刁口河涉河工程防洪评价关键技术探讨

刘娟 钱裕 陈雄波

摘 要：刁口河是黄河备用入海流路。结合近年刁口河流路管理范围内拟建涉河工程的案例分析，指出进行防洪评价时，除了完成防洪评价导则规定的内容外，还应该考虑备用流路的河道地形、入海口潮位、河长等边界条件特点，从偏于安全角度选取边界条件。对壅水和冲刷计算应采用刁口河流路刚启用时的现状河道水位，但壅水计算采用平均高潮位，考虑海平面上升影响，而冲刷计算采用平均低潮位，且不考虑海平面上升。对堤顶高程和桥梁下弦高程则应采用行河末期、主槽开挖后10 000 m3/s流量的对应水位。梁底设计标高考虑一定的超高和净空，且应不小于防洪、交通及通航要求的最大值。桥墩位置和桥孔跨度要考虑黄河流冰尺寸，以保证凌汛期安全。

关键词：刁口河;涉河工程;防洪评价;关键技术;黄河河口

中图分类号：TV875; TV882.1文献标志码：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.06.008

Flood Control Impact Evaluation of River-Related Project within Diaokou River

LIU Juan， QIAN Yu， CHEN Xiongbo

（Yellow River Engineering Consulting Co.， Ltd.， Zhengzhou 450003， China）

Abstract：Diaokou River is an alternate flow path of the Yellow River in the estuary area. Based on the case study of proposed river-related project within the management scope of Diaokou River in recent years， the flood impact assessment in this area should not only satisfy the requirements of the flood impact assessment guidelines， but also take the features of alternate flow path into consideration. The river channel terrain characteristics， terminal tidal level， river length， etc. should be analyzed accordingly. For backwater height and scouring depth calculations， the water level of current river channel at the initial operation stage should be adopted. For backwater height calculation， the average high tide level with the impact of sea level rising should also be considered， while for scouring depth calculation the average low tide level without the impact of sea level rising should be adopted. For dikes crest and bridge beam bottoms elevation， the water level corresponding to discharge 10，000 m3/s at the final operation stage with newly excavated mainstream section should be used. Meanwhile， a freeboard and headroom should be included to satisfy all the requirements of flood control， transport and navigation in the determination of bridge beam bottoms elevation. In addition， the impact of ice size on hole-span layout should be considered to ensure the project safety.

Key words： Diaokou River; river-related project; flood impact assessment; key technology; Yellow River estuary

1855年，黃河自兰考铜瓦厢决口夺原大清河改由山东入海。1953年以后，黄河河口三角洲的摆动顶点从宁海下移至渔洼，进行了三次大的人工改道，并先后形成了神仙沟流路（1953年7月—1963年12月）、刁口河流路（1964年1月—1976年5月）以及清水沟流路（1976年5月至今）等三大流路系统[1]。“淤积、延伸、摆动、改道”是黄河河口在一定水沙条件下的自然演变规律。遵循此规律，综合考虑黄河历史入海流路、海域容沙特性，结合河口地区社会经济发展要求，在国务院正式批复的《黄河三角洲高效生态经济区发展规划》（2009年12月）、《黄河流域综合规划》（2013年3月）中，均明确刁口河、马新河及十八户流路作为黄河备用入海流路，并且优先启用刁口河流路。《黄河河口管理办法》（2004年）及《黄河河口综合治理规划》（2010年）分别确定了刁口河流路管理范围以及再次启用后的堤防位置，见图1。

近年来，随着社会经济的发展，刁口河管理范围内拟修建多处大型项目，需要进行建设项目防洪评价。在完成《河道管理范围内建设项目防洪评价报告编制导则（试行）》要求内容的同时，还应考虑刁口河是“黄河备用入海流路” 的特殊定位，进行深入研究。本文结合刁口河流路管理范围内拟建无棣至莱州沿海公路东营段黄河刁口河流路大桥（简称“沿海公路刁口河大桥”）、东营港疏港铁路刁口河特大桥等案例进行分析，对刁口河流路涉河工程防洪评价中的河道地形特征、入海口潮位、河长等计算边界条件的选取进行探讨，以期为流路保护及工程安全提供技术支撑。

