泾河大桥洪水冲刷与河道演变趋势分析

2018-08-04胡娜

陕西水利 2018年4期

胡娜

（陕西省泾河工程局，陕西咸阳 713800）

1 概况

为加快高陵县经济发展的步伐，促进泾河南北两岸工业园区沟通和交流，拟在高陵县泾渭镇店子王村新建泾河大桥一座。路线全长1.167 km，桥梁最大高度27.0 m，桥面高程378.081 m～379.286 m，宽31 m，共23跨，其中跨径40 m共1跨、30 m共14跨为连续箱梁，跨径50 m共8跨为连续T梁。泾河大桥按100年一遇洪水设计，设计洪峰流量为15400 m3/s，设计洪水位为373.80 m。为确保大桥安全建设，需对工程区河道冲刷和河势发展趋势进行探讨。

2 水沙特性

2.1 水沙特性

泾河为典型的大陆性季风区气温和半干燥气候，年平均气温13.3℃，多年平均降水量553.3 mm，降水量年内分配不均，年际变化较大，7～10月降水量占全年的60%以上，11～2月降水量仅占全年的5%～8%。年际间变幅在3.0左右。多年平均蒸发量800～1000 mm。泾河干流下段第四系地层广泛分布，且沉积厚度及相变有自西向东、由北向南递增、颗粒由粗变细的规律。根据河道砂石开采和桥梁建设的钻孔资料，泾河桥位河段河床组成为：河床上部为粘土和粉细砂，厚19.0 m左右，中间夹细砂，厚5.0～8.0 m；河床的下部和主槽为中粗沙及砂卵石，厚度约3～4 m。根据泾河张家山水文站（1950～2011年）资料统计，多年平均径流量16.6亿m3、输沙量2.32亿t。年最大输沙量11.7亿t（1933年），最小输沙量0.324亿t（1972年）。

2.2 暴雨洪水特性

泾河流域及周边地区地形变化多样，流域内的降雨和雨强分布受大气环流和地形等因素的综合影响。泾河流域暴雨最早发生在4月份，最迟到10月份，其中量级和强度较大的暴雨一般出现在7～8月份。暴雨分为两种类型：一是锋面雨，特点是降雨历时长、强度均匀、笼罩面积大；二是雷暴雨，特点是雨量集中、历时短、强度大、笼罩面积小。泾河流域一次暴雨历时为2～3天，最大暴雨时段为24小时左右，其主雨峰约为12小时。泾河洪水主要由暴雨形成，峰高量大，陡涨陡落。其多发生在主汛期7～9月份上旬，干流洪水历时较短、一般洪水历时3～9天，其中主峰历时2～3天。张家山水文站实测最大洪峰流量9200 m3/s(1933年8月8日)。

3 河道演变分析

3.1 历史河道演变分析

泾河在陕西省境内为黄土高原沟壑区，两岸从上至下分布有13个石嘴，控制着泾河干流的走向，从历史上看，泾河的主流相对稳定，河流冲淤变化不大，处于相对冲淤平衡状态。泾河大桥为平原型河道，泾河右岸为黄土台塬，左岸多为平原，自古以来，泾河自泾惠渠渠首穿越峡谷后一直沿右岸台塬坡脚行洪，基本上右岸为高坎，左岸为滩地，历年来河势变化不大，仅在少数的弯道处有弯顶上提下挫的现象，整个河势变化不大，相对稳定，冲淤相对平衡。

3.2 近期河道冲淤变化分析

泾河为典型降水补给型河流，洪枯水流量悬殊较大，具有陡涨陡落的特点，根据张家山水文站实测资料分析，多年平均流量55.8 m3/s，多年平均含沙量132 kg/m3，多年平均径流量17.6亿m3，多年平均输沙量为2.32亿t。年来沙量随来水量的增加而加大，一次洪水过程中具有涨冲落淤的特性，水沙比例基本协调，一般沙峰较水峰同步或滞后。

为分析三门峡水库的溯源淤积是否对泾河的冲淤带来影响，1964年在泾河尾闾段设置了两个淤积监测断面。黄科研、陕西省三门峡库区管理局曾多次对渭河下游的冲淤作过分析和论证，三门峡水库建库前，渭河下游主槽是一条相对冲淤平衡的河道，而渭南以下的滩面是微淤的；三门峡建成并投入运用以来，三门峡库区泥沙淤积严重，水库溯源淤积逐渐向上游发展，淤积重心逐渐上移。根据实测资料统计与分析，截至2012年渭河下游共淤积泥沙10.9768亿m3，其中在泾河入渭口附近的渭27～29断面间的河道冲刷0.1545亿m3。同时根据黄科院泥沙所的分析成果，三门峡水库建成运用以来，水库的淤积末端在泾河口下游的临潼水文站附近，因此，渭河下游的泥沙淤积不会影响泾河下游尾闾段的河道冲淤。20世纪60年代在泾河西铜铁路大桥下游设立了桃园水文站，根据监测数据分析，桃园水文站河道虽然有冲有淤，但冲淤变化不大，除1970年、1973年、1975年、1976年等年份主槽有所淤积，枯水位略有抬升外，其余年份主槽有冲有淤，但幅度很小，河床基本稳定。

