哈爾濱市松花江上游區(qū)段建橋前后河床演變分析

趙 巖

[關(guān)鍵詞]松花江;上游區(qū)段;建橋;河床演變

一、河流概況

哈爾濱鐵路樞紐由王崗至萬樂連線需通過松花江,待建大橋橋區(qū)河段位于松花江干流中上游,距哈爾濱市17km左右,該段河道按平面形態(tài)大體可分為三大部分,即上游彎道段,中間順直段和下游分汊段,橋區(qū)河段基本處于自然狀態(tài),多年來主河槽深泓線擺幅較大,河道較不穩(wěn)定。

該河段地處沖積平原、灘地廣闊,兩岸及灘地被茂密,灘地上串溝、洼地、牛軛湖眾多。洪水期河寬受兩岸堤防、橋梁引堤等約束,具有寬窄相間的特點。整治河段區(qū)間無較大支流入江,平均水深為2.0～7.0m。主河槽寬約400～1 000m。河底坡降平緩,約為0.05m,漫灘由第四紀沖積物組成,抗沖能力較弱。

二、河床演變分析

1.河道平面變化分析,橋址處河段的平面形態(tài)大體分為:即上游彎道段,中間順直段及下游分汊段。通過對三部分河段進行河床演變分析說明橋址處的河床變化情況。通過對數(shù)十年來的測量圖進行套繪,分析如下:

(1)上游彎道段。上世紀30年代,上游段6km處僅有一個萬家河彎,彎道進口平緩,由于河段河床抗沖能力較差,受特殊水文年的影響,在水流和河床相互作用下,逐漸形成曲折的主流線,促使其上游團山子彎道經(jīng)過了十余年變化發(fā)生了自然載彎,彎頂又不斷下移,曲率越來越大,凹岸以平均每年20m左右的速度后退,隨著彎道曲率的不斷增加,水流出萬家河彎后,頂沖萬寶引水渠左岸,促使又一彎道形成,從而引發(fā)了兩個反向彎道即“S”型彎道。受不同系列洪枯水年的影響,低水時彎道頂沖部位在彎頂附近,洪水時彎道頂沖部位移到彎頂以下,作用的結(jié)果促使彎道不斷發(fā)展。

(2)中間順直河段。該河段處于萬寶彎道出口至雙口面,全長約5km,河岸較順直,擬建的鐵路橋即位于該河段上。通過多年的測圖對比分析可以看出,該河段多年來相對穩(wěn)定變化較小,多年岸線基本保持不變,河道內(nèi)江心洲、江心灘、邊灘等泥沙成形堆積體隨著上游彎道的變化及水文年的不同而時長時消,從順直段到分汊段河面突然加寬,使水流流速降低,水流挾沙力減少,造成泥沙淤積,同時隨著上游彎道的不斷沖刷崩退,沖刷下來的大部分泥沙也在該段合適的地方落淤,在現(xiàn)橋址處已形成了兩個江心洲。從兩個江心洲的變化情況看,有總體向下移動的趨勢,其大小在不同的水文年有所改變。1#江心洲向下移動1 600m,2#江心洲向下移850m。

(3)下游分汊河段。自然和人為的結(jié)果,再加上上游水流動力軸線的南移,導致左汊逐漸衰退,而右汊成為通航汊道,右汊口門處逐漸形成3#江心灘,經(jīng)過1998年大洪水后,次年3#江心灘消失,由于大部分泥沙在南岸淤積,使該處河道平均束窄40m。

2.河道橫斷面變化分析,通過對上世紀60年代年至現(xiàn)在的測量圖等資料,分別對橋位的橫斷面進行套繪分析得出:該橋位處的橫斷面由于有江心洲存在,始終體現(xiàn)為江心洲分隔的復式斷面,右汊河床被沖深近5m,枯水期汊道寬度變化不大,到2001年右汊水流條件有逐年變好的趨勢。左汊河床年際間有沖有淤,相對變化較小。

