青銅峽黃河鐵橋加固維護(hù)對(duì)水文監(jiān)測(cè)的影響

梁貴生 謝永勇 吳小爽 梁恒

摘要：根據(jù)青銅峽黃河鐵橋加固維護(hù)工程在不同頻率下的設(shè)計(jì)洪峰流量及設(shè)計(jì)洪水位，分析了工程完工后的壅水高度及長度。結(jié)果表明：百年一遇洪水時(shí)橋位處的壅水高度為0.38m，壅水長度為1520m，會(huì)對(duì)青銅峽水文站水位、流速、流量、泥沙測(cè)驗(yàn)以及水文測(cè)驗(yàn)安全等產(chǎn)生一定影響。為盡可能降低今后對(duì)水文監(jiān)測(cè)的影響，需開展相關(guān)比測(cè)試驗(yàn)工作。同時(shí)，為消除或減輕工程的不利影響，提出了相應(yīng)的補(bǔ)救措施。

關(guān)鍵詞：水文監(jiān)測(cè)；壅水；黃河鐵橋；青銅峽水文站

中圖分類號(hào)：P333；TV882.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2018.08.006

為滿足青銅峽水利樞紐T程建設(shè)和寧夏回族自治區(qū)交通運(yùn)輸?shù)男枰?958年11月開工建設(shè)了青銅峽黃河鐵橋，1959年7月1日建成通車，橋長292.3m。受當(dāng)時(shí)施工技術(shù)條件限制，施工時(shí)橋墩為石塊堆積夾心木質(zhì)構(gòu)筑，橋身為鋼構(gòu)鉚接的公鐵兩用橋梁，后于1964年、1990年分別進(jìn)行了維修加固。2012年12月，該橋被確定為區(qū)級(jí)保護(hù)文物。

1 工程概況

青銅峽黃河鐵橋加固維護(hù)工程（以下簡稱“本工程”）首先用千斤頂撐起原有橋墩處的橋橫梁，更換原有的豎直支撐木柱，然后在原有橋墩四周白河床底部開始布設(shè)鋼絲網(wǎng)，架設(shè)鋼管支架固定鋼絲網(wǎng)，往鋼絲網(wǎng)中拋較大石塊至水面以上0.1～0.5m，按0.5～1.Om高度錯(cuò)臺(tái)進(jìn)行鋼絲網(wǎng)填石塊，堆砌成下大上小的錐體，尺寸盡量與原有橋墩保持一致，用高壓注漿機(jī)對(duì)鋼絲網(wǎng)拋石和砌護(hù)后的橋墩進(jìn)行灌漿加固。施工時(shí)按照鋼絲網(wǎng)架設(shè)—毛石堆砌—高壓泵填充灌漿—梁柱校正一鋼桁架、主梁維護(hù)—局部枕木、木板更換—橋面道路修補(bǔ)的順序，依次分步對(duì)原橋的6個(gè)橋墩和橋身、橋面進(jìn)行豎直支撐木柱更換、拋石砌護(hù)及灌漿加固。

2 測(cè)站簡介

青銅峽水文站位于寧夏回族自治區(qū)青銅峽市青銅峽鎮(zhèn)，青銅峽水利樞紐下游700m處，集水面積為275010km2。測(cè)站設(shè)立于1939年5月17日，于1960年4月1日青銅峽水利樞紐截流后搬遷至現(xiàn)在位置（本工程上游180m），是國家基本水文站、重點(diǎn)報(bào)汛站，是黃河水量統(tǒng)一調(diào)度的控制斷面和水資源保護(hù)的重點(diǎn)監(jiān)測(cè)斷面，是青銅峽水利樞紐出庫控制站，為下游防汛、灌溉、水資源管理與保護(hù)等提供水文信息，并為治黃收集基本水文資料。目前監(jiān)測(cè)項(xiàng)目有水位、流量、輸沙率、泥沙顆粒級(jí)配、水溫、氣溫、冰凌、降水、蒸發(fā)、水質(zhì)等。

