蘭渝鐵路楊家灣特大橋河工模型試驗(yàn)研究

馮敬敬，何文社，袁 龍

(1．濰坊濱海經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)區(qū) 農(nóng)林水利局，山東 濰坊 262737;2．蘭州交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

蘭渝鐵路是跨越甘川渝三省市的交通大動(dòng)脈，是連結(jié)西北、西南等地區(qū)的重要通道．該鐵路位于甘肅、四川、陜西及重慶境內(nèi)，北起蘭州樞紐，向南經(jīng)甘肅的榆中、渭源、漳縣、岷縣、宕昌、隴南后通過(guò)陜西省邊界進(jìn)入四川省，經(jīng)廣元、蒼溪、閬中、南部、南充、武勝后，經(jīng)合川接入重慶樞紐，正線全長(zhǎng)820 km．在蘭州市區(qū)段擬建南坡坪、楊家灣黃河特大橋．其中楊家灣特大橋位于青白石鄉(xiāng)楊家灣村，全橋采用高架全橋渡方式跨越，橋梁全長(zhǎng)1 437 m．橋梁孔跨式樣采用3－32 m+(40+2×64+40)m連續(xù)梁+32－32 m+3－24 m后張法混凝土連續(xù)梁，其中跨越主河槽采用一聯(lián)(40+2×64+40)m連續(xù)梁(物理模型試驗(yàn)時(shí)，由于有的橋墩對(duì)水流沒(méi)有影響，故模型試驗(yàn)中只模擬了26跨)．橋址距上游蘭州水文站13．0 km，距下游包蘭鐵路東崗鎮(zhèn)黃河橋0．6 km，橋梁法線與主流的夾角約25°．橋位處主河槽寬度約250 m，河床由卵石、砂卵石、沙壤土組成．

鑒于楊家灣黃河特大橋的特殊地理位置，必須對(duì)其防洪影響做出評(píng)價(jià)．對(duì)此，采用了能更好反映原型河道建橋后防洪影響的河工模型試驗(yàn)．

1 水文泥沙特征

黃河蘭州段位于蘭州盆地，西起西柳溝，東至桑園峽，呈東西走向，河段全長(zhǎng)44．84 km．其中桑園峽所處河段為黃河蘭州段最窄的峽口斷面，其寬度只有120 m，較平均河寬350 m縮窄了230 m，在此峽口河段形成卡口，發(fā)生洪水時(shí)易造成上游河段壅水，是黃河蘭州段洪水排泄不暢的主要原因［1－2］．

根據(jù)黃河蘭州水文站歷年統(tǒng)計(jì)資料，黃河水面比降為0．7‰～1．3‰．河段枯水流量540 m3/s，平均流量1 000 m3/s，造床流量3 000 m3/s，百年一遇流量6 500 m3/s．1964年劉家峽水電站建成后，黃河懸移質(zhì)中細(xì)粒徑為0．021 mm，平均粒徑為0．033 mm，懸移質(zhì)顆粒級(jí)配中d＞0．5 mm的粗沙占懸移質(zhì)總量的0．1%，每年約5．11萬(wàn)t，合2．84萬(wàn)m3．

根據(jù)楊家灣特大橋河床主槽9個(gè)鉆孔資料加權(quán)平均得到河床泥沙平均粒徑為46．1 mm，各特征粒徑為:d95=170 mm，d75=65 mm，d50=26．5 mm，d25=5．4 mm，dcp=46．3 mm，γs=2．74 kg/m3．

黃河蘭州段縱穿蘭州市城區(qū)，地質(zhì)構(gòu)造條件較好．《蘭州市市區(qū)防洪規(guī)劃》對(duì)蘭州市區(qū)段的26個(gè)斷面的沖淤進(jìn)行了對(duì)比分析，統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，除小部分河段航道疏浚使河道的局部水深有一定變化外，大部分河段沖淤基本平衡，且受山體地質(zhì)條件的約束，中山橋附近的上、下游河段未因歷史上發(fā)生特大洪水而發(fā)生明顯的改道和變遷．由蘭州水文站歷年水文斷面套繪圖(圖1)可以看出，1967年到1987年汛前河道處于淤積狀態(tài)．黃河大堤修整后，河道斷面沖淤變化不大．2006年與2000年比較，平均淤積厚度0．10 m，河道處于基本沖淤平衡狀態(tài)［3］．

圖1 蘭州水文站歷年水文斷面套繪圖Fig．1 Drawing of hydrologic section by calendar year of Lanzhou city

