大准增二线黄河大桥对防洪及防凌影响评价分析.pdf

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1、http:/ -1-大准增二线黄河大桥对防洪及防凌影响评价分析大准增二线黄河大桥对防洪及防凌影响评价分析 张晓雷1，张凤燃2 1华北水利水电学院水利学院，郑州(450011)2黄河水利科学研究院水资源研究所，郑州(450003)E-mail： 摘摘 要：要：本文对修建大准增二线黄河大桥前后不同频率洪水以及正常发电流量进行河段水面线计算，得到桥梁上游的壅水程度，以此分析桥梁对防洪和防凌的影响；根据黄河内蒙古河段已建工程下游的冰凌情况以及大准增二线黄河大桥上下游河段冰情的变化，分析了大桥对本河段冰盖的形成和流凌下泄产生的影响。关键词：关键词：防洪，影响评价，防凌，黄河 1.引言引言 大准增二线（大

2、同准格尔旗二线铁路）黄河特大桥位于内蒙古自治区清水河县境内，距下游大准线黄河铁路桥 30m，桥址河段属黄河中游上段，下距万家寨水库大坝 57.2km，上距拐上断面 14.9km，距黄河上中游分界处的河口镇 46.8km，距头道拐水文站 56.6lm。该河段冰期长达四、五个月之久，河段气候条件及河道特性，使得黄河上游冬季流凌封冻由内蒙古段溯源而上，春季开河则由上而下。由于黄河上游内蒙古河段封冻是自下而上，在下游封冻以后，上游仍有大量冰花产生，这些冰花顺流而下，若遇盖面冰花下潜、堆积，容易形成冰塞，造成河段水位抬高。春季开河时，又是自上而下的解冻开河，常常是上游洪峰强行鼓裂下游河段的冰层，造成“武

3、开河”局面，若再遇弯浅滩及尚未解冻的河段，极易卡冰结坝，导致其上游水位猛涨，决口成灾。另外，下游万家寨水利枢纽修建前，头道拐至大坝前河道冰凌顺利下泄，封河期不产生冰塞阻水，开河期不产生冰坝险情，没有凌汛灾害发生。万家寨水库建成后，由于水库蓄水，水面比降仅有 1，库区回水末端流速很小，500m3/s 流量时的流速仅有 0.17m/s 左右，输冰能力小，具有阻冰作用，容易卡冰，流凌封河时容易形成冰塞，开河时容易形成冰坝。万家寨水库修建后由于桥址上游 3km 附近的牛龙湾处有一“S”型弯道，加上该段有浑河入口及铁路桥，由于弯道与桥墩的阻冰作用，冰凌在此下泄不畅，极易形成卡冰结坝，形成壅水，造成凌汛危

4、害1。2.防凌影响评价防凌影响评价 2.1 库区及桥位河段凌汛概况库区及桥位河段凌汛概况（1）流凌封河期 河道中的冰花漂浮在水面随水流输向下游，当水面流凌密度达到一定程度后，受两岸边壁阻力影响，冰花阻塞形成冰桥，进而形成冰塞。冰花阻塞形成冰桥与水面流凌密度和水流流速有关。水流流速小，较低的流凌密度即可形成冰花阻塞。反之，水流流速大，水面流凌密度需达到一定程度才能形成冰花阻塞。在天然河道中，冰花阻塞一般发生在弯道、卡口及复式断面滩地水深较小地方。万家寨水库投入运行以后，坝址处河道水位壅高 50m 以上，形成的回水区水流流速显著减小。水流进入回水末端后，流速骤减，水面冰花密度急剧增加，形成插堵，后

5、续入库冰花受插堵冰花阻挡堆积体向上游发展。入库冰花在冰花堆积体末端分为两部分：一是由于水http:/ -2-流流速较大，水流弗汝德数大于 0.12，冰花下潜随水流向下游运动，进入回水区后，水流挟冰能力降低，冰花附着在冰盖底部，侵占过水面积，阻塞水流，形成冰塞；再有一部分不下潜，浮于水面向上游平铺延伸。在冰花向上游平铺延伸过程中，堆冰末端下游冰花覆盖的河段，覆盖的冰花也处于不断调整过程当中。（2）开河期 开河期冰坝垮坝主要有三种因素共同作用的结果。上下游水位差产生较大的水头压力、上游来流量加大和适时降低库水库等。降低库水位，对回水末端河段及以下冰面具有一定影响，随着库水位的降低，库尾冰面也随之迅