3 水文分析計(jì)算

3.1 設(shè)計(jì)洪峰流量的確定

本次分析設(shè)計(jì)洪水以上游安寧渡站為參證站，采用原水利部天津水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院在1993年9月完成的《黃河大柳樹水利樞紐可研報(bào)告》中的相關(guān)分析成果，建立該站與青銅峽水文站經(jīng)龍劉（龍羊峽、劉家峽）兩庫聯(lián)調(diào)后的設(shè)計(jì)洪峰流量關(guān)系，計(jì)算公式為Q青=1.064Q安-267（Q青為青銅峽站流量，Q安為安寧渡站流量），求得黃河青銅峽站經(jīng)龍劉水庫調(diào)蓄影響后的設(shè)計(jì)洪水成果，見表1。

從計(jì)算結(jié)果看，本次計(jì)算的青銅峽水文站20a-遇設(shè)計(jì)洪峰流量與寧夏水利設(shè)計(jì)院和黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司的結(jié)果基本一致，表明計(jì)算的青銅峽水文站設(shè)計(jì)洪峰流量成果可靠。

3.2 設(shè)計(jì)洪水位的計(jì)算

根據(jù)青銅峽站歷年水位一流量關(guān)系曲線查得的設(shè)計(jì)洪水位，按照分析確定的水面比降0.05%，采用水面比降法計(jì)算不同頻率下橋位處設(shè)計(jì)洪水位（見表3）。

3.3 壅水高度及長度計(jì)算

本工程完成后對(duì)大斷面進(jìn)行測(cè)量，根據(jù)實(shí)測(cè)資料計(jì)算，鐵橋所處斷面在頻率為p=5%、p=2%、p=l%洪水下河道行洪寬度分別減小25、22、21m，行洪斷面面積分別減小11.2%、11.2%、11.1%，可以看出鐵橋占用了過水?dāng)嗝?，阻礙了河道行洪，增大了水流的能量損失，使得建筑物上游發(fā)生壅水。利用《公路橋位勘測(cè)設(shè)計(jì)規(guī)范》中的公式對(duì)壅水高度及壅水長度進(jìn)行計(jì)算可知，p=5%、p=2%、p=l%洪水下最大壅水高度分別為0.37、0.38、0.38m，壅水長度分別為1468、1516、1520m。

4 對(duì)水文監(jiān)測(cè)影響分析

（1）對(duì)水位的影響。根據(jù)壅水計(jì)算結(jié)果，本T程完成后，橋位斷面最大壅水高度為0.38m，最大壅水長度為1520m，其壅水范圍覆蓋了青銅峽水文站整個(gè)監(jiān)測(cè)河段，使水位和比降觀測(cè)均受到影響。

（2）對(duì)流速的影響。本工程實(shí)施后產(chǎn)生的壅水改變了原有水文監(jiān)測(cè)河段內(nèi)的水流分布狀況，引起流速在同流量下（同水位下）的橫向及垂線分布發(fā)生變化。

（3）對(duì)流量測(cè)驗(yàn)的影響。本工程實(shí)施后將對(duì)青銅峽水文站監(jiān)測(cè)河段內(nèi)的流速分布及流速產(chǎn)生一定的影響，需要調(diào)整測(cè)速、測(cè)深垂線，改變?cè)袦y(cè)驗(yàn)方案以保證測(cè)驗(yàn)精度，從而增加了流量測(cè)驗(yàn)時(shí)間，提高了測(cè)驗(yàn)難度。

（4）對(duì)泥沙測(cè)驗(yàn)的影響。本工程建設(shè)導(dǎo)致其上游河段流速分布及流速大小發(fā)生改變，測(cè)點(diǎn)含沙量及斷面含沙量分布受流速改變的影響可能發(fā)生改變，原有單樣含沙量及輸沙率測(cè)驗(yàn)方案需在加密取樣垂線、測(cè)點(diǎn)并積累一定測(cè)次的基礎(chǔ)上重新分析確定。另外.其對(duì)單沙的代表性及單斷沙關(guān)系也可能產(chǎn)生影響。為滿足今后泥沙測(cè)驗(yàn)的精度和代表性，需要開展相關(guān)試驗(yàn)，并根據(jù)實(shí)測(cè)資料進(jìn)行比測(cè)分析，從而確定今后的泥沙測(cè)驗(yàn)方案。

