流速約為0.37 m/s;橋區(qū)流量為740 m3/s（多年平均流量）時，最大流速為1.95 m/s，流速一般為1.32 m/s左右，水流最大夾角約為15.6°，最大橫流流速約為0.39 m/s;橋區(qū)流量為1 400 m3/s時（常遇洪水流量），最大流速為2.50 m/s，流速一般為1.93 m/s左右，水流最大夾角約為16.0°，最大橫流流速約為0.57 m/s;橋區(qū)流量為5 460 m3/s（10 a一遇洪峰流量）時，最大流速為3.61 m/s，流速一般為2.79 m/s左右，水流最大夾角約為35.6°，最大橫流流速約為1.48 m/s。模型網(wǎng)格見圖8，最高通航水位下流場分布見圖9，計算結(jié)果見表3。

數(shù)學(xué)模型顯示，建橋前在各級來流情況下，在可通航水域范圍內(nèi)，橋軸線及其附近的水流最大流速范圍為1.47～3.61 m/s，最大夾角范圍為15.6°～35.6°，最大橫流流速介于0.37～1.48 m/s之間，水流條件較差。根據(jù)《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50139—2014）等相關(guān)規(guī)定和要求，應(yīng)一跨過河或在通航水域中不得設(shè)置橋墩[5]。經(jīng)計算，設(shè)計最高通航水位采用10 a一遇設(shè)計洪水位1 083.55 m，滿足通航水深的通航水域?qū)挾葹?65.25 m。因此，根據(jù)通航條件分析，烏海大橋所在黃河S形彎道處水流條件較差，需一跨跨越通航水域，通航水域?qū)挾葹?65.25 m，扣除橋墩寬度，烏海大橋主槽內(nèi)孔跨寬度不宜小于280 m。

4 結(jié) 論

黃河內(nèi)蒙古段是黃河防洪防凌重點河段，河勢變化較為復(fù)雜，大橋孔跨設(shè)計時除了從防洪防凌、河勢變化角度進(jìn)行分析外，還應(yīng)該結(jié)合規(guī)劃航道建設(shè)探討適宜的孔跨寬度，尤其在水流條件較差的河段，從通航角度論證孔跨寬度至關(guān)重要。以黃河烏海大橋為例，從防洪防凌及河勢變化角度分析的主槽內(nèi)最小孔跨寬度不宜小于200 m，主槽擺動范圍為250 m，從通航條件的技術(shù)角度分析的最小孔跨寬度不宜小于280 m，綜合分析得出烏海大橋主槽內(nèi)大橋孔跨寬度不宜小于280 m。

本次探討的關(guān)鍵技術(shù)已應(yīng)用于包頭至銀川高速鐵路工程烏海黃河特大橋防洪評價及大橋設(shè)計中，為保障防洪防凌、通航安全提供了技術(shù)支撐。

參考文獻(xiàn)：

[1] 翟家瑞.黃河上橋梁建設(shè)防洪方面的幾個主要技術(shù)問題[J].人民黃河，2006，28（10）：1-3.

[2] 黃河水利委員會.黃河河道管理范圍內(nèi)建設(shè)項目技術(shù)審查標(biāo)準(zhǔn)（試行）[S].鄭州：黃河水利委員會，2017：8.

[3] 錢勝，仝海杰，沈潔，等.新建包頭至銀川鐵路工程（內(nèi)蒙古段）磴口黃河特大橋防洪評價報告[R].鄭州：黃河勘測規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司，2020：46-57.

[4] 交通部黃河水系航運規(guī)劃辦公室.黃河水系航運規(guī)劃報告[R].西安：交通部黃河水系航運規(guī)劃辦公室，1988：48-49.

[5] 中華人民共和國住房與城鄉(xiāng)建設(shè)部，中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局.內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)：GB 50139—2014[S].北京：中國計劃出版社，2014：18-19.

【責(zé)任編輯 許立新】