哈尔滨市松花江上游区段建桥前后河床演变分析

赵 岩

[关键词]松花江;上游区段;建桥;河床演变

一、河流概况

哈尔滨铁路枢纽由王岗至万乐连线需通过松花江,待建大桥桥区河段位于松花江干流中上游,距哈尔滨市17km左右,该段河道按平面形态大体可分为三大部分,即上游弯道段,中间顺直段和下游分汊段,桥区河段基本处于自然状态,多年来主河槽深泓线摆幅较大,河道较不稳定。

该河段地处冲积平原、滩地广阔,两岸及滩地被茂密,滩地上串沟、洼地、牛轭湖众多。洪水期河宽受两岸堤防、桥梁引堤等约束,具有宽窄相间的特点。整治河段区间无较大支流入江,平均水深为2.0～7.0m。主河槽宽约400～1 000m。河底坡降平缓,约为0.05m,漫滩由第四纪冲积物组成,抗冲能力较弱。

二、河床演变分析

1.河道平面变化分析,桥址处河段的平面形态大体分为:即上游弯道段,中间顺直段及下游分汊段。通过对三部分河段进行河床演变分析说明桥址处的河床变化情况。通过对数十年来的测量图进行套绘,分析如下:

(1)上游弯道段。上世纪30年代,上游段6km处仅有一个万家河弯,弯道进口平缓,由于河段河床抗冲能力较差,受特殊水文年的影响,在水流和河床相互作用下,逐渐形成曲折的主流线,促使其上游团山子弯道经过了十余年变化发生了自然载弯,弯顶又不断下移,曲率越来越大,凹岸以平均每年20m左右的速度后退,随着弯道曲率的不断增加,水流出万家河弯后,顶冲万宝引水渠左岸,促使又一弯道形成,从而引发了两个反向弯道即“S”型弯道。受不同系列洪枯水年的影响,低水时弯道顶冲部位在弯顶附近,洪水时弯道顶冲部位移到弯顶以下,作用的结果促使弯道不断发展。

(2)中间顺直河段。该河段处于万宝弯道出口至双口面,全长约5km,河岸较顺直,拟建的铁路桥即位于该河段上。通过多年的测图对比分析可以看出,该河段多年来相对稳定变化较小,多年岸线基本保持不变,河道内江心洲、江心滩、边滩等泥沙成形堆积体随着上游弯道的变化及水文年的不同而时长时消,从顺直段到分汊段河面突然加宽,使水流流速降低,水流挟沙力减少,造成泥沙淤积,同时随着上游弯道的不断冲刷崩退,冲刷下来的大部分泥沙也在该段合适的地方落淤,在现桥址处已形成了两个江心洲。从两个江心洲的变化情况看,有总体向下移动的趋势,其大小在不同的水文年有所改变。1#江心洲向下移动1 600m,2#江心洲向下移850m。

(3)下游分汊河段。自然和人为的结果,再加上上游水流动力轴线的南移,导致左汊逐渐衰退,而右汊成为通航汊道,右汊口门处逐渐形成3#江心滩,经过1998年大洪水后,次年3#江心滩消失,由于大部分泥沙在南岸淤积,使该处河道平均束窄40m。

2.河道横断面变化分析,通过对上世纪60年代年至现在的测量图等资料,分别对桥位的横断面进行套绘分析得出:该桥位处的横断面由于有江心洲存在,始终体现为江心洲分隔的复式断面,右汊河床被冲深近5m,枯水期汊道宽度变化不大,到2001年右汊水流条件有逐年变好的趋势。左汊河床年际间有冲有淤,相对变化较小。

3.深泓线平面变化分析,从上世纪60年代至90年代年的深泓线和航线的套绘图可以得出,河段深泓线变化复杂,弯道段和分汊段的深泓线随年际间河道的摆动而频繁变化,在桥址所在的过渡期,深泓线位置处于动态,航线不稳定,从弯道水流动力轴线的变化看,在枯水期由于水流动量小,主流线易于弯曲而靠近凹岸,洪水期水流动量大,惯性作用强,主流线不易弯曲而偏离凹岸,即“低水走弯、高水走滩”,分汊河段分流点的位置受上游河势及来水来沙的影响变化较大,体现为洪水时下移,枯水时上提。

4.河床演变规律及发展趋势。天然的河流的河床演变是由多方面而又极其复杂的因素决定的,而河段各部分河流特性不同,也有各自的演变特点,具体归纳如下:

(1)弯道段:在主流顶冲及弯道环流的作用下,凹岸不断崩塌后退,凸岸相应淤积增长,弯曲程度会不断加大。

(2)顺直段:受上游弯道的影响较大,各种泥沙成型堆积体移动变动频繁,主流也随上游弯道的发展的继续靠近右岸,水流对桥址处右岸的冲刷较大,根据水流随流量变化的特点,表现为退水期浅滩冲刷,深槽淤积,涨水期浅滩淤积,深槽冲刷,岸线呈周期性的展宽或束窄现象。

(3)分汉河段:由于汊道段河岸、河床及岛屿抗冲能力较弱,平面位称幅度较大,整体表现为大套子岛头冲刷后退,河道展宽南移。北汊进口近年来冲淤变化较明显,口门边滩发育,并被切割下移,北汊正常的航道水深已难以维持,由于上游河势的变化和1#、2#江心滩的下移,南汊入流条件更加通畅,汊道表现为汛期淤积、枯季冲刷,总的冲淤幅度不大。

三、建桥后的河床演变

连续钢桁梁双孔通航桥桥墩间距92米,为双孔通航,中间桥墩处于主流区附近,桥墩对水流的挤压、干扰作用明显,桥墩上产生较大雍水,水位升高,流速减缓,水流挟沙率降低,建桥前,原有边滩、心滩等泥沙成形的堆积体在建桥后淤积范围进一步扩大,滩面高程有所抬高,这些变化又促使主流及河势随之发生变迁。

在桥位处,因漫滩水流受桥墩的阻壅作用,河槽中单宽流量增加,局部水面比降及流速加大,导致河床产生一定冲刷,同时在桥墩附近形成复杂的水流结构马蹄形螺旋流,导致桥墩周围的河床出现局部冲刷。

大桥下游由于桥位附近加大了水面比降和流速,要经过一段距离的重新调整,才能逐步过渡过下游河流的自然形态,因此,桥下游一定范围内仍会不同程度的冲刷。此后水流逐渐扩散,流速渐减,最后又恢复到自然流态。上游冲刷的泥沙一部分也可能在适当的地方淤积下来,一部分带往下游。从河工模型试验结果看,当流量为小于50年一遇的洪水流量时,水面与天然水面线差别不大,雍水最大值约为0.04m,发生在桥上游1.21km;300年一遇洪水流量时,雍水最大值0.06m,发生在上游1.45km处。

四、结束语

综合以上建桥前后的河床演变的相关分析,为保证大桥的上下游区段的河床稳定,对该桥址区段进行的航道施工,实施一定的人为控制是非常必要的,因此,在今后的工程设计中,要求设计人员认真地考虑以上河床演变分析,保证工程设计的经济、合理,符合建桥后的河床的稳定。

(编辑/永安)