大准增二线黄河大桥对防洪及防凌影响评价分析

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1、http:/ - 1 -大准增二线黄河大桥对防洪及防凌影响评价分析大准增二线黄河大桥对防洪及防凌影响评价分析 张晓雷1，张凤燃2 1华北水利水电学院水利学院，郑州 (450011) 2黄河水利科学研究院水资源研究所，郑州 (450003) E-mail： 摘摘 要：要： 本文对修建大准增二线黄河大桥前后不同频率洪水以及正常发电流量进行河段水面 线计算，得到桥梁上游的壅水程度，以此分析桥梁对防洪和防凌的影响；根据黄河内蒙古河 段已建工程下游的冰凌情况以及大准增二线黄河大桥上下游河段冰情的变化， 分析了大桥对 本河段冰盖的形成和流凌下泄产生的影响。 关键词：关键词：防洪，影响评价，防凌，黄河 1.

2、 引言引言 大准增二线（大同准格尔旗二线铁路）黄河特大桥位于内蒙古自治区清水河县境内，距下游大准线黄河铁路桥 30m，桥址河段属黄河中游上段，下距万家寨水库大坝 57.2km，上距拐上断面 14.9km，距黄河上中游分界处的河口镇 46.8km，距头道拐水文站 56.6lm。该河段冰期长达四、五个月之久，河段气候条件及河道特性，使得黄河上游冬季流凌封冻由内蒙古段溯源而上，春季开河则由上而下。由于黄河上游内蒙古河段封冻是自下而上，在下游封冻以后，上游仍有大量冰花产生，这些冰花顺流而下，若遇盖面冰花下潜、堆积，容易形成冰塞，造成河段水位抬高。春季开河时，又是自上而下的解冻开河，常常是上游洪峰强行鼓

3、裂下游河段的冰层， 造成“武开河”局面， 若再遇弯浅滩及尚未解冻的河段， 极易卡冰结坝，导致其上游水位猛涨，决口成灾。 另外，下游万家寨水利枢纽修建前，头道拐至大坝前河道冰凌顺利下泄，封河期不产生冰塞阻水， 开河期不产生冰坝险情， 没有凌汛灾害发生。 万家寨水库建成后， 由于水库蓄水，水面比降仅有 1 ，库区回水末端流速很小，500m3/s 流量时的流速仅有 0.17m/s 左右，输冰能力小，具有阻冰作用，容易卡冰，流凌封河时容易形成冰塞，开河时容易形成冰坝。万家寨水库修建后由于桥址上游 3km 附近的牛龙湾处有一“S”型弯道，加上该段有浑河入口及铁路桥，由于弯道与桥墩的阻冰作用，冰凌在此下泄

4、不畅，极易形成卡冰结坝，形成壅水，造成凌汛危害1。 2. 防凌影响评价防凌影响评价 2.1 库区及桥位河段凌汛概况库区及桥位河段凌汛概况 （1）流凌封河期 河道中的冰花漂浮在水面随水流输向下游， 当水面流凌密度达到一定程度后， 受两岸边壁阻力影响，冰花阻塞形成冰桥，进而形成冰塞。冰花阻塞形成冰桥与水面流凌密度和水流流速有关。水流流速小，较低的流凌密度即可形成冰花阻塞。反之，水流流速大，水面流凌密度需达到一定程度才能形成冰花阻塞。在天然河道中，冰花阻塞一般发生在弯道、卡口及复式断面滩地水深较小地方。 万家寨水库投入运行以后，坝址处河道水位壅高 50m 以上，形成的回水区水流流速显著减小。水流进入

5、回水末端后，流速骤减，水面冰花密度急剧增加，形成插堵，后续入库冰花受插堵冰花阻挡堆积体向上游发展。 入库冰花在冰花堆积体末端分为两部分： 一是由于水http:/ - 2 -流流速较大，水流弗汝德数大于 0.12，冰花下潜随水流向下游运动 ，进入回水区后，水流挟冰能力降低，冰花附着在冰盖底部，侵占过水面积，阻塞水流，形成冰塞；再有一部分不下潜，浮于水面向上游平铺延伸。在冰花向上游平铺延伸过程中，堆冰末端下游冰花覆盖的河段，覆盖的冰花也处于不断调整过程当中。 （2）开河期 开河期冰坝垮坝主要有三种因素共同作用的结果。上下游水位差产生较大的水头压力、上游来流量加大和适时降低库水库等。 降低库水位，

