黃河三盛公庫(kù)區(qū)河段橋梁通航水位分析

劉曉輝，張文忠

（1.中交天津港灣工程設(shè)計(jì)院有限公司，天津 300461；2.中交天津港灣工程研究院有限公司，天津 300222）

0 引言

黃河發(fā)源于青藏高原巴顏喀拉山北麓的約古宗列盆地，自西向東分別流經(jīng)青海、四川、甘肅、寧夏、內(nèi)蒙古、山西、陜西、河南及山東9 個(gè)?。ㄗ灾螀^(qū)），干流河道總長(zhǎng)5 464 km，流域面積79.5 萬(wàn)km2（含內(nèi)流區(qū)4.3 萬(wàn)km2），于山東省注入渤海，是我國(guó)第二大河。隨著流域經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，黃河航運(yùn)開(kāi)發(fā)也逐漸提上日程，《黃河水系航運(yùn)規(guī)劃報(bào)告》[1]中提出，近期分段通航，遠(yuǎn)期蘭州以下至入?？谌€通航300～500 噸級(jí)船舶；目前，黃河下游也正在開(kāi)展復(fù)航論證，因此從國(guó)家規(guī)劃及經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展考慮，在規(guī)劃通航的河段，橋梁建設(shè)必須考慮通航需求[2]。本文研究的橋梁位于內(nèi)蒙古自治區(qū)磴口縣，橋梁所處河段尚未通航，規(guī)劃為Ⅳ級(jí)航道，在開(kāi)展橋梁通航尺度研究前，需要先確定橋梁所在河段通航水位。本文結(jié)合GB 50139—2014《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》[3]的相關(guān)要求及歷史水文資料對(duì)河段通航水位進(jìn)行研究和推算，為橋梁設(shè)計(jì)和通航條件影響評(píng)價(jià)工作提供依據(jù)。

1 項(xiàng)目概況

某黃河特大橋位于內(nèi)蒙古自治區(qū)三盛公水利樞紐壩址上游7.2 km，采用全橋渡方式跨越黃河、立交方式跨越左岸三盛公庫(kù)區(qū)圍堤和右岸低山臺(tái)地，河道管理范圍內(nèi)大橋長(zhǎng)2 672 m，從左岸向右岸布置跨徑組合為4×83 m+102 m+4× 178 m+102 m+83 m。該橋按特大橋設(shè)計(jì)，其設(shè)計(jì)防洪標(biāo)準(zhǔn)為100 a 一遇，校核防洪標(biāo)準(zhǔn)為1 000 a 一遇。

2 水文條件

2.1 河道概況

黃河內(nèi)蒙古河段位于黃河流域最北端，介于東經(jīng)106?10′—112?50′、北緯37?35′—41?50′之間，從寧夏石嘴山入境至馬柵鄉(xiāng)，干流全長(zhǎng)843.5 km，河道總落差僅162.5 m。受地形控制，形成峽谷與寬河段相間出現(xiàn)的格局，石嘴山至海勃灣庫(kù)尾、海勃灣壩下至舊磴口、喇嘛灣至馬柵為峽谷型河道，河道長(zhǎng)度分別為20.3 km、33.1 km 和120.8 km，其余河段河面開(kāi)闊，由游蕩型、過(guò)渡型及彎曲型河道組成，各河段河道基本特性見(jiàn)表1。

表1 黃河內(nèi)蒙古河道基本特性表Table 1 Basic characteristics of the Yellow River in Inner Mongolia

本文所述橋梁位于三盛公庫(kù)區(qū)，河道長(zhǎng)度54.2 km，該段河勢(shì)平緩開(kāi)闊，為典型的庫(kù)區(qū)沖積平原型河道。橋位處左岸有庫(kù)區(qū)圍堤，灘地發(fā)育，為灌區(qū)和農(nóng)田；右岸為鄂爾多斯低山臺(tái)地。橋位處河道順直，河寬約2.3 km，現(xiàn)狀主河槽寬885 m，主流靠右岸，河道比降為0.014%。

根據(jù)相關(guān)資料分析，橋位處100 a 一遇洪水位為1 056.25 m（1985 國(guó)家高程，下同）；1 000 a一遇洪水位為1 056.45 m。

2.2 橋梁所處庫(kù)區(qū)概況

三盛公水利樞紐位于內(nèi)蒙古巴彥淖爾市磴口縣巴彥高勒鎮(zhèn)東南3 km 處的黃河干流上，距上游海勃灣水利樞紐87 km，是一座以灌溉為主，兼顧防洪、供水、發(fā)電等綜合利用的低水頭引水樞紐，最大壩高8 m。工程興建于1959 年6 月，1961 年5 月投入運(yùn)行，2003 年完成了水庫(kù)的除險(xiǎn)加固。樞紐正常蓄水位1 054.62 m，設(shè)計(jì)洪水位1 054.82 m，校核洪水位1 055.12 m。

