齊甘公路嫩江大橋橋址選擇

鳳 軍

(黑龍江省公路勘察設(shè)計(jì)院)

1 工程概況

綏芬河至滿洲里高速公路是國(guó)家高速公路網(wǎng)中處于最北端的一條東西橫線,路線跨越黑龍江、內(nèi)蒙古兩省(區(qū)),東起黑龍江省最大的國(guó)家一級(jí)對(duì)俄陸路口岸——綏芬河口岸,西至內(nèi)蒙古自治區(qū)的滿洲里口岸,是我國(guó)開展對(duì)俄經(jīng)貿(mào)、科技合作的重要運(yùn)輸通道。路線全長(zhǎng)約1450km,其中黑龍江省境內(nèi)段長(zhǎng) 875km。齊齊哈爾至甘南(黑蒙界)段是綏滿高速黑龍江境內(nèi)的西段,路段全長(zhǎng) 104km。位于齊齊哈爾市市區(qū)附近的嫩江大橋則是這段高速公路上的關(guān)鍵性工程。

2 嫩江流域概況

嫩江是全國(guó)十二大江河之一,是松花江的最大支流,發(fā)源于大興安嶺伊勒呼里山南麓,干流全長(zhǎng) 1370km,流域面積 29.7萬 km2。嫩江源頭為南甕河,河源海拔 1030m,地理位置為東經(jīng) 124°25′33″、北緯 51°20′40″。 由西北向東南流經(jīng)十二站林場(chǎng)南約 1km處與二根河匯合后轉(zhuǎn)而南流始稱嫩江干流。匯合點(diǎn)以下其流向基本由北向南,流經(jīng)嫩江縣、莫力達(dá)瓦、訥河、富裕、甘南、齊齊哈爾、龍江、泰來、杜爾伯特、大安、肇源等市、縣、旗,于吉林省扶余縣三岔河匯入松花江。

3 嫩江齊齊哈爾江段概況

齊齊哈爾江段處嫩江中游,為平原區(qū)寬灘性河段,由于受地形限制,河水往往分道而流,形成汊河及大大小小的灘洲或島嶼。本河段較彎曲,彎曲系數(shù) 1.1～1.3。洪泛線受兩岸堤防的限制,行洪斷面寬 9～12km。

主河寬 350～700m,汊河寬 100～250m。河槽明顯,灘地寬闊,屬?gòu)?fù)式河槽。河槽呈扁U形,高水位水深 6～7m,中水位水深 3～5m,枯水位水深 1～2m。水流在綏滿公路橋上游雅爾塞處,主流線位于右岸一側(cè),至明月島后分為左右兩股,左汊為主汊道。洪水期主汊道流量占總流量的65%～70%,支汊道占 30%～35%。橋址處河道已基本趨于穩(wěn)定,且已經(jīng) 1969、1998年兩次特大洪水考驗(yàn),尚未發(fā)現(xiàn)河道有明顯的變遷情況。

4 水文基本情況

4.1 水文特征

嫩江屬季節(jié)性封凍河流,其徑流主要以雨水補(bǔ)給為主、冰雪融水補(bǔ)給為輔,一年內(nèi)河道徑流與降雨量的分配相吻合。其年內(nèi)變化從 4月份開始,積雪融化,水量漸增,形成春汛,5月份水位開始回落;6月份以后受降雨影響,水量開始增加。降雨較集中的 6～8月 (占全年降雨量的73.6%),是洪汛多發(fā)季節(jié)。月份降水一般以 7月份居多,9月份以后水量漸減,11月至翌年 4月為封凍期,河道徑流量減至最少。

4.2 水文站分布

嫩江干流江段主要的水文站上游有石灰窯、庫(kù)漠屯、阿彥淺等站;中游有同盟、富拉爾基等站;下游有江橋、大賚等站。原齊甘公路嫩江大橋附近有齊齊哈爾市水位站一處,有歷年水位觀測(cè)資料。下游 33km有富拉爾基水文站一處,有1905～1944年、1946～2006年的流量/水位觀測(cè)資料。

