渭河中游干流寶雞市段橋梁區(qū)河道特征分析

渭河中游干流寶雞市段橋梁區(qū)河道特征分析

渭河支流于寶雞以東205.1公里處。流經(jīng)陳倉、金臺、渭濱、涼山、梅縣和扶風(fēng)縣。從寶雞市林家村到扶風(fēng)縣揉谷鄉(xiāng)法禧村的101km為中游河段。渭河干流從寶雞市區(qū)中心穿過,市區(qū)段長20km,河床寬550～650m,面積約13km2,占市建成區(qū)面積1/3,是寶雞市區(qū)一個獨特而又重要的地理單元。依據(jù)2005年編制的“渭河中游干流萬分之一河道圖”分析發(fā)現(xiàn),市區(qū)20km的河道段橋梁區(qū)是典型的河道節(jié)點區(qū)。主要有以下3個特點:(1)所在河段相對狹窄的橫斷面區(qū);(2)河床縱剖面形態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)折,河床比降較小的區(qū)段;(3)橋區(qū)上、下游邊灘發(fā)育,河床彎道發(fā)生轉(zhuǎn)折。據(jù)此可以初步判斷橋梁區(qū)是寶雞市區(qū)渭河干流行洪的主要瓶頸區(qū)段。本文依據(jù)實測數(shù)據(jù)和相關(guān)資料對寶雞市區(qū)橋梁區(qū)洪水安全進行評估,以期為寶雞市制定合理的防洪預(yù)案和城市建設(shè)規(guī)劃提供科學(xué)依據(jù)。1測量和計算數(shù)據(jù)1.1數(shù)據(jù)測量(1)寶商大橋測橋段現(xiàn)市區(qū)林家村—臥龍寺20km干流上的橋梁區(qū),寶商大橋在測量期金渭湖蓄水不能進行實測,故實際測量了鐵路橋、新世紀大橋、勝利橋、310國道橋、馬營橋和臥龍寺橋6座橋區(qū)。(2)測量剖面橫剖面選測橋下及橋外上、下游各20m的3個剖面;縱剖面實測橋區(qū)上、下游500m范圍主河槽兩側(cè)裸床。(3)測點高程的確定首先選取河堤上一點作為原點,在萬分之一河道圖上查出高程,其余選點均由水準儀(水準儀精度為2″級)測量其相對高差,通過原點轉(zhuǎn)換得出各測點高程。各測點間的水平距離由水準儀測距結(jié)合皮卷尺測量獲取。1.2計算方法(1)河道斷面及過水斷面面積依據(jù)每個橋區(qū)實測的3個橫剖面數(shù)據(jù),求得河道縱向平均高程,確定每個橋區(qū)的橫剖面高程數(shù)據(jù),據(jù)此繪制橫剖面圖。過水流量利用流量公式(1)求取,即Q=ω?cRi??√Q=ω?cRi(1)式中:Q——過水流量(m3/s);ω——過水斷面面積(m2),過水斷面面積為河道橫斷面面積(用多邊形分割法求取)減去橋墩所占斷面面積,過水斷面的最高水位選取橋區(qū)兩端河堤、橋體底面、橋區(qū)上游兩岸河堤中的最低點高程;i=2.08‰(林家村至魏家堡實測平均比降);c——謝才系數(shù):c=1/nR16?nc=1/nR16?n——河床糙率,根據(jù)渭河干流河道寶雞段河道特征選取n=0.025(0.035);R——水力半徑,R=ω/x,x——濕周,用折線逼近法求得。(2)共同按橋區(qū)縱剖面高程的確定依據(jù)實測主河槽兩側(cè)裸床的縱剖面數(shù)據(jù)求得橫向平均高程,確定每個橋區(qū)的縱剖面高程數(shù)據(jù),并據(jù)此繪制縱剖面圖。河床比降公式:J=HA-B/L(2)式中:HA-B——2個測點的相對高差;L——2個測點間的水平距離。