黄河三盛公库区河段桥梁通航水位分析

刘晓辉，张文忠

（1.中交天津港湾工程设计院有限公司，天津 300461；
2.中交天津港湾工程研究院有限公司，天津 300222）

黄河发源于青藏高原巴颜喀拉山北麓的约古宗列盆地，自西向东分别流经青海、四川、甘肃、宁夏、内蒙古、山西、陕西、河南及山东9 个省（自治区），干流河道总长5 464 km，流域面积79.5 万km2（含内流区4.3 万km2），于山东省注入渤海，是我国第二大河。随着流域经济的发展，黄河航运开发也逐渐提上日程，《黄河水系航运规划报告》[1]中提出，近期分段通航，远期兰州以下至入海口全线通航300～500 吨级船舶；
目前，黄河下游也正在开展复航论证，因此从国家规划及经济社会发展考虑，在规划通航的河段，桥梁建设必须考虑通航需求[2]。本文研究的桥梁位于内蒙古自治区磴口县，桥梁所处河段尚未通航，规划为Ⅳ级航道，在开展桥梁通航尺度研究前，需要先确定桥梁所在河段通航水位。本文结合GB 50139—2014《内河通航标准》[3]的相关要求及历史水文资料对河段通航水位进行研究和推算，为桥梁设计和通航条件影响评价工作提供依据。

某黄河特大桥位于内蒙古自治区三盛公水利枢纽坝址上游7.2 km，采用全桥渡方式跨越黄河、立交方式跨越左岸三盛公库区围堤和右岸低山台地，河道管理范围内大桥长2 672 m，从左岸向右岸布置跨径组合为4×83 m+102 m+4× 178 m+102 m+83 m。该桥按特大桥设计，其设计防洪标准为100 a 一遇，校核防洪标准为1 000 a 一遇。

2.1 河道概况

黄河内蒙古河段位于黄河流域最北端，介于东经106˚10′—112˚50′、北纬37˚35′—41˚50′之间，从宁夏石嘴山入境至马栅乡，干流全长843.5 km，河道总落差仅162.5 m。受地形控制，形成峡谷与宽河段相间出现的格局，石嘴山至海勃湾库尾、海勃湾坝下至旧磴口、喇嘛湾至马栅为峡谷型河道，河道长度分别为20.3 km、33.1 km 和120.8 km，其余河段河面开阔，由游荡型、过渡型及弯曲型河道组成，各河段河道基本特性见表1。

表1 黄河内蒙古河道基本特性表Table 1 Basic characteristics of the Yellow River in Inner Mongolia

本文所述桥梁位于三盛公库区，河道长度54.2 km，该段河势平缓开阔，为典型的库区冲积平原型河道。桥位处左岸有库区围堤，滩地发育，为灌区和农田；
右岸为鄂尔多斯低山台地。桥位处河道顺直，河宽约2.3 km，现状主河槽宽885 m，主流靠右岸，河道比降为0.014%。

根据相关资料分析，桥位处100 a 一遇洪水位为1 056.25 m（1985 国家高程，下同）；
1 000 a一遇洪水位为1 056.45 m。

2.2 桥梁所处库区概况

三盛公水利枢纽位于内蒙古巴彦淖尔市磴口县巴彦高勒镇东南3 km 处的黄河干流上，距上游海勃湾水利枢纽87 km，是一座以灌溉为主，兼顾防洪、供水、发电等综合利用的低水头引水枢纽，最大坝高8 m。工程兴建于1959 年6 月，1961 年5 月投入运行，2003 年完成了水库的除险加固。枢纽正常蓄水位1 054.62 m，设计洪水位1 054.82 m，校核洪水位1 055.12 m。

桥梁所处的三盛公库区属于大型闸坝式平原低水头水库，设计时主要建筑物设计洪水标准为100 a 一遇，相应洪峰流量为6 120 m3/s，校核洪水标准为1 000 a 一遇，相应洪峰流量为6 720 m3/s。目前库区已基本达到冲淤平衡，但每年实测的大断面不完全相同，为了更好地反映库区冲淤影响，本文分析时采用三盛公库区1998 年汛后、2012年汛后和2018 年汛后3 种实测大断面作为典型计算边界条件。

桥梁所处河段的最高通航水位直接影响桥梁实际通航净空高度和净空宽度，进而影响到桥梁的桥跨设计、墩台布置和桥面高程确定[4]。

3.1 推算方法

根据《内河通航标准》[3]6.4.4 节规定，枢纽上游河段设计最高通航水位应采用表2 规定的重现期洪水与相应的汛期坝前水位组合，以及坝前正常蓄水位或设计挡水位与相应的各级入库流量组合，得出多组回水曲线，取其上包线作为沿程各点的设计最高通航水位，并应计入河床可能淤积引起的水位抬高值[3]。

桥梁所在河段通航等级为Ⅳ级，因此，最高通航水位计算时洪水重现期选择10 a 一遇。经分析，三盛公库区未来将长期保持合理的有效库容，维持一个相对冲淤平衡的状态，因此，本文分析通航水位时不再考虑河道的冲淤变化。

