伊河中下游新建跨河橋梁對河床沖淤的影響

劉社教 關瑩 張清

摘要：陸渾水庫是伊河關健性控制工程，對伊河下游洪水發揮著調控作用。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生的影響。結果表明，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生一定的影響，還可能引起河勢的局部調整；多座橋梁還會對河床演變產生累積效應。

關鍵詞：防洪安全；累積效應；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

伊河發源于熊耳山南麓，經篙縣、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、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，兩岸山勢逐漸開闊，兩岸多為土質階臺地，河槽呈U形，游蕩不定，沙灘棋布，漢流縱橫，河床質為砂卵石，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分布與降水量分布趨勢基本一致，即東南大于西北，山區大于平原。伊河陸渾以上集水面積占伊河的58%，而徑流量卻占71%，龍門鎮以下地區為徑流最少的區域。河川徑流的年內分配直接受降水的季節變化影響，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%，最小月徑流量出現在2月。據統計，伊河龍門鎮站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情況

近年來，為了推動地方經濟的發展，滿足人們日益增長的物質需求，在伊河中下游河道上修建了多處橋梁等跨河工程。據統計，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附近10km的河道內就修建有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律，也給陸渾水庫的調度運行帶來新的問題。

2 陸渾水庫及對伊河洪水的調控作用

2.1 水庫概況

陸渾水庫位于嵩縣境內的伊河干流上，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，結合灌溉、發電、供水、養魚、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。陸渾水庫承擔的防洪任務主要有兩方面：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、故縣等水庫聯合調度運用，削減三花間（三門峽—花園口區間）洪水，以減輕黃河下游洪水威脅，確保黃河下游發生千年一遇洪水時的防洪安全川。

2.2 水庫對洪水的調控作用

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——龍門石窟。2015年編制的《伊洛河流域綜合規劃》中規劃近期水平年為2020年，遠期水平年為2030年。規劃確定防洪河段為陸渾水庫以下河段。遠期可根據沿岸地方經濟發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，較好地發揮了攔洪削峰、錯峰調洪的作用。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安全，防洪減災效益十分顯著。

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，兩側邊跨跨徑32m，橋長約800m，涉河橋墩數量為16個。橋梁的修建將會對附近河床沖淤、河勢演變等產生一定影響。

（1）壅水計算。橋梁建成后，河道內修建的橋墩會占據部分行洪斷面，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°。

根據橋位斷面橋墩布置情況，按式（1）計算設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計規范》有關壅水計算公式計算，可得100a—遇洪水在橋位上游的最大壅水高度為0.18m，對應壅水長度為152m。

（2）沖刷計算。按照《鐵路工程水文勘測設計規范》行業標準的有關公式進行沖刷計算，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定，河道自然沖淤變化不大。龍門鎮水文站建站以來，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，可能產生不利河勢。

伊河中下游河段河道較為開闊，河床內主流擺動不定，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相似的黃河河道上修建橋梁后河道內的水流表現。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，其上游河道內就已經沙灘密布、漢流縱橫，主流河勢發生了明顯改變[見圖1（b）]。這種現象在在黃河水利科學研究院開展的黃河下游洪水預報模型試驗中也有明顯體現：小水時橋梁上游易出現較多淤積，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生改變，會沖刷靠河側堤防并壅高水位，造成河岸穩定性下降。

4 伊河上諸多橋梁建瑩市可床演變的累積效應

隨著社會經濟的不斷發展，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，影響表現主要是工程附近局部水流流態和局部水位的變化；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度也會產生一定影響。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，那么當汛期水庫下泄洪水時，其對應的洪水位將高于設計洪水位，增大水庫調度的難度，影響河道泄洪規模。因此，要適當控制跨河橋梁的修建密度。

5 結語

橋梁修建后，橋位上游河道內泥沙落淤，易產生心灘，引起河勢游蕩。當河道發生大洪水時，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度的角度考慮，要適當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].水利水運工程學報，2011，12（4）：121-125.