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1、-！-精品文档，值得下载，可以编辑！-！-黄河游荡性河段浮桥建设对河势变化和防洪影响探讨李永强 刘筠 张靖（河南黄河勘测设计研究院 河南郑州，邮编450003）摘要：随着经济发展和黄河下游两岸交通的需要，浮桥建设已逐步由黄河下游弯曲型河段发展到游荡性河段。本文以封开黄河浮桥为例，分析了浮桥建设可能带来的壅水、水流流速变化以及河段水流挟沙能力的变化，探讨了浮桥建设对河势演变、滩区及河道防洪的影响，为今后在游荡性河段修建浮桥在选址和工程布置设计提出了较为科学的理论依据。关键词： 黄河 游荡性河段 浮桥 河势 防洪1 黄河下游游荡性河段浮桥建设的开展近年来，随着黄河下游两岸经济发展，仅靠国道及省道的
2、连接已不能满足两岸群众对加强两岸经济、生产和生活联系的要求。修建浮桥，连接两岸县甚至乡干道成为现有交通工程的重要补充措施，目前，仅黄河下游山东段，已陆续修建浮桥达51座之多。这些浮桥的建设，有力地缓解了两岸交通的需要，同时，浮桥建设管理者也取得了较好的经济效益。面对同样的交通需要，2000年以后，浮桥建设逐渐发展到黄河下游上段游荡性河段。这几年来，在郑州、开封和濮阳段均开始了浮桥建设。然而，由于游荡性河段河道演变规律的特殊性，以及近年来黄河下游部分浮桥附近河段畸形河势的不断发展，人们开始更加关注浮桥建设的开展以及其建设对河段河势和防洪的影响。因此，研究浮桥建设后河段水流变化情况、河势变化以及可
3、能对防洪施加的影响，对今后浮桥建设的开展以及游荡性河段的河道整治，都能提供积极、科学的理论依据。这里，以封开黄河浮桥为例，来研究浮桥建设对防洪以及河势变化可能带来的影响。2 封开黄河浮桥简介封开黄河浮桥修建于2003年2月，通车于2004年3月。该桥从南岸黄河大堤K87+980起，经800m高滩，1250m低滩，90m嫩滩至主河槽。北岸自K168+800处进入黄河滩区，经2000m防汛路至大宫控导工程，后经大宫控导工程1415坝坝裆向南，经1000m高滩、300m低滩和107m嫩滩至主槽（图1）。浮桥所处河段河槽宽度690m，主流平均深4m。浮桥长度总长880m，架设在嫩滩和主河槽之上，每节长
4、度20m，共44节。浮桥所用承压舟舟体长21.38m，单舟长4.3m，设计吃水深1m。浮桥处南岸滩地平均高程80.80m，设计路面超出滩面高程0.5m，即81.30m。北岸滩地平均高程80.90m，设计路面超出滩面高程0.5m，即81.40m。引道宽15m，泥结石路面。图1 封开黄河浮桥位置示意图3 黄河下游游荡性河段河道整治措施介绍黄河下游河道整治采用的微弯型整治方案。图2是顺河街至古城河段规划治导线图。从图2可以看出，微弯型整治方案采用一岸控制，仅在凹岸弯道修建工程。黄河下游河道整治设计神堤以下游荡性游荡性河段河道整治河宽为1000m，排洪河槽宽度为2.02.5km。根据黄河近期重点治理开
5、发规划（概要）和黄河下游游荡性河道河势演变机理及整治方案研究总报告总报告研究成果，黄河下游河道整治一个很重要的目的就是稳定流路。这里，稳定流路就是通过完善河道整治布置，使主流在工程的作用下，利用水流自身的能量，塑造出一条合理的流路。这样的流路应与规划治导线基本一致。图2 顺河街古城河段规划治导线图4 浮桥建设对水流条件影响分析4.1 河段概化为分析浮桥建设对桥位河段水流条件的影响，将桥位河段的断面尺寸概化为矩形断面进行分析。封开黄河浮桥共44节，每节长度20m，浮桥总长880m。因此，这里将河槽宽度概化为880m。在封开桥位的上下游河段，布设有黑岗口、聂庄、荆隆宫、高朱庄、柳园口、丁庄、樊庄、
6、王庵八个测验断面。根据2006年汛前这些断面的河槽平均河底高程绘制的河床比降，该河段河槽河床平均比降约为0.00016。在确定桥位河段的平均比降后，根据桥位河段测验大断面的断面数据资料、测验时的水位以及测验时夹河滩水文站的流量，计算了各测验断面的主河槽糙率。桥位河段的主河槽糙率在0.0110.036间变化，大多数断面的主河槽糙率为0.013，河段的平均主河槽糙率为0.018。为安全考虑，主河槽糙率选用0.018。4.2 壅水计算根据黄河下游河道来水特点及浮桥运用方式，以下对浮桥在四个不同流量级（500m3/s、1000m3/s、2000m3/s、4000m3/s）下的水流条件变化情况进行分析。
7、A 未修建浮桥时水流条件根据对桥位河段断面的概化结果以及河床比降、河槽糙率的分析，采用曼宁公式，计算了桥位处未修建浮桥时不同流量下的水深和流速，见表1。表1 桥位处建桥前平均水深和流速流量（m3/s）河宽B（m）河床比降J河槽糙率n (s/m1/3)平均水深H（m）平均流速V（m/s）5008800.000160.0180.88 0.65 10008800.000160.0181.33 0.85 20008800.000160.0182.02 1.12 40008800.000160.0183.07 1.48 B 壅水高度由于浮桥的船体占用部分行洪面积，对水流流态造成一定的干扰作用，使浮桥上游
