黄河内蒙古段涉河桥梁孔跨布置的关键技术探讨

仝海杰 钱胜 孔纯胜

摘 要：黄河内蒙古河段是黄河上游防洪防凌重点河段，目前这一河段规划建设的桥梁较多，为避免桥梁建设对黄河防洪防凌的不利影响，需要对大桥设计的重点指标——孔跨宽度进行多方面论证。结合黄河内蒙古乌海段河道范围内拟建大桥案例，分析提出内蒙古段大桥孔跨设计时，除满足技术审查标准中规定的最低孔跨要求外，还应重点从对防洪防凌、河势变化的影响及通航要求方面论证适宜的孔跨宽度。经论证，乌海黄河大桥从防洪防凌及河势变化要求的最小孔跨宽度不宜小于200 m;根据数学模型计算，在可通航水域范围内，桥轴线及其附近的水流最大流速为3.61 m/s，最大夹角35.6°，最大横流流速1.48 m/s，水流条件较差，应一跨跨越通航水域。综合各技术分析结果，乌海黄河大桥主槽内孔跨宽度不宜小于280 m，以保证该河段防洪防凌、河势变化及通航安全。

关键词：桥梁孔跨;防洪防凌;通航;黄河内蒙古段

中图分类号：TV87;TV882.1

文献标志码：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2021.10.014

引用格式：仝海杰，钱胜，孔纯胜.黄河内蒙古段涉河桥梁孔跨布置的关键技术探讨[J].人民黄河，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

黃河内蒙古河段位于黄河流域最北端，从宁夏石嘴山入境至准格尔旗马栅乡，干流全长843.5 km，河道总落差仅162.5 m。受两岸地形控制，形成峡谷与宽河段相间的格局，石嘴山至海勃湾水库库尾、海勃湾水库坝下至旧磴口、喇嘛湾至马栅为峡谷型河道，其余河段河面开阔，由游荡型、过渡型及弯曲型河道组成，河势不稳定。受特殊的地理位置影响，内蒙古河段封河自下而上，开河自上而下，流凌封河期容易形成冰塞，开河期容易形成冰坝，是黄河凌汛灾害最为严重、复杂的河段。黄河内蒙古河段是黄河上游防洪防凌重点河段，目前这一河段规划建设的桥梁较多，桥梁设计时要避免或减少对防洪防凌的不利影响;同时黄河内蒙古河段又是规划通航的河段，通航影响不容忽视，需要对大桥设计的重点指标——孔跨宽度进行多方面论证。根据多年工作经验，本文结合拟建的包头至银川高速铁路工程乌海黄河特大桥（简称“乌海大桥”，桥位见图1），从防洪防凌、河势变化及通航条件三个方面对黄河内蒙古河段大桥孔跨设计的关键技术进行探讨。

1 防洪防凌

孔跨宽度的大小，对河道防洪和桥梁建设投资影响较大。孔跨宽度小，河道范围内桥墩数量多，阻水面积大，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标准降低，桥墩附近易造成局部淤积和冲刷，凌汛河段还易产生冰塞冰坝[1]。孔跨宽度越大，工程投资越大。根据《黄河河道管理范围内建设项目技术审查标准》，内蒙古河段三盛公以上主河槽孔跨不应小于80 m，滩地孔跨不应小于40 m[2]。该标准是对河段内孔跨宽度的最低要求，具体设计时还应根据河道具体情况取适宜的孔跨宽度。

乌海大桥位于海勃湾水利枢纽库尾段的上游，距坝址36.3 km，属于峡谷型河段，两岸无堤防，校核防洪标准为300 a一遇。桥位处河道宽580 m，现状主槽宽250 m。由于大桥两岸为山体和台地，现状及规划均无堤防及其他整治工程，因此大桥壅水不会增加两岸淹没面积，孔跨宽度布置对防洪影响不大。但是该河段是黄河内蒙古段凌汛灾害较为严重的河段，需重点分析孔跨布置对防凌的影响。

