京汉铁路桥遗留桥墩对黄河河势的影响与治理

2019-08-24王卫红王万战

人民黄河 2019年8期

李勇，王卫红，王万战

（黄河水利科学研究院水利部黄河泥沙重点实验室，河南郑州450003）

河势是水流与河床相互作用而形成的河流平面态势［1］，或者说是河道水流平面形式的变化［2］，处于不断的演变与调整过程中［3］，分析河势演变成因是治河防洪的一项基础性工作。黄河是世界上河势演变最复杂的河流［2］，其河势变化受众多因素的影响。水沙条件是引起河势调整的主要动力因素，流量、含沙量、水沙关系及水沙年内分配的变化都会引起河势的调整［4-6］，另外在长期小水时期突发大洪水以及发生高含沙水流，也会引起河势变化［7-8］。河床物质组成及河床大幅度冲淤，是引起河势变化的主要边界因素，如河床由细沙组成无法扼制严重的塌滩塌岸进而发生河势调整［9］，以及发生“揭河底”“裁弯取直”等河床剧烈调整等［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实施，包括在河道内弃土弃渣等，都会使水沙过程发生变化，进而对河势产生影响［11-18］。总之，目前对河势变化成因的研究已有相当多的成果。

黄河下游花园口河段是典型的游荡型河道，河势对外界因素的干扰有着高度响应关系，一直为黄河防洪的重点河段。该河段于1906年建成通车的京汉铁路桥，因基础较浅，靠抛石维持稳定。据资料记载，1933—1949年累计抛石约30万m3，相当于筑起一座长3 km，高、宽各10 m的石头长坝。随着京广铁路的建成通车，京汉铁路桥于1960年停止使用并予以拆除，但是位于水下的桥墩及散抛石未能清除。在小浪底水库运用前，这些障碍物位于河床淤积面以下，对河势的影响相对较小，然而近年来随着河床不断冲刷下切，遗留桥墩和抛石显露出来，成为行洪障碍物，对河势产生较大影响，给防洪安全带来了很大的不确定性。目前这一问题并未引起人们应有的高度重视，对其影响仍缺乏分析。为此，笔者依据河势观测资料，通过河势图统计分析，研究京汉铁路桥遗留桥墩及抛石对河势的影响，并提出相应的治理建议，为该河段河道整治及防洪提供科学依据。

1 河势调整特点及原因分析

1．1 河势调整特点

在2000年小浪底水库运用前，特别是1986—1999年，研究河段河道基本处于淤积状态，京汉铁路桥遗址的遗留桥墩大都在床面以下，对水流及河势影响不大。随着小浪底水库的拦沙运用及长期持续下泄清水、小水的作用，加之近些年在该桥址上游3．2 km及下游0．6 km范围内修建的桃花峪大桥和郑焦城际铁路桥，在4 km范围内有三座大桥、两条高压线和京汉铁路桥遗留的桥墩，以及修建桃花峪大桥遗留的左岸施工道路（后期进行了加固），河势与现有微弯型河道整治设计条件（4 000 m3／s中水流量、较高含沙量）差异很大，致使部分河段尤其是京汉铁路桥所在的桃花峪—花园口段河势变化大，与规划治导线存在较大差异，表现出受“长期低含沙水流，河势更易于先趋直、后坐弯”［19］规律的控制，河势在前期（2010年之前）趋于顺直方向发展、下挫较为明显，2004年以来老田庵工程开始脱河，之后使得保合寨、马庄、花园口工程也逐渐脱河，花园口引黄闸出现引水困难，花园口景观不复存在。随着河床冲刷的加剧，位于老田庵上首的京汉铁路桥遗留桥墩、抛石明显显现出来，对河势影响较大，加之主流靠右岸、严重偏离治导线，导致其下的多处工程脱河（见图1）。

1．2 河势调整原因分析

（1）桃花峪控导工程长期靠溜不力。受长期低含沙小水作用，东安—花园口河段在2010年之前河势呈逐渐趋直趋势，但之后河势开始坐弯，加之2010年开始修建桃花峪大桥，自2012年起河势在东安控导工程（沁河入黄口处）靠溜下挫，主流出东安控导工程流经桃花峪黄河大桥处，受左岸滩地和建桥施工道路的共同作用，主流以近乎与桃花峪控导工程垂直的角度（自北向南）顶冲桃花峪控导工程下首，出现了S形畸形河湾（见图2），使得桃花峪控导工程送溜能力显著降低。

