商州南秦河大橋工程處河床演變分析

曹 菀，鐘 飛

（商洛市水電勘測設計院，陜西 商洛 726300）

1 概況

商州區南秦河大橋位于商洛市城區南大門南秦橋下游1.2 km處，橫跨南秦河，起于南大門引線，至于龜山大道，長75.1 m、寬32 m，中間雙向四車道寬20 m，兩側人行道寬6 m，橋面南高北低，坡度-1.415%，坡長142.935 m，橋梁上部主體采用3 m×22.9 m預應力混凝土連接小箱梁結構連接，單跨22.9 m，下部采用單排4柱式墩、5柱臺，鉆孔端承樁基礎，橋臺均坐落于南秦河兩岸河堤上，由南到北分布著0、1、2、3號墩臺，0、3號墩臺有5個灌注樁，1、2號墩臺有4個灌注樁。根據《防洪標準》（GB50201-94）南秦河中橋按100年一遇洪水設防。為了確保工程安全建設，根據涉河工程建設的有關法規和國家《河道管理范圍內建設項目管理的有關規定》，需對工程處的河道演變和河勢穩定情況進行分析。

2 南秦河水沙特性分析

2.1 南秦河水沙特性分析

發源于商洛市東岳廟鄉雞冠嶺的南秦河，屬暖溫帶和北亞熱帶過渡性季風氣候，多年平均氣溫12.9℃，多年平均降雨量709 mm，暴雨多集中在7、8、9三個月，10月進入連陰雨天氣。南秦河主要支流有林岔河、石道峪、赤水峪、石龍灣河、金陵寺河、大流峪河，于商州區劉灣辦事處候源村匯入丹江。河長48 km，流域面積576 km2，河道平均比降16.6‰，多年平均徑流量1.6億m3，徑流模數為7.93 m3/s km2，實測最大流量441 m3/s。徑流年內分配為夏秋較多，冬春較少。南秦河流域屬土石山區，植被較差，侵蝕模數1302 t/km2。泥沙主要是由于暴雨對流域強烈的侵蝕作用形成的，具有水沙關系協調、年際變化大、年內分配不均、推移質占的比例較大的特點。平均含沙量4.44 kg/m3，平均輸沙率18.4 kg/s。據該河謝塬水文站1959～2001年32年懸移質泥沙資料統計（1974～2001年懸移質輸沙量系用鄰近麻街站按面積比擬到謝塬站），年輸沙量的最大值和最小值分別為平均值的3.73倍和0.02倍；泥沙主要集中在汛期，其中7～9月輸沙量占年總量的83.1%，可見沙量比水量更集中。

2.2 洪水特性分析

南秦河流域暴雨洪水頻繁，與丹江一樣。據南秦河謝垣水文站11年實測資料統計，南秦河洪水最早發生在4月，最遲發生在10月，年最大洪水一般發生在6～9月。南秦水庫1988年8月14日實測最大洪峰流量為703 m3/s。洪水具有陡漲陡落，歷時較短的特點，洪水歷時一般在10～24 h，10月的洪水主要受連陰雨的影響，呈現出洪峰流量小，歷時長的特點。小河溝多發生歷時短，高強度的大暴雨，易引發山洪，同時引發泥石流和滑坡等次生災害。南秦河上段山高坡陡，河短流急，匯流迅速，洪水陡漲陡落，一次洪水過程一般為一日左右，洪水過程大多數呈單峰，且峰形尖瘦。隨著匯流面積的增大，洪水過程延長至2～5天，峰型則具有多峰鋸齒狀特點。

3 河道演變分析

3.1 河道歷史演變概況

南秦河大橋工程處在南秦河流域，由于該流域地理位置和地形、地貌特點，其年內、年際間的降水分配極不均勻，洪澇災害經常發生，造成了流域內不同程度的水土流失。在流域的河谷內，水土流失較輕；在低山丘陵區，地面坡度1/500～1/200，水土流失嚴重，以溝蝕為主。根據歷年資料分析，在歷次洪水中，河道主槽主要在南北兩山山腳間擺動，河床相對穩定。受洪水沖刷、水土流失、不均勻降雨影響，存在著局部沖刷和淤積問題，但對整個河槽未產生較大影響。受地質構造制約，河勢基本穩定，河道變遷擺動很小。

該工程建設區河道歷史上一直處于相對穩定狀態，河道演變規律是漲沖落淤，即洪水期間漲水段流速增大，河床沖刷，落水段流速減小，河床回淤。汛前汛后河床斷面沖淤變化較小，從水文資料系列分析，沖淤變化接近沖淤平衡或者略有沖刷，河底高程有不同程度的下降。

3.2 河道近期演變分析

3.2.1 河道平面變化分析

根據調查成果和歷史資料分析，工程項目區所在河流為丹江較大支流，河流性狀基本接近。工程項目區河道河床雖有沖淤變化，一般河道改變的規律是小水時候河床橫向變化較大，大水的時候河床橫向相對保持走向不變。工程項目區所在河流經過長期的自然運行和沖刷，河岸平面位置趨于穩定，高水部分河岸基本無橫向擺動現象。經過現場調查，并對當地村民走訪，綜合分析得知：南秦水庫建成以后，當地河道河床未發生過橫向變化，個別年份發生較大洪水時，部分河堤被沖毀，通過及時加固堤防后，河道橫向變化處于可控范圍內。