根据近期乌海市防凌资料记载，桥位河段冬季流凌日期最早在11月中下旬，流凌至封冻一般为17 d，最长为30 d，最短为6 d;开河日期在3月13日前后，凌汛历时一般为5～10 d。根据该河段石嘴山、磴口水文站历年冰情统计（见表1），桥位河段多数年份为稳定封冻，1986年以前流冰块尺寸较大，最大为1 000 m×200 m（长×宽），1986年以后最大流冰块尺寸有所减小。根据1971年以来的统计，出现最大流冰块宽度超过100 m的次数有7次，占24.1%，超过200 m的次数有2次，占6.9%;长度超过100 m的次数有10次，占34.5%，超过200 m的次数有6次，占20.7%。据统计，最大河心冰厚0.42 m，最大岸边冰厚0.5 m，最大流冰速度0.84 m/s，冰块较厚，流速较快，对桥墩的撞击力较大。虽然1986年（龙羊峡水库蓄水运用）以来桥位河段的最大流冰块尺寸有所减小，但受特殊地理位置的影响，特别是乌海大桥位于弯道处，大桥孔跨设计时一定要考虑对防凌的影响，保证较大流冰块的顺利通过，防止较大冰块对桥墩产生撞击破坏，以及因桥墩阻水阻冰而在桥前形成冰塞冰坝。因此，从防洪防凌角度分析，乌海大桥主河槽内孔跨不宜小于200 m。

2 河势分析

黄河内蒙古河段位于黄河上游下段和中游上段，其中：石嘴山—乌达公路桥、蒲滩拐—马栅乡为峡谷型河段，河道相对稳定;三盛公至蒲滩拐为平原型河段，其河岸主要由黄河冲积堆积的粉细沙、沙壤土组成，结构疏松，受河水冲刷易塌岸，为不稳定河岸。河势分析在大桥孔跨设计中主要是确定河道的主槽摆动范围，在主槽摆动范围内的大桥孔跨均应按主槽考虑。如三盛公库区中段包银高铁磴口黄河特大桥所在河段现状主槽宽度为820 m，经河势分析，摆动主槽范围为1 300 m[3]，因此1 300 m主槽摆动范围内大桥孔跨宽度均应按主槽考虑，该分析结论已应用到包银高铁磴口黄河特大桥的孔跨设计中。

2.1 岸线及洲滩的变化

乌海大桥位于海勃湾库尾段上游，为典型的峡谷河道，位于黄河S形弯道的出流处。根据近年实测水边线及深泓线变化情况（见图2、图3）分析，受两岸山体和台地制约，多年来河势较为稳定，桥位处左右岸滩槽基本稳定，历年岸线位置基本一致，洲滩变化不大，1984年以来右岸高坎变化幅度仅13 m，岸线较为稳定。从历年实测主槽宽度比较分析得到桥位断面主槽宽度约为250 m。

2.2 河床横断面变化

根据桥位上下游测验断面不同年份河床横断面变化情况（见图4、图5）分析，断面深泓点略有变化，变幅在0.5～1.0 m之间，过水断面面积变化不大，河床形态较为稳定，主流较为稳定，左右岸岸线变化不大。根据历年大断面套绘分析，桥位下游2 km处HB34断面主槽宽度约为240 m，上游0.5 km处HB35断面主槽宽度约为220 m。

根据桥位上游17.01 km处石嘴山水文站1994年以来典型年份大断面套绘（见图6）及断面不同年份高程1 090 m对应的面积和深泓点高程（见表2）分析，石嘴山水文站横断面1994—2018年期间，主槽冲淤交替，滩地冲淤变化较小，大水年份多表现为冲刷，洪水过程中主槽向左移动，河段岸线相对稳定，河槽内未出现洲滩汊道。从历年斷面变化看出：当流量小于3 000 m3/s时，断面有冲有淤，总体表现为淤积;当流量大于3 000 m3/s时，断面产生冲刷。总之，石嘴山断面冲淤调整幅度不大，最大冲淤变化在1.6 m左右。

根据桥位河段河势及上下游大断面变化分析，乌海大桥河段河势较为稳定，左右岸岸线变化不大，洲滩变化不大，主槽宽度为250 m（见图7）。工程河段内主槽内断面形态基本稳定，主槽深泓点受河床冲淤调节影响有一定冲淤变化，但整体看，工程河段位于海勃湾水库库尾段的峡谷河段，河段内航槽床面地形年际变化相对较小，航槽河床基本稳定，横断面冲淤变化对航槽水深、流速影响不大。

3 通航要求

整个黄河河道现状均未通航，但是黄河航运规划目标早在1955年编制的《黄河综合利用规划》中就已明确。1988年4月交通部发布《黄河水系航运规划报告》，根据其规划，至2030年工程河段将建成Ⅳ级航道，以通300～500 t级单船及船队为主[4]。目前，黄河下游也正在开展复航论证，因此从国家规划及经济社会发展考虑，黄河内蒙古段大桥建设必须考虑通航需求。