6、对回水末端河段及以下冰面具有一定影响，随着库水位的降低，库尾冰面也随之迅速降低。降低库水位可以使回水末端堆冰破碎，同时库尾河段比降增大， 回水末端的冰体随着水位的下降而下移， 也有利于库尾以上河道来冰进入库中。 分析 19982004 年万家寨库区历年凌汛情况，库区凌情非常复杂，封河期受库水位变动（主要指水位降低）的影响，库区变动回水段会出现平封、立封交替出现的河段。历年冰塞、 冰坝位置一般出现在红河口以下近 10km 的河段内， 以水泥厂附近壅水最为严重， 冰塞、冰坝最大壅水高度为 6.5m，水泥厂多次出现凌灾。 （3）库区河段防凌对万家寨水库运用要求 从 19982005 年度的防凌渡汛情

7、况看，在适当的时机降低库水位，对冰塞、冰坝解体、冰凌入库具有明显的促进作用。因此必须根据上游来冰情况，槽蓄水量释放情况，掌握时机降低库水位运用。万家寨水库运用，使得万家寨库区建库前后凌情发生了很大改变，库区出现封河，冰塞冰坝险情增加。目前凌汛已严重影响到移民的安全与当地生产的发展，考虑到冰凌的复杂性和库尾段泥沙的淤积， 对凌汛仍需进一步观测和研究。 根据近年的凌汛情况和2003 年库尾二期移民工程的实施， 表 1 给出了 20012005 年度凌汛期黄河防总允许万家寨水库运行水位。 表 1 20012005 年万家寨凌汛期运行水位 单位：m Tab.1 The operating level

8、at flood period in Wanjiazhai reservoir from 2001 to 2005 unit:m 年度 封河期 稳定封河期 开河期 20012002 960 965 955 20022003 962 968 960 20032004 966968 970973 960 20042005 968970 970973 960 2.2 对万家寨冰凌的认识对万家寨冰凌的认识 （1）万家寨水库修建后，改变了库区河道天然状态。在凌汛期使拐上至坝址多年不封河的河段封河，在封、开河期分别形成冰塞、冰坝2。 （2）从 19982004 年七年度凌汛看，封河发展期在水库回水末端易形

9、成冰塞。凌汛期形成冰塞、冰坝的位置一般在红河口三道塔近 10km 河段。包括水库蓄水位、地形条件、丰准铁路桥等综合因素影响在内，形成冰塞、冰坝后最大壅水高度达 6.5m。 （3）冰塞、冰坝形成与解体除与来流（包括来冰）条件和局部边界条件有关外，适时降低库水位对库区减轻凌汛灾害具有促进作用。 http:/ - 3 -（4）随着水库运用，库区泥沙不断淤积，达淤积平衡状态后，库区河道纵比降明显变缓（天然比降 10.6?, 淤积后设计平衡比降 2.5?），回水段及库尾段的泥沙淤积河床抬升有可能对防凌带来不利。 3 凌期壅水计算凌期壅水计算 凌期壅水计算一般包括冰塞壅水计算和冰坝壅水计算， 冰塞壅水一般

10、易于在封河期形成壅水，冰坝一般易于在开河期形成壅水。因此，凌期壅水计算分为封河期的冰塞壅水计算和开河期的冰坝壅水计算。 3.1 封河期冰塞壅水计算封河期冰塞壅水计算 3.1.1 冰塞壅水计算方法冰塞壅水计算方法 由于冰塞是大量冰花在封冻冰面以下堆积， 堵塞部分过水断面， 从而形成上游水位壅高的一种冰凌现象，因此，冰塞的形成是从卡冰封河开始。冰塞的形成主要取决于河道条件、水力条件和热力条件等复杂因素， 计算冰塞壅水需要系统全面的实测资料， 但往往由于受实测资料的限制不具备对冰塞形成的计算。1998 年万家寨水库建成投入运用以来，在凌期对库区水文、 气象及河道等方面的资料进行了连续观测， 积累了一

