渭河咸阳陇海铁路桥下游段河床跌坎式下切的成因及危害性分析

焦 剑

（陕西彬长煤田水务有限责任公司 陕西 咸阳 712000）

1 河床下切基本情况

1.1 河道概况

渭河咸阳陇海铁路桥下游段河床跌坎式下切处位于陇海铁路咸阳桥至沣河入渭口之间的渭河主河槽段，此段总河长约2.7km，是渭河下游段的起始点。2000年以前此段河道比降为0.6‰左右，河道槽滩分明，左右岸大堤间距 600m～1200m（陇海铁路桥处仅350m），主槽宽200m～700m，槽内常水面宽120m～360m，主槽内大部分河床裸露，滩地多在左岸，宽约100m～500m。河道左岸按100年一遇防洪标准修建了堤防，右岸堤防正在建设，主槽左侧修建了中水控导工程。下切跌坎处上游20m处有郑西客运专线跨河铁路桥、280m处有陇海铁路跨河大桥、800m处有咸阳湖拦河橡胶坝、1000m有咸阳二号公路桥、4000m有咸阳水文站。

1.2 河床跌坎概况

2013年5 月在陇海铁路桥下游1700m处河道内出现了一处宽约2m、水流落差约0.8m的跌坎，2013年5月～10月，跌坎向上游推进了约1200m，发展成了东西长约600m，南北宽约5m，深为2.5m的不规则冲槽，河水形成了南北宽约50m、落差约3m的“跌坎瀑布”。2013年11月至2014年6月跌坎又上移了约200m，分为两支跌坎，其中1#跌坎靠南侧，上端已到郑西客运专线铁路桥下方，宽约为115m；2#跌坎靠北侧，宽约为40m，水面落差约为3m，跌坎冲槽深约为4m～5m。2014年汛期1#跌坎向上推进了90m，宽度增加约120m，深度增加约2.5m，坎高约2m～3m，导致郑西客运专线铁路桥桥墩基础已部分出露；2#跌坎，向上游推进约50m，宽度增加约30m，深度增加约2m，距陇海铁路桥约200m。

2.跌坎式下切成因分析

2.1 河道来水来沙

2.1.1 径流分析

渭河属于雨源性河流，径流随降雨而变化，具有年内分配不均，年际间变化大的特点根据渭河咸阳水文站1995年～2010年实测流量资料分析该时段年径流特征值见表1，年径流量变化趋势见图1。

分析可知：渭河咸阳断面1995年～2010年平均径流量为19.95亿m3，最大年径流量为49.11亿m3，最小年径流量为5.279亿m3，最大年径流量为最小年径流量的9.3倍。

根据咸阳水文站1960年～2005年实测资料，咸阳断面多年平均径流量为39.48亿m3，1995年～2010年时段年径流量小于多年平均径流量，仅为多年平均径流量的50.5%从长系列分析近期属枯水期。

表1 咸阳站年径流特征值统计表

图1 咸阳断面年径流量变化趋势图

表2 咸阳站年输沙量特征值统计表

图2 咸阳断面年输沙量变化趋势图

表3 咸阳站多年平均月输沙量占年输沙量百分比 单位：万t，%

2.1.2 输沙量分析

（1）输沙量变化

渭河是多泥沙河流，泥沙随径流而变化，具有水沙异源的特点。根据咸阳水文站1995年～2010年实测输沙率资料分析计算，其年输沙量特征值见表2，年输沙量变化趋势图见图2。

分析可知：咸阳断面1995年～2010年平均输沙量为2661万t，最大年输沙量为9140万t，最小年输沙量为391万t，最大年输沙量为最小年输沙量的23.4倍，多年平均输沙量为1.082亿t，而1995年～2010年年输沙量小于多年平均输沙量，为多年平均输沙量的24.6%，从长系列分析近期属少沙段。

（2）汛期输沙量

①输沙量年内分配

根据渭河泥沙来源及区域降雨特征，输沙量年内分配不均，一般集中在6月～10月的几场大洪水之中，咸阳站多年平均月输沙量占年输沙量百分比见表3。

从上表可见：1月～3月和11月输沙量占年量的百分数不足1%，7～8月输沙量分别占年量的30.06%和28.63%，6月～10月输沙量占全年的90.04%，其他月份占年量的百分数不到10%，输沙量年内分配不均。

②汛期输沙量分析

根据咸阳水文站多年输沙量资料统计，汛期平均输沙量占年输沙量的90%，非汛期平均输沙量占年输沙量的10%。说明沙量主要来自汛期，且与洪水密切相关，输沙量分布不均。

通过对咸阳站来水来沙分析可以看出：1995年～2010年来水量为多年平均径流量的50.5%，来沙量仅为多年平均输沙量的24.6%，说明近期渭河的来水含沙量减少较多，在渭河下游形成了清水冲刷，使河道河床冲刷下切。

