東營(yíng)黃河公路大橋橋位河段水文分析

李甦冰

（中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)橋隧處，陜西西安710043）

0 引言

東營(yíng)黃河公路大橋位于山東省東營(yíng)市，距黃河入?？诩s60km，是黃河尾閭的最后一座特大型橋梁。該橋是國(guó)家規(guī)劃的“縱四（天津—汕尾）”、“橫四（烏?！＃敝攸c(diǎn)公路網(wǎng)及山東省“五縱聯(lián)四橫、一環(huán)繞山東”綜合運(yùn)輸網(wǎng)主框架的重要組成部分，是膠東半島、黃河三角洲與華北以及江浙地區(qū)聯(lián)系的重要樞紐。該橋的興建，使山東東部沿海地區(qū)和京津塘以及滬寧杭地區(qū)之間新增一條便捷的聯(lián)系通道。對(duì)完善路網(wǎng)布局，提升東營(yíng)市的區(qū)位優(yōu)勢(shì)，加快山東半島城市群建設(shè)，促進(jìn)黃河三角洲乃至環(huán)渤海經(jīng)濟(jì)圈的經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

東營(yíng)黃河公路大橋于2002年8月開工，2005年8月建成通車。大橋全長(zhǎng)2743.1 m。其中主橋?yàn)橐宦?lián)（116+200+220+200+116）m預(yù)應(yīng)力混凝土剛構(gòu)連續(xù)梁，長(zhǎng)852.8 m；引橋?yàn)?2 m預(yù)應(yīng)力混凝土箱形組合梁，兩端共計(jì)45孔，長(zhǎng)1890.3 m。

1 橋位河段河道概況和水文特征

東營(yíng)黃河公路大橋橋位河段處于黃河下游山東利津至西河口河段中的一號(hào)壩斷面與朱家屋子斷面之間。黃河山東河段是1855年黃河在河南省蘭考縣銅瓦廂決口，改道奪大清河后形成的。利津至西河口河段，長(zhǎng)47.4 km，兩岸堤距0.46～6.3 km，主河槽寬0.4～0.85 km，水面平均縱比降1.24/10000。該段河道經(jīng)過(guò)多年治理，現(xiàn)已基本成為人工控制的彎曲形河段，兩岸由險(xiǎn)工、控導(dǎo)工程控制河勢(shì)，河灣難以自由發(fā)展，河道平面形態(tài)相對(duì)穩(wěn)定。其中，一號(hào)壩斷面至朱家屋子斷面，河道長(zhǎng)約7.5 km，兩岸堤距2.81～4.2 km，主河槽寬0.45～0.85 km，水面平均縱比降1/10000。河道流路較順直，中水河槽相對(duì)穩(wěn)定，主溜線橫向擺動(dòng)幅度較小，河道平面變化不明顯。但是，由于黃河下游是世界上著名的“懸河”，河道比降平緩，加之黃河含砂量大，河床逐年淤積抬高，且自二十世紀(jì)八十年代中期以后未發(fā)生大洪水，河槽淤積加劇，河道逐步萎縮，平灘流量趨小，洪水漫灘機(jī)遇增大，防洪壓力依然較大。同時(shí)，橋位河段凌汛的威脅也相當(dāng)嚴(yán)重。河灣、險(xiǎn)工、控導(dǎo)工程、浮橋及其他跨河建筑物等都有可能影響行凌，形成冰塞、冰壩，壅高水位，威脅堤防和跨河建筑物的安全。加之凌汛期天寒地凍，防守和搶護(hù)十分困難，極易形成災(zāi)害。因此，該河段是黃河下游防汛的重點(diǎn)防守河段之一。

2 橋渡水文分析

2.1 橋位

根據(jù)路線基本走向、兩岸地形、地貌、地質(zhì)條件、河道水文特點(diǎn)、防洪防凌要求、橋梁與附近城鎮(zhèn)的相對(duì)關(guān)系、兩岸油田開發(fā)建設(shè)等情況,結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)查勘,在左家莊西至補(bǔ)戶屋約5 km的河段范圍布設(shè)了三個(gè)比選橋位,即左家莊西橋位（橋位I）、左家莊東橋位（橋位Ⅱ）和補(bǔ)戶屋橋位（橋位Ⅲ）。橋位平面示意見(jiàn)圖1。