橋梁所處的三盛公庫(kù)區(qū)屬于大型閘壩式平原低水頭水庫(kù)，設(shè)計(jì)時(shí)主要建筑物設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為100 a 一遇，相應(yīng)洪峰流量為6 120 m3/s，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為1 000 a 一遇，相應(yīng)洪峰流量為6 720 m3/s。目前庫(kù)區(qū)已基本達(dá)到?jīng)_淤平衡，但每年實(shí)測(cè)的大斷面不完全相同，為了更好地反映庫(kù)區(qū)沖淤影響，本文分析時(shí)采用三盛公庫(kù)區(qū)1998 年汛后、2012年汛后和2018 年汛后3 種實(shí)測(cè)大斷面作為典型計(jì)算邊界條件。

3 最高通航水位推算

橋梁所處河段的最高通航水位直接影響橋梁實(shí)際通航凈空高度和凈空寬度，進(jìn)而影響到橋梁的橋跨設(shè)計(jì)、墩臺(tái)布置和橋面高程確定[4]。

3.1 推算方法

根據(jù)《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》[3]6.4.4 節(jié)規(guī)定，樞紐上游河段設(shè)計(jì)最高通航水位應(yīng)采用表2 規(guī)定的重現(xiàn)期洪水與相應(yīng)的汛期壩前水位組合，以及壩前正常蓄水位或設(shè)計(jì)擋水位與相應(yīng)的各級(jí)入庫(kù)流量組合，得出多組回水曲線，取其上包線作為沿程各點(diǎn)的設(shè)計(jì)最高通航水位，并應(yīng)計(jì)入河床可能淤積引起的水位抬高值[3]。

橋梁所在河段通航等級(jí)為Ⅳ級(jí)，因此，最高通航水位計(jì)算時(shí)洪水重現(xiàn)期選擇10 a 一遇。經(jīng)分析，三盛公庫(kù)區(qū)未來(lái)將長(zhǎng)期保持合理的有效庫(kù)容，維持一個(gè)相對(duì)沖淤平衡的狀態(tài)，因此，本文分析通航水位時(shí)不再考慮河道的沖淤變化。

3.2 最高通航水位推算

1）設(shè)計(jì)水面線推算方法

水面線推算常采用明渠恒定均勻流法、天然河道水面線系統(tǒng)法及能量方程法等[5]，結(jié)合項(xiàng)目特點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)水面線計(jì)算采用能量方程[6-7]，方程式為：

式中：Z1、Z2分別為上斷面和下斷面的水位；V1、V2分別為上斷面和下斷面的斷面流速；α1、α2分別為上斷面和下斷面的流速系數(shù)，一般情況下取值為1.05～1.1；g 為重力加速度；hf為沿程水頭損失；hi為局部水頭損失；ΔL 為兩段面間距；Q 為河段流量；為平均流量模數(shù)；ξ為河段平均局部阻力系數(shù)，對(duì)于收縮河段，其局部水頭損失可以忽略不計(jì)；對(duì)于擴(kuò)散河段，水流常與岸壁分離而形成回流，產(chǎn)生局部水頭損失。

本河段流速系數(shù)α1=α2=α，根據(jù)式（1）～式（3），河道穩(wěn)定緩變流的能量方程式可寫(xiě)為：

水位計(jì)算由下游向上推算，已知Z2便可由式（4）試算求得Z1。

2）10 a 一遇洪水與汛期壩前水位的組合

汛期10 a 一遇洪峰流量為5 460 m3/s，壩前水位經(jīng)調(diào)洪后為1 054.76 m。首先采用1998 年汛后、2012 年汛后和2018 年汛后實(shí)測(cè)大斷面資料和上述相關(guān)參數(shù)進(jìn)行三盛公水庫(kù)庫(kù)區(qū)汛期10 a 一遇水面線計(jì)算，見(jiàn)表3。

表3 橋位河段汛期10 a 一遇水位計(jì)算結(jié)果Table 3 Calculations of water level with 10-year return period in flood season of river reach at bridge site