4.3 洪水情況

嫩江是以雨水補(bǔ)給為主、冰雪融水補(bǔ)給為輔的河流,一年內(nèi)河道徑流與降雨量的分配相吻合。由于降水時(shí)空的分布和降雨量的大小在流域內(nèi)呈不均勻狀態(tài),因此,流域內(nèi)洪水的構(gòu)成和地域分布也不盡相同。降雨多發(fā)生在 6～8月份,洪水也多在同時(shí)期形成,有時(shí)也會(huì)延至 9月份(例如1969年洪水)。一般年份洪水為雙峰或多峰形式,個(gè)別年份有單峰形式。

流域內(nèi)歷史較大洪水年份有 1932年、1956年、1957年、1962年、1969年、1988年、1989年和 1998年。其中 1998年洪水是有記載以來最大的洪水。造成 1998年特大洪水的原因除嫩江源頭砍伐樹木、水土流失、自然生態(tài)環(huán)境遭到破壞以外,嫩江流域內(nèi)右岸各支流雅魯河、綽爾河、諾敏河、甘河等同時(shí)發(fā)生了超歷史記錄洪水是其形成的主要原因。

4.4 設(shè)計(jì)洪水

據(jù)富拉爾基水文站 1905～2006年水文觀測(cè)資料表明,流量超過 10000m3/s的年份有 3年,即 1932、1969和1998年。據(jù)文獻(xiàn)記載,1794和 1886年分別為第一位和第三位洪水。各年洪水流量見表 1。

表 1 各年的洪水流量

富拉爾基站洪峰形成大體有三種情況：一是僅干流漲水,區(qū)間支流無大水;二是區(qū)間支流漲水,干流水量不大;三是區(qū)間支流與干流同時(shí)遭遇大水,這是形成特大洪水的最嚴(yán)重的情況,1998年洪水基本屬于這種情形。

4.5 調(diào)洪建筑物

嫩江上游建有尼爾基水利樞紐,控制流域面積6.64萬 km2,占嫩江流域面積的 22.4%,總庫(kù)容 86.11億 m3。尼爾基水利樞紐建成后,對(duì)橋址斷面會(huì)產(chǎn)生削峰和降低水位的作用,由水利部 1999年 6月編制的《尼爾基水利樞紐的防洪作用分析》專題報(bào)告中可知,能將齊齊哈爾斷面P=1%的洪峰流量由 14300m3/s消減為 12000m3/s,降低水位 0.21 m;P=2%的洪峰流量由 12000m3/s減至8850m3/s,降低水位 0.28m。使齊齊哈爾市城區(qū)防洪標(biāo)準(zhǔn)由50年一遇提高到 100年一遇洪水標(biāo)準(zhǔn),兩岸農(nóng)田由 20年一遇防洪標(biāo)準(zhǔn)提高到 30年一遇防洪標(biāo)準(zhǔn)。

4.6 泥砂

嫩江水系植被較好,河流含砂量很小,為少砂河流。富拉爾基水文站多年平均輸砂率為 4.45kg/s,年平均最大含砂量為 24.5g/m3,年平均最小含砂量為 1.8g/m3。汛期輸砂量大,封凍期輸砂量小,因此汛期大水時(shí)河床發(fā)生沖刷,床面高程降低,而汛后泥砂則會(huì)緩緩回淤,床面高程回升。從多年情況看,河段處于沖淤基本平衡狀態(tài)。

4.7 冰情

嫩江為冰凍河流,根據(jù)富拉爾基水文站 1951～1985年連續(xù)觀測(cè)系列資料可知,嫩江干流秋季流冰平穩(wěn)、緩慢,冰塊面積小、流速較小。春季流冰開始階段水位逐漸升高,冰塊面積較大,流速較大,冰質(zhì)較堅(jiān)硬。

