兰渝铁路杨家湾特大桥河工模型试验研究

冯敬敬，何文社，袁 龙

(1．潍坊滨海经济开发区 农林水利局，山东 潍坊 262737;2．兰州交通大学 土木工程学院，甘肃 兰州 730070)

兰渝铁路是跨越甘川渝三省市的交通大动脉，是连结西北、西南等地区的重要通道．该铁路位于甘肃、四川、陕西及重庆境内，北起兰州枢纽，向南经甘肃的榆中、渭源、漳县、岷县、宕昌、陇南后通过陕西省边界进入四川省，经广元、苍溪、阆中、南部、南充、武胜后，经合川接入重庆枢纽，正线全长820 km．在兰州市区段拟建南坡坪、杨家湾黄河特大桥．其中杨家湾特大桥位于青白石乡杨家湾村，全桥采用高架全桥渡方式跨越，桥梁全长1 437 m．桥梁孔跨式样采用3－32 m+(40+2×64+40)m连续梁+32－32 m+3－24 m后张法混凝土连续梁，其中跨越主河槽采用一联(40+2×64+40)m连续梁(物理模型试验时，由于有的桥墩对水流没有影响，故模型试验中只模拟了26跨)．桥址距上游兰州水文站13．0 km，距下游包兰铁路东岗镇黄河桥0．6 km，桥梁法线与主流的夹角约25°．桥位处主河槽宽度约250 m，河床由卵石、砂卵石、沙壤土组成．

鉴于杨家湾黄河特大桥的特殊地理位置，必须对其防洪影响做出评价．对此，采用了能更好反映原型河道建桥后防洪影响的河工模型试验．

1 水文泥沙特征

黄河兰州段位于兰州盆地，西起西柳沟，东至桑园峡，呈东西走向，河段全长44．84 km．其中桑园峡所处河段为黄河兰州段最窄的峡口断面，其宽度只有120 m，较平均河宽350 m缩窄了230 m，在此峡口河段形成卡口，发生洪水时易造成上游河段壅水，是黄河兰州段洪水排泄不畅的主要原因［1－2］．

根据黄河兰州水文站历年统计资料，黄河水面比降为0．7‰～1．3‰．河段枯水流量540 m3/s，平均流量1 000 m3/s，造床流量3 000 m3/s，百年一遇流量6 500 m3/s．1964年刘家峡水电站建成后，黄河悬移质中细粒径为0．021 mm，平均粒径为0．033 mm，悬移质颗粒级配中d＞0．5 mm的粗沙占悬移质总量的0．1%，每年约5．11万t，合2．84万m3．

根据杨家湾特大桥河床主槽9个钻孔资料加权平均得到河床泥沙平均粒径为46．1 mm，各特征粒径为:d95=170 mm，d75=65 mm，d50=26．5 mm，d25=5．4 mm，dcp=46．3 mm，γs=2．74 kg/m3．

黄河兰州段纵穿兰州市城区，地质构造条件较好．《兰州市市区防洪规划》对兰州市区段的26个断面的冲淤进行了对比分析，统计结果表明，除小部分河段航道疏浚使河道的局部水深有一定变化外，大部分河段冲淤基本平衡，且受山体地质条件的约束，中山桥附近的上、下游河段未因历史上发生特大洪水而发生明显的改道和变迁．由兰州水文站历年水文断面套绘图(图1)可以看出，1967年到1987年汛前河道处于淤积状态．黄河大堤修整后，河道断面冲淤变化不大．2006年与2000年比较，平均淤积厚度0．10 m，河道处于基本冲淤平衡状态［3］．

图1 兰州水文站历年水文断面套绘图Fig．1 Drawing of hydrologic section by calendar year of Lanzhou city

2 模型制作及验证

依据几何相似、水流运动相似、泥沙运动相似以及河型相似等条件，进行了模型设计［4－5］．模型所选用比尺列于表1．

表1 模型比尺Tab．1 River model scales

试验模型沙选用宁夏大武口洗煤厂精煤屑．实体模型按2000年兰州市河道地形图制作，长30 m，宽9 m，布置在试验所用的混凝土场地上．在验证试验过程中，整个试验河道全部采用动床模型，部分较陡峭的河岸采用定床模型．试验选用黄河兰州水文站1981年的实测洪水过程，按同倍比放大到百年一遇的洪水过程，并分段进行概化．按比例换算实际断面的水位、流速与地形，结合尾门控制模型，保证模型水位与原型水位从中小流到大流基本吻合;套绘模型断面流速分布与对应原型断面流速分布图，验证模型断面流速分布;并通过河床冲淤变化试验验证得出，当λqs=30，λt2=480时模型与原形相似良好．综上所述，模型在水流运动相似即河床冲淤变化等诸多方面均满足试验要求，采用该模型预报未来是可靠的［6］．