3.2 最高通航水位推算

1）设计水面线推算方法

水面线推算常采用明渠恒定均匀流法、天然河道水面线系统法及能量方程法等[5]，结合项目特点，本文设计水面线计算采用能量方程[6-7]，方程式为：

式中：Z1、Z2分别为上断面和下断面的水位；
V1、V2分别为上断面和下断面的断面流速；
α1、α2分别为上断面和下断面的流速系数，一般情况下取值为1.05～1.1；
g 为重力加速度；
hf为沿程水头损失；
hi为局部水头损失；
ΔL 为两段面间距；
Q 为河段流量；
为平均流量模数；
ξ为河段平均局部阻力系数，对于收缩河段，其局部水头损失可以忽略不计；
对于扩散河段，水流常与岸壁分离而形成回流，产生局部水头损失。

本河段流速系数α1=α2=α，根据式（1）～式（3），河道稳定缓变流的能量方程式可写为：

水位计算由下游向上推算，已知Z2便可由式（4）试算求得Z1。

2）10 a 一遇洪水与汛期坝前水位的组合

汛期10 a 一遇洪峰流量为5 460 m3/s，坝前水位经调洪后为1 054.76 m。首先采用1998 年汛后、2012 年汛后和2018 年汛后实测大断面资料和上述相关参数进行三盛公水库库区汛期10 a 一遇水面线计算，见表3。

表3 桥位河段汛期10 a 一遇水位计算结果Table 3 Calculations of water level with 10-year return period in flood season of river reach at bridge site

3）坝前正常蓄水位与相应各级流量组合

三盛公水利枢纽正常蓄水位为1 054.62 m，相应各级流量取非汛期（扣除凌汛期）最大入库流量910 m3/s 计算。由表3 可以看出采用1998 年大断面计算的桥位处汛期10 a 一遇水位（1 056.27 m）略高。因此，采用1998 年大断面计算坝前正常蓄水位与相应各级流量组合的水面线，并计算2 种组合的水面线的上包线，见表4。

表4 桥位河段最高通航水位计算成果表Table 4 Calculations of maximum navigable water level of river reach at bridge site

3.3 桥位处最高通航水位确定

根据表4 可以确定桥位处最高通航水位为1 056.27 m。

4.1 推算方法

根据《内河通航标准》[3]6.4.4 节规定，枢纽上游河段设计最低通航水位应采用多年历时保证率的入库流量与相应的坝前消落水位组合，以及坝前死水位或最低运行水位与相应的各级入库流量组合，得出多组回水曲线，取其下包线作为沿程各点的设计最低通航水位，并应计入河床冲淤可能引起的水位变化值。根据规范的要求，Ⅳ级航道最低通航水位的多年历时保证率取95%[3，5-6]。

4.2 最低通航水位推算

1）多年历时保证率的入库流量与相应的坝前消落水位组合

三盛公水利枢纽的入库站为磴口水文站，利用多年历时保证率法计算出磴口水文站4—10 月95%保证率的流量为405 m3/s（保证率曲线见图1）。

图1 磴口水文站流量保证率曲线（1986—2019 年）Fig.1 Flow guarantee rate curve at Dengkou Hydrological Station(1986 to 2019)

三盛公水库正常蓄水位为1 054.62 m，根据表3 可知，采用2018 年大断面计算的桥位处水位偏低，因此采用2018 年大断面计算的多年历时保证率的入库流量与相应的坝前消落水位组合，计算结果见表5。

表5 桥位河段最低通航水位计算成果表Table 5 Calculations of minimum navigable water level of river reach at bridge site

2）坝前死水位或最低运行水位与相应的各级入库流量组合

三盛公水库不设死水位，根据三盛公水库的运行方式，为保证灌区正常引水，闸前水位一般控制在1 054.32 m 以下，最高不超过1 054.62 m，在灌溉壅水期，当黄河上游发生最小流量时，为保证沈乌干渠、南岸干渠正常引水，不发生断流现象，闸前最低水位一般控制不低于1 052.82 m。经实测资料统计，三盛公1965 年以来多年平均最大入库流量为2 770 m3/s，多年平均通航期最小月平均流量为556 m3/s。据此计算坝前最低运行水位与相应的各级入库流量组成的水面线见表5。

4.3 桥位处最低通航水位确定

根据表5 确定桥位处最低通航水位为1 052.9 m。

1）本文分别采用1998 年汛后、2012 年汛后和2018 年汛后实测大断面资料进行三盛公水库库区回水计算，从安全角度分别选用计算回水水位偏高的1998 年汛后大断面确定最高通航水位、选用计算回水水位偏低的2018 年汛后大断面确定最低通航水位。

2）通过分析10 a 一遇洪水与相应的汛期坝前水位组合和坝前正常蓄水位与相应的各级入库流量组合，并取上包线确定最高通航水位为1 056.27 m。

3）通过多年历时保证率的入库流量与相应的坝前消落水位组合和坝前最低运行水位与相应的各级入库流量组合，并取下包线确定最低通航水位为1 052.9 m。