梁貴生 謝永勇 吳小爽 梁恒

摘要：根據(jù)青銅峽黃河鐵橋加固維護工程在不同頻率下的設(shè)計洪峰流量及設(shè)計洪水位，分析了工程完工后的壅水高度及長度。結(jié)果表明：百年一遇洪水時橋位處的壅水高度為0.38m，壅水長度為1520m，會對青銅峽水文站水位、流速、流量、泥沙測驗以及水文測驗安全等產(chǎn)生一定影響。為盡可能降低今后對水文監(jiān)測的影響，需開展相關(guān)比測試驗工作。同時，為消除或減輕工程的不利影響，提出了相應(yīng)的補救措施。

關(guān)鍵詞：水文監(jiān)測；壅水；黃河鐵橋；青銅峽水文站

中圖分類號：P333；TV882.1

文獻標志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2018.08.006

為滿足青銅峽水利樞紐T程建設(shè)和寧夏回族自治區(qū)交通運輸?shù)男枰?958年11月開工建設(shè)了青銅峽黃河鐵橋，1959年7月1日建成通車，橋長292.3m。受當(dāng)時施工技術(shù)條件限制，施工時橋墩為石塊堆積夾心木質(zhì)構(gòu)筑，橋身為鋼構(gòu)鉚接的公鐵兩用橋梁，后于1964年、1990年分別進行了維修加固。2012年12月，該橋被確定為區(qū)級保護文物。

1 工程概況

青銅峽黃河鐵橋加固維護工程（以下簡稱“本工程”）首先用千斤頂撐起原有橋墩處的橋橫梁，更換原有的豎直支撐木柱，然后在原有橋墩四周白河床底部開始布設(shè)鋼絲網(wǎng)，架設(shè)鋼管支架固定鋼絲網(wǎng)，往鋼絲網(wǎng)中拋較大石塊至水面以上0.1～0.5m，按0.5～1.Om高度錯臺進行鋼絲網(wǎng)填石塊，堆砌成下大上小的錐體，尺寸盡量與原有橋墩保持一致，用高壓注漿機對鋼絲網(wǎng)拋石和砌護后的橋墩進行灌漿加固。施工時按照鋼絲網(wǎng)架設(shè)—毛石堆砌—高壓泵填充灌漿—梁柱校正一鋼桁架、主梁維護—局部枕木、木板更換—橋面道路修補的順序，依次分步對原橋的6個橋墩和橋身、橋面進行豎直支撐木柱更換、拋石砌護及灌漿加固。

2 測站簡介

青銅峽水文站位于寧夏回族自治區(qū)青銅峽市青銅峽鎮(zhèn)，青銅峽水利樞紐下游700m處，集水面積為275010km2。測站設(shè)立于1939年5月17日，于1960年4月1日青銅峽水利樞紐截流后搬遷至現(xiàn)在位置（本工程上游180m），是國家基本水文站、重點報汛站，是黃河水量統(tǒng)一調(diào)度的控制斷面和水資源保護的重點監(jiān)測斷面，是青銅峽水利樞紐出庫控制站，為下游防汛、灌溉、水資源管理與保護等提供水文信息，并為治黃收集基本水文資料。目前監(jiān)測項目有水位、流量、輸沙率、泥沙顆粒級配、水溫、氣溫、冰凌、降水、蒸發(fā)、水質(zhì)等。

3 水文分析計算

3.1 設(shè)計洪峰流量的確定

本次分析設(shè)計洪水以上游安寧渡站為參證站，采用原水利部天津水利水電勘測設(shè)計研究院在1993年9月完成的《黃河大柳樹水利樞紐可研報告》中的相關(guān)分析成果，建立該站與青銅峽水文站經(jīng)龍劉（龍羊峽、劉家峽）兩庫聯(lián)調(diào)后的設(shè)計洪峰流量關(guān)系，計算公式為Q青=1.064Q安-267（Q青為青銅峽站流量，Q安為安寧渡站流量），求得黃河青銅峽站經(jīng)龍劉水庫調(diào)蓄影響后的設(shè)計洪水成果，見表1。

從計算結(jié)果看，本次計算的青銅峽水文站20a-遇設(shè)計洪峰流量與寧夏水利設(shè)計院和黃河勘測規(guī)劃設(shè)計有限公司的結(jié)果基本一致，表明計算的青銅峽水文站設(shè)計洪峰流量成果可靠。