3.2.2 河道縱向變化分析

南秦水庫上游河段，受水庫蓄水位的影響，主河道高水位時，水庫水流頂托作用大，河道沉砂落淤，河床有一定的淤積。從1988年“8·14”洪水至今，河道沖刷與淤積變化比較頻繁，變化幅度在上下0.8～1.5 m范圍內。由于水庫的攔蓄洪水和泥沙，壩址下游河道略有下切。近十年，隨著滬陜高速西藍商段、商洛市城市建設、居民建房等工程的建設，采砂活動頻繁，形成部分河段河床下切嚴重，短期內不良演變加劇，部分河段河床下切3～4 m。隨著龜山大道工程、河堤工程等建成運行不在受工程建設影響后，河床沖刷下切現象將會逐步趨小。

4 河道沖刷與河勢穩定性分析

4.1 河道泥沙輸送分析

根據謝塬水文站實測資料可知，南秦河多年平均懸移質輸沙量為30.6萬 t，若懸移質的容重按1.3 t/m3計，合23.5萬m3。南秦河的河道比降陡，推移質的量較大，采用推懸比法估算推移質輸沙量時，推懸比按山區河流取0.2，得到謝塬站推移質的多年平均輸沙量為6.1萬t，若推移質的容重按1.6 t/m3計，合3.8萬m3。輸沙總量為懸移質輸沙量和推移質輸沙量之和，經計算謝塬站多年平均輸沙總量為36.7萬t，合27.3萬m3。工程區泥沙以謝塬水文站為參證站，按面積比擬法計算工程區各河段的輸沙總量，計算結果懸移質輸沙量5.0萬t，推移質輸沙量1萬 t，輸沙總量 6萬t。

4.2 河道沖刷分析

在自然條件下，河道中水流驅使床面泥沙運動，泥沙運動后的床面形態又影響水流結構，河流總是處在不斷的變化和發展過程中。當河流上興建了涉水建筑物后，河床演變將變得更加迅速和劇烈，由于受引堤、墩、臺等建筑物的擠壓作用，橋渡上游常產生水位升高、流速減緩、水流挾沙能力降低等現象，橋位處則因斷面縮窄，流速增大而產生沖刷。根據《公路工程水文勘測設計規范》（JTGC30-2002）和《公路橋涵設計手冊·橋位設計》，橋梁墩臺沖刷由一般沖刷和局部沖刷兩部分組成，一般沖刷包括河流的洪水沖刷和建筑物的壓縮沖刷。

大橋位河段河床基本為含礫粗砂層，利用南秦河中橋橋位處斷面的實測河道資料、河床泥沙粒徑資料（照片）、地質條件和洪水資料，河槽一般沖刷計算按《公路工程水文勘測設計規范》和《公路橋涵設計手冊·橋位設計》推薦的64-1修正式和64-2簡化式進行計算，計算結果見表1。從表中可以看出，兩個公式計算比較接近，為安全起見，本次選用較大沖深值。

表1 一般沖刷計算成果表

局部沖刷按《公路工程水文勘測設計規范》和《公路橋涵設計手冊·橋位設計》推薦的65-1修正式和65-2式進行計算，成果表2。結合橋上下游河道情況，從工程安全考慮，本次選用數值較大的計算成果。

表2 局部沖刷計算成果表

因為河床一般沖刷、局部沖刷之間的相互關系目前尚不清楚，河道斷面形態變化難以準確預測，泥沙粒徑粗化影響較為復雜，因此計算總沖刷深度從偏于安全考慮采用簡化辦法，即按照兩項數值疊加得出本次推薦數值，使用現狀洪水位減去總沖刷水深推薦值得到最低沖刷線高程，見表3、表 4。

表3 南秦河中橋沖刷計算成果表

表4 南秦河中橋沖刷計算成果推薦表

4.3 河道演變趨勢分析

由于南秦河大橋上游南秦水庫攔截了大量來沙，使當地河道泥沙補充減少，總的變化趨勢是相對穩定，略有下切。下切趨勢隨河道取沙規模和數量成一定的正向對應關系。受山區地形限制，加之堤防工程的控制，河段平面變化趨勢已基本穩定，今后河勢不會發生大的變遷。河道沖淤變化在施工期（區）變化大于其它河段。隨著工程項目的投入運行，當地河道取沙規模的減少，以及在河道修建攔沙壩等工程措施發揮作用后，當地河道河床下切的趨勢逐漸減小。從長遠來看，當地河道的變化趨勢將保持相對穩定，沖淤變化將會趨小，保持緩慢的下切。

5 結語

通過對南秦河大橋所臨河段水流泥沙特性、河床演變規律以及南秦河中橋建設對所在河段防洪影響情況的分析計算可知，南秦河大橋總沖刷深度為2.36 m，南秦河中橋項目橋梁基礎為灌注樁基礎，基礎埋深遠遠大于沖刷深度。所以，當發生設計洪水時南秦河中橋是安全的。南秦河大橋項目建設后對河勢的穩定影響甚微。

通過對南秦河大橋工程所在的河勢分析，提出以下建議：

（1）南秦河大橋項目的建設橫跨河道，占用河道，橋墩的阻水作用，使水流側向擠壓增加，局部流速加大，加大了水流對河床、河堤的沖刷作用，對河床的沖刷在沖刷計算中已詳細說明，最大沖刷深度達到2.36 m，而河堤的基礎埋深是2.5 m，由于近幾年南秦河下切，齒墻已外露1.4 m，實際埋深只剩1.1 m，嚴重影響河堤的安全，因此建議在大橋下游約15 m處修建一座混凝土重力攔砂壩以確保大橋安全。

（2）加強工程區河道管理，禁止在河道內采砂取石，包括大橋建設的用料，以避免河道沖刷加劇，確保河道行洪安全。