伊河中下游新建跨河橋梁對河床沖淤的影響

劉社教 關(guān)瑩 張清

摘要：陸渾水庫是伊河關(guān)健性控制工程，對伊河下游洪水發(fā)揮著調(diào)控作用。近年來，伊河中下游河道修建了許多跨河橋梁。以龍門鎮(zhèn)附近新修跨河橋梁為例，分析了橋梁修建對所在河段河床沖淤演變產(chǎn)生的影響。結(jié)果表明，在伊河河道修建跨河橋梁會對橋位附近河道沖刷以及水位升高產(chǎn)生一定的影響，還可能引起河勢的局部調(diào)整；多座橋梁還會對河床演變產(chǎn)生累積效應(yīng)。

關(guān)鍵詞：防洪安全；累積效應(yīng)；河床演變；跨河橋梁；陸渾水庫；伊河中下游

中圖分類號：TV147 文獻標志碼：A Doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2018.09.008

1 概述

1.1 伊河河道概況

伊河發(fā)源于熊耳山南麓，經(jīng)篙縣、伊川、洛陽市到偃師楊村與洛河相匯，匯流口以上河長264.8km，流域面積6029km2，地勢總體上由西南向東北降低。地形地貌主要有土石山區(qū)、丘陵和河谷沖積平原。伊河干流大體上分為三段：篙縣巖口以上為上段，河長154.0km，位于坡度陡峻的深山峽谷之中，蜿蜒曲折，河槽呈V形，兩岸及河底基巖裸露，河床質(zhì)為大卵石及砂礫石，水面僅寬20～40m，水流湍急形成多級跌水；從巖口到龍門為中段，河長70.1km，除陸渾、龍門兩卡口外，河面都較開闊，河出陸渾水庫后進入丘陵淺山區(qū)，兩岸山勢逐漸開闊，兩岸多為土質(zhì)階臺地，河槽呈U形，游蕩不定，沙灘棋布，漢流縱橫，河床質(zhì)為砂卵石，多灘地；龍門以下為下段，河長40.7km，河道展寬，流速減小，水位高于地面，成為地上河，尤其左岸為伊洛河夾灘低地，兩岸靠堤防束水行洪，河寬一般2000m左右，河槽較固定，河床質(zhì)為細砂，險工較多，是防洪重點河段。

1.2 伊河水沙特性

伊河流域徑流的地區(qū)分布與降水量分布趨勢基本一致，即東南大于西北，山區(qū)大于平原。伊河陸渾以上集水面積占伊河的58%，而徑流量卻占71%，龍門鎮(zhèn)以下地區(qū)為徑流最少的區(qū)域。河川徑流的年內(nèi)分配直接受降水的季節(jié)變化影響，汛期（7-10月）來水量占全年來水量的60%以上，最大月徑流量出現(xiàn)在8月；枯水期（1-3月）來水量占全年來水量的10%，最小月徑流量出現(xiàn)在2月。據(jù)統(tǒng)計，伊河龍門鎮(zhèn)站1954-2014年多年平均徑流量為7.76億m3。其中汛期多年平均徑流量為4.82億m3，非汛期為2.94億m3。最大年徑流量為31.12億m3（1964年），是最小年徑流量1.08億m3（2002年）的28.81倍；非汛期最大徑流量為16.18億m3（1964年），是非汛期最小徑流量0.31億m3（1995年）的52.2倍。龍門鎮(zhèn)站多年平均流量為860m3/s，實測最大洪峰流量為6850m3/s（1958年7月17日），相應(yīng)洪水水面比降為0.077%。近年來伊河流域徑流量呈減少趨勢。

龍門鎮(zhèn)站總體泥沙量較少，1954-2014年多年平均輸沙量為194.51萬t，其中：汛期為177.39萬t，占多年平均年輸沙量的91%；非汛期為17.12萬t，占多年平均輸沙量的9%。最大年輸沙量為2313.84萬t（1958年），最大含沙量為99.1kg/m3（1977年7月25日）。

伊河水沙量變幅較大，盡管伊河在非汛期水沙量較小，但是在汛期也會產(chǎn)生很大的洪峰過程，洪峰流量可以超出多年平均流量的8倍甚至更多。因此，伊河防洪形勢不容小覷。