乌海大桥位于黄河S形弯出流处，处于不利的水流条件。采用二维水动力数学模型进行水流分析，并通过2020年10月实测流量、流速进行验证。

式中：q为单位面积的源汇强度;H为水深;Z为水位;u和v分别为垂向平均流速在x与y方向的分量;n为糙率;g为重力加速度;νT为水流湍动扩散系数;f0为科氏力系数，f0=2ω0sin ψ，其中ω0为地球自转角速度，ψ为计算区域的地理纬度;ρ为水流密度;u0、v0分别为水深平均源汇速度在x、y方向的分量;τsx和τsy分别为x、y方向的水面风应力。

计算过程中根据实际情况可以对数学模型进行适当简化，忽略风应力、地球科氏力的影响。采用ADI逐行法对二维模型的连续方程和动量方程分别进行时空上的积分，离散方程用追赶法求解。

模型计算结果显示，在可通航水域（满足设计船舶吃水）范围内，桥区流量为405 m3/s时（最低通航水位对应流量），最大流速为1.47 m/s，流速一般为0.95 m/s左右，水流最大夹角约为16.7°，最大横流流速约为0.37 m/s;桥区流量为740 m3/s（多年平均流量）时，最大流速为1.95 m/s，流速一般为1.32 m/s左右，水流最大夹角约为15.6°，最大横流流速约为0.39 m/s;桥区流量为1 400 m3/s时（常遇洪水流量），最大流速为2.50 m/s，流速一般为1.93 m/s左右，水流最大夹角约为16.0°，最大横流流速约为0.57 m/s;桥区流量为5 460 m3/s（10 a一遇洪峰流量）时，最大流速为3.61 m/s，流速一般为2.79 m/s左右，水流最大夹角约为35.6°，最大横流流速约为1.48 m/s。模型网格见图8，最高通航水位下流场分布见图9，计算结果见表3。

数学模型显示，建桥前在各级来流情况下，在可通航水域范围内，桥轴线及其附近的水流最大流速范围为1.47～3.61 m/s，最大夹角范围为15.6°～35.6°，最大横流流速介于0.37～1.48 m/s之间，水流条件较差。根据《内河通航标准》（GB 50139—2014）等相关规定和要求，应一跨过河或在通航水域中不得设置桥墩[5]。经计算，设计最高通航水位采用10 a一遇设计洪水位1 083.55 m，满足通航水深的通航水域宽度为265.25 m。因此，根据通航条件分析，乌海大桥所在黄河S形弯道处水流条件较差，需一跨跨越通航水域，通航水域宽度为265.25 m，扣除桥墩宽度，乌海大桥主槽内孔跨宽度不宜小于280 m。

4 结 论

黄河内蒙古段是黄河防洪防凌重点河段，河势变化较为复杂，大桥孔跨设计时除了从防洪防凌、河势变化角度进行分析外，还应该结合规划航道建设探讨适宜的孔跨宽度，尤其在水流条件较差的河段，从通航角度论证孔跨宽度至关重要。以黄河乌海大桥为例，从防洪防凌及河势变化角度分析的主槽内最小孔跨宽度不宜小于200 m，主槽摆动范围为250 m，从通航条件的技术角度分析的最小孔跨宽度不宜小于280 m，综合分析得出乌海大桥主槽内大桥孔跨宽度不宜小于280 m。

本次探讨的关键技术已应用于包头至银川高速铁路工程乌海黄河特大桥防洪评价及大桥设计中，为保障防洪防凌、通航安全提供了技术支撑。

参考文献：

[1] 翟家瑞.黄河上桥梁建设防洪方面的几个主要技术问题[J].人民黄河，2006，28（10）：1-3.

[2] 黄河水利委员会.黄河河道管理范围内建设项目技术审查标准（试行）[S].郑州：黄河水利委员会，2017：8.

[3] 钱胜，仝海杰，沈洁，等.新建包头至银川铁路工程（内蒙古段）磴口黄河特大桥防洪评价报告[R].郑州：黄河勘测规划设计研究院有限公司，2020：46-57.

[4] 交通部黄河水系航运规划办公室.黄河水系航运规划报告[R].西安：交通部黃河水系航运规划办公室，1988：48-49.

[5] 中华人民共和国住房与城乡建设部，中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.内河通航标准：GB 50139—2014[S].北京：中国计划出版社，2014：18-19.

【责任编辑 许立新】