3）壩前正常蓄水位與相應(yīng)各級(jí)流量組合

三盛公水利樞紐正常蓄水位為1 054.62 m，相應(yīng)各級(jí)流量取非汛期（扣除凌汛期）最大入庫(kù)流量910 m3/s 計(jì)算。由表3 可以看出采用1998 年大斷面計(jì)算的橋位處汛期10 a 一遇水位（1 056.27 m）略高。因此，采用1998 年大斷面計(jì)算壩前正常蓄水位與相應(yīng)各級(jí)流量組合的水面線，并計(jì)算2 種組合的水面線的上包線，見(jiàn)表4。

表4 橋位河段最高通航水位計(jì)算成果表Table 4 Calculations of maximum navigable water level of river reach at bridge site

3.3 橋位處最高通航水位確定

根據(jù)表4 可以確定橋位處最高通航水位為1 056.27 m。

4 最低通航水位推算

4.1 推算方法

根據(jù)《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》[3]6.4.4 節(jié)規(guī)定，樞紐上游河段設(shè)計(jì)最低通航水位應(yīng)采用多年歷時(shí)保證率的入庫(kù)流量與相應(yīng)的壩前消落水位組合，以及壩前死水位或最低運(yùn)行水位與相應(yīng)的各級(jí)入庫(kù)流量組合，得出多組回水曲線，取其下包線作為沿程各點(diǎn)的設(shè)計(jì)最低通航水位，并應(yīng)計(jì)入河床沖淤可能引起的水位變化值。根據(jù)規(guī)范的要求，Ⅳ級(jí)航道最低通航水位的多年歷時(shí)保證率取95%[3，5-6]。

4.2 最低通航水位推算

1）多年歷時(shí)保證率的入庫(kù)流量與相應(yīng)的壩前消落水位組合

三盛公水利樞紐的入庫(kù)站為磴口水文站，利用多年歷時(shí)保證率法計(jì)算出磴口水文站4—10 月95%保證率的流量為405 m3/s（保證率曲線見(jiàn)圖1）。

圖1 磴口水文站流量保證率曲線（1986—2019 年）Fig.1 Flow guarantee rate curve at Dengkou Hydrological Station(1986 to 2019)

三盛公水庫(kù)正常蓄水位為1 054.62 m，根據(jù)表3 可知，采用2018 年大斷面計(jì)算的橋位處水位偏低，因此采用2018 年大斷面計(jì)算的多年歷時(shí)保證率的入庫(kù)流量與相應(yīng)的壩前消落水位組合，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 橋位河段最低通航水位計(jì)算成果表Table 5 Calculations of minimum navigable water level of river reach at bridge site

2）壩前死水位或最低運(yùn)行水位與相應(yīng)的各級(jí)入庫(kù)流量組合

三盛公水庫(kù)不設(shè)死水位，根據(jù)三盛公水庫(kù)的運(yùn)行方式，為保證灌區(qū)正常引水，閘前水位一般控制在1 054.32 m 以下，最高不超過(guò)1 054.62 m，在灌溉壅水期，當(dāng)黃河上游發(fā)生最小流量時(shí)，為保證沈?yàn)醺汕?、南岸干渠正常引水，不發(fā)生斷流現(xiàn)象，閘前最低水位一般控制不低于1 052.82 m。經(jīng)實(shí)測(cè)資料統(tǒng)計(jì)，三盛公1965 年以來(lái)多年平均最大入庫(kù)流量為2 770 m3/s，多年平均通航期最小月平均流量為556 m3/s。據(jù)此計(jì)算壩前最低運(yùn)行水位與相應(yīng)的各級(jí)入庫(kù)流量組成的水面線見(jiàn)表5。

4.3 橋位處最低通航水位確定

根據(jù)表5 確定橋位處最低通航水位為1 052.9 m。

5 結(jié)語(yǔ)

1）本文分別采用1998 年汛后、2012 年汛后和2018 年汛后實(shí)測(cè)大斷面資料進(jìn)行三盛公水庫(kù)庫(kù)區(qū)回水計(jì)算，從安全角度分別選用計(jì)算回水水位偏高的1998 年汛后大斷面確定最高通航水位、選用計(jì)算回水水位偏低的2018 年汛后大斷面確定最低通航水位。

2）通過(guò)分析10 a 一遇洪水與相應(yīng)的汛期壩前水位組合和壩前正常蓄水位與相應(yīng)的各級(jí)入庫(kù)流量組合，并取上包線確定最高通航水位為1 056.27 m。

3）通過(guò)多年歷時(shí)保證率的入庫(kù)流量與相應(yīng)的壩前消落水位組合和壩前最低運(yùn)行水位與相應(yīng)的各級(jí)入庫(kù)流量組合，并取下包線確定最低通航水位為1 052.9 m。