涇河大橋洪水沖刷與河道演變趨勢分析

胡 娜

（陜西省涇河工程局，陜西 咸陽 713800）

1 概況

為加快高陵縣經濟發展的步伐，促進涇河南北兩岸工業園區溝通和交流，擬在高陵縣涇渭鎮店子王村新建涇河大橋一座。路線全長1.167 km，橋梁最大高度27.0 m，橋面高程378.081 m～379.286 m，寬31 m，共23跨，其中跨徑40 m共1跨、30 m共14跨為連續箱梁，跨徑50 m共8跨為連續T梁。涇河大橋按100年一遇洪水設計，設計洪峰流量為15400 m3/s，設計洪水位為373.80 m。為確保大橋安全建設，需對工程區河道沖刷和河勢發展趨勢進行探討。

2 水沙特性

2.1 水沙特性

涇河為典型的大陸性季風區氣溫和半干燥氣候，年平均氣溫13.3℃，多年平均降水量553.3 mm，降水量年內分配不均，年際變化較大，7～10月降水量占全年的60%以上，11～2月降水量僅占全年的5%～8%。年際間變幅在3.0左右。多年平均蒸發量800～1000 mm。涇河干流下段第四系地層廣泛分布，且沉積厚度及相變有自西向東、由北向南遞增、顆粒由粗變細的規律。根據河道砂石開采和橋梁建設的鉆孔資料，涇河橋位河段河床組成為：河床上部為粘土和粉細砂，厚19.0 m左右，中間夾細砂，厚5.0～8.0 m；河床的下部和主槽為中粗沙及砂卵石，厚度約3～4 m。根據涇河張家山水文站（1950～2011年）資料統計，多年平均徑流量16.6億m3、輸沙量2.32億t。年最大輸沙量11.7億t（1933年），最小輸沙量0.324億t（1972年）。

2.2 暴雨洪水特性

涇河流域及周邊地區地形變化多樣，流域內的降雨和雨強分布受大氣環流和地形等因素的綜合影響。涇河流域暴雨最早發生在4月份，最遲到10月份，其中量級和強度較大的暴雨一般出現在7～8月份。暴雨分為兩種類型：一是鋒面雨，特點是降雨歷時長、強度均勻、籠罩面積大；二是雷暴雨，特點是雨量集中、歷時短、強度大、籠罩面積小。涇河流域一次暴雨歷時為2～3天，最大暴雨時段為24小時左右，其主雨峰約為12小時。涇河洪水主要由暴雨形成，峰高量大，陡漲陡落。其多發生在主汛期7～9月份上旬，干流洪水歷時較短、一般洪水歷時3～9天，其中主峰歷時2～3天。張家山水文站實測最大洪峰流量9200 m3/s(1933年8月8日)。

3 河道演變分析

3.1 歷史河道演變分析

涇河在陜西省境內為黃土高原溝壑區，兩岸從上至下分布有13個石嘴，控制著涇河干流的走向，從歷史上看，涇河的主流相對穩定，河流沖淤變化不大，處于相對沖淤平衡狀態。涇河大橋為平原型河道，涇河右岸為黃土臺塬，左岸多為平原，自古以來，涇河自涇惠渠渠首穿越峽谷后一直沿右岸臺塬坡腳行洪，基本上右岸為高坎，左岸為灘地，歷年來河勢變化不大，僅在少數的彎道處有彎頂上提下挫的現象，整個河勢變化不大，相對穩定，沖淤相對平衡。

3.2 近期河道沖淤變化分析

涇河為典型降水補給型河流，洪枯水流量懸殊較大，具有陡漲陡落的特點，根據張家山水文站實測資料分析，多年平均流量55.8 m3/s，多年平均含沙量132 kg/m3，多年平均徑流量17.6億m3，多年平均輸沙量為2.32億t。年來沙量隨來水量的增加而加大，一次洪水過程中具有漲沖落淤的特性，水沙比例基本協調，一般沙峰較水峰同步或滯后。

為分析三門峽水庫的溯源淤積是否對涇河的沖淤帶來影響，1964年在涇河尾閭段設置了兩個淤積監測斷面。黃科研、陜西省三門峽庫區管理局曾多次對渭河下游的沖淤作過分析和論證，三門峽水庫建庫前，渭河下游主槽是一條相對沖淤平衡的河道，而渭南以下的灘面是微淤的；三門峽建成并投入運用以來，三門峽庫區泥沙淤積嚴重，水庫溯源淤積逐漸向上游發展，淤積重心逐漸上移。根據實測資料統計與分析，截至2012年渭河下游共淤積泥沙10.9768億m3，其中在涇河入渭口附近的渭27～29斷面間的河道沖刷0.1545億m3。同時根據黃科院泥沙所的分析成果，三門峽水庫建成運用以來，水庫的淤積末端在涇河口下游的臨潼水文站附近，因此，渭河下游的泥沙淤積不會影響涇河下游尾閭段的河道沖淤。20世紀60年代在涇河西銅鐵路大橋下游設立了桃園水文站，根據監測數據分析，桃園水文站河道雖然有沖有淤，但沖淤變化不大，除1970年、1973年、1975年、1976年等年份主槽有所淤積，枯水位略有抬升外，其余年份主槽有沖有淤，但幅度很小，河床基本穩定。

