齐甘公路嫩江大桥桥址选择

凤 军

(黑龙江省公路勘察设计院)

1 工程概况

绥芬河至满洲里高速公路是国家高速公路网中处于最北端的一条东西横线,路线跨越黑龙江、内蒙古两省(区),东起黑龙江省最大的国家一级对俄陆路口岸——绥芬河口岸,西至内蒙古自治区的满洲里口岸,是我国开展对俄经贸、科技合作的重要运输通道。路线全长约1450km,其中黑龙江省境内段长 875km。齐齐哈尔至甘南(黑蒙界)段是绥满高速黑龙江境内的西段,路段全长 104km。位于齐齐哈尔市市区附近的嫩江大桥则是这段高速公路上的关键性工程。

2 嫩江流域概况

嫩江是全国十二大江河之一,是松花江的最大支流,发源于大兴安岭伊勒呼里山南麓,干流全长 1370km,流域面积 29.7万 km2。嫩江源头为南瓮河,河源海拔 1030m,地理位置为东经 124°25′33″、北纬 51°20′40″。 由西北向东南流经十二站林场南约 1km处与二根河汇合后转而南流始称嫩江干流。汇合点以下其流向基本由北向南,流经嫩江县、莫力达瓦、讷河、富裕、甘南、齐齐哈尔、龙江、泰来、杜尔伯特、大安、肇源等市、县、旗,于吉林省扶余县三岔河汇入松花江。

3 嫩江齐齐哈尔江段概况

齐齐哈尔江段处嫩江中游,为平原区宽滩性河段,由于受地形限制,河水往往分道而流,形成汊河及大大小小的滩洲或岛屿。本河段较弯曲,弯曲系数 1.1～1.3。洪泛线受两岸堤防的限制,行洪断面宽 9～12km。

主河宽 350～700m,汊河宽 100～250m。河槽明显,滩地宽阔,属复式河槽。河槽呈扁U形,高水位水深 6～7m,中水位水深 3～5m,枯水位水深 1～2m。水流在绥满公路桥上游雅尔塞处,主流线位于右岸一侧,至明月岛后分为左右两股,左汊为主汊道。洪水期主汊道流量占总流量的65%～70%,支汊道占 30%～35%。桥址处河道已基本趋于稳定,且已经 1969、1998年两次特大洪水考验,尚未发现河道有明显的变迁情况。

4 水文基本情况

4.1 水文特征

嫩江属季节性封冻河流,其径流主要以雨水补给为主、冰雪融水补给为辅,一年内河道径流与降雨量的分配相吻合。其年内变化从 4月份开始,积雪融化,水量渐增,形成春汛,5月份水位开始回落;6月份以后受降雨影响,水量开始增加。降雨较集中的 6～8月 (占全年降雨量的73.6%),是洪汛多发季节。月份降水一般以 7月份居多,9月份以后水量渐减,11月至翌年 4月为封冻期,河道径流量减至最少。

4.2 水文站分布

嫩江干流江段主要的水文站上游有石灰窑、库漠屯、阿彦浅等站;中游有同盟、富拉尔基等站;下游有江桥、大赉等站。原齐甘公路嫩江大桥附近有齐齐哈尔市水位站一处,有历年水位观测资料。下游 33km有富拉尔基水文站一处,有1905～1944年、1946～2006年的流量/水位观测资料。

4.3 洪水情况

嫩江是以雨水补给为主、冰雪融水补给为辅的河流,一年内河道径流与降雨量的分配相吻合。由于降水时空的分布和降雨量的大小在流域内呈不均匀状态,因此,流域内洪水的构成和地域分布也不尽相同。降雨多发生在 6～8月份,洪水也多在同时期形成,有时也会延至 9月份(例如1969年洪水)。一般年份洪水为双峰或多峰形式,个别年份有单峰形式。