2結(jié)果分析與洪水安全評價2.1橋段的斷面和洪水的安全2.1.1橋、勝利橋、馬營橋和馬龍寺橋區(qū)林家村—臥龍寺段渭河干流河道寬度在550～650m之間,實際測量的鐵路橋、新世紀橋、勝利橋、310國道大橋、馬營橋和臥龍寺橋橋區(qū)河道寬度分別為:552,550,580,566,582和551m(河道寬指橋兩端外河堤內(nèi)頂之間的直線距離),均趨近市區(qū)河段的最小河寬。此現(xiàn)象雖是橋梁選址的結(jié)果,但表明橋區(qū)河道單寬狹窄,于行洪不利。2.1.2主河槽和內(nèi)河槽寬度將實測6座橋區(qū)橫剖面數(shù)據(jù)繪制成散點剖面圖(如圖1—6)。(1)橋區(qū)邊灘發(fā)育,主河槽狹窄。實測鐵路橋區(qū)平水期(下同)主河槽寬92m,邊難寬457m;新世紀橋區(qū)主河槽寬88m,邊灘及北側(cè)河堤公園共寬458.6m;勝利橋區(qū)南側(cè)主河槽寬67m,中部內(nèi)河堤側(cè)主河槽寬42.5m,主河槽間的夾心灘寬264.6m,北側(cè)河堤公園寬182.6m;310大橋區(qū)主河槽寬56.8m,南側(cè)邊灘寬298.2m,北側(cè)邊灘寬196.5m;馬營橋區(qū)主河槽寬123m,北側(cè)邊灘寬343m;臥龍寺橋區(qū)主河槽寬69m,南側(cè)邊灘寬425m。6座橋區(qū)主河槽寬度勝利橋區(qū)2個主河槽合寬不足河道寬度1/5,其余各橋區(qū)主河槽寬度均不足河道寬度的1/6。渭河干流中游屬于下切侵蝕區(qū),但渭河來沙主要在汛期,平水期雖然沖刷主河槽,但平水期不僅徑流量小,且主河槽狹窄沖刷范圍有限,而汛期洪水上灘,泥沙大量沉積,泥沙沉積量遠大于平、枯水期的侵蝕量,因而橋區(qū)全年泥沙屬凈沉積區(qū),一方面使邊灘、心灘增高增寬,河道淤淺橫斷面變小,另一方面也使橋區(qū)總體高程抬升,河床比降減小。(2)主河槽多貼近一側(cè)外河堤。鐵路橋區(qū)、新世紀橋區(qū)和勝利橋區(qū)主河槽均緊貼南側(cè)河堤,臥龍寺橋區(qū)主河槽緊貼北側(cè)河堤,致使橋區(qū)附近單側(cè)河堤受毀風(fēng)險加大。(3)參照萬分之一河道圖分析,橋區(qū)上、下游均有彎道發(fā)育,使橋區(qū)上、下游單側(cè)大堤成為徑流頂沖段。鐵路橋上游北側(cè)河堤3000～4000m(為干流兩側(cè)河堤起點至測點處距離,以大堤樁號為量算依據(jù),下同)區(qū)段,下游南側(cè)河堤7625～7885m區(qū)段,新世紀橋與勝利橋間南河堤8000～8375m區(qū)段,勝利橋下游內(nèi)河堤,寶商大橋與310國道橋間南側(cè)河堤12150～14100m區(qū)段,310國道橋下游南河堤15280～15850m區(qū)段,馬營橋下游北河堤15800～17000m區(qū)段,臥龍寺橋下游0～500m北河堤區(qū)段等,均屬河流頂沖區(qū)段,汛期河堤受洪水威脅嚴重。近年來,鐵路橋上游北側(cè)河堤3000～4000m區(qū)段、勝利橋下游內(nèi)河堤、寶商大橋與310國道橋間南側(cè)河堤12150～14100m區(qū)段、臥龍寺橋下游0～500m北河堤區(qū)段等,每年均發(fā)生不同程度的洪水毀堤事件,經(jīng)濟損失年均7.00×106元。由此可見,橋區(qū)的橫剖面形態(tài)不僅不利于行洪,而且加劇了洪水威脅。2.1.3河道植物的特性最大過水流量是河道行洪能力的標志,各橋區(qū)最大過水流量即為其最大行洪能力。各橋區(qū)最大過水流量由公式(1)計算得知。