11、些比较全面系统的实测资料，因此万家寨水库冰塞计算具备了条件。 大准增二线铁路桥位于万家寨水库回水末端， 是 1998年以来冰塞发生最严重的河段， 可以采用万家寨水库的冰塞计算方法分析大准增二线铁路桥的冰塞壅水位。 万家寨水库冰塞计算主要依据水力学原理， 根据冰塞体的形状， 将冰塞体概化为一直梯形。具体计算公式为： 综合糙率计算： 3/22/32/3 )2(nnib cpn+=36.035.0 71.0BQV =水力半径： 2HR 曼宁公式： 2/13/21jRnVcp=计算比降： 3/422)2(HVjncp=各断面高程由下式递推： iiiiijDDGG+=+)(11冰量计算公式为： 4/ )

12、()()(1111iiiiiiiiDDBBKKWW+=+式中 Q稳定冰塞期流量，sm /3；H平均水深，m；B畅流水面宽； cpn综合糙率；bn河床糙率；in冰盖底部糙率；V平均流速，sm/； R水力半径，m；j冰塞水面比降；G冰面水位，m；D断面距坝距离， m； W冰量，3m；K冰塞厚度，m。下标i为断面序号。 http:/ - 4 -3.1.2 冰塞壅水计算冰塞壅水计算 大准增二线铁路桥修建后， 影响桥位造成桥位以上河段冰塞壅水的主要原因有两点： 一是万家寨水库回水末端形成冰塞堆积上延的影响； 二是丰准铁路桥和增二线铁路桥缩小过流断面产生的附加影响。 关于万家寨水库回水末端冰塞堆积的影响，

13、 可以采用上述封河期冰塞壅水计算方法进行计算，铁路桥的附加影响可以按照 1998 年以来万家寨水库投入运用以来实际观测的冰塞情况类比分析壅水高度。 （1）万家寨水库壅水计算2 万家寨水库回水末端的位置取决于万家寨水库的凌期起调水位，水库不同的起调水位，其回水末端位置不同。起调水位越高，回水末端越靠上游。通常情况下冰塞是在回水末端形成，然后向上游发展，所以回水末端越靠上游，相同冰量条件下，冰塞体位置越靠上，则冰塞壅水范围越靠上游，造成灾害的可能性就越大。万家寨水库冰塞壅水计算的条件如下： 1）根据黄河万家寨水库凌汛期运用方式研究成果7、8、11，将来冰量分为四个等级， 即 1000 万 m3、

14、2000 万 m3、 3000 万 m3、 4000 万 m3。 将封河流量分为三个标准 450m3/s、600 m3/s 和 700 m3/s。在对大桥进行防凌影响评价时，考虑万家寨水库最不利的来冰量和封河流量组合进行分析计算，即采用的来冰量为 4000 万 m3、封河流量为 700 m3/s。 2）冰塞形成位置确定。冰塞形成的位置主要取决于水库的回水末端的位置，根据黄河万家寨水库凌汛期运用方式研究 成果， 当坝前水位为 960m 时， 其回水末端在距坝 45km的右窑沟沟口（49）附近；当坝前水位为 970m 时，其回水末端在距坝 57km 的大准黄河铁路大桥（57）附近；当封河发展期库水

15、位采用原设计运用方式的 975m 水位，其回水末端在在距坝 61.5km 的下塔村（60）。在对大桥进行防凌影响评价时，分别计算坝前水位为 960m、970m 和 975m 时的冰塞水位。 按照上述冰塞壅水计算方法和计算条件，计算冰塞壅水位见表 2。 表 2 万家寨水库不同坝前水位时冰塞段冰面水位计算成果表 单位：m Tab.2 Calculated ice surface level of different water level before Wanjiazhai reservoir unit:m 项目 坝前水位 铁路位（WD57） 水泥厂（WD61） 公路桥（WD64） 拐上（WD65） 960 976.27 981.35 983.99 984.27 970 975.72 982.97 985.51 985.65 无桥情况下 975 984.02 987.73 988.21 960 977.39 983.78 984.30 985.78 970 977.07 983.46 986.76 986.99 有桥情况下 975 984.02 987.73 988.21 （2）大准增二线铁路