黃土地區(qū)公路涵洞水毀特征及防治措施分析

薄軍麗，王乾波

(甘肅恒路交通勘察設(shè)計(jì)院有限公司,甘肅 蘭州 730070)

涵洞是公路工程中用于橫向排水的重要結(jié)構(gòu)之一,尤其是在二級公路及以下等級公路工程中所占比例極高[1],黃土地區(qū)二級公路中沿線涵洞數(shù)量約為橋梁的10倍。因此,涵洞的安全性是保證道路暢通的重要因素。黃土在干燥狀態(tài)下,具有較小的壓縮性和較大的強(qiáng)度,但遇水后由于土體結(jié)構(gòu)的破壞而產(chǎn)生嚴(yán)重下沉,此類土體作為涵洞的基礎(chǔ),一旦發(fā)生濕陷性破壞,就會造成涵洞的不均勻沉降,在應(yīng)力達(dá)到極限狀態(tài)時(shí)涵洞發(fā)生破壞[2]。

目前,有學(xué)者針對黃土地區(qū)的涵洞受力特點(diǎn)進(jìn)行了大量的研究工作。趙永虎等以青海民小一級路的兩道涵洞為研究對象,系統(tǒng)分析了黃土地區(qū)不同地基處理方法對涵洞受力的影響[3]。解衛(wèi)江等研究了濕陷性黃土地區(qū)大孔徑波紋管涵的受力性能,得到了不同參數(shù)下涵洞應(yīng)力與土壓力的變化規(guī)律[4]。孫潤東對青海東部4條高速公路涵洞病害調(diào)查研究,并通過試驗(yàn)對比了不同地基處理方法對涵洞沉降的影響[5]。雖然上述學(xué)者針對黃土地區(qū)涵洞受力特性進(jìn)行了深入分析,但未對黃土地區(qū)涵洞的水毀問題進(jìn)行系統(tǒng)研究。因此,研究黃土地區(qū)涵洞的水毀特征對保障黃土地區(qū)涵洞的安全服役具有重要的工程意義。

1 黃土地區(qū)涵洞水毀特征

1.1 涵側(cè)路基沖毀

強(qiáng)降雨導(dǎo)致溝道洪水在涵洞口積聚,沒過路面,沖毀涵洞兩側(cè)的路基,對涵洞基礎(chǔ)造成破壞,從而使涵洞喪失功能。此類水毀病害主要發(fā)生于全壓力式涵洞。涵洞水毀示意圖如圖1所示。

1.2 蒸發(fā)池水倒排沖毀涵洞

梁、塬、峁是黃土地區(qū)典型的三種地貌,居民聚居區(qū)及成片農(nóng)田大部分位于寬闊平坦的黃土塬上。黃土塬地勢平坦,地面坡度僅為1°～3°,是黃土地區(qū)黃土層堆積最高的位置[2]8。由于黃土塬獨(dú)特的地貌特征,路基排水無法通過邊溝直接從自然邊溝排出,因此道路排水工程設(shè)計(jì)中往往會設(shè)置較多的蒸發(fā)池。受連續(xù)強(qiáng)降雨影響,涵洞出口蒸發(fā)池水蓄滿后,會倒灌農(nóng)田,造成路面大面積積水,蒸發(fā)池側(cè)壁后填土受長時(shí)間強(qiáng)降雨影響,形成土體濕陷,造成既有蒸發(fā)池護(hù)坡整體斷裂,長時(shí)間水流沖刷蒸發(fā)池邊坡,危及周邊民居安全。

1.3 涵洞出口損毀

對于涵洞出水口側(cè)的路基邊溝水,設(shè)計(jì)中往往通過急流槽將路基邊溝水引入涵洞出口,通過涵洞出口急流槽排出。調(diào)查發(fā)現(xiàn),急流槽水流盈滿急流槽從側(cè)壁外側(cè)滲入急流槽底部,造成急流槽底部掏空后斷裂,路基邊溝水直接沖刷涵洞出口基礎(chǔ),造成涵洞洞身脫空斷裂。典型的水毀現(xiàn)場如圖2所示。