在用公式(1)計算時,其它因子如前所述,糙率(粗糙系數(shù))n查選天然河流的粗糙系數(shù)表中第二類——大河中相應(yīng)2個系數(shù)中的最小值(①斷面比較規(guī)整,無孤石或叢木,n=0.025;②斷面不規(guī)整,床面粗糙,n=0.035)進行計算,得出兩組各橋區(qū)最大過水流量(表1)。以n=0.025時的各橋區(qū)最大過水流量為理想極大值,以n=0.035時的各橋區(qū)最大過水流量為可能實際最大值。渭河干流寶雞市區(qū)段河道中雖少孤石和叢木,但由于人工建筑、邊(心)灘、河流彎道等發(fā)育,采沙石形成的沙坑、石堆多雜,局部灘地有作物分布,河道糙率現(xiàn)狀更類同于斷面不規(guī)整、床面粗糙、n=0.035的類型。不同糙率值相對應(yīng)的各橋區(qū)最大過水流量見表1。對比各橋區(qū)在河床糙率n=0.025時最大過水流量與林家村水文站多年一遇洪水徑流量,結(jié)果見表2。在河道狀況良好,斷面規(guī)整,無孤石和叢木存在的理想狀態(tài)下:(1)各橋區(qū)最大過水流量均不能承泄100a一遇以上的洪水;(2)各橋區(qū)最大過水流量除新世紀橋略高于50a一遇洪水徑流量29.42m3/s外,其余各橋區(qū)也不能承泄50a一遇洪水;(3)臥龍寺橋區(qū)行洪問題最為嚴重,其最大過水流量對20a一遇洪水也不能承泄,與20a一遇洪水尚差512.83m3/s。對比各橋區(qū)在河床糙率n=0.035時最大過水流量與林家村水文站多年尺度洪水徑流量,結(jié)果見表3。渭河干流河道寶雞市區(qū)段河道復(fù)雜,人工建筑、邊(心)灘、河流彎道等發(fā)育,采沙石形成的沙坑、石堆多雜,局部灘地有作物分布,河道糙率現(xiàn)狀更類同于斷面不規(guī)整、床面粗糙的類型,在仍取該條件下糙率最小值n=0.035時:(1)各橋區(qū)最大過水流量大幅減小,各橋區(qū)均不能安全承泄30a一遇洪水;(2)除新世紀橋區(qū)外,其余各橋區(qū)不能承泄20a一遇洪水;(3)臥龍寺橋區(qū)對10a一遇洪水也不能安全承泄,其最大過水流量與10a一遇洪水尚差237.89m3/s。據(jù)上分析可見,(1)渭河干流河道寶雞市區(qū)段河道橋梁節(jié)點區(qū)段發(fā)生洪水災(zāi)害的風(fēng)險極大,現(xiàn)河道即使在理想狀況下,遇100a一遇洪水,各橋區(qū)必然會發(fā)生潰溢等洪水災(zāi)害事件,遇50a一遇洪水,除新世紀橋外,其它5個橋區(qū)也必然會發(fā)生潰溢等洪水災(zāi)害事件;(2)若以河道的現(xiàn)狀特征而論,河床糙率n至少介于0.025與0.035之間,洪水災(zāi)害風(fēng)險的可能性更為嚴重;(3)考慮到橋區(qū)目前仍在淤高的事實,如若不加人為改造,未來洪水災(zāi)害的風(fēng)險會進一步加大;(4)由表2可知,如果人工疏浚河道,對橋區(qū)節(jié)點區(qū)段加以重點處理,除臥龍寺橋外,在50a一遇洪水發(fā)生時,其余5個橋區(qū)保證不發(fā)生潰溢等洪水災(zāi)害事件還是可以實現(xiàn)的,但100a尺度洪水災(zāi)害的防治就需要系統(tǒng)規(guī)劃,長期治理解決;(5)臥龍寺橋區(qū)洪水災(zāi)害風(fēng)險最大,必須重點加強治理和解決。2.1.4由長期的洪水來源的主要影響鐵路橋、新世紀橋和勝利橋在外河堤之間的河道北側(cè)修建了河堤公園,一方面影響了行洪,另一方面內(nèi)河堤以內(nèi)的最大過水流量大幅度減小,也造成了花巨資修建的河堤公園受洪水災(zāi)害威脅的狀況。