8、形成局部水位壅高，壅水计算采用铁路桥涵勘测设计规范推荐的桥前壅水计算公式： (1)式中：桥前最大壅水高度；系数，根据浮桥阻挡流量和设计流量的比值确定，这里；为浮桥修建前断面平均流速；为浮桥修建后桥下平均流速。浮桥长21.38m，宽4.3m，设计吃水深度1.0m；因此单个船体的阻水面积为4.3m2。根据浮桥的船体数量，计算其总的阻水面积，进而估算桥位处因浮桥阻水造成的壅水高度。计算结果见表2。 表2 桥位处壅高、壅水范围及浮桥冲高计算结果表流量Q（m3/s）河宽B（m）平均水深H（m）建桥前平均流速V（m/s）壅水高度(m)壅水范围（m）冲高(m)5008800.880.650.0182230.
9、16010008801.330.850.0182300.20420008802.021.120.0192420.27140008803.071.480.0202520.372C 壅水范围壅水范围采用铁路桥涵勘测设计规范中壅水曲线长度的近似公式估算： (2)式中：壅水曲线全长；壅水曲线最大高度；桥址河段天然水面比降，这里为0.00016。经计算，不同流量下的壅水范围见表2。D 船体前水流冲高计算船体冲高采用桥涵水文提供的下式计算： (3)式中：船体冲高（m）; 船体前行近流速（m/s）。将有关参数代入，的计算结果如表2所示。E 桥前壅水高度计算由于船体间距相对较小，船体冲高对桥前的壅水高度影响很
10、大。根据现场观测分析，对桥前壅水高度的确定，我们采用“壅水高度值船体冲高/2”的计算结果。表3为计算结果与实测结果的对比情况，可以看出，计算结果与实际基本一致。表3 桥位前壅水高度计算结果流 量 (m3/s)500100020004000壅水高度（计算/实测，m）0.098/0.050.120/0.090.155/0.190.2064.3 流速变化由于桥位前壅水的影响，相同流量下水深增加，断面平均流速减小。表4为根据相应流量级下的最大壅水高度计算的断面平均流速变化情况，可以看出，流速减小约6.1%10.6%。表4 桥位前建桥前后平均流速和挟沙能力变化计算结果表流量Q（m3/s）河宽B（m）建桥
11、前平均水深（m）建桥前平均流速（m/s）建桥后平均水深（m）建桥后平均流速（m/s）流速减小百分比(%)挟沙能力减小百分比(S1-S2)/S1(%)5008800.88 0.65 0.9780.5810.633.310008801.33 0.85 1.4500.787.825.420008802.02 1.12 2.1751.046.722.140008803.07 1.48 3.2761.396.320.74.4 行洪影响计算根据黄河下游河道整治工程的规划的行洪河道，一般的，我们定义一处控导工程至对岸两相邻控导工程的连线（上游控导工程的最下首坝至下游控导工程上首坝的连线）作为该处河道的行洪河
12、宽。据此，封开浮桥段河道有效行洪宽度为3070m。在假定主槽平滩流量4000m3/s的情况下，计算不同洪水流量级下同流量下水深的变化见图3。这里，假定在这种洪水情况下所有浮桥全部撤离到河道行洪区以外，不再对现行河道行洪造成影响的情况下，计算引道对洪水的影响。 图3 有、无引道情况下河道断面平均水深图4.5 水流挟沙力变化水流挟沙能力可用下式表示： (4)式中，为泥沙单宽流量（m2/s），为流速（m/s），、为系数。根据实测资料分析，对黄河下游，值约为3.61。由此计算的不同流量下水流挟沙能力的减小幅度见表4。从表中可以看出，水流挟沙能力减小较多，尤其是对小流量水流，挟沙能力可减小三分之一，这将
13、大大影响水流的输沙效率（黄河下游大部分时段是小流量过程）。4.6 河床纵向变形分析本项研究使用Lanes2平衡方程来分析浮桥建设可能引起的河床变形。Lanes平衡方程可表示为： （5） （6）根据以上的分析数据，假定建桥前河床处于平衡状态，建桥后流量、河宽、床沙粒径不变，但由于流速减小，水流挟沙能力减小，因此建桥后在河床达到平衡状态时，根据式（5），水深要增大；根据式（6），河床比降要减缓。对黄河下游，3.6；我们用下标1表示每个参数建桥前的平衡情况，下标2表示建桥后每个参数的平衡情况；我们初步计算了桥位建设可能引起的河床变形（水深和河床比降的变化）数值，计算结果见表5。表5 建桥后河床变形数
14、值流量（m3/s）挟沙能力变化（）建桥前平均水深（m）建桥后平衡状态下水深（m）建桥前平均比降建桥后平衡状态下比降5001.500.880.9850.000160.0001110001.341.331.4430.000160.0001320001.282.022.1650.000160.0001340001.263.073.2750.000160.000135 浮桥建设可能对河势变化的影响分析5.1 浮桥断面固定对河势变化的影响众所周知，黄河下游游荡性河段河势游荡，主流在控导工程范围内来回迁移。尽管随着河道整治工程建设的开展，主流不在直接顶冲大堤，被有效的束缚在河道内。然而，由于工程布设仍不健
15、全、河道来水来沙条件的变化以及人们对黄河自然演变规律认识的局限性，不少河段河势仍处于不断变化之中。为稳定河势，避免形成“横河”不利河势，黄委对黄河下游游荡性河段的河道治理做了大量的研究，并在研究的结果上认真规划了今后的河道整治布局。按照此布局方式，黄河下游游荡性河段仍采用微弯型方案进行治理。我们仍以封开浮桥为例，封开浮桥位于顺河街至古城段河段之间，规划的自上而下河道的河势流路为顺河街（北岸）柳园口（南岸）大宫（北岸）王庵（南岸）古城（北岸）府君寺（南岸）曹岗（北岸）。目前，大宫工程靠河不好，主流撇开大宫工程而下。该河段河势与规划流路相差较远。为河势向规划流路发展，近几年内，先后对黑岗口下延工程