流域内历史较大洪水年份有 1932年、1956年、1957年、1962年、1969年、1988年、1989年和 1998年。其中 1998年洪水是有记载以来最大的洪水。造成 1998年特大洪水的原因除嫩江源头砍伐树木、水土流失、自然生态环境遭到破坏以外,嫩江流域内右岸各支流雅鲁河、绰尔河、诺敏河、甘河等同时发生了超历史记录洪水是其形成的主要原因。

4.4 设计洪水

据富拉尔基水文站 1905～2006年水文观测资料表明,流量超过 10000m3/s的年份有 3年,即 1932、1969和1998年。据文献记载,1794和 1886年分别为第一位和第三位洪水。各年洪水流量见表 1。

表 1 各年的洪水流量

富拉尔基站洪峰形成大体有三种情况：一是仅干流涨水,区间支流无大水;二是区间支流涨水,干流水量不大;三是区间支流与干流同时遭遇大水,这是形成特大洪水的最严重的情况,1998年洪水基本属于这种情形。

4.5 调洪建筑物

嫩江上游建有尼尔基水利枢纽,控制流域面积6.64万 km2,占嫩江流域面积的 22.4%,总库容 86.11亿 m3。尼尔基水利枢纽建成后,对桥址断面会产生削峰和降低水位的作用,由水利部 1999年 6月编制的《尼尔基水利枢纽的防洪作用分析》专题报告中可知,能将齐齐哈尔断面P=1%的洪峰流量由 14300m3/s消减为 12000m3/s,降低水位 0.21 m;P=2%的洪峰流量由 12000m3/s减至8850m3/s,降低水位 0.28m。使齐齐哈尔市城区防洪标准由50年一遇提高到 100年一遇洪水标准,两岸农田由 20年一遇防洪标准提高到 30年一遇防洪标准。

4.6 泥砂

嫩江水系植被较好,河流含砂量很小,为少砂河流。富拉尔基水文站多年平均输砂率为 4.45kg/s,年平均最大含砂量为 24.5g/m3,年平均最小含砂量为 1.8g/m3。汛期输砂量大,封冻期输砂量小,因此汛期大水时河床发生冲刷,床面高程降低,而汛后泥砂则会缓缓回淤,床面高程回升。从多年情况看,河段处于冲淤基本平衡状态。

4.7 冰情

嫩江为冰冻河流,根据富拉尔基水文站 1951～1985年连续观测系列资料可知,嫩江干流秋季流冰平稳、缓慢,冰块面积小、流速较小。春季流冰开始阶段水位逐渐升高,冰块面积较大,流速较大,冰质较坚硬。

5 江段堤防概况

齐齐哈尔江段两岸防洪堤间距 9～12km。建有城区防堤(即北堤和东堤);在齐富公路钢桥桥址上下游除城防堤外,在行洪区以内还有三个堤坝,即前进堤、污水库堤和大昂堤。其中大昂堤阻水最为严重,该堤的防洪标准为 20～40年一遇。由于 1998年洪水期间内,导致洪水位不断提高,致使齐富公路及滨州铁路路基部分水毁。

桥址附近主要堤防是雅尔塞堤(北堤)和东堤,雅尔塞堤堤距约 9km,目前的防洪标准为 50年一遇。东堤堤距约9km,堤顶高程 150.40～150.90m,顶宽 8m,是齐市主要城防堤,其防洪标准已达到 50年一遇。据水利部门的规划,齐市的防洪标准为 100年一遇。

6 航道概况及通航标准

6.1 航道现状

从河段目前通航条件来看,自然河道较稳定,枯水期通航水深 0.8～1.5m,航宽 30～40m,弯曲半径 300～400m,坡降较缓,平均比降 0.07‰,平均流速 0.7～1.0m/s,河段分汊较多,水深状况良好,弯道处没有明显的泡漩、回流,流速分布较均匀,分汊河段在洪、中、枯水位下,水流流向和主流线较稳定,通航条件较好,各项水流条件能满足船舶航行要求。