3 试验方案及结果

试验方案分建桥前及建桥后两种．流量过程按清水冲刷以及加沙过程施放．

3．1 试验河段水位与桥前壅水

桥梁的修建缩小了过水面积，将使得桥梁上游产生壅水．模型试验重点研究了由桥墩压缩水流产生的壅水．在百年一遇流量6 500 m3/s时，桥墩的阻水面积达到9．15%，桥前的最大壅水高度为18 cm，壅水范围为1 300 m．从最大壅水断面至桥孔区段，水面下降产生跌水，跌水高度为9 cm，之后恢复到建桥前水位．

从测量结果看，壅水对防洪影响不是很明显，其原因为:(1)此段河道由于受桑园峡的影响，即使在建桥前当流量超过3 000 m3/s时便开始出现壅水，但随流量的增大，回水影响范围亦逐渐增大．当达到百年一遇流量6 500 m3/s时，其回水范围长达1．2 km．相对于洪水时桑园峡的壅水来看，建桥后的壅水对该河段的影响不大．(2)由于拟建杨家湾特大桥采取高架全桥渡方式跨越，河滩上没有路堤，故桥梁没有压缩河道，只有桥墩产生阻水．

3．2 流速分布

为研究建桥后桥址断面附近流速的变化，整理了建桥后桥下760 m，桥上150 m，桥上920 m处的断面水流要素资料(见表2)．同时对比建桥前流速数据得出，在最大流量6 500 m3/s时，建桥前比建桥后桥上150 m处平均流速增大1．01%，平均水深增大2．59%，证明杨家湾特大桥的建设对河道的流速无明显的影响．

从表2可见，断面流速随流量的增大而增大，但当流量大于3 000 m3/s时，则相反．这主要是由于流量增大到3 000 m3/s后，黄河兰州段末端的桑园峡开始壅水，断面过水面积增大，流速相应减小，说明此段河道的流速受桑园峡壅水的影响比较明显．

表2 不同流量下断面水流要素Tab．2 Cross-section flow elements of different discharges

3．3 工程断面地形

为分析建桥前、后桥址断面的地形变化，套绘了桥址断面(桥上游25 m)建桥前与施放清水过程末以及加沙过程末的地形对比图(见图2)．

从图2可知，清水过程末河床以冲刷为主．其中3#桥墩附近高度在3．0～5．4 m的垃圾平台被冲走;4#～9#桥墩之间冲刷深度在1．0～6．5 m之间，最大冲深发生在7#～8#桥墩之间，此处的临时田埂被冲掉，冲刷深度在1．0～2．5 m之间;9#～25#桥墩之间冲淤基本平衡，变化范围大部分在－0．3～0．3 m之间．而加沙过程末河床冲淤总体基本平衡．3#桥墩附近的垃圾平台被冲掉;4#～7#桥墩之间以淤积为主，淤积厚度在0．25～1．35 m之间;7#～10#桥墩之间冲刷较大，最大冲刷深度为6．8 m，此处的临时田埂被冲掉;10#～25#桥墩之间冲淤基本平衡，靠近主河槽的11#～17#桥墩之间略有冲刷，12#～22#桥墩之间略有淤积，其变化范围大部分在－0．4～0．4 m之间．

从图2可知，7#～10#桥墩之间的地形变化较大，且均为冲刷，说明此部分为桥墩阻水后，为不影响泄洪而需要扩大的行洪面积部分．黄河通航标准为内河V级，通航净高为10年一遇水位以上不小于8 m，单向通航空净宽为40 m，主河道走势几乎没有变化，主桥墩位置设置合理，试验证明满足桥梁通航标准要求．

图2 清水冲刷及加沙过程末桥址上游25 m处河床断面地形Fig．2 Comparison diagram of riverbed profiles after being scoured by clear water and added sand at the place of 25 meters from upstream bridge site

3．4 流向及河势

由试验可知，当流量从1 000 m3/s变化到6 500 m3/s时，河道主流均从通航孔中通过，说明通航孔位置设置合理．

流量1 000 m3/s时，由于河道长期受较小流量的冲刷，深泓线比较弯曲，基本在主槽内摆动．而洪水过程末深泓线变得比较平顺．杨家湾特大桥桥上50 m附近洪水后深泓线基本重合;桥下180 m附近，建桥前洪水过程末深泓线向左偏移50 m，建桥后洪水过程末深泓线较建桥前向左偏移40 m．另外由于桥墩的导流作用，桥下300 m下游顶冲点上移65 m．

4 结语

(1)杨家湾特大桥在设计百年一遇洪水标准时，桥梁总跨径、桥下净空高度等满足规范规定，行洪是安全的;从河势来看，通航孔设置位置合理．

(2)由于桥墩的阻水使得河道过水面积减小，建议对6#～11#桥墩，尤其是6#～8#桥墩上下游河道进行开挖疏浚;同时对河道右岸的垃圾进行清运．由于桥墩的导流作用，建桥后桥下游主流的顶冲点上移65 m，使右岸产生淤积，而左岸冲刷加大，建议加强此段左岸河堤以及构筑物的防护．

(3)桥梁后产生壅水18 cm，建议相关部门在桥址附近修建滨河路路堤时，考虑对防洪的不利影响．

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