3.深泓線平面變化分析,從上世紀60年代至90年代年的深泓線和航線的套繪圖可以得出,河段深泓線變化復雜,彎道段和分汊段的深泓線隨年際間河道的擺動而頻繁變化,在橋址所在的過渡期,深泓線位置處于動態(tài),航線不穩(wěn)定,從彎道水流動力軸線的變化看,在枯水期由于水流動量小,主流線易于彎曲而靠近凹岸,洪水期水流動量大,慣性作用強,主流線不易彎曲而偏離凹岸,即“低水走彎、高水走灘”,分汊河段分流點的位置受上游河勢及來水來沙的影響變化較大,體現(xiàn)為洪水時下移,枯水時上提。

4.河床演變規(guī)律及發(fā)展趨勢。天然的河流的河床演變是由多方面而又極其復雜的因素決定的,而河段各部分河流特性不同,也有各自的演變特點,具體歸納如下:

(1)彎道段:在主流頂沖及彎道環(huán)流的作用下,凹岸不斷崩塌后退,凸岸相應淤積增長,彎曲程度會不斷加大。

(2)順直段:受上游彎道的影響較大,各種泥沙成型堆積體移動變動頻繁,主流也隨上游彎道的發(fā)展的繼續(xù)靠近右岸,水流對橋址處右岸的沖刷較大,根據(jù)水流隨流量變化的特點,表現(xiàn)為退水期淺灘沖刷,深槽淤積,漲水期淺灘淤積,深槽沖刷,岸線呈周期性的展寬或束窄現(xiàn)象。

(3)分漢河段:由于汊道段河岸、河床及島嶼抗沖能力較弱,平面位稱幅度較大,整體表現(xiàn)為大套子島頭沖刷后退,河道展寬南移。北汊進口近年來沖淤變化較明顯,口門邊灘發(fā)育,并被切割下移,北汊正常的航道水深已難以維持,由于上游河勢的變化和1#、2#江心灘的下移,南汊入流條件更加通暢,汊道表現(xiàn)為汛期淤積、枯季沖刷,總的沖淤幅度不大。

三、建橋后的河床演變

連續(xù)鋼桁梁雙孔通航橋橋墩間距92米,為雙孔通航,中間橋墩處于主流區(qū)附近,橋墩對水流的擠壓、干擾作用明顯,橋墩上產(chǎn)生較大雍水,水位升高,流速減緩,水流挾沙率降低,建橋前,原有邊灘、心灘等泥沙成形的堆積體在建橋后淤積范圍進一步擴大,灘面高程有所抬高,這些變化又促使主流及河勢隨之發(fā)生變遷。

在橋位處,因漫灘水流受橋墩的阻壅作用,河槽中單寬流量增加,局部水面比降及流速加大,導致河床產(chǎn)生一定沖刷,同時在橋墩附近形成復雜的水流結(jié)構(gòu)馬蹄形螺旋流,導致橋墩周圍的河床出現(xiàn)局部沖刷。

大橋下游由于橋位附近加大了水面比降和流速,要經(jīng)過一段距離的重新調(diào)整,才能逐步過渡過下游河流的自然形態(tài),因此,橋下游一定范圍內(nèi)仍會不同程度的沖刷。此后水流逐漸擴散,流速漸減,最后又恢復到自然流態(tài)。上游沖刷的泥沙一部分也可能在適當?shù)牡胤接俜e下來,一部分帶往下游。從河工模型試驗結(jié)果看,當流量為小于50年一遇的洪水流量時,水面與天然水面線差別不大,雍水最大值約為0.04m,發(fā)生在橋上游1.21km;300年一遇洪水流量時,雍水最大值0.06m,發(fā)生在上游1.45km處。

四、結(jié)束語

綜合以上建橋前后的河床演變的相關(guān)分析,為保證大橋的上下游區(qū)段的河床穩(wěn)定,對該橋址區(qū)段進行的航道施工,實施一定的人為控制是非常必要的,因此,在今后的工程設計中,要求設計人員認真地考慮以上河床演變分析,保證工程設計的經(jīng)濟、合理,符合建橋后的河床的穩(wěn)定。

(編輯/永安)