5 江段堤防概況

齊齊哈爾江段兩岸防洪堤間距 9～12km。建有城區(qū)防堤(即北堤和東堤);在齊富公路鋼橋橋址上下游除城防堤外,在行洪區(qū)以內(nèi)還有三個(gè)堤壩,即前進(jìn)堤、污水庫(kù)堤和大昂堤。其中大昂堤阻水最為嚴(yán)重,該堤的防洪標(biāo)準(zhǔn)為 20～40年一遇。由于 1998年洪水期間內(nèi),導(dǎo)致洪水位不斷提高,致使齊富公路及濱州鐵路路基部分水毀。

橋址附近主要堤防是雅爾塞堤(北堤)和東堤,雅爾塞堤堤距約 9km,目前的防洪標(biāo)準(zhǔn)為 50年一遇。東堤堤距約9km,堤頂高程 150.40～150.90m,頂寬 8m,是齊市主要城防堤,其防洪標(biāo)準(zhǔn)已達(dá)到 50年一遇。據(jù)水利部門的規(guī)劃,齊市的防洪標(biāo)準(zhǔn)為 100年一遇。

6 航道概況及通航標(biāo)準(zhǔn)

6.1 航道現(xiàn)狀

從河段目前通航條件來看,自然河道較穩(wěn)定,枯水期通航水深 0.8～1.5m,航寬 30～40m,彎曲半徑 300～400m,坡降較緩,平均比降 0.07‰,平均流速 0.7～1.0m/s,河段分汊較多,水深狀況良好,彎道處沒有明顯的泡漩、回流,流速分布較均勻,分汊河段在洪、中、枯水位下,水流流向和主流線較穩(wěn)定,通航條件較好,各項(xiàng)水流條件能滿足船舶航行要求。

橋址附近航道是由河道條件所決定：在橋址 A附近東江為主航道,橋址B(明月島上游)附近西江為主航道。兩個(gè)橋址附近主航道較順直,與大橋橋軸線基本處于正交狀態(tài)。

6.2 通航船舶

嫩江干流水運(yùn)船舶以 500t級(jí)寬淺型貨運(yùn)駁船為主,其標(biāo)準(zhǔn)載重量為 500t,吃水深為 1.4～1.6m;另外還配有部分千噸級(jí)以下的船只。

6.3 航道等級(jí)及凈空

嫩江干流齊齊哈爾江段航道等級(jí)為Ⅳ級(jí)航道,代表船隊(duì)長(zhǎng)度 138m,寬度 11.0m,吃水深度 1.4m。要求相應(yīng)的通航凈高為 10年一遇水位以上 8m,航道寬度單線不小于 30m、雙線不小于 55m,航深不小于 1.4～1.6m。

按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) GB50139-2004《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》第 5.2.2的規(guī)定,Ⅳ級(jí)航道水上過河建筑物通航凈空尺度為單向通航孔凈高 8m,凈寬 50m,上底寬 41m,側(cè)高5m;雙向通航孔凈高 8m,凈寬 100m,上底寬 91m,側(cè)高 5m。

7 大橋河工模型試驗(yàn)

為了合理地選定橋址方案及橋軸線位置,并確定橋孔長(zhǎng)度、橋前壅水及其回水長(zhǎng)度、橋孔布設(shè),在本項(xiàng)目工可研階段進(jìn)行了齊齊哈爾江段的水工模型試驗(yàn),對(duì)兩個(gè)橋址方案即方案A距現(xiàn)狀齊甘公路嫩江大橋上游約 50m、方案 B距現(xiàn)狀齊甘公路嫩江大橋上游約3400m進(jìn)行了研究。

結(jié)合齊甘公路的總體走向、路線走廊帶內(nèi)的村鎮(zhèn)分布等情況對(duì)上述兩個(gè)橋址進(jìn)行初步分析,橋址方案A穿過村屯較多,避讓困難,拆遷量大,船只橋下通行困難;橋址方案 B由于布設(shè)在明月島上游,橋梁建筑物可能對(duì)島周圍水力狀態(tài)形成影響。

