渭河咸陽隴海鐵路橋下游段河床跌坎式下切的成因及危害性分析

焦 劍

（陜西彬長煤田水務有限責任公司 陜西 咸陽 712000）

1 河床下切基本情況

1.1 河道概況

渭河咸陽隴海鐵路橋下游段河床跌坎式下切處位于隴海鐵路咸陽橋至灃河入渭口之間的渭河主河槽段，此段總河長約2.7km，是渭河下游段的起始點。2000年以前此段河道比降為0.6‰左右，河道槽灘分明，左右岸大堤間距 600m～1200m（隴海鐵路橋處僅350m），主槽寬200m～700m，槽內常水面寬120m～360m，主槽內大部分河床裸露，灘地多在左岸，寬約100m～500m。河道左岸按100年一遇防洪標準修建了堤防，右岸堤防正在建設，主槽左側修建了中水控導工程。下切跌坎處上游20m處有鄭西客運專線跨河鐵路橋、280m處有隴海鐵路跨河大橋、800m處有咸陽湖攔河橡膠壩、1000m有咸陽二號公路橋、4000m有咸陽水文站。

1.2 河床跌坎概況

2013年5 月在隴海鐵路橋下游1700m處河道內出現(xiàn)了一處寬約2m、水流落差約0.8m的跌坎，2013年5月～10月，跌坎向上游推進了約1200m，發(fā)展成了東西長約600m，南北寬約5m，深為2.5m的不規(guī)則沖槽，河水形成了南北寬約50m、落差約3m的“跌坎瀑布”。2013年11月至2014年6月跌坎又上移了約200m，分為兩支跌坎，其中1#跌坎靠南側，上端已到鄭西客運專線鐵路橋下方，寬約為115m；2#跌坎靠北側，寬約為40m，水面落差約為3m，跌坎沖槽深約為4m～5m。2014年汛期1#跌坎向上推進了90m，寬度增加約120m，深度增加約2.5m，坎高約2m～3m，導致鄭西客運專線鐵路橋橋墩基礎已部分出露；2#跌坎，向上游推進約50m，寬度增加約30m，深度增加約2m，距隴海鐵路橋約200m。

2.跌坎式下切成因分析

2.1 河道來水來沙

2.1.1 徑流分析

渭河屬于雨源性河流，徑流隨降雨而變化，具有年內分配不均，年際間變化大的特點根據(jù)渭河咸陽水文站1995年～2010年實測流量資料分析該時段年徑流特征值見表1，年徑流量變化趨勢見圖1。

分析可知：渭河咸陽斷面1995年～2010年平均徑流量為19.95億m3，最大年徑流量為49.11億m3，最小年徑流量為5.279億m3，最大年徑流量為最小年徑流量的9.3倍。

根據(jù)咸陽水文站1960年～2005年實測資料，咸陽斷面多年平均徑流量為39.48億m3，1995年～2010年時段年徑流量小于多年平均徑流量，僅為多年平均徑流量的50.5%從長系列分析近期屬枯水期。

表1 咸陽站年徑流特征值統(tǒng)計表

圖1 咸陽斷面年徑流量變化趨勢圖

表2 咸陽站年輸沙量特征值統(tǒng)計表

圖2 咸陽斷面年輸沙量變化趨勢圖

表3 咸陽站多年平均月輸沙量占年輸沙量百分比 單位：萬t，%

2.1.2 輸沙量分析

（1）輸沙量變化

渭河是多泥沙河流，泥沙隨徑流而變化，具有水沙異源的特點。根據(jù)咸陽水文站1995年～2010年實測輸沙率資料分析計算，其年輸沙量特征值見表2，年輸沙量變化趨勢圖見圖2。

分析可知：咸陽斷面1995年～2010年平均輸沙量為2661萬t，最大年輸沙量為9140萬t，最小年輸沙量為391萬t，最大年輸沙量為最小年輸沙量的23.4倍，多年平均輸沙量為1.082億t，而1995年～2010年年輸沙量小于多年平均輸沙量，為多年平均輸沙量的24.6%，從長系列分析近期屬少沙段。

（2）汛期輸沙量

①輸沙量年內分配

根據(jù)渭河泥沙來源及區(qū)域降雨特征，輸沙量年內分配不均，一般集中在6月～10月的幾場大洪水之中，咸陽站多年平均月輸沙量占年輸沙量百分比見表3。

從上表可見：1月～3月和11月輸沙量占年量的百分數(shù)不足1%，7～8月輸沙量分別占年量的30.06%和28.63%，6月～10月輸沙量占全年的90.04%，其他月份占年量的百分數(shù)不到10%，輸沙量年內分配不均。

②汛期輸沙量分析

根據(jù)咸陽水文站多年輸沙量資料統(tǒng)計，汛期平均輸沙量占年輸沙量的90%，非汛期平均輸沙量占年輸沙量的10%。說明沙量主要來自汛期，且與洪水密切相關，輸沙量分布不均。

通過對咸陽站來水來沙分析可以看出：1995年～2010年來水量為多年平均徑流量的50.5%，來沙量僅為多年平均輸沙量的24.6%，說明近期渭河的來水含沙量減少較多，在渭河下游形成了清水沖刷，使河道河床沖刷下切。