6、速降低。降低库水位可以使回水末端堆冰破碎，同时库尾河段比降增大，回水末端的冰体随着水位的下降而下移，也有利于库尾以上河道来冰进入库中。分析 19982004 年万家寨库区历年凌汛情况，库区凌情非常复杂，封河期受库水位变动（主要指水位降低）的影响，库区变动回水段会出现平封、立封交替出现的河段。历年冰塞、冰坝位置一般出现在红河口以下近 10km 的河段内，以水泥厂附近壅水最为严重，冰塞、冰坝最大壅水高度为 6.5m，水泥厂多次出现凌灾。（3）库区河段防凌对万家寨水库运用要求 从 19982005 年度的防凌渡汛情况看，在适当的时机降低库水位，对冰塞、冰坝解体、冰凌入库具有明显的促进作用。因此必须根

7、据上游来冰情况，槽蓄水量释放情况，掌握时机降低库水位运用。万家寨水库运用，使得万家寨库区建库前后凌情发生了很大改变，库区出现封河，冰塞冰坝险情增加。目前凌汛已严重影响到移民的安全与当地生产的发展，考虑到冰凌的复杂性和库尾段泥沙的淤积，对凌汛仍需进一步观测和研究。根据近年的凌汛情况和2003 年库尾二期移民工程的实施，表 1 给出了 20012005 年度凌汛期黄河防总允许万家寨水库运行水位。表 1 20012005 年万家寨凌汛期运行水位 单位：m Tab.1 The operating level at flood period in Wanjiazhai reservoir from 20

8、01 to 2005 unit:m 年度 封河期 稳定封河期 开河期 20012002 960 965 955 20022003 962 968 960 20032004 966968 970973 960 20042005 968970 970973 960 2.2 对万家寨冰凌的认识对万家寨冰凌的认识（1）万家寨水库修建后，改变了库区河道天然状态。在凌汛期使拐上至坝址多年不封河的河段封河，在封、开河期分别形成冰塞、冰坝2。（2）从 19982004 年七年度凌汛看，封河发展期在水库回水末端易形成冰塞。凌汛期形成冰塞、冰坝的位置一般在红河口三道塔近 10km 河段。包括水库蓄水位、地形条件、

9、丰准铁路桥等综合因素影响在内，形成冰塞、冰坝后最大壅水高度达 6.5m。（3）冰塞、冰坝形成与解体除与来流（包括来冰）条件和局部边界条件有关外，适时降低库水位对库区减轻凌汛灾害具有促进作用。http:/ -3-（4）随着水库运用，库区泥沙不断淤积，达淤积平衡状态后，库区河道纵比降明显变缓（天然比降 10.6?,淤积后设计平衡比降 2.5?），回水段及库尾段的泥沙淤积河床抬升有可能对防凌带来不利。3 凌期壅水计算凌期壅水计算 凌期壅水计算一般包括冰塞壅水计算和冰坝壅水计算，冰塞壅水一般易于在封河期形成壅水，冰坝一般易于在开河期形成壅水。因此，凌期壅水计算分为封河期的冰塞壅水计算和开河期的冰坝壅水

10、计算。3.1 封河期冰塞壅水计算封河期冰塞壅水计算 3.1.1 冰塞壅水计算方法冰塞壅水计算方法 由于冰塞是大量冰花在封冻冰面以下堆积，堵塞部分过水断面，从而形成上游水位壅高的一种冰凌现象，因此，冰塞的形成是从卡冰封河开始。冰塞的形成主要取决于河道条件、水力条件和热力条件等复杂因素，计算冰塞壅水需要系统全面的实测资料，但往往由于受实测资料的限制不具备对冰塞形成的计算。1998 年万家寨水库建成投入运用以来，在凌期对库区水文、气象及河道等方面的资料进行了连续观测，积累了一些比较全面系统的实测资料，因此万家寨水库冰塞计算具备了条件。大准增二线铁路桥位于万家寨水库回水末端，是 1998年以来冰塞发生