桥址附近航道是由河道条件所决定：在桥址 A附近东江为主航道,桥址B(明月岛上游)附近西江为主航道。两个桥址附近主航道较顺直,与大桥桥轴线基本处于正交状态。

6.2 通航船舶

嫩江干流水运船舶以 500t级宽浅型货运驳船为主,其标准载重量为 500t,吃水深为 1.4～1.6m;另外还配有部分千吨级以下的船只。

6.3 航道等级及净空

嫩江干流齐齐哈尔江段航道等级为Ⅳ级航道,代表船队长度 138m,宽度 11.0m,吃水深度 1.4m。要求相应的通航净高为 10年一遇水位以上 8m,航道宽度单线不小于 30m、双线不小于 55m,航深不小于 1.4～1.6m。

按国家标准 GB50139-2004《内河通航标准》第 5.2.2的规定,Ⅳ级航道水上过河建筑物通航净空尺度为单向通航孔净高 8m,净宽 50m,上底宽 41m,侧高5m;双向通航孔净高 8m,净宽 100m,上底宽 91m,侧高 5m。

7 大桥河工模型试验

为了合理地选定桥址方案及桥轴线位置,并确定桥孔长度、桥前壅水及其回水长度、桥孔布设,在本项目工可研阶段进行了齐齐哈尔江段的水工模型试验,对两个桥址方案即方案A距现状齐甘公路嫩江大桥上游约 50m、方案 B距现状齐甘公路嫩江大桥上游约3400m进行了研究。

结合齐甘公路的总体走向、路线走廊带内的村镇分布等情况对上述两个桥址进行初步分析,桥址方案A穿过村屯较多,避让困难,拆迁量大,船只桥下通行困难;桥址方案 B由于布设在明月岛上游,桥梁建筑物可能对岛周围水力状态形成影响。

7.1 定床模型试验主要成果

(1)桥址

①在 50年一遇洪水条件下,满足桥前壅水要求的桥长最短为 2010m。

②桥前河道稳定,水流顺畅,经 1998年特大洪水的考验后结果表明,该桥位的原桥不仅能满足设计标准(100年一遇)的洪水泄洪要求,而且在 300年一遇的超标准洪水情况下,同样也能安全泄洪。

③桥址上、下游主航道顺直,水流与航线交角小于 5°,通航条件较好。

(2)桥址

①在 50年一遇洪水条件下,满足桥前壅水要求的桥长3850m。

②河道采取清淤疏浚措施后,使汊河流程缩短,行洪顺畅,分流量增大,缓解了西江桥的过流压力,需要将新开河两侧护岸,以免影响明月岛围堤和河滩路堤的安全。

③桥址上、下游主航道较顺直,水流与航线交角小于5°,通航条件较好。

7.2 动床模型试验主要成果

桥位所在的平原区宽滩性河段地形复杂,受地形限制,河水往往分道而流,形成汊河及大大小小滩洲或岛屿,水流分散。该江段航线不顺直,弯曲多变。在多次洪水冲刷下,主河槽易发生变迁,直接影响桥位布置以及桥孔布置的确定,因此需要开展动床试验来给出大桥的修建对于河道行洪、通航以及河势稳定的影响。

①从防洪角度分析,东江桥：在 50年一遇洪水下,桥前壅水高度为 0.05m;西江桥：在 50年一遇洪水下,桥前壅水高度减至 0.05m,满足防洪要求。

②从通航角度分析,在通航流量下,新建桥对水流基本未产生影响,河道水流与现河道基本一致。航道流速为0.61～1.62m/s,水流与桥法线夹角为 2°～5°,横向流速为0.02～0.14m/s,纵向流速为 0.61～1.54m/s,通航水深为1.25～5.35m。桥区内航迹线上横向流速均小于 0.30m/s,并且桥位上行和下行的航迹线直线段长度也满足 4倍和 2倍船队长度。本方案基本满足通航要求。