圖3 跌坎段地貌及地層結構示意圖

圖4 渭淤斷面深泓點高程變化圖

表4 渭河隴海鐵路橋下游～灞河上游段渭淤斷面深泓點高程統(tǒng)計表

2.2 河床地質

跌坎所在的河道呈灘槽分明，河床北高南低，主槽居中，左岸灘地較寬，地貌屬渭河河谷堆積地貌。根據(jù)河道地質勘察資料分析，本段河床地層呈現(xiàn)明顯的砂層、粘土層、砂層、粘土層、砂層互層分布結構，現(xiàn)狀跌坎至上游咸陽湖河段，河床以下連續(xù)分布著一層厚度6m～8m的耐沖刷粘土層，粘土層在跌坎以下河段逐漸變薄，至灃河入渭口河段上游厚度僅余1m～3m；粘土層以下為中砂層，厚度3m～8m；中砂層以下為第二層粘土層，厚度1m～3m。跌坎下切已穿透河底第一層粘土層深達中砂層，由于上層粘土層較耐沖刷，故在水流沖刷下形成粘土層不斷崩塌的跌坎式下切形態(tài)。跌坎以上河底高程基本與河底粘土層頂面齊平，河槽兩側灘地為中細砂。跌坎河段地貌及地層結構見圖3。

2.3 河道沖淤

統(tǒng)計渭河咸陽水文站-灞河口段各渭淤斷面1995年汛前、1998年汛前、2001年汛前、2004年汛前、2007年汛前、2010年汛前、2013年汛前河道深泓點高程，詳見表4，套繪河道各年深泓點高程變化圖4。

從圖中、表中可以看出：渭河隴海鐵路橋-灞河口段河道深泓點高程是下降的，主槽段河床屬沖刷下切，下切深度為3.75m～9.35m，其中渭淤36～35斷面之間河段屬跌坎下切所在河段，深泓線下降最為劇烈，最大下降深度為9.35m，河床比降由0.6‰迅速增大到約2‰。套繪渭淤36、渭淤35、渭淤34、渭淤33、渭淤32、渭淤31、渭淤 30、渭淤29斷面等 8個典型斷面，可以看出1995年～2013年河道灘面高程變化不大，主槽沖刷下切，寬度增大。從渭淤35斷面可見，跌坎下切處主槽沖刷下切比較嚴重。

2.4 大橋建設的影響

2007年新建的鄭西客運專線鐵路橋為斜橋且橋墩為大斷面實體墩，墩底承臺較大，這就減少了河道過洪斷面，加大了河水對橋位所在河段河床的沖刷，按照黃河水利委員會審查通過的《鄭西客運專線咸陽渭河特大橋防洪評價報告》中沖刷計算分析，該橋在100年一遇設計洪水時，一般沖刷計算值為4.96m，局部沖刷計算值為6.69m。根據(jù)實測資料，建橋前后，橋下河床平均高程降低1.9m。由此可知鄭西鐵路橋的修建對跌坎所在河段加大了河床沖刷下切。

2.5 河床跌坎下切的主要成因

經過對近期跌坎所在河段來水來沙、河道沖刷、人為活動影響的分析，河床急劇下切形成主要原因有：

（1）受渭河近年來河水含沙量大幅減少及人為在河道內取土、挖沙的影響，河床比降由0.6‰迅速增大到約2‰，河流沖刷能力顯著增強，形成了跌坎式溯源沖刷的水流條件。

（2）該河道河床地質結構特殊，上覆較為致密的粘土層，抗沖能力較強，而下部的含礫中粗砂，較疏松，抗沖能力差，就形成了跌坎式溯源沖刷的地質條件。

（3）由于新建的鄭西客運專線鐵路橋與河道水流斜交，改變了原河勢，且該橋橋墩全為大斷面實體墩，墩底承臺大，這就壓縮了河道過洪斷面，使水流速度增大，從而加大了橋位處的河床沖刷深度。

3 跌坎發(fā)展趨勢及危害性分析

3.1 跌坎發(fā)展趨勢分析

結合2013年5月～2014年10月對河床跌坎下切發(fā)展的監(jiān)測結果可以得出，溯源沖刷有繼續(xù)向上游發(fā)展且向兩側擴展的趨勢。跌坎向上游發(fā)展速度前期快，后期逐漸變慢，分析主要影響因素為河床特殊地質條件造成的，前期跌坎所在河段河床底部粘土層較薄，厚度僅1m～4m，而2014年以后，跌坎所在處的鄭西鐵路橋上下游附近的河床粘土層厚度達到7m且穩(wěn)定性好，水流沖刷下切難度增大，就使得跌坎向上游發(fā)展速度減慢。目前現(xiàn)狀跌坎上游到咸陽湖橡膠壩段間的河床粘土層厚度平均為7m，與當前跌坎位置處的地質情況基本相同，因此可根據(jù)2014年跌坎向上游發(fā)展的速度預測出一般水文年份跌坎今后的發(fā)展速度。

由于在現(xiàn)狀地層情況下，跌坎每年將向上游發(fā)展約150m～200m，以此速度，預計跌坎2016年4月～9月可發(fā)展到達隴海鐵路橋下2018年汛期將發(fā)展到咸陽湖2#橡膠壩處。

3.2 危害性分析

河床跌坎式下切會直接造成河床底面高程急劇降低，使河水沖刷進一步加劇，將導致鄭西客運專線橋、隴海鐵路橋組，咸陽湖（橡膠壩、中隔墻、護岸）、咸陽渭河2號橋等河道內建筑物及渭河兩岸大堤基礎外露或吊空，甚至崩塌，出現(xiàn)險情，因此必須盡快采取有效措施防止河床跌坎下切繼續(xù)發(fā)展。陜西水利