1 进行防洪评价工作的边界条件

1.1 流路运用方式

刁口河作为黄河备用入海流路，与现行清水沟流路联合运用方式有固定流路行河、轮流行河、同时行河、交替行河等[2-5]。从偏于安全角度考虑，今后黄河来水来沙全部走刁口河是对拟建工程最不利的情况，因此防洪评价时应把刁口河再次启用时为唯一流路作为计算条件。

1.2 河道地形

刁口河流路行河于1964年1月至1976年5月。与停水时相比，入海口门蚀退近10 km，左右两侧30 km范围内的岸线也蚀退2～5 km。当前，刁口河流路西河口以下河长约53 km，主河槽纵比降约0.01%，主槽宽150～660 m，深0～2.5 m。

刁口河滩地比较平坦，滩面横向比降一般在0.012%左右。桩埕公路以南滩面高程4.18～8.65 m，以北滩面高程约3.5 m。滩地已开发利用，用于种植农作物及水库和油田基本建设等。

根据《黄河河口综合治理规划》，刁口河流路启用时两岸需修建堤防，左岸上段新修16 km，下段18 km利用新利埕公路加高培厚;右岸新修18.5 km，另外18.5 km利用东大堤加高培厚;堤距6.5～10.0 km。为了使主流归槽，以现有河道为基础开挖引河，引河规划底宽为550 m，开挖边坡为1∶3，挖后主槽过流能力为3 000 m3/s。根据历史演变资料，并参考数学模型计算成果，刁口河再次行河期间主槽宽度为1 500 m。刁口河规划堤线内有大小建筑175处，占地面积738.8 km2，规划河槽内共有主要设施24处，总占地面积52.8万m2。当刁口河再次行河时，规划河槽中的建筑物已拆除。

刁河口流路启用初期，河长缩短，产生溯源冲刷。以沿海公路刁口河大桥附近河段为例，启用以西河口10 000 m3/s水位达到12 m（大沽高程）为控制条件[6-7];海面取平均高潮位，据此估算，启用初期因溯源冲刷，沿海公路桥附近河段将较现状冲刷降低0.57 m。启用之后，随着上游来沙，河道逐渐淤积延伸，河床淤积抬高。

1.3 入海口潮位选择

采用水面线法或水流泥沙数学模型计算沿程水位时，入海口潮位可选择：①平均高潮位;②平均海平面;③平均低潮位。同時，海平面受气候变化的影响。根据《气候变化国家评估报告》（2007年，科学出版社），中国沿海海平面近50 a平均上升速率约为2.5 mm/a，构造下沉、三角洲沉积致均衡运动下沉以及沉积物固结压实等因素引发的地面沉降平均速率约为5 mm/a，即黄河三角洲海面长期相对上升速率平均约为7.5 mm/a。按照此速率预测，沿海公路刁口河大桥使用后50 a，海平面上升0.375 m。

1.4 河 长

刁口河于1976年5月结束行河，至今已停止行河43 a，改道点以下河长约53 km，与行河末期相比减少近10 km。目前，因防潮堤的建设，故流路范围内岸线蚀退已得到控制。刁口河恢复行河后，随着泥沙淤积，河长增加（见图2）。刁口河行河末期把西河口10 000 m3/s流量对应水位12 m作为改道控制条件。参照《黄河河口综合治理规划》《黄河河口近期治理防洪工程建设可行性研究》中清水沟达到改道标准时的河长分析结果，刁口河流路行河期末河长约为80 km。