7.1 定床模型試驗(yàn)主要成果

(1)橋址

①在 50年一遇洪水條件下,滿足橋前壅水要求的橋長(zhǎng)最短為 2010m。

②橋前河道穩(wěn)定,水流順暢,經(jīng) 1998年特大洪水的考驗(yàn)后結(jié)果表明,該橋位的原橋不僅能滿足設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)(100年一遇)的洪水泄洪要求,而且在 300年一遇的超標(biāo)準(zhǔn)洪水情況下,同樣也能安全泄洪。

③橋址上、下游主航道順直,水流與航線交角小于 5°,通航條件較好。

(2)橋址

①在 50年一遇洪水條件下,滿足橋前壅水要求的橋長(zhǎng)3850m。

②河道采取清淤疏浚措施后,使汊河流程縮短,行洪順暢,分流量增大,緩解了西江橋的過流壓力,需要將新開河兩側(cè)護(hù)岸,以免影響明月島圍堤和河灘路堤的安全。

③橋址上、下游主航道較順直,水流與航線交角小于5°,通航條件較好。

7.2 動(dòng)床模型試驗(yàn)主要成果

橋位所在的平原區(qū)寬灘性河段地形復(fù)雜,受地形限制,河水往往分道而流,形成汊河及大大小小灘洲或島嶼,水流分散。該江段航線不順直,彎曲多變。在多次洪水沖刷下,主河槽易發(fā)生變遷,直接影響橋位布置以及橋孔布置的確定,因此需要開展動(dòng)床試驗(yàn)來給出大橋的修建對(duì)于河道行洪、通航以及河勢(shì)穩(wěn)定的影響。

①?gòu)姆篮榻嵌确治?東江橋：在 50年一遇洪水下,橋前壅水高度為 0.05m;西江橋：在 50年一遇洪水下,橋前壅水高度減至 0.05m,滿足防洪要求。

②從通航角度分析,在通航流量下,新建橋?qū)λ骰疚串a(chǎn)生影響,河道水流與現(xiàn)河道基本一致。航道流速為0.61～1.62m/s,水流與橋法線夾角為 2°～5°,橫向流速為0.02～0.14m/s,縱向流速為 0.61～1.54m/s,通航水深為1.25～5.35m。橋區(qū)內(nèi)航跡線上橫向流速均小于 0.30m/s,并且橋位上行和下行的航跡線直線段長(zhǎng)度也滿足 4倍和 2倍船隊(duì)長(zhǎng)度。本方案基本滿足通航要求。

③從河勢(shì)演變角度分析：在經(jīng)歷系列年洪水后,沒有發(fā)生大的河勢(shì)演變,僅在西江橋橋位附近有沖淤變化;新開河河槽沖深,在明月島右側(cè)島頭處河道沖深拓寬,并形成沖坑;大橋的兩個(gè)橋頭處受繞流影響而沖刷,需要采取必要的防護(hù)措施;新開河河道兩側(cè)和進(jìn)、出口受水流沖刷,需要采取防護(hù)措施;明月島左側(cè)圍堤轉(zhuǎn)彎處沖刷嚴(yán)重,需要采取防護(hù)措施。

8 橋址方案比選

B橋址位于現(xiàn)有嫩江公路大橋上游約 3.4km處。該橋址的優(yōu)點(diǎn)是：

第一,符合路線總體走向,距齊齊哈爾及其衛(wèi)星城鎮(zhèn)雅爾塞較近,有利于兩地的交通往來及地方經(jīng)濟(jì)的發(fā)展;

第二,橋位附近河道穩(wěn)定,水流條件好,基本上與橋軸線正交,有利于泄洪;

第三,橋址上、下游主航道較順直,水流與橋軸線交角小于 5°,通航條件較好;

