商州南秦河大桥工程处河床演变分析

曹 菀，钟 飞

（商洛市水电勘测设计院，陕西 商洛 726300）

1 概况

商州区南秦河大桥位于商洛市城区南大门南秦桥下游1.2 km处，横跨南秦河，起于南大门引线，至于龟山大道，长75.1 m、宽32 m，中间双向四车道宽20 m，两侧人行道宽6 m，桥面南高北低，坡度-1.415%，坡长142.935 m，桥梁上部主体采用3 m×22.9 m预应力混凝土连接小箱梁结构连接，单跨22.9 m，下部采用单排4柱式墩、5柱台，钻孔端承桩基础，桥台均坐落于南秦河两岸河堤上，由南到北分布着0、1、2、3号墩台，0、3号墩台有5个灌注桩，1、2号墩台有4个灌注桩。根据《防洪标准》（GB50201-94）南秦河中桥按100年一遇洪水设防。为了确保工程安全建设，根据涉河工程建设的有关法规和国家《河道管理范围内建设项目管理的有关规定》，需对工程处的河道演变和河势稳定情况进行分析。

2 南秦河水沙特性分析

2.1 南秦河水沙特性分析

发源于商洛市东岳庙乡鸡冠岭的南秦河，属暖温带和北亚热带过渡性季风气候，多年平均气温12.9℃，多年平均降雨量709 mm，暴雨多集中在7、8、9三个月，10月进入连阴雨天气。南秦河主要支流有林岔河、石道峪、赤水峪、石龙湾河、金陵寺河、大流峪河，于商州区刘湾办事处候源村汇入丹江。河长48 km，流域面积576 km2，河道平均比降16.6‰，多年平均径流量1.6亿m3，径流模数为7.93 m3/s km2，实测最大流量441 m3/s。径流年内分配为夏秋较多，冬春较少。南秦河流域属土石山区，植被较差，侵蚀模数1302 t/km2。泥沙主要是由于暴雨对流域强烈的侵蚀作用形成的，具有水沙关系协调、年际变化大、年内分配不均、推移质占的比例较大的特点。平均含沙量4.44 kg/m3，平均输沙率18.4 kg/s。据该河谢塬水文站1959～2001年32年悬移质泥沙资料统计（1974～2001年悬移质输沙量系用邻近麻街站按面积比拟到谢塬站），年输沙量的最大值和最小值分别为平均值的3.73倍和0.02倍；泥沙主要集中在汛期，其中7～9月输沙量占年总量的83.1%，可见沙量比水量更集中。

2.2 洪水特性分析

南秦河流域暴雨洪水频繁，与丹江一样。据南秦河谢垣水文站11年实测资料统计，南秦河洪水最早发生在4月，最迟发生在10月，年最大洪水一般发生在6～9月。南秦水库1988年8月14日实测最大洪峰流量为703 m3/s。洪水具有陡涨陡落，历时较短的特点，洪水历时一般在10～24 h，10月的洪水主要受连阴雨的影响，呈现出洪峰流量小，历时长的特点。小河沟多发生历时短，高强度的大暴雨，易引发山洪，同时引发泥石流和滑坡等次生灾害。南秦河上段山高坡陡，河短流急，汇流迅速，洪水陡涨陡落，一次洪水过程一般为一日左右，洪水过程大多数呈单峰，且峰形尖瘦。随着汇流面积的增大，洪水过程延长至2～5天，峰型则具有多峰锯齿状特点。

3 河道演变分析

3.1 河道历史演变概况

南秦河大桥工程处在南秦河流域，由于该流域地理位置和地形、地貌特点，其年内、年际间的降水分配极不均匀，洪涝灾害经常发生，造成了流域内不同程度的水土流失。在流域的河谷内，水土流失较轻；在低山丘陵区，地面坡度1/500～1/200，水土流失严重，以沟蚀为主。根据历年资料分析，在历次洪水中，河道主槽主要在南北两山山脚间摆动，河床相对稳定。受洪水冲刷、水土流失、不均匀降雨影响，存在着局部冲刷和淤积问题，但对整个河槽未产生较大影响。受地质构造制约，河势基本稳定，河道变迁摆动很小。

该工程建设区河道历史上一直处于相对稳定状态，河道演变规律是涨冲落淤，即洪水期间涨水段流速增大，河床冲刷，落水段流速减小，河床回淤。汛前汛后河床断面冲淤变化较小，从水文资料系列分析，冲淤变化接近冲淤平衡或者略有冲刷，河底高程有不同程度的下降。

3.2 河道近期演变分析

3.2.1 河道平面变化分析

根据调查成果和历史资料分析，工程项目区所在河流为丹江较大支流，河流性状基本接近。工程项目区河道河床虽有冲淤变化，一般河道改变的规律是小水时候河床横向变化较大，大水的时候河床横向相对保持走向不变。工程项目区所在河流经过长期的自然运行和冲刷，河岸平面位置趋于稳定，高水部分河岸基本无横向摆动现象。经过现场调查，并对当地村民走访，综合分析得知：南秦水库建成以后，当地河道河床未发生过横向变化，个别年份发生较大洪水时，部分河堤被冲毁，通过及时加固堤防后，河道横向变化处于可控范围内。