2 模型制作及驗(yàn)證

依據(jù)幾何相似、水流運(yùn)動(dòng)相似、泥沙運(yùn)動(dòng)相似以及河型相似等條件，進(jìn)行了模型設(shè)計(jì)［4－5］．模型所選用比尺列于表1．

表1 模型比尺Tab．1 River model scales

試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜕尺x用寧夏大武口洗煤廠精煤屑．實(shí)體模型按2000年蘭州市河道地形圖制作，長(zhǎng)30 m，寬9 m，布置在試驗(yàn)所用的混凝土場(chǎng)地上．在驗(yàn)證試驗(yàn)過(guò)程中，整個(gè)試驗(yàn)河道全部采用動(dòng)床模型，部分較陡峭的河岸采用定床模型．試驗(yàn)選用黃河蘭州水文站1981年的實(shí)測(cè)洪水過(guò)程，按同倍比放大到百年一遇的洪水過(guò)程，并分段進(jìn)行概化．按比例換算實(shí)際斷面的水位、流速與地形，結(jié)合尾門控制模型，保證模型水位與原型水位從中小流到大流基本吻合;套繪模型斷面流速分布與對(duì)應(yīng)原型斷面流速分布圖，驗(yàn)證模型斷面流速分布;并通過(guò)河床沖淤變化試驗(yàn)驗(yàn)證得出，當(dāng)λqs=30，λt2=480時(shí)模型與原形相似良好．綜上所述，模型在水流運(yùn)動(dòng)相似即河床沖淤變化等諸多方面均滿足試驗(yàn)要求，采用該模型預(yù)報(bào)未來(lái)是可靠的［6］．

3 試驗(yàn)方案及結(jié)果

試驗(yàn)方案分建橋前及建橋后兩種．流量過(guò)程按清水沖刷以及加沙過(guò)程施放．

3．1 試驗(yàn)河段水位與橋前壅水

橋梁的修建縮小了過(guò)水面積，將使得橋梁上游產(chǎn)生壅水．模型試驗(yàn)重點(diǎn)研究了由橋墩壓縮水流產(chǎn)生的壅水．在百年一遇流量6 500 m3/s時(shí)，橋墩的阻水面積達(dá)到9．15%，橋前的最大壅水高度為18 cm，壅水范圍為1 300 m．從最大壅水?dāng)嗝嬷翗蚩讌^(qū)段，水面下降產(chǎn)生跌水，跌水高度為9 cm，之后恢復(fù)到建橋前水位．

從測(cè)量結(jié)果看，壅水對(duì)防洪影響不是很明顯，其原因?yàn)?(1)此段河道由于受桑園峽的影響，即使在建橋前當(dāng)流量超過(guò)3 000 m3/s時(shí)便開(kāi)始出現(xiàn)壅水，但隨流量的增大，回水影響范圍亦逐漸增大．當(dāng)達(dá)到百年一遇流量6 500 m3/s時(shí)，其回水范圍長(zhǎng)達(dá)1．2 km．相對(duì)于洪水時(shí)桑園峽的壅水來(lái)看，建橋后的壅水對(duì)該河段的影響不大．(2)由于擬建楊家灣特大橋采取高架全橋渡方式跨越，河灘上沒(méi)有路堤，故橋梁沒(méi)有壓縮河道，只有橋墩產(chǎn)生阻水．

3．2 流速分布

為研究建橋后橋址斷面附近流速的變化，整理了建橋后橋下760 m，橋上150 m，橋上920 m處的斷面水流要素資料(見(jiàn)表2)．同時(shí)對(duì)比建橋前流速數(shù)據(jù)得出，在最大流量6 500 m3/s時(shí)，建橋前比建橋后橋上150 m處平均流速增大1．01%，平均水深增大2．59%，證明楊家灣特大橋的建設(shè)對(duì)河道的流速無(wú)明顯的影響．

從表2可見(jiàn)，斷面流速隨流量的增大而增大，但當(dāng)流量大于3 000 m3/s時(shí)，則相反．這主要是由于流量增大到3 000 m3/s后，黃河蘭州段末端的桑園峽開(kāi)始壅水，斷面過(guò)水面積增大，流速相應(yīng)減小，說(shuō)明此段河道的流速受桑園峽壅水的影響比較明顯．

