東營黃河公路大橋橋位河段水文分析

李甦冰

（中鐵第一勘察設計院集團橋隧處，陜西西安710043）

0 引言

東營黃河公路大橋位于山東省東營市，距黃河入海口約60km，是黃河尾閭的最后一座特大型橋梁。該橋是國家規劃的“縱四（天津—汕尾）”、“橫四（烏海—威海）”重點公路網及山東省“五縱聯四橫、一環繞山東”綜合運輸網主框架的重要組成部分，是膠東半島、黃河三角洲與華北以及江浙地區聯系的重要樞紐。該橋的興建，使山東東部沿海地區和京津塘以及滬寧杭地區之間新增一條便捷的聯系通道。對完善路網布局，提升東營市的區位優勢，加快山東半島城市群建設，促進黃河三角洲乃至環渤海經濟圈的經濟發展具有重要的現實意義。

東營黃河公路大橋于2002年8月開工，2005年8月建成通車。大橋全長2743.1 m。其中主橋為一聯（116+200+220+200+116）m預應力混凝土剛構連續梁，長852.8 m；引橋為42 m預應力混凝土箱形組合梁，兩端共計45孔，長1890.3 m。

1 橋位河段河道概況和水文特征

東營黃河公路大橋橋位河段處于黃河下游山東利津至西河口河段中的一號壩斷面與朱家屋子斷面之間。黃河山東河段是1855年黃河在河南省蘭考縣銅瓦廂決口，改道奪大清河后形成的。利津至西河口河段，長47.4 km，兩岸堤距0.46～6.3 km，主河槽寬0.4～0.85 km，水面平均縱比降1.24/10000。該段河道經過多年治理，現已基本成為人工控制的彎曲形河段，兩岸由險工、控導工程控制河勢，河灣難以自由發展，河道平面形態相對穩定。其中，一號壩斷面至朱家屋子斷面，河道長約7.5 km，兩岸堤距2.81～4.2 km，主河槽寬0.45～0.85 km，水面平均縱比降1/10000。河道流路較順直，中水河槽相對穩定，主溜線橫向擺動幅度較小，河道平面變化不明顯。但是，由于黃河下游是世界上著名的“懸河”，河道比降平緩，加之黃河含砂量大，河床逐年淤積抬高，且自二十世紀八十年代中期以后未發生大洪水，河槽淤積加劇，河道逐步萎縮，平灘流量趨小，洪水漫灘機遇增大，防洪壓力依然較大。同時，橋位河段凌汛的威脅也相當嚴重。河灣、險工、控導工程、浮橋及其他跨河建筑物等都有可能影響行凌，形成冰塞、冰壩，壅高水位，威脅堤防和跨河建筑物的安全。加之凌汛期天寒地凍，防守和搶護十分困難，極易形成災害。因此，該河段是黃河下游防汛的重點防守河段之一。

2 橋渡水文分析

2.1 橋位

根據路線基本走向、兩岸地形、地貌、地質條件、河道水文特點、防洪防凌要求、橋梁與附近城鎮的相對關系、兩岸油田開發建設等情況,結合現場查勘,在左家莊西至補戶屋約5 km的河段范圍布設了三個比選橋位,即左家莊西橋位（橋位I）、左家莊東橋位（橋位Ⅱ）和補戶屋橋位（橋位Ⅲ）。橋位平面示意見圖1。

橋位I：路線起自東青高速公路與青墾路交點,向北延伸,在左家莊西跨越黃河,北岸從神農和中古店之間穿過,在吉子灘附近與東港高速公路交叉。然后，路線向北通過二級路連接線與永館路暫時相接。該橋位在東營勝利黃河大橋下游約2.5 km處，橋軸線處兩岸黃河大堤堤距2988 m，南岸灘地寬991 m，主槽寬度850 m，北岸灘地寬1147 m。河道順直，主槽基本穩定。橋軸線的法線與主流流向最大夾角為8°。

橋位Ⅱ：路線起自東青高速公路與青墾路交點,向北延伸,在左家莊東跨越黃河,北岸從二選東村和耕立村之間穿過,在前郭家屋子附近與東港高速公路交叉,路線向北再通過連接線與永館路相接。該橋位在橋位I下游2.1 km處,橋軸線處兩岸黃河大堤堤距2972 m，南岸灘地寬351 m，主槽寬度850 m,北岸灘地寬1771 m。兩岸大堤系解放后歷年加固而成，主河槽北側建有中古店控導工程。河道順直，主槽基本穩定。橋軸線的法線與主流流向最大夾角為10.5°。

橋位Ⅲ：路線起自東青高速公路與青墾路交點,向北延伸,在聯合村和補戶屋之間跨越黃河,北岸經道口村東，在前郭家屋子與東港高速公路交叉,再通過連接線暫時與永館路相接。該橋位在橋位Ⅱ下游1.9 km處,橋軸線處兩岸黃河大堤堤距3589 m,南岸灘地寬570 m,主槽寬度850 m,北岸灘地寬2170 m。橋位處河道順直,主槽基本穩定。橋軸線的法線與主流流向最大夾角為9.5°。