3.2.2 河道纵向变化分析

南秦水库上游河段，受水库蓄水位的影响，主河道高水位时，水库水流顶托作用大，河道沉砂落淤，河床有一定的淤积。从1988年“8·14”洪水至今，河道冲刷与淤积变化比较频繁，变化幅度在上下0.8～1.5 m范围内。由于水库的拦蓄洪水和泥沙，坝址下游河道略有下切。近十年，随着沪陕高速西蓝商段、商洛市城市建设、居民建房等工程的建设，采砂活动频繁，形成部分河段河床下切严重，短期内不良演变加剧，部分河段河床下切3～4 m。随着龟山大道工程、河堤工程等建成运行不在受工程建设影响后，河床冲刷下切现象将会逐步趋小。

4 河道冲刷与河势稳定性分析

4.1 河道泥沙输送分析

根据谢塬水文站实测资料可知，南秦河多年平均悬移质输沙量为30.6万 t，若悬移质的容重按1.3 t/m3计，合23.5万m3。南秦河的河道比降陡，推移质的量较大，采用推悬比法估算推移质输沙量时，推悬比按山区河流取0.2，得到谢塬站推移质的多年平均输沙量为6.1万t，若推移质的容重按1.6 t/m3计，合3.8万m3。输沙总量为悬移质输沙量和推移质输沙量之和，经计算谢塬站多年平均输沙总量为36.7万t，合27.3万m3。工程区泥沙以谢塬水文站为参证站，按面积比拟法计算工程区各河段的输沙总量，计算结果悬移质输沙量5.0万t，推移质输沙量1万 t，输沙总量 6万t。

4.2 河道冲刷分析

在自然条件下，河道中水流驱使床面泥沙运动，泥沙运动后的床面形态又影响水流结构，河流总是处在不断的变化和发展过程中。当河流上兴建了涉水建筑物后，河床演变将变得更加迅速和剧烈，由于受引堤、墩、台等建筑物的挤压作用，桥渡上游常产生水位升高、流速减缓、水流挟沙能力降低等现象，桥位处则因断面缩窄，流速增大而产生冲刷。根据《公路工程水文勘测设计规范》（JTGC30-2002）和《公路桥涵设计手册·桥位设计》，桥梁墩台冲刷由一般冲刷和局部冲刷两部分组成，一般冲刷包括河流的洪水冲刷和建筑物的压缩冲刷。

大桥位河段河床基本为含砾粗砂层，利用南秦河中桥桥位处断面的实测河道资料、河床泥沙粒径资料（照片）、地质条件和洪水资料，河槽一般冲刷计算按《公路工程水文勘测设计规范》和《公路桥涵设计手册·桥位设计》推荐的64-1修正式和64-2简化式进行计算，计算结果见表1。从表中可以看出，两个公式计算比较接近，为安全起见，本次选用较大冲深值。

表1 一般冲刷计算成果表

局部冲刷按《公路工程水文勘测设计规范》和《公路桥涵设计手册·桥位设计》推荐的65-1修正式和65-2式进行计算，成果表2。结合桥上下游河道情况，从工程安全考虑，本次选用数值较大的计算成果。

表2 局部冲刷计算成果表

因为河床一般冲刷、局部冲刷之间的相互关系目前尚不清楚，河道断面形态变化难以准确预测，泥沙粒径粗化影响较为复杂，因此计算总冲刷深度从偏于安全考虑采用简化办法，即按照两项数值叠加得出本次推荐数值，使用现状洪水位减去总冲刷水深推荐值得到最低冲刷线高程，见表3、表 4。

表3 南秦河中桥冲刷计算成果表

表4 南秦河中桥冲刷计算成果推荐表

4.3 河道演变趋势分析

由于南秦河大桥上游南秦水库拦截了大量来沙，使当地河道泥沙补充减少，总的变化趋势是相对稳定，略有下切。下切趋势随河道取沙规模和数量成一定的正向对应关系。受山区地形限制，加之堤防工程的控制，河段平面变化趋势已基本稳定，今后河势不会发生大的变迁。河道冲淤变化在施工期（区）变化大于其它河段。随着工程项目的投入运行，当地河道取沙规模的减少，以及在河道修建拦沙坝等工程措施发挥作用后，当地河道河床下切的趋势逐渐减小。从长远来看，当地河道的变化趋势将保持相对稳定，冲淤变化将会趋小，保持缓慢的下切。

5 结语

通过对南秦河大桥所临河段水流泥沙特性、河床演变规律以及南秦河中桥建设对所在河段防洪影响情况的分析计算可知，南秦河大桥总冲刷深度为2.36 m，南秦河中桥项目桥梁基础为灌注桩基础，基础埋深远远大于冲刷深度。所以，当发生设计洪水时南秦河中桥是安全的。南秦河大桥项目建设后对河势的稳定影响甚微。

通过对南秦河大桥工程所在的河势分析，提出以下建议：

（1）南秦河大桥项目的建设横跨河道，占用河道，桥墩的阻水作用，使水流侧向挤压增加，局部流速加大，加大了水流对河床、河堤的冲刷作用，对河床的冲刷在冲刷计算中已详细说明，最大冲刷深度达到2.36 m，而河堤的基础埋深是2.5 m，由于近几年南秦河下切，齿墙已外露1.4 m，实际埋深只剩1.1 m，严重影响河堤的安全，因此建议在大桥下游约15 m处修建一座混凝土重力拦砂坝以确保大桥安全。

（2）加强工程区河道管理，禁止在河道内采砂取石，包括大桥建设的用料，以避免河道冲刷加剧，确保河道行洪安全。