11、最严重的河段，可以采用万家寨水库的冰塞计算方法分析大准增二线铁路桥的冰塞壅水位。万家寨水库冰塞计算主要依据水力学原理，根据冰塞体的形状，将冰塞体概化为一直梯形。具体计算公式为：综合糙率计算：3/22/32/3)2(nnibcpn+=36.035.071.0BQV=水力半径：2HR 曼宁公式：2/13/21jRnVcp=计算比降：3/422)2(HVjncp=各断面高程由下式递推：iiiiijDDGG+=+)(11 冰量计算公式为：4/)()()(1111iiiiiiiiDDBBKKWW+=+式中 Q稳定冰塞期流量，sm/3；H平均水深，m；B畅流水面宽；cpn 综合糙率；bn河床糙率；in冰盖

12、底部糙率；V平均流速，sm/；R水力半径，m；j冰塞水面比降；G冰面水位，m；D断面距坝距离，m；W冰量，3m；K冰塞厚度，m。下标i为断面序号。http:/ -4-3.1.2 冰塞壅水计算冰塞壅水计算 大准增二线铁路桥修建后，影响桥位造成桥位以上河段冰塞壅水的主要原因有两点：一是万家寨水库回水末端形成冰塞堆积上延的影响；二是丰准铁路桥和增二线铁路桥缩小过流断面产生的附加影响。关于万家寨水库回水末端冰塞堆积的影响，可以采用上述封河期冰塞壅水计算方法进行计算，铁路桥的附加影响可以按照 1998 年以来万家寨水库投入运用以来实际观测的冰塞情况类比分析壅水高度。（1）万家寨水库壅水计算2 万家寨水库

13、回水末端的位置取决于万家寨水库的凌期起调水位，水库不同的起调水位，其回水末端位置不同。起调水位越高，回水末端越靠上游。通常情况下冰塞是在回水末端形成，然后向上游发展，所以回水末端越靠上游，相同冰量条件下，冰塞体位置越靠上，则冰塞壅水范围越靠上游，造成灾害的可能性就越大。万家寨水库冰塞壅水计算的条件如下：1）根据黄河万家寨水库凌汛期运用方式研究成果7、8、11，将来冰量分为四个等级，即 1000 万 m3、2000 万 m3、3000 万 m3、4000 万 m3。将封河流量分为三个标准 450m3/s、600 m3/s 和 700 m3/s。在对大桥进行防凌影响评价时，考虑万家寨水库最不利的来

14、冰量和封河流量组合进行分析计算，即采用的来冰量为 4000 万 m3、封河流量为 700 m3/s。2）冰塞形成位置确定。冰塞形成的位置主要取决于水库的回水末端的位置，根据黄河万家寨水库凌汛期运用方式研究 成果，当坝前水位为 960m 时，其回水末端在距坝 45km的右窑沟沟口（49）附近；当坝前水位为 970m 时，其回水末端在距坝 57km 的大准黄河铁路大桥（57）附近；当封河发展期库水位采用原设计运用方式的 975m 水位，其回水末端在在距坝 61.5km 的下塔村（60）。在对大桥进行防凌影响评价时，分别计算坝前水位为 960m、970m 和 975m 时的冰塞水位。按照上述冰塞壅水

15、计算方法和计算条件，计算冰塞壅水位见表 2。表 2 万家寨水库不同坝前水位时冰塞段冰面水位计算成果表 单位：m Tab.2 Calculated ice surface level of different water level before Wanjiazhai reservoir unit:m 项目 坝前水位 铁路位（WD57）水泥厂（WD61）公路桥（WD64）拐上（WD65）960 976.27 981.35 983.99 984.27 970 975.72 982.97 985.51 985.65 无桥情况下 975 984.02 987.73 988.21 960 977.39