表2 不同流量下斷面水流要素Tab．2 Cross-section flow elements of different discharges

3．3 工程斷面地形

為分析建橋前、后橋址斷面的地形變化，套繪了橋址斷面(橋上游25 m)建橋前與施放清水過(guò)程末以及加沙過(guò)程末的地形對(duì)比圖(見(jiàn)圖2)．

從圖2可知，清水過(guò)程末河床以沖刷為主．其中3#橋墩附近高度在3．0～5．4 m的垃圾平臺(tái)被沖走;4#～9#橋墩之間沖刷深度在1．0～6．5 m之間，最大沖深發(fā)生在7#～8#橋墩之間，此處的臨時(shí)田埂被沖掉，沖刷深度在1．0～2．5 m之間;9#～25#橋墩之間沖淤基本平衡，變化范圍大部分在－0．3～0．3 m之間．而加沙過(guò)程末河床沖淤總體基本平衡．3#橋墩附近的垃圾平臺(tái)被沖掉;4#～7#橋墩之間以淤積為主，淤積厚度在0．25～1．35 m之間;7#～10#橋墩之間沖刷較大，最大沖刷深度為6．8 m，此處的臨時(shí)田埂被沖掉;10#～25#橋墩之間沖淤基本平衡，靠近主河槽的11#～17#橋墩之間略有沖刷，12#～22#橋墩之間略有淤積，其變化范圍大部分在－0．4～0．4 m之間．

從圖2可知，7#～10#橋墩之間的地形變化較大，且均為沖刷，說(shuō)明此部分為橋墩阻水后，為不影響泄洪而需要擴(kuò)大的行洪面積部分．黃河通航標(biāo)準(zhǔn)為內(nèi)河V級(jí)，通航凈高為10年一遇水位以上不小于8 m，單向通航空凈寬為40 m，主河道走勢(shì)幾乎沒(méi)有變化，主橋墩位置設(shè)置合理，試驗(yàn)證明滿足橋梁通航標(biāo)準(zhǔn)要求．

圖2 清水沖刷及加沙過(guò)程末橋址上游25 m處河床斷面地形Fig．2 Comparison diagram of riverbed profiles after being scoured by clear water and added sand at the place of 25 meters from upstream bridge site

3．4 流向及河勢(shì)

由試驗(yàn)可知，當(dāng)流量從1 000 m3/s變化到6 500 m3/s時(shí)，河道主流均從通航孔中通過(guò)，說(shuō)明通航孔位置設(shè)置合理．

流量1 000 m3/s時(shí)，由于河道長(zhǎng)期受較小流量的沖刷，深泓線比較彎曲，基本在主槽內(nèi)擺動(dòng)．而洪水過(guò)程末深泓線變得比較平順．楊家灣特大橋橋上50 m附近洪水后深泓線基本重合;橋下180 m附近，建橋前洪水過(guò)程末深泓線向左偏移50 m，建橋后洪水過(guò)程末深泓線較建橋前向左偏移40 m．另外由于橋墩的導(dǎo)流作用，橋下300 m下游頂沖點(diǎn)上移65 m．

4 結(jié)語(yǔ)

(1)楊家灣特大橋在設(shè)計(jì)百年一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，橋梁總跨徑、橋下凈空高度等滿足規(guī)范規(guī)定，行洪是安全的;從河勢(shì)來(lái)看，通航孔設(shè)置位置合理．

(2)由于橋墩的阻水使得河道過(guò)水面積減小，建議對(duì)6#～11#橋墩，尤其是6#～8#橋墩上下游河道進(jìn)行開(kāi)挖疏浚;同時(shí)對(duì)河道右岸的垃圾進(jìn)行清運(yùn)．由于橋墩的導(dǎo)流作用，建橋后橋下游主流的頂沖點(diǎn)上移65 m，使右岸產(chǎn)生淤積，而左岸沖刷加大，建議加強(qiáng)此段左岸河堤以及構(gòu)筑物的防護(hù)．

(3)橋梁后產(chǎn)生壅水18 cm，建議相關(guān)部門在橋址附近修建濱河路路堤時(shí)，考慮對(duì)防洪的不利影響．

［1］甘肅省水文水資源局．黃河蘭州段防洪評(píng)價(jià)報(bào)告［R］．蘭州:甘肅省水文水資源局，2010．(Hydrology and Water Resource Bureau of Gansu Province．Evaluation report of flood control in Lanzhou section of the Yellow River［R］．Lanzhou:Hydrology and Water Resource Bureau of Gansu Province，2010．(in Chinese))

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