3.2 設(shè)計洪水位的計算

根據(jù)青銅峽站歷年水位一流量關(guān)系曲線查得的設(shè)計洪水位，按照分析確定的水面比降0.05%，采用水面比降法計算不同頻率下橋位處設(shè)計洪水位（見表3）。

3.3 壅水高度及長度計算

本工程完成后對大斷面進行測量，根據(jù)實測資料計算，鐵橋所處斷面在頻率為p=5%、p=2%、p=l%洪水下河道行洪寬度分別減小25、22、21m，行洪斷面面積分別減小11.2%、11.2%、11.1%，可以看出鐵橋占用了過水?dāng)嗝?，阻礙了河道行洪，增大了水流的能量損失，使得建筑物上游發(fā)生壅水。利用《公路橋位勘測設(shè)計規(guī)范》中的公式對壅水高度及壅水長度進行計算可知，p=5%、p=2%、p=l%洪水下最大壅水高度分別為0.37、0.38、0.38m，壅水長度分別為1468、1516、1520m。

4 對水文監(jiān)測影響分析

（1）對水位的影響。根據(jù)壅水計算結(jié)果，本T程完成后，橋位斷面最大壅水高度為0.38m，最大壅水長度為1520m，其壅水范圍覆蓋了青銅峽水文站整個監(jiān)測河段，使水位和比降觀測均受到影響。

（2）對流速的影響。本工程實施后產(chǎn)生的壅水改變了原有水文監(jiān)測河段內(nèi)的水流分布狀況，引起流速在同流量下（同水位下）的橫向及垂線分布發(fā)生變化。

（3）對流量測驗的影響。本工程實施后將對青銅峽水文站監(jiān)測河段內(nèi)的流速分布及流速產(chǎn)生一定的影響，需要調(diào)整測速、測深垂線，改變原有測驗方案以保證測驗精度，從而增加了流量測驗時間，提高了測驗難度。

（4）對泥沙測驗的影響。本工程建設(shè)導(dǎo)致其上游河段流速分布及流速大小發(fā)生改變，測點含沙量及斷面含沙量分布受流速改變的影響可能發(fā)生改變，原有單樣含沙量及輸沙率測驗方案需在加密取樣垂線、測點并積累一定測次的基礎(chǔ)上重新分析確定。另外.其對單沙的代表性及單斷沙關(guān)系也可能產(chǎn)生影響。為滿足今后泥沙測驗的精度和代表性，需要開展相關(guān)試驗，并根據(jù)實測資料進行比測分析，從而確定今后的泥沙測驗方案。

（5）對水文測驗安全的影響。本工程對鐵橋橋墩進行了加固，縮小了橋墩間的距離。當(dāng)發(fā)生大洪水時，若吊船索斷裂，則測船到達橋墩位置時易發(fā)生碰撞，給測船及船上測驗人員帶來安全隱患。

5 補救措施

（1）技術(shù)要求及原則。根據(jù)水文測驗相關(guān)規(guī)范規(guī)定，水文試驗必須在不同水位、流量、含沙量條件下進行：試驗項目包括水位、流量、含沙量、輸沙率、比降、流向等，盡可能采用精密方法。結(jié)合斷面多年實測資料分析，在本工程完成后進行水文監(jiān)測資料的相關(guān)試驗，確定水文比測的期限為3a。

（2）水位。為準確分析工程實施后對青銅峽水文站水位監(jiān)測的影響，擬在鐵橋橋位下游450m處和青銅峽水文站基本斷面上游350m處的有岸設(shè)置2處視頻監(jiān)控系統(tǒng)觀測水位，連同青銅峽水文站基本斷面現(xiàn)有的水位計，開展水位同步對比觀測分析。對比觀測應(yīng)包含各級水位的變化范圍，觀測時間及測次應(yīng)根據(jù)河流特性及水位漲落變化情況以及工程對河道邊界的影響程度等合理分布，在峰頂、峰谷、水位過程轉(zhuǎn)折處應(yīng)布有測次，水位漲落急劇時應(yīng)加密測次。