16、983.78 984.30 985.78 970 977.07 983.46 986.76 986.99 有桥情况下 975 984.02 987.73 988.21 （2）大准增二线铁路桥壅水计算3 大准增二线铁路桥修建后，将缩窄桥位断面的过流面积，使冰塞体沿程分布在桥位以上发生变化，造成桥位断面以上，在万家寨水库冰塞壅水高度的基础上进一步壅高水位。大准增二线铁路桥壅水计算方法同万家寨水库水库的冰塞壅水计算方法，其差异体现在桥位断面过流断面面积的减少，计算时采用畅流期由 291.91m 减少到 252.2m，河宽减少 39.76m。计算结果见表 2、图 1 和图 2。由表 2 可以看出，当水

17、库坝前水位为 960m 时，大准增二线铁路桥将影响拐上断面冰面高程抬高 1.5m，拐上断面冰面高程由 984.27m 抬高到 985.78m；当水库坝前水位为 970m 时，大准增二线铁路桥将影响拐上断面冰面高程抬高 1.34m，拐上http:/ -5-断面冰面高程由 985.65m 抬高到 986.99m；当水库坝前水位为 975m 时，此时水库的回水末端在桥位以上，对封河期防凌影响较小。960965970975980985990404550556065707580距坝里程（km）冰面高程（m）距坝里程（km）冰面高程（m）无桥有桥 图 1 万家寨水库坝前水位 960m 时有无桥冰塞段冰面水

18、位分布 Fig.1 Ice surface level Distribution before Wanjiazhai reservoir of 960m before and after bridge construction 974976978980982984986988555963677175距坝里程（km）冰面高程（m）距坝里程（km）冰面高程（m）无桥有桥 图 2 万家寨水库坝前水位 970m 时有无桥冰塞段冰面水位分布 Fig.2 Ice surface level Distribution before Wanjiazhai reservoir of 970m before an

19、d after bridge construction 3.2 开河期冰坝壅水计算开河期冰坝壅水计算 万家寨库区开河期主要问题是冰坝壅水问题，冰坝是大量流冰在河道内受阻，冰块上爬下插，形成冰凌阻水体。冰坝严重阻塞过水断面，使其上游水位显著壅高。冰坝多发生于河流解冻期。冰坝是热力、动力、河道特征等多种因素综合作用的结果，其主要形成条件可归纳为：上游河段有足够数量和强度的流冰量；有输移大量冰块的水流条件，一般说，只要在大江大河形成武开河，其流量、流速都具备此条件；有阻水流冰下泄的边界条件，如河道比降由陡突然变缓的河段、水库的回水末端、河流的河口地区、河流的急弯狭窄段和有坚硬冰盖的冰塞河段等。对于万

20、家寨库区，其河道平面形态为坝上 53km63km 的牛龙湾附近是一“S”型弯道，其间河床比降变化大，加上有红河入口及铁路桥，冰块在此下泄不畅，具备形成冰坝的河道边界条件，易造成卡冰结坝。从历年凌汛期封河、开河形成的冰塞、冰坝灾害很大程度是由于牛龙湾地形条件阻冰的结果，牛龙湾位于库水位 970m 回水末端。也就是说，库水位在 970m 以上，形成的冰坝可能与 19982005 年度已发生的凌情大致相同。同时，丰准线铁路桥和大准增二线铁路桥之间的线间距为 30m，两桥之间易形成冰桥，参考三盛公库区相距约 100m 的三盛公铁路桥和三盛公公路桥的开河经验，一般开河时两桥之间要形成冰桥，开河时间较其它

21、河段滞后 35 天，这使得桥位河段具备了形成冰坝的边界条件。http:/ -6-对于冰坝壅水的计算，目前国内外研究都不成熟，特别是国内几乎是一项空白。在进行“黄河万家寨水库凌汛期运用方式研究”项目时，将苏联冰凌专家 P.B.多钦科等的计算方法应用到万家寨河段，证明计算结果还比较符合黄河上冰坝壅水的实际情况。计算方法如下：)(hfH=03.0hIeha=式中 H冰坝壅高水位；h冰坝上游水位；I冰坝河段的水底比降；h0畅流期平均水深；经验系数，一般取15.085.2，在冰塞和冰坝形成地点一致的河段，取3.0。53.23.0=Iea 根据畅回水曲线计算过程，给定流量，可以计算出畅流期水位；根据河底高