對此也同樣通過n=0.025和n=0.035兩種糙率的計算值進一步分析。在河道狀況良好,斷面規(guī)整,無孤石和叢木存在,河床糙率n=0.025的理想狀態(tài)下,各橋段內(nèi)河堤過水流量與多年一遇洪水對比結(jié)果見表4。鐵路橋、新世紀橋和勝利橋內(nèi)河堤以內(nèi)的最大過水流量均遠小于20a一遇洪水;除鐵路橋外,新世紀橋和勝利橋內(nèi)河堤以內(nèi)的最大過水流量也遠小于10a一遇洪水,新世紀內(nèi)河堤以內(nèi)的最大過水流量只能承泄不足50%的10a一遇洪水,勝利橋內(nèi)河堤以內(nèi)的最大過水流量也只能承泄不足66%的10a一遇洪水。河堤公園被洪水淹沖的災(zāi)害概率極大。渭河干流河道寶雞市區(qū)段河道狀況復(fù)雜,人工建筑、邊心灘、河流彎道等發(fā)育,采沙石形成的沙坑、石堆多雜,局部灘地有作物分布,河道糙率現(xiàn)狀更類同于斷面不規(guī)整、床面粗糙的類型,在仍取該條件下糙率最小值n=0.035時,各橋段內(nèi)河堤過水流量與多年一遇洪水對比見表5。鐵路橋、新世紀橋和勝利橋內(nèi)河堤以內(nèi)的最大過水流量均小于10a一遇洪水,新世紀橋內(nèi)河堤以內(nèi)的最大過水流量只能承泄不足35.58%的10a一遇洪水,勝利橋內(nèi)河堤以內(nèi)的最大過水流量也只能承泄不足47.22%的10a一遇洪水;新世紀橋內(nèi)河堤以內(nèi)的最大過水流量尚較2a一遇洪水少85.92m3/s。事實上金渭湖下閘蓄水后,新世紀橋、勝利橋區(qū)段的河堤公園連續(xù)兩年汛期進水,花巨資修建的河堤公園在汛期隨時面臨水毀的威脅。2.2橋段的垂直斷層和洪水安全2.2.1主河槽比降特征由渭河干流中游萬分之一河道圖可以看出,在市區(qū)20km余河段,河道高程縱向變化在橋區(qū)附近均形成了一些轉(zhuǎn)折區(qū),邊灘和心灘區(qū)的轉(zhuǎn)折尤為明顯,主河槽區(qū)轉(zhuǎn)折相對和緩。就河道比降而言總體在橋區(qū)附近趨于減小。林家村至臥龍寺段20世紀80年代平均比降2.74‰,2000年平均比降2.54‰,而2005年實測該段平均比降2.08‰,反映了近25a該區(qū)段河床比降不斷趨于減小,特別是近5a減小更為明顯,這是該段河道泥沙淤積的結(jié)果,而各橋區(qū)因不均勻淤積情況更為嚴重和復(fù)雜。實測各橋區(qū)附近500m區(qū)段主河槽平均比降(取主河槽兩側(cè)臨水外露河床同斷面均值繪制縱剖面圖和求取平均比降)與2000年平均比降關(guān)系見表6。由表6可見,6座橋區(qū)的平均比降均已小于市區(qū)河段平均比降。310國道橋修建最晚,橋區(qū)平均比降為1.97‰,減小幅度最小;鐵路橋雖修建最早,因居于上游,原始比降大,現(xiàn)橋區(qū)平均比降仍為1.81‰,但林家村至橋前1800m處上游區(qū)段平均比降2.56‰,橋區(qū)平均比降仍較之減小了1/4強;馬營橋區(qū)平均比降已減至0.40‰,不足市區(qū)段平均比降的1/6。說明橋梁等河道工程措施會導(dǎo)致建在區(qū)泥沙淤積加劇,河床比降減小,滯緩徑流流速。其影響的量級有待進一步測算。2.2.2橋區(qū)主要結(jié)構(gòu)類型依據(jù)六座橋區(qū)測量數(shù)據(jù)繪制的縱剖面圖顯示,橋區(qū)縱剖面形態(tài)均具有明顯轉(zhuǎn)折,但各橋區(qū)轉(zhuǎn)折點的區(qū)位和形態(tài)特征各異,具體見圖7—12。