1.3 伊河中下游跨河橋梁建設(shè)情況

近年來，為了推動地方經(jīng)濟的發(fā)展，滿足人們?nèi)找嬖鲩L的物質(zhì)需求，在伊河中下游河道上修建了多處橋梁等跨河工程。據(jù)統(tǒng)計，伊河陸渾水庫以下河道上已修建高速公路橋等大型橋梁6座，省、國道等跨河橋梁7座、鐵路橋3座，還有地方道路等跨河橋梁以及攔河壩等工程20座以上。在陸渾水庫至人黃口約110km的河道上，平均3km就有一座跨河工程。例如在洛陽龍門石窟景區(qū)附近10km的河道內(nèi)就修建有4座跨河橋梁和3座攔河橡膠壩，使得該河段河道的河寬變寬，水流流速變緩，已經(jīng)完全變成了城市的景觀河流。這些跨河工程的修建影響了河道自身的水沙變化，改變了河道沖淤演變規(guī)律，也給陸渾水庫的調(diào)度運行帶來新的問題。

2 陸渾水庫及對伊河洪水的調(diào)控作用

2.1 水庫概況

陸渾水庫位于嵩縣境內(nèi)的伊河干流上，水庫控制河長169.5km，占總河長的64%，控制流域面積3492km2，占伊河總流域面積的57%，總庫容13.2億m3，防洪庫容2.5億m3，是以防洪為主，結(jié)合灌溉、發(fā)電、供水、養(yǎng)魚、旅游等綜合利用的大型水利樞紐工程，也是伊河干流上唯一的一座大型水庫。陸渾水庫承擔(dān)的防洪任務(wù)主要有兩方面：一是減緩伊洛河中下游河段的防洪壓力，在20a—遇以下洪水時，水庫控制下泄流量不超過1000m3/s；二是配合三門峽、小浪底、故縣等水庫聯(lián)合調(diào)度運用，削減三花間（三門峽—花園口區(qū)間）洪水，以減輕黃河下游洪水威脅，確保黃河下游發(fā)生千年一遇洪水時的防洪安全川。

2.2 水庫對洪水的調(diào)控作用

陸渾水庫下游受其保護的有洛陽、鄭州、開封三個重要城市以及著名的世界文化遺產(chǎn)——龍門石窟。2015年編制的《伊洛河流域綜合規(guī)劃》中規(guī)劃近期水平年為2020年，遠期水平年為2030年。規(guī)劃確定防洪河段為陸渾水庫以下河段。遠期可根據(jù)沿岸地方經(jīng)濟發(fā)展以及黃河下游防洪體系的逐步完善，進一步研究提高重點河段防洪標準的可能性。

陸渾水庫運行以來，較好地發(fā)揮了攔洪削峰、錯峰調(diào)洪的作用。例如在伊河“2010·07”大洪水期間，陸渾水庫攔蓄洪水1.8億m3，削峰率為77%，確保了人民生命財產(chǎn)安全，防洪減災(zāi)效益十分顯著。

3 橋梁對所在河段河道沖淤演變的影響

3.1 橋梁壅水與沖刷計算

在陸渾水庫下游約60km、龍門鎮(zhèn)水文站下游約5km的河道上擬修建一座特大型城際鐵路橋梁。橋梁主跨為3×74m，兩側(cè)邊跨跨徑32m，橋長約800m，涉河橋墩數(shù)量為16個。橋梁的修建將會對附近河床沖淤、河勢演變等產(chǎn)生一定影響。

（1）壅水計算。橋梁建成后，河道內(nèi)修建的橋墩會占據(jù)部分行洪斷面，使得河道過水面積減小，同時增大水流阻力，造成橋位上游一定范圍內(nèi)水位壅高。擬建橋梁為圓端型橋墩，承臺位于河床地面以下，單墩阻水寬度計算公式為

B=（L-b）sinα+b（1）式中：B為橋墩阻水寬度，m；L為橋墩長度，m；b為橋墩寬度，m；α為橋軸線法線方向與水流方向交角，取19°。

根據(jù)橋位斷面橋墩布置情況，按式（1）計算設(shè)計洪水位下橋墩阻水寬度、阻水面積及其他水力因子。建橋前后河道過水面積和水面寬度見表1。

橋前壅水高度按照《鐵路工程水文勘測設(shè)計規(guī)范》有關(guān)壅水計算公式計算，可得100a—遇洪水在橋位上游的最大壅水高度為0.18m，對應(yīng)壅水長度為152m。

（2）沖刷計算。按照《鐵路工程水文勘測設(shè)計規(guī)范》行業(yè)標準的有關(guān)公式進行沖刷計算，包括河床自然演變沖刷、一般沖刷和局部沖刷[2]。