（3）流速。由于本工程實施后造成水文監(jiān)測河段流態(tài)改變，因此開展河道流速分布的試驗研究工作非常必要。根據(jù)水文監(jiān)測河段的具體情況，流速分布試驗方法采用多線多點法和常規(guī)法比較，分析其垂線流速分布形式。當(dāng)斷面上各條垂線的流速分布形式相似時，可點繪一條標準垂線流速分布曲線：當(dāng)斷面上各部分的垂線流速分布形式不完全相同時，可按照《河流流量測驗規(guī)范》（GB50179-2015）的要求分別點繪2～3條流速分布曲線。結(jié)合本工程完工后對原有天然河道的影響狀況，選擇在受影響條件下的不同流量級進行，每級測次不少于30次。

（4）流量。需加密測深、測速垂線和流量測驗頻次，盡可能在各級水位、流量范圍內(nèi)均勻布置流量測次，每個級別至少施測30次。流量測次的控制要以能滿足目前采用的優(yōu)化監(jiān)測方案的分析為準。試驗方案：當(dāng)斷面流量小于2000m3/S時，流量測次按水位級布設(shè)，水位以0.2m分級，每級水位至少有2個測點控制，可5～7d施測一次：當(dāng)斷面流量大于2000m3/S時，水位每變化0.20～0.30m應(yīng)測流一次，水位平穩(wěn)時可3～4d施測一次：當(dāng)出現(xiàn)洪峰時，按洪峰過程控制，測次均勻布置在漲水段、峰頂及落水段，洪水過程持續(xù)時間較長時應(yīng)在轉(zhuǎn)折變化處增加測次，相鄰兩測次間隔時間不得大于3d，水位相差不應(yīng)超過0.30m；水庫排沙期間，測次按流量及斷面變化過程控制，視變化情況每天至少測流兩次，水位變幅控制在0.30m左有，以完整控制流量的變化過程。流速儀法與高精度的ADCP走航儀同步進行加密測驗，以驗證測驗斷面流速分布和流量變化情況。

（5）泥沙。本工程實施后改變了水文監(jiān)測河段的流速及其分布，對泥沙監(jiān)測產(chǎn)生了影響，結(jié)合青銅峽水文站一直以來采用的泥沙測驗實際狀況以及測驗斷面河床沖淤變化緩慢的特性，泥沙測驗方案主要是輸沙率的施測，除按照《河流懸移質(zhì)泥沙測驗規(guī)范>（GB/T50159-2015）的有關(guān)要求加密泥沙采樣垂線及測點外，還要分析采樣位置并根據(jù)主流變化隨時調(diào)整。

（6）水文測驗安全。本工程縮小了橋墩間的距離，當(dāng)發(fā)生大洪水時，若吊船索斷裂，則測船到達橋墩位置時易發(fā)生碰撞事故，故制定相關(guān)安全措施：一是不定期對吊船索進行檢查：二是每年汛前購置合格的吊船索進行更換：三是加強安全生產(chǎn)知識教育，尤其是測船測驗人員必須嚴格遵守測驗操作規(guī)程：四是在測船上準備足夠的救生圈、救生繩及其他安全防護設(shè)施；五是制定吊船索斷裂情況下測船及船上人員自救方案：六是出現(xiàn)超過吊船纜道測洪能力、斷面大面積浮冰、水庫泄洪（排沙）、大風(fēng)天氣等情況時，為確保安全，停止使用吊船纜道進行水文測驗。

6 結(jié)論

（1）本工程產(chǎn)生的壅水高度和長度覆蓋了青銅峽水文站整個監(jiān)測河段，使同流量水位有所抬高，水文監(jiān)測河段流速及流態(tài)分布發(fā)生變化，水位流量關(guān)系曲線發(fā)生變化，導(dǎo)致在進行流量、泥沙測驗時需要調(diào)整測速、測沙垂線，改變原有測驗方案，增加流量、泥沙測驗時間，提高了測驗難度。

（2）當(dāng)發(fā)生大洪水時，若吊船索斷裂則測船到達橋墩位置時易發(fā)生碰撞，對測船及船上測驗人員造成安全隱患。

（3）針對本工程對青銅峽水文站水文監(jiān)測產(chǎn)生的影響，為確保今后水文監(jiān)測精度，需要開展為期3a的水位、流速、流量、泥沙監(jiān)測和河段流態(tài)分布變化分析等方面的水文比測補救措施，并從安全檢查、防護設(shè)施、預(yù)案等方面采取必要措施，以消除或減輕不利影響。