哈爾濱市松花江上游區(qū)段建橋前后河床演變分析

趙 巖

[關(guān)鍵詞]松花江;上游區(qū)段;建橋;河床演變

一、河流概況

哈爾濱鐵路樞紐由王崗至萬樂連線需通過松花江,待建大橋橋區(qū)河段位于松花江干流中上游,距哈爾濱市17km左右,該段河道按平面形態(tài)大體可分為三大部分,即上游彎道段,中間順直段和下游分汊段,橋區(qū)河段基本處于自然狀態(tài),多年來主河槽深泓線擺幅較大,河道較不穩(wěn)定。

該河段地處沖積平原、灘地廣闊,兩岸及灘地被茂密,灘地上串溝、洼地、牛軛湖眾多。洪水期河寬受兩岸堤防、橋梁引堤等約束,具有寬窄相間的特點(diǎn)。整治河段區(qū)間無較大支流入江,平均水深為2.0～7.0m。主河槽寬約400～1 000m。河底坡降平緩,約為0.05m,漫灘由第四紀(jì)沖積物組成,抗沖能力較弱。

二、河床演變分析

1.河道平面變化分析,橋址處河段的平面形態(tài)大體分為:即上游彎道段,中間順直段及下游分汊段。通過對(duì)三部分河段進(jìn)行河床演變分析說明橋址處的河床變化情況。通過對(duì)數(shù)十年來的測量圖進(jìn)行套繪,分析如下:

(1)上游彎道段。上世紀(jì)30年代,上游段6km處僅有一個(gè)萬家河彎,彎道進(jìn)口平緩,由于河段河床抗沖能力較差,受特殊水文年的影響,在水流和河床相互作用下,逐漸形成曲折的主流線,促使其上游團(tuán)山子彎道經(jīng)過了十余年變化發(fā)生了自然載彎,彎頂又不斷下移,曲率越來越大,凹岸以平均每年20m左右的速度后退,隨著彎道曲率的不斷增加,水流出萬家河彎后,頂沖萬寶引水渠左岸,促使又一彎道形成,從而引發(fā)了兩個(gè)反向彎道即“S”型彎道。受不同系列洪枯水年的影響,低水時(shí)彎道頂沖部位在彎頂附近,洪水時(shí)彎道頂沖部位移到彎頂以下,作用的結(jié)果促使彎道不斷發(fā)展。

(2)中間順直河段。該河段處于萬寶彎道出口至雙口面,全長約5km,河岸較順直,擬建的鐵路橋即位于該河段上。通過多年的測圖對(duì)比分析可以看出,該河段多年來相對(duì)穩(wěn)定變化較小,多年岸線基本保持不變,河道內(nèi)江心洲、江心灘、邊灘等泥沙成形堆積體隨著上游彎道的變化及水文年的不同而時(shí)長時(shí)消,從順直段到分汊段河面突然加寬,使水流流速降低,水流挾沙力減少,造成泥沙淤積,同時(shí)隨著上游彎道的不斷沖刷崩退,沖刷下來的大部分泥沙也在該段合適的地方落淤,在現(xiàn)橋址處已形成了兩個(gè)江心洲。從兩個(gè)江心洲的變化情況看,有總體向下移動(dòng)的趨勢,其大小在不同的水文年有所改變。1#江心洲向下移動(dòng)1 600m,2#江心洲向下移850m。

(3)下游分汊河段。自然和人為的結(jié)果,再加上上游水流動(dòng)力軸線的南移,導(dǎo)致左汊逐漸衰退,而右汊成為通航汊道,右汊口門處逐漸形成3#江心灘,經(jīng)過1998年大洪水后,次年3#江心灘消失,由于大部分泥沙在南岸淤積,使該處河道平均束窄40m。

2.河道橫斷面變化分析,通過對(duì)上世紀(jì)60年代年至現(xiàn)在的測量圖等資料,分別對(duì)橋位的橫斷面進(jìn)行套繪分析得出:該橋位處的橫斷面由于有江心洲存在,始終體現(xiàn)為江心洲分隔的復(fù)式斷面,右汊河床被沖深近5m,枯水期汊道寬度變化不大,到2001年右汊水流條件有逐年變好的趨勢。左汊河床年際間有沖有淤,相對(duì)變化較小。