綜上所述，在涇河店子王涇河大橋工程河段，涇河近期河道是一條相對沖淤平衡的河道。

3.3 河勢變化分析

在店子王涇河大橋河段選取了 1957、1967、1977、1987、1997、2011年典型河勢套繪于圖，可以看出，上世紀50年代涇河主流經現西銅鐵路橋后，順流而下，在西銅公路橋下游附近，折向河道左岸，然后順流而下至高莊彎道，然后沿右岸岸坎順流而下。上世紀60年代初，新建西銅公路橋后，由于水流受到橋墩的導流作用，涇河主流逐漸變為沿店子王村高坎順流而下，在店子王村附近的彎道處常出現岸坎坍塌現象。70年代修建了店子王護岸控導工程，至今該河段河勢未出現明顯變化，目前在工程河段涇河主流經西銅鐵路橋、西銅公路橋后進入店子王護岸控導工程后折向左岸的高莊彎道水流經高莊彎道后又折向右岸，沿長慶龍鳳園小區漿砌石護岸工程而下。近40多年以來工程河段河勢基本穩定。

由于橋位斷面上游0.64 km處為桃園水文站測驗河段，該段河床縱向和橫向平面形態與橋位斷面附近河床基本一致，繪制桃園水文站1973、1977和 2007、2010、2012年實測大斷面圖，可以看出，自1973年以來，該河段的主槽寬度在180 m范圍以內，主槽基本穩定，主流擺動在200 m范圍以內，擺動幅度較小。橋位處主槽擺動幅度與沖淤變化分析結果基本一致，主流在200 m范圍以內擺動。

4 河道沖刷與河勢穩定性分析

4.1 沖刷分析計算

在自然情況下，河流總是處在不斷變化和發展過程中。當河流上興建了涉河建筑物后，河床演變將變得更加迅速和劇烈。本次大橋橋梁墩臺沖刷按照中華人民共和國交通部行業標準《公路工程水文勘測設計規范》（JTG C30—2002）第7.3.1條中非粘性土河床的有關公式進行計算。

4.1.1 橋下河道一般沖刷和局部沖刷計算

設計水位時，主槽寬度169 m，其中共有4組橋墩，主槽平均水深12.04 m，每個橋墩阻水寬度7.19 m，主槽過水面積2039 m2，主槽流量8480 m3/s。根據沖刷計算公式，利用采集沙樣分析的河床質粒徑資料、設計洪水資料及水文、地質條件，分析確定沖刷計算參數，大橋橋位處泥沙平均粒徑確定為5.04 mm。計算結果為：橋位斷面100年一遇洪水一般沖刷主槽最大水深15.41 m，絕對沖深2.88 m，灘面最大水深9.03 m。橋位斷面100年一遇洪水局部沖刷計算主槽3.98 m，所以橋墩局部沖深采用值3.98 m。

因為一般沖刷、局部沖刷之間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，按照兩項數值疊加得出本次推薦數值，使用設計洪水位減去總沖刷水深推薦值得到最低沖刷線高程，見表1。

表1 涇河大橋100年一遇洪水沖刷計算成果表單位：m

設計洪水位減去沖刷水深推薦值既得出該涇河大橋最低沖刷線高程，其值為351.55 m。從表1中看出，高陵縣店子王涇河大橋100年一遇洪水一般沖刷線高程為355.53 m，最低沖刷線高程為351.55 m。

4.1.2 東莊水庫建設對橋位斷面沖刷的影響

在該橋位斷面以上游80 km處即將建設涇河東莊水庫，按照《陜西省涇河東莊水利樞紐工程項目建議書》，在東莊水庫50年運行期內，隨著水庫防洪減淤效果的顯現，涇河下游河道來沙量的減小，工程河段河道將呈現沖刷趨勢，根據河道沖淤趨勢預估分析，預計到2070年，該工程河段的自然沖刷深度為2.5 m。因此，計算店子王涇河大橋100年一遇洪水最低沖刷線高程時，應考慮東莊水庫建成后對涇河下游工程河段的自然沖刷影響，計算結果見表2。

表2 涇河大橋考慮東莊影響最低沖刷線高程計算成果表

從表2中看出，高陵縣店子王涇河大橋不考慮東莊水庫影響時100年一遇洪水最低沖刷線高程為351.55 m。考慮東莊水庫影響時100年一遇洪水最低沖刷線高程為349.05 m。

4.2 河道的演變趨勢

4.2.1 河道沖淤趨勢預估

涇河大橋段長期以來處于沖淤相對平衡狀態。在該橋位斷面以上游80 km處即將建設涇河東莊水庫，根據《陜西省涇河東莊水利樞紐工程項目建議書》，在東莊水庫50年運行期內，隨著水庫防洪減淤效果的顯現，涇河下游河道來沙量的減小，按照涇河張家山水文站平水平沙年實測資料計算，到2070年，渭河下游平均減淤和沖刷厚度1.58 m。由于本工程河段位于涇河下游河口段，橋位斷面距河口距離8.5 km，在設計洪水條件下，水面比降、流速均大于渭河，其減淤和沖刷效果亦大于渭河，預計到2070年，該工程河段平均減淤和沖刷厚度大于1.58 m，為了大橋設計和運行安全，對該工程河段平均減淤和沖刷厚度按2.5 m考慮。

4.2.2 河勢變化趨勢預估

工程河段受到西銅鐵路橋、西銅公路橋、店子王護岸控導工程等工程節點的控制，河道主流基本穩定，橫向變化較小，河道平面形態基本不會改變。預估在工程河段的河勢處于相對穩定狀態。

5 結語

高陵縣涇河大橋新建工程采用100年一遇洪水設計，經過對影響大橋工程區河勢影響因素分析和河道沖刷計算，涇河大橋自然沖刷為2.50 m，在設計洪水條件下，主槽部分一般沖刷深度為2.88 m，局部沖刷深度為3.98 m，最低沖刷線高程為349.05 m。河勢基本穩定，適宜工程建設。