2 水位及流场分布特征

2.1 拟建桥位处水位

大桥工程设计洪水流量应与河口段大堤设防流量10 000 m3/s一致。拟建桥位断面水位考虑两种地形条件，一是现状地形条件下桥位断面10 000 m3/s流量设计洪水位;二是改道运用后，桥位断面设计洪水位。参照《黄河河口综合治理规划》《黄河河口近期治理防洪工程建设可行性研究》提出的清水沟流路达到改道标准时的水面比降（0.01%），推算刁口河行河期末、达到改道标准时10 000 m3/s流量的桥位处设防水位，同时应考虑达到改道标准时桥位河段的淤积抬升。现状地形条件下的水位较行河末期水位低，如沿海公路刁口河大桥处现状地形条件下和刁口河行河期末主槽的水位分别为6.44 m和9.11 m（均为黄海高程）。

2.2 流场分布特征

刁口河已停止行河43 a，河道管理范围内开垦了大量耕地、林地、畜牧种植用地并设置生产设施。现状河道淤积较严重，主槽最小过水能力仅30 m3/s。拟建的沿海公路刁口河大桥南北方向10 km河段（计算范围为图1中的红线框内）现状地形的条件下10 000 m3/s流量流场分布见图3[8]。

由图3可以看出：在横断面上，可分为2个主流区，一个是刁口河现行河道附近，流速较大，但宽度较小;另一个在左岸二河与三河之间，流速最大值比现行河道区域要小，但宽度要大一些。经分析其主要原因如下：刁口河行河时期，黄河来沙量较大，水流经过处淤积量较大，两边高程较高，当大洪水发生时，主流可能横向摆动，出现2个或2个以上高流速区域。

考虑到平原河道主槽在设计堤线中间附近、两侧都有滩地的复式断面比较稳定，可防止主流靠岸，因此刁口河流路再次行河时需要对现有流路进行扩挖。为充分利用现有河道，在S310省道以南，以现河道为西边界，向东延伸550 m开挖;S310省道以北，主槽按微弯型控制，与刁口河现有河道平顺衔接，中心线向规划大堤中间靠近，向西延伸550 m开挖。

沿海公路刁口河大桥开挖后河道断面见图4。采用平面二维水流模型对大桥所在河段开挖后地形的流场进行模拟，结果见图5。开挖后原主流区范围变窄且流速减小，引河开挖处范围扩大且流速增大，主流范围整体东移至现有刁口河河道附近，桥位断面附近主槽宽度约为1.5 km。

3 防洪评价关键技术

在进行洪水影响评价时，选择流路运用、河道地形及入海口潮位等计算边界条件不同，其评价结果也有差异。基于安全性原则，针对不同边界条件进行防洪评价。

3.1 壅水和冲刷计算

桥梁建成后，位于河道内的桥墩使过水面积减小，同时增大了水流阻力，造成桥位上游一定范围内水位壅高。从偏于安全角度，壅水计算时选择未开挖的现状河道断面、现状河长，计算天然河道条件下桥位断面的流速、过水面积等水力因子。同时，壅水计算时入海口潮位采用平均高潮位，考虑海平面上升的影响。

在计算桥墩冲刷深度时，若采用较低的水位，得到的断面平均流速、冲刷深度都要大一些，偏于安全。在计算桥墩冲刷时利用现状地形和水位，同时考虑平均低潮位，且不考虑海平面上升。

3.2 堤顶高程

《黄河河口综合治理规划》明确刁口河流路堤距为6.5～10.0 km;设防标准与现行清水沟一致，均为10 000 m3/s，安全超高为2.1 m。堤顶高程复核时，设防水位应采用开挖地形、行河运用期末、设防标准下工程建设处的水位，同时应考虑桥梁建设后壅水高度。防洪评价工况分析见表1。

3.3 桥梁下弦高程分析

按照《中华人民共和国河道管理条例》第十二条对桥梁和栈桥的梁底高程的规定，梁底高程必须高于设计洪水位，并按照防洪和航运的要求，留有一定的超高。因此，梁底设计高程应考虑黄河防洪、防凌和航运的有关要求进行确定。

（1）防洪要求的梁底高程。采用刁口河流路行河末期，桥位断面10 000 m3/s流量左岸大堤、主槽、右岸大堤的水位，并考虑壅水高度、波浪高度、桥下净空，计算得到满足防洪要求的梁底高程。

