黃河三盛公庫區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計院有限公司，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，自西向東分別流經青海、四川、甘肅、寧夏、內蒙古、山西、陜西、河南及山東9 個省（自治區），干流河道總長5 464 km，流域面積79.5 萬km2（含內流區4.3 萬km2），于山東省注入渤海，是我國第二大河。隨著流域經濟的發展，黃河航運開發也逐漸提上日程，《黃河水系航運規劃報告》[1]中提出，近期分段通航，遠期蘭州以下至入海口全線通航300～500 噸級船舶；目前，黃河下游也正在開展復航論證，因此從國家規劃及經濟社會發展考慮，在規劃通航的河段，橋梁建設必須考慮通航需求[2]。本文研究的橋梁位于內蒙古自治區磴口縣，橋梁所處河段尚未通航，規劃為Ⅳ級航道，在開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。本文結合GB 50139—2014《內河通航標準》[3]的相關要求及歷史水文資料對河段通航水位進行研究和推算，為橋梁設計和通航條件影響評價工作提供依據。

1 項目概況

某黃河特大橋位于內蒙古自治區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區圍堤和右岸低山臺地，河道管理范圍內大橋長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。該橋按特大橋設計，其設計防洪標準為100 a 一遇，校核防洪標準為1 000 a 一遇。

2 水文條件

2.1 河道概況

黃河內蒙古河段位于黃河流域最北端，介于東經106?10′—112?50′、北緯37?35′—41?50′之間，從寧夏石嘴山入境至馬柵鄉，干流全長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的格局，石嘴山至海勃灣庫尾、海勃灣壩下至舊磴口、喇嘛灣至馬柵為峽谷型河道，河道長度分別為20.3 km、33.1 km 和120.8 km，其余河段河面開闊，由游蕩型、過渡型及彎曲型河道組成，各河段河道基本特性見表1。

表1 黃河內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區，河道長度54.2 km，該段河勢平緩開闊，為典型的庫區沖積平原型河道。橋位處左岸有庫區圍堤，灘地發育，為灌區和農田；右岸為鄂爾多斯低山臺地。橋位處河道順直，河寬約2.3 km，現狀主河槽寬885 m，主流靠右岸，河道比降為0.014%。

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

2.2 橋梁所處庫區概況

三盛公水利樞紐位于內蒙古巴彥淖爾市磴口縣巴彥高勒鎮東南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 月投入運行，2003 年完成了水庫的除險加固。樞紐正常蓄水位1 054.62 m，設計洪水位1 054.82 m，校核洪水位1 055.12 m。

橋梁所處的三盛公庫區屬于大型閘壩式平原低水頭水庫，設計時主要建筑物設計洪水標準為100 a 一遇，相應洪峰流量為6 120 m3/s，校核洪水標準為1 000 a 一遇，相應洪峰流量為6 720 m3/s。目前庫區已基本達到沖淤平衡，但每年實測的大斷面不完全相同，為了更好地反映庫區沖淤影響，本文分析時采用三盛公庫區1998 年汛后、2012年汛后和2018 年汛后3 種實測大斷面作為典型計算邊界條件。

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際通航凈空高度和凈空寬度，進而影響到橋梁的橋跨設計、墩臺布置和橋面高程確定[4]。

3.1 推算方法

根據《內河通航標準》[3]6.4.4 節規定，樞紐上游河段設計最高通航水位應采用表2 規定的重現期洪水與相應的汛期壩前水位組合，以及壩前正常蓄水位或設計擋水位與相應的各級入庫流量組合，得出多組回水曲線，取其上包線作為沿程各點的設計最高通航水位，并應計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為Ⅳ級，因此，最高通航水位計算時洪水重現期選擇10 a 一遇。經分析，三盛公庫區未來將長期保持合理的有效庫容，維持一個相對沖淤平衡的狀態，因此，本文分析通航水位時不再考慮河道的沖淤變化。

3.2 最高通航水位推算

1）設計水面線推算方法

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法及能量方程法等[5]，結合項目特點，本文設計水面線計算采用能量方程[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，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；ξ為河段平均局部阻力系數，對于收縮河段，其局部水頭損失可以忽略不計；對于擴散河段，水流常與岸壁分離而形成回流，產生局部水頭損失。

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

水位計算由下游向上推算，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，壩前水位經調洪后為1 054.76 m。首先采用1998 年汛后、2012 年汛后和2018 年汛后實測大斷面資料和上述相關參數進行三盛公水庫庫區汛期10 a 一遇水面線計算，見表3。

表3 橋位河段汛期10 a 一遇水位計算結果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各級流量組合

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

表4 橋位河段最高通航水位計算成果表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《內河通航標準》[3]6.4.4 節規定，樞紐上游河段設計最低通航水位應采用多年歷時保證率的入庫流量與相應的壩前消落水位組合，以及壩前死水位或最低運行水位與相應的各級入庫流量組合，得出多組回水曲線，取其下包線作為沿程各點的設計最低通航水位，并應計入河床沖淤可能引起的水位變化值。根據規范的要求，Ⅳ級航道最低通航水位的多年歷時保證率取95%[3，5-6]。

4.2 最低通航水位推算

1）多年歷時保證率的入庫流量與相應的壩前消落水位組合

三盛公水利樞紐的入庫站為磴口水文站，利用多年歷時保證率法計算出磴口水文站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)

三盛公水庫正常蓄水位為1 054.62 m，根據表3 可知，采用2018 年大斷面計算的橋位處水位偏低，因此采用2018 年大斷面計算的多年歷時保證率的入庫流量與相應的壩前消落水位組合，計算結果見表5。

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

2）壩前死水位或最低運行水位與相應的各級入庫流量組合

三盛公水庫不設死水位，根據三盛公水庫的運行方式，為保證灌區正常引水，閘前水位一般控制在1 054.32 m 以下，最高不超過1 054.62 m，在灌溉壅水期，當黃河上游發生最小流量時，為保證沈烏干渠、南岸干渠正常引水，不發生斷流現象，閘前最低水位一般控制不低于1 052.82 m。經實測資料統計，三盛公1965 年以來多年平均最大入庫流量為2 770 m3/s，多年平均通航期最小月平均流量為556 m3/s。據此計算壩前最低運行水位與相應的各級入庫流量組成的水面線見表5。

4.3 橋位處最低通航水位確定

根據表5 確定橋位處最低通航水位為1 052.9 m。

5 結語

1）本文分別采用1998 年汛后、2012 年汛后和2018 年汛后實測大斷面資料進行三盛公水庫庫區回水計算，從安全角度分別選用計算回水水位偏高的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）通過分析10 a 一遇洪水與相應的汛期壩前水位組合和壩前正常蓄水位與相應的各級入庫流量組合，并取上包線確定最高通航水位為1 056.27 m。

3）通過多年歷時保證率的入庫流量與相應的壩前消落水位組合和壩前最低運行水位與相應的各級入庫流量組合，并取下包線確定最低通航水位為1 052.9 m。