橋位I：路線起自東青高速公路與青墾路交點(diǎn),向北延伸,在左家莊西跨越黃河,北岸從神農(nóng)和中古店之間穿過(guò),在吉子灘附近與東港高速公路交叉。然后，路線向北通過(guò)二級(jí)路連接線與永館路暫時(shí)相接。該橋位在東營(yíng)勝利黃河大橋下游約2.5 km處，橋軸線處兩岸黃河大堤堤距2988 m，南岸灘地寬991 m，主槽寬度850 m，北岸灘地寬1147 m。河道順直，主槽基本穩(wěn)定。橋軸線的法線與主流流向最大夾角為8°。

橋位Ⅱ：路線起自東青高速公路與青墾路交點(diǎn),向北延伸,在左家莊東跨越黃河,北岸從二選東村和耕立村之間穿過(guò),在前郭家屋子附近與東港高速公路交叉,路線向北再通過(guò)連接線與永館路相接。該橋位在橋位I下游2.1 km處,橋軸線處兩岸黃河大堤堤距2972 m，南岸灘地寬351 m，主槽寬度850 m,北岸灘地寬1771 m。兩岸大堤系解放后歷年加固而成，主河槽北側(cè)建有中古店控導(dǎo)工程。河道順直，主槽基本穩(wěn)定。橋軸線的法線與主流流向最大夾角為10.5°。

橋位Ⅲ：路線起自東青高速公路與青墾路交點(diǎn),向北延伸,在聯(lián)合村和補(bǔ)戶屋之間跨越黃河,北岸經(jīng)道口村東，在前郭家屋子與東港高速公路交叉,再通過(guò)連接線暫時(shí)與永館路相接。該橋位在橋位Ⅱ下游1.9 km處,橋軸線處兩岸黃河大堤堤距3589 m,南岸灘地寬570 m,主槽寬度850 m,北岸灘地寬2170 m。橋位處河道順直,主槽基本穩(wěn)定。橋軸線的法線與主流流向最大夾角為9.5°。

根據(jù)以上分析，三個(gè)比選橋位所在河段河道順直,主槽相對(duì)穩(wěn)定，橋軸線與主流流向基本正交。從橋渡水文條件來(lái)看，上述三個(gè)橋位均為可選橋位。

2.2 設(shè)計(jì)流量

預(yù)選橋位河段受上游眾多水利設(shè)施控制，且有北金堤和東平湖滯洪區(qū)調(diào)節(jié)，其洪峰流量已不符合天然條件下流域匯水和河道洪水演進(jìn)規(guī)律。根據(jù)黃河防汛規(guī)劃，黃河山東河段的防洪任務(wù)為：防御黃河花園口站22000 m3/s的洪水（相當(dāng)于重現(xiàn)期60 a一遇）；當(dāng)黃河下游發(fā)生重現(xiàn)期百年一遇（相應(yīng)花園口站洪峰流量26500 m3/s）和重現(xiàn)期500 a一遇（相應(yīng)花園口站洪峰流量30800 m3/s）的洪水時(shí)，黃河山東河段經(jīng)北金堤滯洪區(qū)和東平湖水庫(kù)分滯洪調(diào)蓄后，控制艾山水文站下泄流量不超過(guò)10000 m3/s，計(jì)入艾山站以下可能產(chǎn)生的支流匯水后，濟(jì)南以下河段黃河大堤設(shè)防流量為11000 m3/s。因此，本橋設(shè)計(jì)流量確定為11000 m3/s，可滿足橋位河段防洪要求。