③从河势演变角度分析：在经历系列年洪水后,没有发生大的河势演变,仅在西江桥桥位附近有冲淤变化;新开河河槽冲深,在明月岛右侧岛头处河道冲深拓宽,并形成冲坑;大桥的两个桥头处受绕流影响而冲刷,需要采取必要的防护措施;新开河河道两侧和进、出口受水流冲刷,需要采取防护措施;明月岛左侧围堤转弯处冲刷严重,需要采取防护措施。

8 桥址方案比选

B桥址位于现有嫩江公路大桥上游约 3.4km处。该桥址的优点是：

第一,符合路线总体走向,距齐齐哈尔及其卫星城镇雅尔塞较近,有利于两地的交通往来及地方经济的发展;

第二,桥位附近河道稳定,水流条件好,基本上与桥轴线正交,有利于泄洪;

第三,桥址上、下游主航道较顺直,水流与桥轴线交角小于 5°,通航条件较好;

第四,该桥址能够提高明月岛外围堤防的防洪标准,大大增强其防洪能力;

第五,桥址距齐齐哈尔浏园水厂取水口约 4400m,位于一级水源保护区范围之外。

该桥址的缺点是：

第一,桥位附近河段较紊乱,多岛屿和汊流,在桥孔布设上应考虑一河两桥;

第二,由于主江的汊流为横向流,且靠近河滩路上游一侧,水流势必造成对路基的横向冲刷,不利于路基边坡的稳定,需要进行河道整治和防护工程(河道护岸、路基护坡、增设调治工程设施)才能保证河滩路堤的安全和航道的稳定。

A桥址位于绥满公路现有嫩江公路大桥上游约 50m处。该桥址的优点是：

第一,符合路线总体走向,距齐齐哈尔市区较近,出入市区交通便利;

第二,桥址附近河道稳定,水流条件好,无论是洪水还是常水位均与桥轴线基本正交。

第三,桥址上、下游主航道较顺直,水流与桥轴线交角小于 5°,通航条件较好;

第四,新桥址距下游旧桥较近,旧桥及其引道可以作为新桥的施工便桥与便道,有利于降低造价。

该桥址的缺点如下：

第一,与原有嫩江大桥距离较近,为便于通航,新桥的跨径及位置必须与旧桥对应一致,在一定程度上限制了桥型结构设计的选择性;

第二,新旧两桥为并行桥,新旧两桥设计标准不一致(本项目设计洪水频率是 300年一遇,原有嫩江公路大桥是 100年一遇设计标准),新建桥梁长度必定要长于原有嫩江大桥 1620m的桥长,这样势必增加水流对旧桥桥头锥坡和部分引道路堤的冲刷程度。因此,须对原桥进行扩孔,扩孔长度为 480m,且原桥东江桥、西江桥两岸均需要进行扩孔,扩孔时间要在主线桥梁建设完成后实施,影响主线通行条件。原路基由于处于新建路线的下游侧,洪水期可得到庇护,可不进行加高;

第三,桥址距齐齐哈尔浏园水厂取水口约 1000m,位于一级水源保护区范围内;

第四,桥头东侧引道受桥位的钳制,不但拆迁工程量较大,而且限制了齐齐哈尔市向西侧的发展空间。

通过上述论证,A桥址处现已建有嫩江公路大桥,如果在旧桥位上游 50m处再建新桥,势必对旧桥的桥头锥坡和引道路堤产生较大的冲刷作用,形成对其安全不利的影响,需将旧桥扩孔,增加工程造价。B桥址方案虽然河道较紊乱,但相对稳定,各主、汊河的过流情况也较明确,因此按天然河流的主、汊流分别布设桥孔方案是可行的。

综上所述,B桥址虽然在造价上略高于A桥址方案,但在对齐齐哈尔城市规划发展、对水源地的影响程度和明月岛景区建设等方面均具有明显的优势,故将B桥址作为齐齐哈尔嫩江大桥推荐桥址。