16、进行了续建，顺河街工程进行了完善，并规划了柳园口下延工程。由于这些工程都是在近几年之内修建或即将建设，因此。该河段河势目前仍处在不断的调整之中。很显然，随着黑岗口下延工程的建设，其送溜能力将得到逐步提高，这样，顺河街工程将会逐步充分其导溜送溜的作用。一旦顺河街工程能充分发挥其控制河势的作用，柳园口将会逐渐靠河。随着柳园口下延工程的建设，大宫古城河段不利河势现象将逐步得到彻底根除，主流流路被控制到设计的规划流路上。然而，封开浮桥为浮桥自身的安全，对浮桥两岸进行了加固。加固的两端类似对口丁坝的坝头，在小水情况下，势必限制了河道的横向变形。在这种情况下，即使柳园口靠河并且有足够的送溜能力保证主流送向
17、大宫方向，然而，由于浮桥的作用，其下游大宫王庵河段的河势流路仍难以得到保证，这也必然对王庵以下的河段的河势造成不利的影响。也就是，我们平常知道的“一弯变，弯弯变”由于受到固定节点的作用，而遭到限制，河势的在控导工程作用下以其达到的演变将会被破坏。5.2 对工程以及滩区安全的影响分析根据4.2壅水计算结果可以发现，浮桥在各种流量级下造成的壅水高度都很小，在1.72.0cm之间；壅水范围也较短，约220m250m。在小水期间，浮桥不会因壅水对上游两岸滩区造成很大的不利影响。然而，据5.1分析，浮桥两端固定的河岸形成了类似对口丁坝的两个坝头，这两个固定的节点限制了河道的横向变形。当这两个固定的节点距
18、规划流路有较大的差距时，一方面，这种现行的流路容易使主流脱离控导工程的控制，另一方面，浮桥的阻水损失了水流的部分能量，使得主流流向下游工程的动力不足，同时主流散乱，容易在浮桥的下游产生畸形河势。这种情况的不利影响结果使得浮桥下游滩区在小水和大水各种情况下，均可能因主流直接冲向滩区而危及滩区群众的生产、生活安全以及下游工程的自身安全。同时，根据4.4洪水影响分析结果，很明显，在洪水流量情况超过6000m3/s条件后，有无引道的两种不同工况时同流量水深相差约20cm。这意味着滩区浮桥引道阻水使得滩区群众在较小的流量状况下，可能提前遭遇洪水围困。也还可以理解为，同流量情况，滩区淹没深度增加了20cm
19、。5.3对河床横向变形影响关于河床横向变形能力的理论和经验研究成果较少，根据Hickin和Nanson的研究成果，河床横向坍塌速度与河弯半径和河宽有关，当时，河床横向坍塌速率最大。在其它情况下，可表示为： （7）对于，存在如下的经验关系： ，； （8） ， （9）对于，存在如下经验关系： (10)式中为水流总功率，为5年一遇流量；为平均水深，为河岸强度系数。根据4.6节的计算成果，建桥后平衡状态下水深增加，河床比降减缓，因此河岸的最大坍塌速度减小，也就是说，河床横向变形能力减小，河势调整速度将放缓。表6为有关的计算成果。表6 河岸横向变形能力变化流量（m3/s）建桥前后水深比值（）建桥前后比降
20、比值（）水流总功率变化（）河岸坍塌速度变化（）5001.12 0.690.690.6110001.08 0.810.810.7520001.07 0.810.810.7640001.07 0.810.810.766 结论和建议6.1 结论根据以上分析，我们可以得出以下结论： 小水情况下，因浮桥修建而产生的壅水范围较小，壅水高度不大，因此产生的防洪影响不大。 浮桥上游河段的河道挟沙能力有所下降，其最终可能导致上游段河道变缓，因此河岸的最大坍塌速度减小，也就是说，河床横向变形能力减小，河势调整速度将放缓。 浮桥修建的位置直接关系到其建设对河势变化的影响程度。浮桥的左右岸在小水期间形成的固定节点应与
21、现行规划治导线一致，考虑其左右岸固定节点与规划流路的符合性，而不能仅考虑现行流路。如果上下游河势变化，应及时变化左右岸起始点位置，以适应河势变化需要。 在行洪河道内引道的高度直接影响到大洪水期间行洪河槽的过洪能力。一方面，在小水的时候可以导致漫滩，另一方面，在同样的流量下，增加了滩地淹没的深度。6.2 建议根据有关规定，滩区道路高程允许范围在不高于当地滩面0.5m。然而，根据水利计算结果，在主河道行洪断面上，这种滩区道路的建设，将对主河道行洪有很大的不利影响，同时，也直接危害到了当地滩区群众的防洪安全。建议在河道主行洪断面上的道路高程应降低至与滩面平或略高于滩面高程。浮桥的位置直接影响到了未来
22、河势的演变。因此，在浮桥的选址时一定要结合河段的规划进行，而不是仅考虑目前的实际河势流路，避免给浮桥建设者带来不必要的经济损失。以上的洪水行洪的分析计算中，都是考虑了在洪水来临之前，浮桥得到了彻底的拆除，而没有考虑因各种原因浮桥未及时拆除可能带来的不利影响。建议浮桥管理单位一定要与当地河务部门保持密切联系，在洪水来临之前，彻底拆除浮桥，避免带来不必要的经济损失。参考文献：1Li Yongqiang(2007), River Training to Increase Sediment Transport in the Lower Reaches of the Yellow River (MSC学
23、位论文),UNESCO-IHE2Klaassen,G.J.(1995),Lanes balance revised, In: Management of sediment, Philosophy, aims and techniques, Proc. 6th Int. Symp. River Sedimentation, New Delhi, Eds. C.V.J. Varma & A.R.G. Rao, Central Board of Irrigation and Power, India, pp.671-686DISCUSSION ON EFFECT OF FLOAT BRIDGE BU