2.3 設(shè)計(jì)水位

預(yù)選橋位河段位于黃河利津水文站下游的一號(hào)壩水位站與西河口水位站之間,一號(hào)壩水位站上距利津水文站約26.65 km(河道距離,下同),下距西河口水位站約23.3 km。橋位比選時(shí)預(yù)選的三個(gè)橋位分布在一號(hào)壩水位站至朱家屋子斷面間約7.5 km的河段上，該河段河道順直,水流穩(wěn)定，水位流量關(guān)系相關(guān)性較好，可以用比降法推算橋位處的設(shè)計(jì)水位。

各預(yù)選橋位處不同洪水頻率條件下的設(shè)計(jì)水位，是以上游一號(hào)壩水位站的水位流量關(guān)系為基礎(chǔ)，求出各級(jí)洪水頻率條件下一號(hào)壩處的相應(yīng)水位，再按汛期該河段水面平均比降推算至橋位。

2.3.1 一號(hào)壩水位站水位流量關(guān)系

一號(hào)壩水位站各級(jí)洪水頻率下的水位流量關(guān)系是以歷史洪水水位流量關(guān)系趨勢(shì)以及黃河河務(wù)部門根據(jù)該河段河道沖淤情況外延的1999年一號(hào)壩水位站水位流量關(guān)系設(shè)計(jì)值和河段近年實(shí)際水位表現(xiàn),綜合分析后確定的，見(jiàn)表1。

2.3.2 橋位處水位流量關(guān)系

根據(jù)一號(hào)壩～西河口河段歷史大洪水水面比降平均值及流量為3000 m3/s時(shí)相應(yīng)水面比降,確定橋位所在河段河道水面比降為1/10000。各橋位處計(jì)算年（2000年）各級(jí)水位、流量關(guān)系見(jiàn)表1。

表1 預(yù)選橋位河段水位流量關(guān)系成果表

2.4 河道演變

2.4.1 河道平面

預(yù)選橋位均位于利津水文站下游的一號(hào)壩水位站至朱家屋子斷面間。根據(jù)防洪工程歷史沿革資料記載，該河段一號(hào)壩斷面上游的義和莊險(xiǎn)工始建于1949年，橋位Ⅱ處的中古店控導(dǎo)工程建于20世紀(jì)70年代。隨著河段內(nèi)河道整治工程的陸續(xù)建設(shè)、加固和完善，堤防工程均按設(shè)計(jì)防洪標(biāo)準(zhǔn)加高、加固，現(xiàn)已達(dá)到一級(jí)堤防標(biāo)準(zhǔn)，能夠抵御11000 m3/s的設(shè)計(jì)洪水，防洪能力不斷增強(qiáng)。同時(shí)，險(xiǎn)工和控導(dǎo)工程對(duì)穩(wěn)定河槽和控制河勢(shì)溜向發(fā)揮著重要作用。通過(guò)對(duì)該河段1980年～1999年主溜線變遷圖的對(duì)比分析可知，該河段近20年來(lái)主溜線變化幅度較小（50～450 m），河勢(shì)相對(duì)穩(wěn)定，是適宜建橋的河段。

2.4.2 河道橫斷面

預(yù)選橋位河段范圍內(nèi)有一號(hào)壩、前左、朱家屋子共三個(gè)黃河河道統(tǒng)測(cè)斷面。通過(guò)對(duì)上述斷面1980年～1999年二十年的斷面要素分別進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析可知：一號(hào)壩斷面主河槽擺動(dòng)幅度615 m，深泓點(diǎn)擺動(dòng)幅度440 m，深泓點(diǎn)高程在2.97～6.70 m之間變化，多年平均情況下沖淤基本平衡；前左斷面主河槽擺動(dòng)幅度530 m，深泓點(diǎn)擺動(dòng)幅度430 m，深泓點(diǎn)高程變化范圍為4.33～6.53 m，呈微沖趨勢(shì)，年均沖刷0.04 m；朱家屋子斷面主河槽擺動(dòng)幅度695 m，深泓點(diǎn)擺動(dòng)相對(duì)頻繁且范圍較大，擺動(dòng)幅度達(dá)620 m，深泓點(diǎn)高程變化范圍為4.59～6.04 m。