（5）對(duì)水文測(cè)驗(yàn)安全的影響。本工程對(duì)鐵橋橋墩進(jìn)行了加固，縮小了橋墩間的距離。當(dāng)發(fā)生大洪水時(shí)，若吊船索斷裂，則測(cè)船到達(dá)橋墩位置時(shí)易發(fā)生碰撞，給測(cè)船及船上測(cè)驗(yàn)人員帶來安全隱患。

5 補(bǔ)救措施

（1）技術(shù)要求及原則。根據(jù)水文測(cè)驗(yàn)相關(guān)規(guī)范規(guī)定，水文試驗(yàn)必須在不同水位、流量、含沙量條件下進(jìn)行：試驗(yàn)項(xiàng)目包括水位、流量、含沙量、輸沙率、比降、流向等，盡可能采用精密方法。結(jié)合斷面多年實(shí)測(cè)資料分析，在本工程完成后進(jìn)行水文監(jiān)測(cè)資料的相關(guān)試驗(yàn)，確定水文比測(cè)的期限為3a。

（2）水位。為準(zhǔn)確分析工程實(shí)施后對(duì)青銅峽水文站水位監(jiān)測(cè)的影響，擬在鐵橋橋位下游450m處和青銅峽水文站基本斷面上游350m處的有岸設(shè)置2處視頻監(jiān)控系統(tǒng)觀測(cè)水位，連同青銅峽水文站基本斷面現(xiàn)有的水位計(jì)，開展水位同步對(duì)比觀測(cè)分析。對(duì)比觀測(cè)應(yīng)包含各級(jí)水位的變化范圍，觀測(cè)時(shí)間及測(cè)次應(yīng)根據(jù)河流特性及水位漲落變化情況以及工程對(duì)河道邊界的影響程度等合理分布，在峰頂、峰谷、水位過程轉(zhuǎn)折處應(yīng)布有測(cè)次，水位漲落急劇時(shí)應(yīng)加密測(cè)次。

（3）流速。由于本工程實(shí)施后造成水文監(jiān)測(cè)河段流態(tài)改變，因此開展河道流速分布的試驗(yàn)研究工作非常必要。根據(jù)水文監(jiān)測(cè)河段的具體情況，流速分布試驗(yàn)方法采用多線多點(diǎn)法和常規(guī)法比較，分析其垂線流速分布形式。當(dāng)斷面上各條垂線的流速分布形式相似時(shí)，可點(diǎn)繪一條標(biāo)準(zhǔn)垂線流速分布曲線：當(dāng)斷面上各部分的垂線流速分布形式不完全相同時(shí)，可按照《河流流量測(cè)驗(yàn)規(guī)范》（GB50179-2015）的要求分別點(diǎn)繪2～3條流速分布曲線。結(jié)合本工程完工后對(duì)原有天然河道的影響狀況，選擇在受影響條件下的不同流量級(jí)進(jìn)行，每級(jí)測(cè)次不少于30次。

（4）流量。需加密測(cè)深、測(cè)速垂線和流量測(cè)驗(yàn)頻次，盡可能在各級(jí)水位、流量范圍內(nèi)均勻布置流量測(cè)次，每個(gè)級(jí)別至少施測(cè)30次。流量測(cè)次的控制要以能滿足目前采用的優(yōu)化監(jiān)測(cè)方案的分析為準(zhǔn)。試驗(yàn)方案：當(dāng)斷面流量小于2000m3/S時(shí)，流量測(cè)次按水位級(jí)布設(shè)，水位以0.2m分級(jí)，每級(jí)水位至少有2個(gè)測(cè)點(diǎn)控制，可5～7d施測(cè)一次：當(dāng)斷面流量大于2000m3/S時(shí)，水位每變化0.20～0.30m應(yīng)測(cè)流一次，水位平穩(wěn)時(shí)可3～4d施測(cè)一次：當(dāng)出現(xiàn)洪峰時(shí)，按洪峰過程控制，測(cè)次均勻布置在漲水段、峰頂及落水段，洪水過程持續(xù)時(shí)間較長時(shí)應(yīng)在轉(zhuǎn)折變化處增加測(cè)次，相鄰兩測(cè)次間隔時(shí)間不得大于3d，水位相差不應(yīng)超過0.30m；水庫排沙期間，測(cè)次按流量及斷面變化過程控制，視變化情況每天至少測(cè)流兩次，水位變幅控制在0.30m左有，以完整控制流量的變化過程。流速儀法與高精度的ADCP走航儀同步進(jìn)行加密測(cè)驗(yàn)，以驗(yàn)證測(cè)驗(yàn)斷面流速分布和流量變化情況。