24、ILDING ON WANDERING REACHES OF YELLOW RIVER ON RIVER REGIME CHANGE AND FLOOD CONTROLLi Yongqiang Liu Yun Zhang JingHenan Yellow River Reconnaissance Design and Research InstituteAbstract: With economic development and increasing demand of transportation on the lower Yellow River, float bridge buildi
25、ng has gradually moved from the curved reaches to the wandering reaches of lower Yellow River. Taking the Feng-Kai Yellow River Float Bridge as an example, this paper analyzes the backwater, change in flow velocity and silt carrying capacity of flow in the reaches that might be brought about by floa
26、t bridge building, and discusses the effect of flow bridge building on river regime evolution, floodplain and channel flood control, thus provides scientific theoretical basis for float bridge building on wandering reaches in terms of site selection and project layout design.Key Words: Yellow River;
27、 wandering reaches; float bridge; river regime; flood control1 Recent Years Float Bridge Building on Wandering Reaches of Lower Yellow RiverIn recent years, with economic development on both banks of the lower Yellow River, only relying national and provincial highways cannot satisfy the masses need
28、 to intensify both banks connection in economy, production and life. Building float bridges to connect county roads, or even rural roads, of both banks has become an important supplement to the existing transport works. So far, within Shandong Province on the lower Yellow River, as many as 51 float
29、bridges have been built. These bridges have energetically alleviated both banks transport pressure, and at the same time brought good economic benefits to the builders and managers of the bridges.Due to the same transport need, since the year 2000, float bridge building has gradually moved to the up
30、per wandering reaches of the lower Yellow River. In recent years, float bridge building has been launched on reaches of Zhengzhou, Kaifeng and Luoyang. However, since the pattern of wandering channel evolution has its particularity, and since the ceaseless going-on of abnormal river regime near some