（2）交通要求的梁底高程。《黄河河道管理范围内建设项目技术审查标准》第十七条规定：“为满足堤防工程管理与抢险交通的需要，采取立交方式跨越堤防的，两岸跨堤处梁底标高应考虑河道冲淤影响，满足大桥设计水平年50年的设计堤顶高程加4.5 m交通净高。”

刁口河流路河道淤积按西河口10 000 m3/s流量对应水位12 m控制，采用刁口河流路行河末期刁口河桥位设防流量下左、右岸大堤水位，再考虑2.1 m堤顶超高、4.5 m净空高，分析计算得大桥设计跨堤处的梁底高程。

（3）通航要求的梁底高程。依据交通部黄河水系航运规划办公室1988年编制的《黄河水系航运规划报告》，桥位河段规划为Ⅳ级航道标准。《内河通航标准》要求Ⅳ级航道净空高度不小于8.0 m，航道设计最高通航水位的洪水重现期为10 a。

工程建设范围内满足通航要求的梁底高程应不小于两者之和，即刁口河流路行河末期，考虑河道淤积后工程所在位置主槽10 a一遇设计洪水位，再加上净空高度8.0 m。利津站10 a一遇洪峰流量为9 260 m3/s，桥位断面10 a一遇洪峰流量考虑槽蓄削峰。

满足防洪、交通及通航要求的主槽范围内设计的梁底高程应不低于上述三方面计算分析的最大值。

3.4 孔跨布置分析

黄河凌汛期有流冰易形成冰塞冰坝危及堤防和大桥的安全。因此，在黄河上建桥，应选择合适的桥孔跨度，合理确定其桥墩位置，以确保黄河防凌和大桥安全。

根据1963年以来利津站的流冰尺寸统计成果（见表2）[9]，冰块宽度超过100 m的只有1 a，出现于1973年，占统计年份的1.96%，冰块尺寸为200 m×100 m（长×宽，下同）;冰宽50～100 m之间的有3 a，占统计年份的5.88%，冰块尺寸分别为1965年的100 m×50 m，1985年的130 m×90 m，1990年的50 m×60 m。其他年份（占统计年份的92.16%）最大冰宽不超过40 m，除1976年最大冰长为60 m外，其余年份最大冰长均不超过50 m。

4 结 论

进行刁口河流路范围内建设项目防洪评价时，在完成防洪评价导则规定内容的同时，还应该考虑其黄河备用入海流路的特点，针对壅水和冲刷计算以及堤防、梁底高程等计算要求，从偏于安全角度，分别采用不同的边界条件。

（1）壅水和冲刷计算应采用刁口河流路刚启用时的现状河道水位。但壅水计算应采用平均高潮位，考虑海平面上升影响，而冲刷计算则应采用平均低潮位，且不考虑海平面上升影响。

（2）在计算堤顶、梁底高程时，较高的水位使计算偏于安全，因此应采用刁口河行河末期、主槽开挖后10 000 m3/s流量对应水位。梁底设计高程应考虑一定的超高和净空，且不小于防洪、交通及通航要求的最大值。

（3）桥墩位置和桥孔跨度要考虑黄河流冰尺寸，以保证凌汛期过凌安全。

本次探讨的关键技术，比如壅水、冲刷计算等已应用于东营港疏港铁路刁口河特大桥防洪评价[9]、无棣至莱州沿海公路东营段黄河刁口河流路大桥防洪评价中，为保障桥梁安全和刁口河流路行河提供了技术支撑。

参考文献：

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[8] 钱裕，陈雄波，蔺冬，等. 无棣至莱州沿海公路东营段黄河刁口河流路大桥防洪评价[R].郑州：黄河勘测规划设计研究院有限公司，2018：31-50.

[9] 钱裕，陈雄波，蔺冬，等. 东营港疏港铁路刁口河特大桥防洪评价[R].郑州：黄河勘测规划设计研究院有限公司，2015：78-80.

【责任编辑 许立新】