2.4.3 沖刷和淤積

黃河流域特殊的自然地理環(huán)境，使黃河下游河道成為世界上著名的地上“懸河”，其沖刷和淤積問(wèn)題相當(dāng)復(fù)雜。一方面，黃河每年將上中游水土流失匯入黃河的大量泥砂輸送至河口填海造陸；另一方面，由于河口淤積溯源延伸，抬高水位造成河口頻繁擺動(dòng)和改道。其總的趨勢(shì)是河床逐年抬高，但并非單向淤積，在不同的年份、不同的來(lái)水來(lái)砂條件下有沖有淤，沖淤交替發(fā)生，且還與河口流路的演變密切相關(guān)。根據(jù)1976年河口改道清水溝流路以來(lái)二十多年的河道沖淤資料分析，清水溝流路行河初期的八年間，利津以下河段發(fā)生了明顯的沿程和溯源沖刷。之后，逐漸變?yōu)橛俜e抬高階段，期間也有個(gè)別年份以沖刷為主。總的來(lái)說(shuō)，黃河河口河段河道沖淤的一般規(guī)律是：河口改道初期為溯源沖刷，然后隨著流路的不斷延伸由溯源沖刷轉(zhuǎn)為溯源淤積。

由于河道上建橋后，橋梁結(jié)構(gòu)擠壓過(guò)水?dāng)嗝?，必然發(fā)生一定程度的河床沖刷。而本河段河道總體變化趨勢(shì)又以淤積為主。所以橋梁設(shè)計(jì)時(shí)，不但要考慮建橋初期發(fā)生設(shè)計(jì)頻率洪水時(shí)的最大沖刷，同時(shí)還要考慮設(shè)計(jì)水平年內(nèi)發(fā)生最大淤積時(shí)的各項(xiàng)控制高程和這兩種最不利情況下結(jié)構(gòu)的安全性。

2.5 防凌

黃河山東河段歷史上曾多次發(fā)生凌汛決口險(xiǎn)情。近年來(lái)，因冬季氣候偏暖，流量偏小，加上上游水庫(kù)的適時(shí)調(diào)控，黃河下游凌情有所減輕。但因河道淤積抬高，“二級(jí)懸河”的不利局面加劇，防凌形勢(shì)依然嚴(yán)峻。據(jù)統(tǒng)計(jì)，橋位上游利津水文站冰塊最大尺寸200 m×100 m，最大冰厚48 cm，最大流冰速度1.61 m/s。因此，滿足凌汛期黃河行凌要求成為本橋主橋跨徑選擇和確定橋墩位置的重要控制條件。

2.6 通航要求

橋位河段規(guī)劃為四級(jí)航道。各預(yù)選橋位處橋軸線的法線與洪水主流流向交角為8°～10.5°,根據(jù)公路規(guī)范關(guān)于通航河流上橋梁布置的要求,當(dāng)交角大于5°時(shí)，宜增加通航孔凈寬。但由于本橋主跨跨徑選擇主要受凌汛期行凌要求控制，主跨跨徑200 m以上，遠(yuǎn)大于《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》（GB50139）中對(duì)于通航凈寬的要求。因此，通航凈寬不控制本橋橋孔設(shè)計(jì)。根據(jù)黃河河道管理部門對(duì)本橋有關(guān)技術(shù)指標(biāo)的批復(fù)意見(jiàn)，黃河下游河道為四級(jí)航道，最高通航水位為洪峰流量9000 m3/s時(shí)的相應(yīng)水位，再加30 a淤高3.78 m，通航凈高為最高通航水位以上8 m。所以，滿足通航凈高要求是決定本橋主橋高程設(shè)計(jì)的主要控制因素。

2.7 小浪底工程對(duì)橋位河段的影響

黃河小浪底水利樞紐工程壩址位于河南省洛陽(yáng)市以北約40 km的黃河干流上，是一座以防洪、防凌、減淤為主，兼顧供水、灌溉、發(fā)電，除害興利，綜合利用的樞紐工程。該工程1997年10月截流，2001年12月全部竣工。