22、程就可确定相应水深 h0。据此可计算出可能的壅高水位。计算时考虑当水库坝前水位为 970m 时，两桥之间形成的冰桥面高程最高，此时大准增二线桥的修建对其以上河段的防凌最为不利，依此作为评价大准增二线铁路桥防凌影响的计算条件。根据该河段实测资料，开河期流量一般为7001000m3/s，计算时采用 1000m3/s，当水库坝前水位为 970m 时，根据畅流期水库回水曲线计算，形成冰坝时桥位处形成冰桥的冰面高程为 974.21m，此时冰坝上游平均水深 h0为 3m。据此计算冰坝可能壅高水位为 7.59m。根据冰坝壅水计算成果，当坝前水位为 970m 时，桥位断面将壅高水位 7.59m，桥位断面的冰面

23、高程将达到 981.80m，参照万家寨投入运用以来形成冰坝最为严重的 2005 年实测冰坝形态类比计算，大准增二线铁路桥修建后，桥位以上河段冰坝沿程壅水计算成果见图3。冰坝壅水影响范围在喇嘛湾公路大桥以下 12.5km 河段。972974976978980982984986988505560657075距坝里程（km）冰面高程（m）距坝里程（km）冰面高程（m）1999年冰坝形态2005年冰坝形态建桥后冰坝形态图 3 大桥修建后桥位以上河段冰坝高程分布 Fig.3 Ice surface level Distribution at upstream of bridge after bridge

24、 construction 4.桥梁施工对防洪、防凌的影响桥梁施工对防洪、防凌的影响 在大桥工程建设期间，桥基础为水下工程，施工会对河道大洪水行洪、防凌带来一定的影响，施工期内在边坡堆积的一些施工物料、施工弃渣等，也会影响洪水、流冰的顺利下泄。在以往的桥梁工程施工结束后，桥墩外的临建工程往往拆除不净，对防洪防凌影响极为严重。围堰等临建工程在水下的遗留部分的河段，很容易形成卡冰结坝而找不到原因，在采取措施时不能对症下药，造成堤防出现险情。目前，神华准格尔能源有限责任公司提供的大准增二http:/ -7-线铁路桥设计报告中，未提出大桥详细的施工设计方案，但鉴于大桥所在河段对防凌影响严重，因此，建议

25、在大桥设计单位进行施工详图设计时应提供详细的施工方案和施工组织方案，并明确水中施工的具体工期，在大桥开工建设之前，建设单位应将详细的施工方案报河道管理部门审批后，方可开工建设，尽量减缓因大桥施工对防凌带来的不利影响4。桥位断面主河槽宽约 300m，主跨长 360m，主跨工程布置满足了主槽行洪的要求，但凌汛期流冰撞击、冰压力对大桥产生影响。如果在大桥上游发生冰坝，初步分析桥前壅水水位低于现状河床条件下的 300 年一遇洪水位 978.9m，大桥设计高度不受冰坝壅水高度的影响。另外桥位河段主槽一般冲深达 2.3m，局部冲刷 0.5m，冲刷后最大水深河底高程 969.7m，低于原始河底高程 0.5m

26、，冲刷已发展到基岩，桥墩设计基础高程在 957m958m 之间不等，冲刷不会给大桥稳定造成不利影响。5.结语结语 通过防凌影响分析和计算，主要结论如下：（1）万家寨水库修建前，桥位河段即使在有大准线老桥存在的情况下，冰凌也可以顺利下泄，封河期不产生冰塞阻水，开河期不产生冰坝险情，没有凌汛灾害发生。万家寨水库修建后，改变了库区和桥位河段河道天然状态。在凌汛期使拐上至坝址多年不封河的河段封河，在封、开河期分别形成冰塞、冰坝。从 19982005 年凌汛看，封河发展期在水库回水末端易形成冰塞。凌汛期形成冰塞、冰坝的位置一般在浑河口三道塔近 10km 河段。包括水库蓄水位、地形条件、丰准铁路桥等综合因