3.深泓線平面變化分析,從上世紀(jì)60年代至90年代年的深泓線和航線的套繪圖可以得出,河段深泓線變化復(fù)雜,彎道段和分汊段的深泓線隨年際間河道的擺動(dòng)而頻繁變化,在橋址所在的過渡期,深泓線位置處于動(dòng)態(tài),航線不穩(wěn)定,從彎道水流動(dòng)力軸線的變化看,在枯水期由于水流動(dòng)量小,主流線易于彎曲而靠近凹岸,洪水期水流動(dòng)量大,慣性作用強(qiáng),主流線不易彎曲而偏離凹岸,即“低水走彎、高水走灘”,分汊河段分流點(diǎn)的位置受上游河勢及來水來沙的影響變化較大,體現(xiàn)為洪水時(shí)下移,枯水時(shí)上提。

4.河床演變規(guī)律及發(fā)展趨勢。天然的河流的河床演變是由多方面而又極其復(fù)雜的因素決定的,而河段各部分河流特性不同,也有各自的演變特點(diǎn),具體歸納如下:

(1)彎道段:在主流頂沖及彎道環(huán)流的作用下,凹岸不斷崩塌后退,凸岸相應(yīng)淤積增長,彎曲程度會(huì)不斷加大。

(2)順直段:受上游彎道的影響較大,各種泥沙成型堆積體移動(dòng)變動(dòng)頻繁,主流也隨上游彎道的發(fā)展的繼續(xù)靠近右岸,水流對(duì)橋址處右岸的沖刷較大,根據(jù)水流隨流量變化的特點(diǎn),表現(xiàn)為退水期淺灘沖刷,深槽淤積,漲水期淺灘淤積,深槽沖刷,岸線呈周期性的展寬或束窄現(xiàn)象。

(3)分漢河段:由于汊道段河岸、河床及島嶼抗沖能力較弱,平面位稱幅度較大,整體表現(xiàn)為大套子島頭沖刷后退,河道展寬南移。北汊進(jìn)口近年來沖淤變化較明顯,口門邊灘發(fā)育,并被切割下移,北汊正常的航道水深已難以維持,由于上游河勢的變化和1#、2#江心灘的下移,南汊入流條件更加通暢,汊道表現(xiàn)為汛期淤積、枯季沖刷,總的沖淤幅度不大。

三、建橋后的河床演變

連續(xù)鋼桁梁雙孔通航橋橋墩間距92米,為雙孔通航,中間橋墩處于主流區(qū)附近,橋墩對(duì)水流的擠壓、干擾作用明顯,橋墩上產(chǎn)生較大雍水,水位升高,流速減緩,水流挾沙率降低,建橋前,原有邊灘、心灘等泥沙成形的堆積體在建橋后淤積范圍進(jìn)一步擴(kuò)大,灘面高程有所抬高,這些變化又促使主流及河勢隨之發(fā)生變遷。

在橋位處,因漫灘水流受橋墩的阻壅作用,河槽中單寬流量增加,局部水面比降及流速加大,導(dǎo)致河床產(chǎn)生一定沖刷,同時(shí)在橋墩附近形成復(fù)雜的水流結(jié)構(gòu)馬蹄形螺旋流,導(dǎo)致橋墩周圍的河床出現(xiàn)局部沖刷。

大橋下游由于橋位附近加大了水面比降和流速,要經(jīng)過一段距離的重新調(diào)整,才能逐步過渡過下游河流的自然形態(tài),因此,橋下游一定范圍內(nèi)仍會(huì)不同程度的沖刷。此后水流逐漸擴(kuò)散,流速漸減,最后又恢復(fù)到自然流態(tài)。上游沖刷的泥沙一部分也可能在適當(dāng)?shù)牡胤接俜e下來,一部分帶往下游。從河工模型試驗(yàn)結(jié)果看,當(dāng)流量為小于50年一遇的洪水流量時(shí),水面與天然水面線差別不大,雍水最大值約為0.04m,發(fā)生在橋上游1.21km;300年一遇洪水流量時(shí),雍水最大值0.06m,發(fā)生在上游1.45km處。

四、結(jié)束語

綜合以上建橋前后的河床演變的相關(guān)分析,為保證大橋的上下游區(qū)段的河床穩(wěn)定,對(duì)該橋址區(qū)段進(jìn)行的航道施工,實(shí)施一定的人為控制是非常必要的,因此,在今后的工程設(shè)計(jì)中,要求設(shè)計(jì)人員認(rèn)真地考慮以上河床演變分析,保證工程設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)、合理,符合建橋后的河床的穩(wěn)定。

(編輯/永安)