依據(jù)橋位河段河道歷史上河勢演變趨勢分析，認為該河段河勢相對穩(wěn)定，河道自然沖淤變化不大。龍門鎮(zhèn)水文站建站以來，該處河床最大沖深為0.9m。從安全計，未來50a該河段發(fā)生的最大沖刷深度就按0.9m計算；一般沖刷計算則是考慮橋位于伊河下游的峽谷河段出口，河道斷面較為單一，河流順直，因此按一般沖刷計算公式得到橋位處一般沖刷水深為14.74m；按局部沖刷計算公式，可得橋位處局部沖刷深度為10.83m。因此，河床自然演變沖刷、一般沖刷和局部沖刷相加即可得到橋位斷面的最大沖刷深度。通過計算，橋位斷面100a—遇洪水時河道最大沖刷深度為26.47m。

3.2 橋梁修建對附近河道河勢的影響

河道上修建橋梁等跨河工程會對橋位上游和下游河道的河勢產(chǎn)生明顯影響。上游受橋墩阻擋，極易形成淤積體，使單一河道形成分漢，改變河勢；下游受橋墩對水流的梳蓖作用影響，水流分散，可能產(chǎn)生不利河勢。

伊河中下游河段河道較為開闊，河床內(nèi)主流擺動不定，沙灘棋布，漢流縱橫。在這種河道上修建橋梁等跨河工程時，受橋墩阻水作用的影響，橋梁上游河床會因泥沙落淤而形成心灘，造成河勢游蕩。為此，專門分析了與伊河河道狀態(tài)相似的黃河河道上修建橋梁后河道內(nèi)的水流表現(xiàn)。圖1（a）為鄭州桃花峪黃河大橋修建后，橋位上游的河勢表現(xiàn)情況，可以看出橋梁修建后，其上游形成了一個巨大的河心灘，將河分為兩股，其主流發(fā)生明顯彎曲，與大橋斷面形成了明顯的角度，增大了橋墩的阻水面積，影響水流運行，并造成上游河寬增大。菏澤東明黃河大橋僅僅修建2a時間，其上游河道內(nèi)就已經(jīng)沙灘密布、漢流縱橫，主流河勢發(fā)生了明顯改變[見圖1（b）]。這種現(xiàn)象在在黃河水利科學(xué)研究院開展的黃河下游洪水預(yù)報模型試驗中也有明顯體現(xiàn)：小水時橋梁上游易出現(xiàn)較多淤積，心灘出露，水流分散，大水時河寬變寬，水流分散，大洪水過后河勢易發(fā)生改變，會沖刷靠河側(cè)堤防并壅高水位，造成河岸穩(wěn)定性下降。

4 伊河上諸多橋梁建瑩市可床演變的累積效應(yīng)

隨著社會經(jīng)濟的不斷發(fā)展，在河道中修建橋梁等跨河工程的狀況會越來越多。李振清等[3]分析認為：單個涉水工程對局部河段水位的影響為2～3cm，影響表現(xiàn)主要是工程附近局部水流流態(tài)和局部水位的變化；而修建工程群的影響范圍則為整個河段，河道內(nèi)流量越大影響越大。在平灘流量以下，工程群對河段整體防洪水位的影響一般為2～6cm，在平灘流量以上即發(fā)生大洪水時，對整體河段水位的影響達到6～17cm。由此可見，多個橋梁對河道的累積影響并不是單個橋梁產(chǎn)生影響的疊加，而是會明顯放大。

另外，橋梁的修建對上游水庫的調(diào)度也會產(chǎn)生一定影響。陸渾水庫是伊河下游河道防洪的控制性水庫，如果在河道中修建橋梁的密度較大，那么當(dāng)汛期水庫下泄洪水時，其對應(yīng)的洪水位將高于設(shè)計洪水位，增大水庫調(diào)度的難度，影響河道泄洪規(guī)模。因此，要適當(dāng)控制跨河橋梁的修建密度。

5 結(jié)語

橋梁修建后，橋位上游河道內(nèi)泥沙落淤，易產(chǎn)生心灘，引起河勢游蕩。當(dāng)河道發(fā)生大洪水時，河勢的改變會危及堤防安全。另外，借鑒其他研究成果認為：若河道內(nèi)橋梁密度較大，則多個橋梁對河道的累積影響并不是單個橋梁產(chǎn)生影響的疊加，而是會有明顯放大。因此，從對陸渾水庫運行調(diào)度的角度考慮，要適當(dāng)控制跨河橋梁的修建密度。

參考文獻：

[1]黃河水利委員會.伊洛河流域綜合規(guī)劃[R].鄭州：黃河水利委員會，2015：37-43.

[2]舒國明.橋涵水利水文[M].北京：人民交通出版社，2009：148-151.

[3]李振清，廖小永.涉河工程群對防洪的累積影響研究[J].水利水運工程學(xué)報，2011，12（4）：121-125.