2.7.1 對(duì)河道沖淤的影響

黃河干流部分已建水庫(kù)的運(yùn)營(yíng)實(shí)踐證明，水庫(kù)對(duì)下游河道的減淤作用主要集中在水庫(kù)下游距離較近的河段。本橋預(yù)選橋位河段位于小浪底工程下游約810 km。根據(jù)小浪底工程下游河道的特點(diǎn)來(lái)分析，小浪底工程運(yùn)用初期，艾山站以下河道減淤作用不明顯；遠(yuǎn)期，下游河道仍然以淤積為主。因此，小浪底工程對(duì)本橋預(yù)選橋位河段河道沖淤變化的的影響相對(duì)較小。

2.7.2 對(duì)防洪的影響

根據(jù)小浪底工程的功能和運(yùn)營(yíng)管理規(guī)劃，小浪底工程通過(guò)適時(shí)調(diào)控，將黃河花園口站洪峰流量控制在一定范圍內(nèi)，避免或盡量減少運(yùn)用下游東平湖水庫(kù)和北金堤滯洪區(qū)分洪。由此可見(jiàn)，艾山水文站以下河段防御流量11000 m3/s洪水的防洪標(biāo)準(zhǔn)并未降低，只是出現(xiàn)的機(jī)遇可能會(huì)有所減少。而且，由于小浪底工程的調(diào)節(jié)減少了東平湖水庫(kù)和北金堤滯洪區(qū)的運(yùn)用機(jī)遇，致使艾山水文站以下河段流量11000 m3/s的洪水持續(xù)時(shí)間延長(zhǎng)，防洪壓力依然較大。

2.7.3 對(duì)防凌的影響

小浪底工程建成后，與三門峽水庫(kù)聯(lián)合調(diào)度，配合下游展寬區(qū)運(yùn)用，可基本解除下游因冰塞、冰壩造成凌洪決口的威脅。但由于下游河道較長(zhǎng)，影響凌情變化的因素較多且情況復(fù)雜，小浪底工程對(duì)橋位河段的即時(shí)調(diào)節(jié)作用相對(duì)較弱，仍有發(fā)生“武開河”的可能。因此，下游河道發(fā)生嚴(yán)重凌洪的可能性依然存在。

2.7.4 附記

該橋勘測(cè)設(shè)計(jì)階段（2002年以前），小浪底工程尚在建設(shè)中。小浪底工程竣工后，黃河管理部門開展了下游河段的調(diào)水調(diào)沙試驗(yàn)研究。根據(jù)相關(guān)報(bào)道：連續(xù)多年的調(diào)水調(diào)沙實(shí)踐成果表明，“調(diào)水調(diào)沙”對(duì)于調(diào)整下游河道斷面形態(tài)、擴(kuò)大下游河道主槽過(guò)洪能力、緩解“二級(jí)懸河”的不利局面等均具有重要的作用，取得了巨大的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。目前，黃河下游河道主河槽行洪能力已由調(diào)水調(diào)沙前的1800 m3/s提高到了4000 m3/s，河底高程平均下降1 m以上。因此，可以認(rèn)為小浪底工程的合理運(yùn)用對(duì)保持本橋橋位河段河道穩(wěn)定、減緩河道淤積對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)受力的不利影響、延長(zhǎng)橋梁使用壽命，具有積極的意義。

3 結(jié)語(yǔ)

該橋橋位河段河勢(shì)相對(duì)穩(wěn)定，是適宜建橋的河段；從橋渡水文條件分析，預(yù)選的三個(gè)橋位均為可選橋位，可綜合考慮各方案投資、接線條件和社會(huì)效益等因素確定橋位方案；本橋主橋跨徑選擇和確定橋墩位置的重要控制條件是滿足凌汛期黃河行凌要求；決定本橋主橋高程設(shè)計(jì)的主要控制因素是滿足通航凈高要求；同時(shí)，橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)既要考慮建橋初期發(fā)生設(shè)計(jì)頻率洪水時(shí)的最大沖刷，還要考慮設(shè)計(jì)水平年內(nèi)發(fā)生最大淤積時(shí)的各項(xiàng)控制高程和這兩種最不利情況下結(jié)構(gòu)的安全性。