27、素影响在内，形成冰塞、冰坝后最大壅水高度达 6.5m。（2）大准增二线铁路桥修建后，封河期考虑万家寨水库最不利的来冰量和封河流量组合情况，即来冰量为 4000 万 m3、封河流量为 700m3/s。当水库坝前水位为 960m 时，大准增二线铁路桥将影响拐上断面冰面高程抬高 1.5m，拐上断面冰面高程由 984.27m 抬高到985.78m；当水库坝前水位为 970m 时，大准增二线铁路桥将影响拐上断面冰面高程抬高1.34m，拐上断面冰面高程由 985.65m 抬高到 986.99m；当水库坝前水位为 975m 时，此时水库回水末端在桥位以上，对封河期防凌影响较小。（3）大准增二线铁路桥修建后，

28、开河期桥址断面由于新老桥的共同作用，该断面具备了形成冰坝的河道边界条件，形成冰坝的几率大大增加。考虑最不利的情况，桥位断面冰坝上游壅水高度达到 7.59m，桥位断面的冰面高程将达到 981.80m，参照万家寨投入运用以来形成冰坝最为严重的 2005 年实测冰坝形态类比计算，冰坝影响范围在距铁路桥 12.5km 的公路桥以下，喇嘛湾公路桥处的随着水库运用，库区泥沙不断淤积，水位将达到 986.90m。受冰坝壅水影响河段的水位均不超过万家寨水库调整后的移民水位 987m 高程。（4）根据万家寨水库运用方式，开河期水库运用水位为 970m，按照此运用水位评价，形成冰坝壅水水位，不超过万家寨移民淹没水

29、位 987m，因此对万家寨水库的运用不会带来不利影响。综上所述，在观测阶段对万家寨库区冰凌研究认识水平条件下，万家寨水库按照其设计运用方式调度运用，大准增二线特大桥建设，在开河期、封河期形成冰塞、冰坝造成的壅水均不超过万家寨水库调整后的移民高程 987m。（5）大准增二线铁路桥修建，对防洪、防凌最主要的影响是防凌，大桥修建将会加剧1998 年万家寨水库投入运用以来桥位以上 10km 范围内的防凌负担。http:/ -8-参考文献参考文献 1 欧阳晓红.龙口公路桥对防洪、发电及防凌的影响评价.J.水利水电工程设，2004,(3):26-28 2 郑春茂,闫新光.万家寨水利枢纽对内蒙古段黄河凌汛的

30、影响及防凌措施.J.内蒙古水利,2002(1):18-19 3 张凤燃,荆新爱,蔡大应等.神华准格尔能源有限责任公司大准增二线黄河特大桥防洪防凌影响评价报告.R.黄河水利科学研究院,2006.10 4 苗长运,郭西方,苏娅雯.禹门口黄河公路大桥防洪措施分析.J.人民黄河,2004(26):31-32 Impact Assessment and Analysis of Flood Control and Ice Prevention on Dazhunzeng Second-line Yellow River Bridge Zhang Xiaolei1，Zhang Fengran2 1 Nort

31、h China University of Water Conservancy and Electric Power，Zhengzhou (450011)2 Yellow River Institute of Hydraulic Research，Zhengzhou (450003)Abstract In this paper,the author calculated the water line of the different frequency flood and the flood for normal flow of electricity before and after con

32、struction of Dazhunzeng Second-line Yellow River Bridge,the backwater value upstream was given out.Based on this,the author analyzed the impact of bridge on flood control and ice prevention;According to the ice conditions downstream projects built in the Yellow River reach in Inner Mongolia and ice conditions change upstream and downstream Dazhunzeng Second-line Yellow River Bridge,the author analyzed its impact on the ice formation and flow ice discharged in this reach.Keywords：flood control，impact assessment，ice prevention，Yellow River 作者简介：张晓雷（1981-），男，河北赵县人，硕士毕业，主要从事水力学及河流动力学的研究。