图3 跌坎段地貌及地层结构示意图

图4 渭淤断面深泓点高程变化图

表4 渭河陇海铁路桥下游～灞河上游段渭淤断面深泓点高程统计表

2.2 河床地质

跌坎所在的河道呈滩槽分明，河床北高南低，主槽居中，左岸滩地较宽，地貌属渭河河谷堆积地貌。根据河道地质勘察资料分析，本段河床地层呈现明显的砂层、粘土层、砂层、粘土层、砂层互层分布结构，现状跌坎至上游咸阳湖河段，河床以下连续分布着一层厚度6m～8m的耐冲刷粘土层，粘土层在跌坎以下河段逐渐变薄，至沣河入渭口河段上游厚度仅余1m～3m；粘土层以下为中砂层，厚度3m～8m；中砂层以下为第二层粘土层，厚度1m～3m。跌坎下切已穿透河底第一层粘土层深达中砂层，由于上层粘土层较耐冲刷，故在水流冲刷下形成粘土层不断崩塌的跌坎式下切形态。跌坎以上河底高程基本与河底粘土层顶面齐平，河槽两侧滩地为中细砂。跌坎河段地貌及地层结构见图3。

2.3 河道冲淤

统计渭河咸阳水文站-灞河口段各渭淤断面1995年汛前、1998年汛前、2001年汛前、2004年汛前、2007年汛前、2010年汛前、2013年汛前河道深泓点高程，详见表4，套绘河道各年深泓点高程变化图4。

从图中、表中可以看出：渭河陇海铁路桥-灞河口段河道深泓点高程是下降的，主槽段河床属冲刷下切，下切深度为3.75m～9.35m，其中渭淤36～35断面之间河段属跌坎下切所在河段，深泓线下降最为剧烈，最大下降深度为9.35m，河床比降由0.6‰迅速增大到约2‰。套绘渭淤36、渭淤35、渭淤34、渭淤33、渭淤32、渭淤31、渭淤 30、渭淤29断面等 8个典型断面，可以看出1995年～2013年河道滩面高程变化不大，主槽冲刷下切，宽度增大。从渭淤35断面可见，跌坎下切处主槽冲刷下切比较严重。

2.4 大桥建设的影响

2007年新建的郑西客运专线铁路桥为斜桥且桥墩为大断面实体墩，墩底承台较大，这就减少了河道过洪断面，加大了河水对桥位所在河段河床的冲刷，按照黄河水利委员会审查通过的《郑西客运专线咸阳渭河特大桥防洪评价报告》中冲刷计算分析，该桥在100年一遇设计洪水时，一般冲刷计算值为4.96m，局部冲刷计算值为6.69m。根据实测资料，建桥前后，桥下河床平均高程降低1.9m。由此可知郑西铁路桥的修建对跌坎所在河段加大了河床冲刷下切。

2.5 河床跌坎下切的主要成因

经过对近期跌坎所在河段来水来沙、河道冲刷、人为活动影响的分析，河床急剧下切形成主要原因有：

（1）受渭河近年来河水含沙量大幅减少及人为在河道内取土、挖沙的影响，河床比降由0.6‰迅速增大到约2‰，河流冲刷能力显著增强，形成了跌坎式溯源冲刷的水流条件。

（2）该河道河床地质结构特殊，上覆较为致密的粘土层，抗冲能力较强，而下部的含砾中粗砂，较疏松，抗冲能力差，就形成了跌坎式溯源冲刷的地质条件。

（3）由于新建的郑西客运专线铁路桥与河道水流斜交，改变了原河势，且该桥桥墩全为大断面实体墩，墩底承台大，这就压缩了河道过洪断面，使水流速度增大，从而加大了桥位处的河床冲刷深度。

3 跌坎发展趋势及危害性分析

3.1 跌坎发展趋势分析

结合2013年5月～2014年10月对河床跌坎下切发展的监测结果可以得出，溯源冲刷有继续向上游发展且向两侧扩展的趋势。跌坎向上游发展速度前期快，后期逐渐变慢，分析主要影响因素为河床特殊地质条件造成的，前期跌坎所在河段河床底部粘土层较薄，厚度仅1m～4m，而2014年以后，跌坎所在处的郑西铁路桥上下游附近的河床粘土层厚度达到7m且稳定性好，水流冲刷下切难度增大，就使得跌坎向上游发展速度减慢。目前现状跌坎上游到咸阳湖橡胶坝段间的河床粘土层厚度平均为7m，与当前跌坎位置处的地质情况基本相同，因此可根据2014年跌坎向上游发展的速度预测出一般水文年份跌坎今后的发展速度。

由于在现状地层情况下，跌坎每年将向上游发展约150m～200m，以此速度，预计跌坎2016年4月～9月可发展到达陇海铁路桥下2018年汛期将发展到咸阳湖2#橡胶坝处。

3.2 危害性分析

河床跌坎式下切会直接造成河床底面高程急剧降低，使河水冲刷进一步加剧，将导致郑西客运专线桥、陇海铁路桥组，咸阳湖（橡胶坝、中隔墙、护岸）、咸阳渭河2号桥等河道内建筑物及渭河两岸大堤基础外露或吊空，甚至崩塌，出现险情，因此必须尽快采取有效措施防止河床跌坎下切继续发展。陕西水利