综上所述，在泾河店子王泾河大桥工程河段，泾河近期河道是一条相对冲淤平衡的河道。

3.3 河势变化分析

在店子王泾河大桥河段选取了 1957、1967、1977、1987、1997、2011年典型河势套绘于图，可以看出，上世纪50年代泾河主流经现西铜铁路桥后，顺流而下，在西铜公路桥下游附近，折向河道左岸，然后顺流而下至高庄弯道，然后沿右岸岸坎顺流而下。上世纪60年代初，新建西铜公路桥后，由于水流受到桥墩的导流作用，泾河主流逐渐变为沿店子王村高坎顺流而下，在店子王村附近的弯道处常出现岸坎坍塌现象。70年代修建了店子王护岸控导工程，至今该河段河势未出现明显变化，目前在工程河段泾河主流经西铜铁路桥、西铜公路桥后进入店子王护岸控导工程后折向左岸的高庄弯道水流经高庄弯道后又折向右岸，沿长庆龙凤园小区浆砌石护岸工程而下。近40多年以来工程河段河势基本稳定。

由于桥位断面上游0.64 km处为桃园水文站测验河段，该段河床纵向和横向平面形态与桥位断面附近河床基本一致，绘制桃园水文站1973、1977和 2007、2010、2012年实测大断面图，可以看出，自1973年以来，该河段的主槽宽度在180 m范围以内，主槽基本稳定，主流摆动在200 m范围以内，摆动幅度较小。桥位处主槽摆动幅度与冲淤变化分析结果基本一致，主流在200 m范围以内摆动。

4 河道冲刷与河势稳定性分析

4.1 冲刷分析计算

在自然情况下，河流总是处在不断变化和发展过程中。当河流上兴建了涉河建筑物后，河床演变将变得更加迅速和剧烈。本次大桥桥梁墩台冲刷按照中华人民共和国交通部行业标准《公路工程水文勘测设计规范》（JTG C30—2002）第7.3.1条中非粘性土河床的有关公式进行计算。

4.1.1 桥下河道一般冲刷和局部冲刷计算

设计水位时，主槽宽度169 m，其中共有4组桥墩，主槽平均水深12.04 m，每个桥墩阻水宽度7.19 m，主槽过水面积2039 m2，主槽流量8480 m3/s。根据冲刷计算公式，利用采集沙样分析的河床质粒径资料、设计洪水资料及水文、地质条件，分析确定冲刷计算参数，大桥桥位处泥沙平均粒径确定为5.04 mm。计算结果为：桥位断面100年一遇洪水一般冲刷主槽最大水深15.41 m，绝对冲深2.88 m，滩面最大水深9.03 m。桥位断面100年一遇洪水局部冲刷计算主槽3.98 m，所以桥墩局部冲深采用值3.98 m。

因为一般冲刷、局部冲刷之间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，按照两项数值叠加得出本次推荐数值，使用设计洪水位减去总冲刷水深推荐值得到最低冲刷线高程，见表1。

表1 泾河大桥100年一遇洪水冲刷计算成果表单位：m

设计洪水位减去冲刷水深推荐值既得出该泾河大桥最低冲刷线高程，其值为351.55 m。从表1中看出，高陵县店子王泾河大桥100年一遇洪水一般冲刷线高程为355.53 m，最低冲刷线高程为351.55 m。

4.1.2 东庄水库建设对桥位断面冲刷的影响

在该桥位断面以上游80 km处即将建设泾河东庄水库，按照《陕西省泾河东庄水利枢纽工程项目建议书》，在东庄水库50年运行期内，随着水库防洪减淤效果的显现，泾河下游河道来沙量的减小，工程河段河道将呈现冲刷趋势，根据河道冲淤趋势预估分析，预计到2070年，该工程河段的自然冲刷深度为2.5 m。因此，计算店子王泾河大桥100年一遇洪水最低冲刷线高程时，应考虑东庄水库建成后对泾河下游工程河段的自然冲刷影响，计算结果见表2。

表2 泾河大桥考虑东庄影响最低冲刷线高程计算成果表

从表2中看出，高陵县店子王泾河大桥不考虑东庄水库影响时100年一遇洪水最低冲刷线高程为351.55 m。考虑东庄水库影响时100年一遇洪水最低冲刷线高程为349.05 m。

4.2 河道的演变趋势

4.2.1 河道冲淤趋势预估

泾河大桥段长期以来处于冲淤相对平衡状态。在该桥位断面以上游80 km处即将建设泾河东庄水库，根据《陕西省泾河东庄水利枢纽工程项目建议书》，在东庄水库50年运行期内，随着水库防洪减淤效果的显现，泾河下游河道来沙量的减小，按照泾河张家山水文站平水平沙年实测资料计算，到2070年，渭河下游平均减淤和冲刷厚度1.58 m。由于本工程河段位于泾河下游河口段，桥位断面距河口距离8.5 km，在设计洪水条件下，水面比降、流速均大于渭河，其减淤和冲刷效果亦大于渭河，预计到2070年，该工程河段平均减淤和冲刷厚度大于1.58 m，为了大桥设计和运行安全，对该工程河段平均减淤和冲刷厚度按2.5 m考虑。

4.2.2 河势变化趋势预估

工程河段受到西铜铁路桥、西铜公路桥、店子王护岸控导工程等工程节点的控制，河道主流基本稳定，横向变化较小，河道平面形态基本不会改变。预估在工程河段的河势处于相对稳定状态。