由圖7—12可知,橋區(qū)轉(zhuǎn)折點的區(qū)位均在橋底中線上、下游200m范圍內(nèi),其中鐵路橋、勝利橋在橋底中線處發(fā)生了明顯轉(zhuǎn)折;馬營橋轉(zhuǎn)折點出現(xiàn)在上游80m處和下游74m處,除主河槽有徑流河床外,緊鄰徑流區(qū)出露的兩側(cè)裸床在上、下游154m范圍內(nèi)河床比降僅0.27‰,且均高出上游146m和下游182m處0.5m;鐵路橋、新世紀橋、勝利橋、馬營橋等橋區(qū)在上、下游250m范圍內(nèi)縱剖面形態(tài)出現(xiàn)了3個以上的轉(zhuǎn)折點;310國道橋、臥龍寺橋各存在一個轉(zhuǎn)折點。橋區(qū)縱剖面轉(zhuǎn)折點密度遠高于無橋區(qū),反映了橋區(qū)水沙平衡狀況和沉積環(huán)境復(fù)雜,具體的水沙環(huán)境與沉積效應(yīng)我們正在進行實驗?zāi)M,尚無準確數(shù)據(jù)。橋區(qū)轉(zhuǎn)折形式可以分為5種類型:(1)緩—降—升型。鐵路橋區(qū)和勝利橋區(qū)屬此類型。鐵路橋在上游200～80m段河床平緩,從上游80m至橋底中線處下降了0.5m,局部比降達6.25‰,從橋底中線至下游200m處又上升了1.3m,局部比降為-6.5‰,橋底中線上、下游縱剖面產(chǎn)生這種變化與橋底恰好是彎道轉(zhuǎn)折區(qū)有關(guān)。勝利橋從上游195m處至橋底比降近乎為0,橋底至下游103m處裸床高程劇降4.46m,局部比降達43.3‰,下游103～200m段裸床高程又抬高了2.06m,局部比降為-21.24‰。勝利橋區(qū)縱剖面的這種劇烈變化主要源于2個原因,一是勝利橋距上游的新世紀橋堤間距僅489.8m,河道狹窄且有彎道發(fā)育,過勝利橋后河道是溯源下切侵蝕區(qū),在金渭湖未修建前有數(shù)處侵蝕階坎,故橋下游比降很大,二是金渭湖修建后泥沙在庫區(qū)迅速沉降,不僅使庫區(qū)比降僅為0.20‰(因金渭湖仍有部分蓄水,僅實測了南河堤附近河床比降),而且使2個主河槽間的心灘迅速發(fā)育并上溯,故橋下游103～200m段裸灘高程反升,這種態(tài)勢在金渭湖排洪拉沙成效不明顯的背景下更會加速發(fā)展。以建湖至今的沉積速率為據(jù),預(yù)估到2010年前后,心灘將上延至勝利橋底。(2)降—升—緩型。新世紀橋區(qū)呈此縱剖面形態(tài)。新世紀橋上游200～95m處,主河槽兩側(cè)臨水裸床平均下降0.9m,局部比降8.57‰,此與彎道侵蝕有關(guān);橋上游95m至橋下游100m處,裸床高程抬升1.3m,局部比降-6.67‰,再向下游比降在0.3‰以內(nèi),這是新世紀橋與勝利橋區(qū)間沉積旺盛的結(jié)果。(3)橋區(qū)緩升型。310國道橋區(qū)屬此類型。310國道橋上游166m至下游68m段裸床高程升高1.4m,局部比降為-5.98‰,橋下游68m以下比降為5.15‰,這是上、下游2個彎道轉(zhuǎn)折沖淤不平衡所形成。(4)淤高型。馬營橋?qū)俅祟愋?。馬營橋區(qū)總體比降僅0.40‰,橋上游80m至下游74m段裸床高于上、下游裸床,雖然上游80m處僅高于下游182m處0.75m,但橋底上、下游80m范圍內(nèi)呈淤高態(tài)勢已十分明顯,反映了橋底沉積旺盛。(5)升降型。臥龍寺橋區(qū)屬此類型。臥龍寺橋上游184～96m段裸床高程增高,局部比降