31、 float bridges on the lower Yellow River, people began to pay more attention to the effect of float bridge building on the river regime and flood control. Therefore, studying the change in water flow and river regime, and the possible effect on flood control following float bridge construction can p
32、rovide positive and scientific basis for the future float bridge construction and training of wandering reaches. In this paper, we will take the Feng-Kai Yellow River Float Bridge as an example to study the possible effect of float bridge construction on flood control and river regime change.2 Brief
33、 Introduction of the Feng-Kai Yellow River Float BridgeThe Feng-Kai Yellow River Float Bridge began to be built in February 2003 and was open to traffic in March 2004. Starting from K87+980 of south dyke of the Yellow River, the bridge crosses 800 m high floodplain, 1250 m low floodplain, 90 m new f
34、loodplain, and reaches the main channel. On the north, it enters the floodplain of the Yellow River at K168+800, runs across 2000 m flood control road to the Dagong Control works, then runs southward between the 14# and 15# groynes of the control works, across 1000 m high floodplain, 300 m low flood
35、plain and 107 m new floodplain and gets to the main channel (see Fig. 1). The channel of the reach where the bridge is located is 690 m wide, and the main flow is 4 m deep in average. The float bridge is 880 m long in total and runs over the new floodplain and the main channel, and is composed of 44
36、 sections, each section being 20 m long. The body of the bearing boat of the bridge is 21.38 m long, and single boat length is 4.3 m, with design draft of 1 m. Where the bridge is, the average elevation of the south floodplain is 80.80 m, and the design road is 0.5 m higher than the floodplain eleva
37、tion, namely 81.30 m; the average elevation of the north floodplain is 80.90 m, and the design road is 0.5 m higher than the floodplain elevation, that is, 81.40 m. The approach road is 15 m wide, with stone road surface.Fig. 1 Location of Feng-Kai Yellow River Float Bridge3 Introduction of Training
38、 Measures of Lower Yellow River Wandering ReachesFor the river training of the lower Yellow River, the slight-bend scheme is adopted. Fig. 2 shows the planned regulation line of the Shunhejie-Gucheng reach. It can be seen from Fig. 2 that the slight-bend scheme uses single-bank control, that is, wor