（2）京汉铁路桥墩及周边抛石的显著影响。进一步分析桃花峪至老田庵河段河势与规划治导线的关系表明，主流出桃花峪控导工程送溜段以后，虽送溜能力较弱，但主溜方向仍与规划治导线较为一致。但是，京汉铁路遗留桥墩及周边抛石形成了梳篦（分散）作用，对河势影响相当明显（见图3），在其下游主流分散为两股，在桥群处形成较大心滩，其中主溜沿右岸滩地流至老田庵控导工程尾端，老田庵控导工程没有起到导溜、送溜的作用，并进而导致连锁反应，使老田庵控导工程以下的保合寨控导、马庄控导、花园口险工均不靠河，东大坝下延仅靠回溜。

小浪底水库投入运用以前，该河段总体处于持续淤积抬升状态，遗留桥墩及周边抛石对河势的影响相对较小。但在小浪底水库投入运用后，随着河道的持续冲刷，遗留桥墩及周边抛石（见图4）对其上游河道的“局部侵蚀基准面”作用及对桥位附近水流的“梳篦、分散”作用逐步显现，并持续增强。

分析桥位上、下游水面线变化及水位落差变化过程（见图5）可以看出，自2004年开始桥位下游的水面比降较上游比降已经显现出增大的趋势，底部抛石已经开始发挥类似宽顶堰的作用。到2013年桥位上下游水位落差已经较为明显，2013年10月、2014年10月、2015年10月河道断面测验时的水位差分别达到0．24、0．33、0．71 m（相应流量分别为 1 060、421、298 m3／s），遗留桥墩阻水、跌水作用及其对下游河势的影响更加直接，甚至逐步起到决定性的作用。

随着该河段河道的进一步冲刷下切，未来遗留桥墩及周边抛石的宽顶堰作用将会进一步增强，水流在全断面近乎均匀地通过宽顶堰下泄，将使桥位下游的水流在横断面上分布更加均匀，下游河势将进一步发生调整。

2 治理建议

建议尽快开展京汉铁路桥（原京广铁路桥附近）治导线范围内遗留桥墩及周边抛石的拆除工作，稳定桃花峪—花园口河段河势，使桃花峪至老田庵控导工程之间河势趋于规划治导线方向发展，使老田庵工程适应不同方向的来溜，具有足够的导溜、送溜能力；同时结合必要的挖河疏浚、切滩导流等措施，逐步使保合寨、马庄、花园口控导工程（险工）等逐步按规划设计方案靠河。争取在较短的时间内形成类似2003年前后桃花峪—老田庵—保合寨—马庄—花园口河段较好的“一弯导一弯”的局面（见图6）。具体措施建议如下。

（1）拆除京汉铁路桥在治导线范围内的遗留桥墩，确保老田庵工程靠溜。首先拆除京汉铁路桥治导线靠左岸600 m范围内（设计治导线宽度为800 m）遗留的桥墩及周边抛石（具体拆除量需要进一步探测和专项研究），以确保老田庵工程靠溜。通过对治导线范围内阻水桥墩及抛石的彻底清理，引导主流进入治导线范围，确保老田庵工程能够顺利靠溜，再结合其他工程措施，解决桃花峪—花园口河段的入流（龙头）河势问题。

（2）为保证黄河下游龙头河势得到控制后对该河段河势的调整效果，同步对东安—桃花峪控导工程间的S形畸形河湾、京汉铁路桥拆除“豁口”到老田庵控导工程迎溜段之间的河道进行挖河疏浚，调整桃花峪控导工程迎溜角度，保障老田庵控导工程的“迎溜—导溜—送溜”效果；根据河势调整情况，对保合寨、马庄、花园口控导工程前辅以挖河疏浚、切滩导溜（具体需要开展专项研究）等措施，形成桃花峪—老田庵—保合寨—马庄—花园口河段较好的“一弯导一弯”沿规划治导线的河势，使得花园口险工靠河，恢复花园口景观和花园口引黄闸的取水。