根據以上分析，三個比選橋位所在河段河道順直,主槽相對穩定，橋軸線與主流流向基本正交。從橋渡水文條件來看，上述三個橋位均為可選橋位。

2.2 設計流量

預選橋位河段受上游眾多水利設施控制，且有北金堤和東平湖滯洪區調節，其洪峰流量已不符合天然條件下流域匯水和河道洪水演進規律。根據黃河防汛規劃，黃河山東河段的防洪任務為：防御黃河花園口站22000 m3/s的洪水（相當于重現期60 a一遇）；當黃河下游發生重現期百年一遇（相應花園口站洪峰流量26500 m3/s）和重現期500 a一遇（相應花園口站洪峰流量30800 m3/s）的洪水時，黃河山東河段經北金堤滯洪區和東平湖水庫分滯洪調蓄后，控制艾山水文站下泄流量不超過10000 m3/s，計入艾山站以下可能產生的支流匯水后，濟南以下河段黃河大堤設防流量為11000 m3/s。因此，本橋設計流量確定為11000 m3/s，可滿足橋位河段防洪要求。

2.3 設計水位

預選橋位河段位于黃河利津水文站下游的一號壩水位站與西河口水位站之間,一號壩水位站上距利津水文站約26.65 km(河道距離,下同),下距西河口水位站約23.3 km。橋位比選時預選的三個橋位分布在一號壩水位站至朱家屋子斷面間約7.5 km的河段上，該河段河道順直,水流穩定，水位流量關系相關性較好，可以用比降法推算橋位處的設計水位。

各預選橋位處不同洪水頻率條件下的設計水位，是以上游一號壩水位站的水位流量關系為基礎，求出各級洪水頻率條件下一號壩處的相應水位，再按汛期該河段水面平均比降推算至橋位。

2.3.1 一號壩水位站水位流量關系

一號壩水位站各級洪水頻率下的水位流量關系是以歷史洪水水位流量關系趨勢以及黃河河務部門根據該河段河道沖淤情況外延的1999年一號壩水位站水位流量關系設計值和河段近年實際水位表現,綜合分析后確定的，見表1。

2.3.2 橋位處水位流量關系

根據一號壩～西河口河段歷史大洪水水面比降平均值及流量為3000 m3/s時相應水面比降,確定橋位所在河段河道水面比降為1/10000。各橋位處計算年（2000年）各級水位、流量關系見表1。

表1 預選橋位河段水位流量關系成果表

2.4 河道演變

2.4.1 河道平面

預選橋位均位于利津水文站下游的一號壩水位站至朱家屋子斷面間。根據防洪工程歷史沿革資料記載，該河段一號壩斷面上游的義和莊險工始建于1949年，橋位Ⅱ處的中古店控導工程建于20世紀70年代。隨著河段內河道整治工程的陸續建設、加固和完善，堤防工程均按設計防洪標準加高、加固，現已達到一級堤防標準，能夠抵御11000 m3/s的設計洪水，防洪能力不斷增強。同時，險工和控導工程對穩定河槽和控制河勢溜向發揮著重要作用。通過對該河段1980年～1999年主溜線變遷圖的對比分析可知，該河段近20年來主溜線變化幅度較小（50～450 m），河勢相對穩定，是適宜建橋的河段。

2.4.2 河道橫斷面

預選橋位河段范圍內有一號壩、前左、朱家屋子共三個黃河河道統測斷面。通過對上述斷面1980年～1999年二十年的斷面要素分別進行統計分析可知：一號壩斷面主河槽擺動幅度615 m，深泓點擺動幅度440 m，深泓點高程在2.97～6.70 m之間變化，多年平均情況下沖淤基本平衡；前左斷面主河槽擺動幅度530 m，深泓點擺動幅度430 m，深泓點高程變化范圍為4.33～6.53 m，呈微沖趨勢，年均沖刷0.04 m；朱家屋子斷面主河槽擺動幅度695 m，深泓點擺動相對頻繁且范圍較大，擺動幅度達620 m，深泓點高程變化范圍為4.59～6.04 m。

2.4.3 沖刷和淤積

黃河流域特殊的自然地理環境，使黃河下游河道成為世界上著名的地上“懸河”，其沖刷和淤積問題相當復雜。一方面，黃河每年將上中游水土流失匯入黃河的大量泥砂輸送至河口填海造陸；另一方面，由于河口淤積溯源延伸，抬高水位造成河口頻繁擺動和改道。其總的趨勢是河床逐年抬高，但并非單向淤積，在不同的年份、不同的來水來砂條件下有沖有淤，沖淤交替發生，且還與河口流路的演變密切相關。根據1976年河口改道清水溝流路以來二十多年的河道沖淤資料分析，清水溝流路行河初期的八年間，利津以下河段發生了明顯的沿程和溯源沖刷。之后，逐漸變為淤積抬高階段，期間也有個別年份以沖刷為主?？偟膩碚f，黃河河口河段河道沖淤的一般規律是：河口改道初期為溯源沖刷，然后隨著流路的不斷延伸由溯源沖刷轉為溯源淤積。