第四,該橋址能夠提高明月島外圍堤防的防洪標(biāo)準(zhǔn),大大增強(qiáng)其防洪能力;

第五,橋址距齊齊哈爾瀏園水廠取水口約 4400m,位于一級(jí)水源保護(hù)區(qū)范圍之外。

該橋址的缺點(diǎn)是：

第一,橋位附近河段較紊亂,多島嶼和汊流,在橋孔布設(shè)上應(yīng)考慮一河兩橋;

第二,由于主江的汊流為橫向流,且靠近河灘路上游一側(cè),水流勢(shì)必造成對(duì)路基的橫向沖刷,不利于路基邊坡的穩(wěn)定,需要進(jìn)行河道整治和防護(hù)工程(河道護(hù)岸、路基護(hù)坡、增設(shè)調(diào)治工程設(shè)施)才能保證河灘路堤的安全和航道的穩(wěn)定。

A橋址位于綏滿公路現(xiàn)有嫩江公路大橋上游約 50m處。該橋址的優(yōu)點(diǎn)是：

第一,符合路線總體走向,距齊齊哈爾市區(qū)較近,出入市區(qū)交通便利;

第二,橋址附近河道穩(wěn)定,水流條件好,無論是洪水還是常水位均與橋軸線基本正交。

第三,橋址上、下游主航道較順直,水流與橋軸線交角小于 5°,通航條件較好;

第四,新橋址距下游舊橋較近,舊橋及其引道可以作為新橋的施工便橋與便道,有利于降低造價(jià)。

該橋址的缺點(diǎn)如下：

第一,與原有嫩江大橋距離較近,為便于通航,新橋的跨徑及位置必須與舊橋?qū)?yīng)一致,在一定程度上限制了橋型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的選擇性;

第二,新舊兩橋?yàn)椴⑿袠?新舊兩橋設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)不一致(本項(xiàng)目設(shè)計(jì)洪水頻率是 300年一遇,原有嫩江公路大橋是 100年一遇設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)),新建橋梁長(zhǎng)度必定要長(zhǎng)于原有嫩江大橋 1620m的橋長(zhǎng),這樣勢(shì)必增加水流對(duì)舊橋橋頭錐坡和部分引道路堤的沖刷程度。因此,須對(duì)原橋進(jìn)行擴(kuò)孔,擴(kuò)孔長(zhǎng)度為 480m,且原橋東江橋、西江橋兩岸均需要進(jìn)行擴(kuò)孔,擴(kuò)孔時(shí)間要在主線橋梁建設(shè)完成后實(shí)施,影響主線通行條件。原路基由于處于新建路線的下游側(cè),洪水期可得到庇護(hù),可不進(jìn)行加高;

第三,橋址距齊齊哈爾瀏園水廠取水口約 1000m,位于一級(jí)水源保護(hù)區(qū)范圍內(nèi);

第四,橋頭東側(cè)引道受橋位的鉗制,不但拆遷工程量較大,而且限制了齊齊哈爾市向西側(cè)的發(fā)展空間。

通過上述論證,A橋址處現(xiàn)已建有嫩江公路大橋,如果在舊橋位上游 50m處再建新橋,勢(shì)必對(duì)舊橋的橋頭錐坡和引道路堤產(chǎn)生較大的沖刷作用,形成對(duì)其安全不利的影響,需將舊橋擴(kuò)孔,增加工程造價(jià)。B橋址方案雖然河道較紊亂,但相對(duì)穩(wěn)定,各主、汊河的過流情況也較明確,因此按天然河流的主、汊流分別布設(shè)橋孔方案是可行的。

綜上所述,B橋址雖然在造價(jià)上略高于A橋址方案,但在對(duì)齊齊哈爾城市規(guī)劃發(fā)展、對(duì)水源地的影響程度和明月島景區(qū)建設(shè)等方面均具有明顯的優(yōu)勢(shì),故將B橋址作為齊齊哈爾嫩江大橋推薦橋址。