39、ks are only built at the bends of the concave bank. In the design of river training of the lower Yellow River, downstream of Shendi, the wandering reaches river training width is 1000 m, and the flood discharging channel is 2.0 2.5 km wide. According to Program for Recent Key Yellow River Control an
40、d Development (Outline) and the study result of General Report of Study on River Regime Evolution Mechanism and Control Scheme of Lower Yellow River, an important object of lower Yellow River training is to stabilize the flow route. Here, stabilizing the flow route means that, through improved contr
41、ol works layout, the main flow, with the act of the works, uses its own energy to shape a reasonable flow route. Such a flow route should be basically consistent with the planned regulation line. Fig. 2 Planned regulation line of Shunhejie-Gucheng reaches4 Analysis of Effect of Float Bridge Construc
42、tion on Flow Condition4.1 Reach GeneralizationFor analysis of the effect of float bridge construction on flow condition in the bridge site reach, the cross section of the bridge site reach is generalized to rectangular section. The Feng-Kai Yellow River Float Bridge is composed of 44 sections, each
43、20 m long, and the bridge is 880 m long in total. Therefore, the channel width is generalized to 880 m.Upstream and downstream of the Feng-Kai Bridge there are 8 measuring sections: Heigangkou, Niezhuang, Jinglonggong, Gaozhuzhuang, Liuyuankou, Dingzhuang, Fanzhuang and Wangan. According to the bed
44、gradient drawn based on the average bed elevation of these sections before the flood period of 2006, the average bed gradient of the reach is about 0.00016. After the average gradient of the bridge site reach was determined, the main channel bed roughness at each measuring sections was calculated ac
45、cording to the data of large measuring sections of bridge site reach, stage at the measuring time and the discharge at the measuring time at Jiahetan Hydrological Station. The roughness of the main channel of the bridge site reach ranges from 0.011 0.036, with main channel roughness being 0.013 at most sections, and the average main channel roughness of the reach is 0.018. For safety consideration, 0.018 was selected as the main channel roughness.4.2 Backwater CalculationAccording to the char