由于河道上建橋后，橋梁結構擠壓過水斷面，必然發生一定程度的河床沖刷。而本河段河道總體變化趨勢又以淤積為主。所以橋梁設計時，不但要考慮建橋初期發生設計頻率洪水時的最大沖刷，同時還要考慮設計水平年內發生最大淤積時的各項控制高程和這兩種最不利情況下結構的安全性。

2.5 防凌

黃河山東河段歷史上曾多次發生凌汛決口險情。近年來，因冬季氣候偏暖，流量偏小，加上上游水庫的適時調控，黃河下游凌情有所減輕。但因河道淤積抬高，“二級懸河”的不利局面加劇，防凌形勢依然嚴峻。據統計，橋位上游利津水文站冰塊最大尺寸200 m×100 m，最大冰厚48 cm，最大流冰速度1.61 m/s。因此，滿足凌汛期黃河行凌要求成為本橋主橋跨徑選擇和確定橋墩位置的重要控制條件。

2.6 通航要求

橋位河段規劃為四級航道。各預選橋位處橋軸線的法線與洪水主流流向交角為8°～10.5°,根據公路規范關于通航河流上橋梁布置的要求,當交角大于5°時，宜增加通航孔凈寬。但由于本橋主跨跨徑選擇主要受凌汛期行凌要求控制，主跨跨徑200 m以上，遠大于《內河通航標準》（GB50139）中對于通航凈寬的要求。因此，通航凈寬不控制本橋橋孔設計。根據黃河河道管理部門對本橋有關技術指標的批復意見，黃河下游河道為四級航道，最高通航水位為洪峰流量9000 m3/s時的相應水位，再加30 a淤高3.78 m，通航凈高為最高通航水位以上8 m。所以，滿足通航凈高要求是決定本橋主橋高程設計的主要控制因素。

2.7 小浪底工程對橋位河段的影響

黃河小浪底水利樞紐工程壩址位于河南省洛陽市以北約40 km的黃河干流上，是一座以防洪、防凌、減淤為主，兼顧供水、灌溉、發電，除害興利，綜合利用的樞紐工程。該工程1997年10月截流，2001年12月全部竣工。

2.7.1 對河道沖淤的影響

黃河干流部分已建水庫的運營實踐證明，水庫對下游河道的減淤作用主要集中在水庫下游距離較近的河段。本橋預選橋位河段位于小浪底工程下游約810 km。根據小浪底工程下游河道的特點來分析，小浪底工程運用初期，艾山站以下河道減淤作用不明顯；遠期，下游河道仍然以淤積為主。因此，小浪底工程對本橋預選橋位河段河道沖淤變化的的影響相對較小。

2.7.2 對防洪的影響

根據小浪底工程的功能和運營管理規劃，小浪底工程通過適時調控，將黃河花園口站洪峰流量控制在一定范圍內，避免或盡量減少運用下游東平湖水庫和北金堤滯洪區分洪。由此可見，艾山水文站以下河段防御流量11000 m3/s洪水的防洪標準并未降低，只是出現的機遇可能會有所減少。而且，由于小浪底工程的調節減少了東平湖水庫和北金堤滯洪區的運用機遇，致使艾山水文站以下河段流量11000 m3/s的洪水持續時間延長，防洪壓力依然較大。

2.7.3 對防凌的影響

小浪底工程建成后，與三門峽水庫聯合調度，配合下游展寬區運用，可基本解除下游因冰塞、冰壩造成凌洪決口的威脅。但由于下游河道較長，影響凌情變化的因素較多且情況復雜，小浪底工程對橋位河段的即時調節作用相對較弱，仍有發生“武開河”的可能。因此，下游河道發生嚴重凌洪的可能性依然存在。

2.7.4 附記

該橋勘測設計階段（2002年以前），小浪底工程尚在建設中。小浪底工程竣工后，黃河管理部門開展了下游河段的調水調沙試驗研究。根據相關報道：連續多年的調水調沙實踐成果表明，“調水調沙”對于調整下游河道斷面形態、擴大下游河道主槽過洪能力、緩解“二級懸河”的不利局面等均具有重要的作用，取得了巨大的社會經濟效益。目前，黃河下游河道主河槽行洪能力已由調水調沙前的1800 m3/s提高到了4000 m3/s，河底高程平均下降1 m以上。因此，可以認為小浪底工程的合理運用對保持本橋橋位河段河道穩定、減緩河道淤積對橋梁結構受力的不利影響、延長橋梁使用壽命，具有積極的意義。

3 結語

該橋橋位河段河勢相對穩定，是適宜建橋的河段；從橋渡水文條件分析，預選的三個橋位均為可選橋位，可綜合考慮各方案投資、接線條件和社會效益等因素確定橋位方案；本橋主橋跨徑選擇和確定橋墩位置的重要控制條件是滿足凌汛期黃河行凌要求；決定本橋主橋高程設計的主要控制因素是滿足通航凈高要求；同時，橋梁結構設計既要考慮建橋初期發生設計頻率洪水時的最大沖刷，還要考慮設計水平年內發生最大淤積時的各項控制高程和這兩種最不利情況下結構的安全性。