（5）泥沙。本工程實(shí)施后改變了水文監(jiān)測(cè)河段的流速及其分布，對(duì)泥沙監(jiān)測(cè)產(chǎn)生了影響，結(jié)合青銅峽水文站一直以來采用的泥沙測(cè)驗(yàn)實(shí)際狀況以及測(cè)驗(yàn)斷面河床沖淤變化緩慢的特性，泥沙測(cè)驗(yàn)方案主要是輸沙率的施測(cè)，除按照《河流懸移質(zhì)泥沙測(cè)驗(yàn)規(guī)范>（GB/T50159-2015）的有關(guān)要求加密泥沙采樣垂線及測(cè)點(diǎn)外，還要分析采樣位置并根據(jù)主流變化隨時(shí)調(diào)整。

（6）水文測(cè)驗(yàn)安全。本工程縮小了橋墩間的距離，當(dāng)發(fā)生大洪水時(shí)，若吊船索斷裂，則測(cè)船到達(dá)橋墩位置時(shí)易發(fā)生碰撞事故，故制定相關(guān)安全措施：一是不定期對(duì)吊船索進(jìn)行檢查：二是每年汛前購置合格的吊船索進(jìn)行更換：三是加強(qiáng)安全生產(chǎn)知識(shí)教育，尤其是測(cè)船測(cè)驗(yàn)人員必須嚴(yán)格遵守測(cè)驗(yàn)操作規(guī)程：四是在測(cè)船上準(zhǔn)備足夠的救生圈、救生繩及其他安全防護(hù)設(shè)施；五是制定吊船索斷裂情況下測(cè)船及船上人員自救方案：六是出現(xiàn)超過吊船纜道測(cè)洪能力、斷面大面積浮冰、水庫泄洪（排沙）、大風(fēng)天氣等情況時(shí)，為確保安全，停止使用吊船纜道進(jìn)行水文測(cè)驗(yàn)。

6 結(jié)論

（1）本工程產(chǎn)生的壅水高度和長度覆蓋了青銅峽水文站整個(gè)監(jiān)測(cè)河段，使同流量水位有所抬高，水文監(jiān)測(cè)河段流速及流態(tài)分布發(fā)生變化，水位流量關(guān)系曲線發(fā)生變化，導(dǎo)致在進(jìn)行流量、泥沙測(cè)驗(yàn)時(shí)需要調(diào)整測(cè)速、測(cè)沙垂線，改變?cè)袦y(cè)驗(yàn)方案，增加流量、泥沙測(cè)驗(yàn)時(shí)間，提高了測(cè)驗(yàn)難度。

（2）當(dāng)發(fā)生大洪水時(shí)，若吊船索斷裂則測(cè)船到達(dá)橋墩位置時(shí)易發(fā)生碰撞，對(duì)測(cè)船及船上測(cè)驗(yàn)人員造成安全隱患。

（3）針對(duì)本工程對(duì)青銅峽水文站水文監(jiān)測(cè)產(chǎn)生的影響，為確保今后水文監(jiān)測(cè)精度，需要開展為期3a的水位、流速、流量、泥沙監(jiān)測(cè)和河段流態(tài)分布變化分析等方面的水文比測(cè)補(bǔ)救措施，并從安全檢查、防護(hù)設(shè)施、預(yù)案等方面采取必要措施，以消除或減輕不利影響。