1.4 進(jìn)出水口鋪砌損毀

水流流經(jīng)鋪砌末端時(shí),水流勢能迅速轉(zhuǎn)化為水流動能,使水流速度增加,在鋪砌末端形成沖刷坑,從而使鋪砌斷裂,進(jìn)一步影響涵洞出水口基礎(chǔ)的沖刷,甚至導(dǎo)致涵洞的整體破壞。尤其在黃土地區(qū),水流沖刷加之黃土濕陷性影響,加速了涵洞的水毀破壞。沖刷示意圖見圖3。

2 原因分析

2.1 設(shè)計(jì)原因

涵洞選型不當(dāng),排洪能力不足。規(guī)定頻率的年最大洪水流量是涵洞設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵因素。常見的計(jì)算方法有暴雨推理法、徑流形成法、形態(tài)調(diào)查法和直接類比法,JTG/T 3365-02—2020公路涵洞設(shè)計(jì)規(guī)范[6]建議采用兩種以上方法相互校核,并選擇更適合本地區(qū)的計(jì)算方法。但在實(shí)際工程中,往往會因?yàn)橹T如計(jì)算方法選擇不當(dāng)、水深降落系數(shù)及摩阻坡度取值不當(dāng)?shù)仍驅(qū)е潞丛O(shè)計(jì)中對規(guī)定頻率的最大洪水流量取值過小,導(dǎo)致涵洞排洪能力不足。

蒸發(fā)池蓄水量偏小。蒸發(fā)池的設(shè)置僅滿足日常蓄水蒸發(fā)需求,且路段前后長距離縱坡較緩,橫向離溝道均較遠(yuǎn),無法對排水設(shè)施進(jìn)行遠(yuǎn)送排出路基,僅能通過蒸發(fā)池日常蓄水蒸發(fā)。

急流槽設(shè)計(jì)尺寸偏小。在設(shè)計(jì)過程中,對于邊溝匯水計(jì)算不足,導(dǎo)致急流槽設(shè)置尺寸偏小,邊溝水匯集,易翻越急流槽側(cè)壁,滲入急流槽基礎(chǔ)土體,黃土發(fā)生濕陷性沉降,造成急流槽斷裂。

排水構(gòu)造物抗?jié)B性差。漿砌片石是常見的排水構(gòu)造物用材料之一,常用于八字墻、集水池和急流槽等排水構(gòu)造物的建造。工程中常見因施工質(zhì)量問題或養(yǎng)護(hù)不到位,導(dǎo)致漿砌片石勾縫砂漿脫落,且漿砌片石防水能力較差,水發(fā)生滲漏進(jìn)入黃土,黃土濕陷導(dǎo)致涵洞沉降,甚至折斷破壞。

2.2 施工原因

基礎(chǔ)及涵側(cè)填方路基處理未達(dá)到設(shè)計(jì)要求。設(shè)計(jì)文件中針對黃土地區(qū)涵洞基礎(chǔ)一般采取換填或擠密樁等方式進(jìn)行處理,施工中由于換填料未達(dá)到設(shè)計(jì)要求,施工工藝未切實(shí)按設(shè)計(jì)圖紙施工,導(dǎo)致涵洞基礎(chǔ)及涵側(cè)填方路基親水性較強(qiáng),抗水毀能力差。但從現(xiàn)場調(diào)查情況統(tǒng)計(jì)分析可知,由施工原因造成的涵洞強(qiáng)度損失或破壞的情況較少,即涵洞自身的強(qiáng)度往往不存在隱患,損毀均因施工過程中留有水毀隱患,強(qiáng)降雨影響下涵洞發(fā)生水毀破壞的可能性增大。

2.3 養(yǎng)護(hù)原因

日常養(yǎng)護(hù)不到位。日常養(yǎng)護(hù)是保證涵洞正常服役的關(guān)鍵因素,因日常養(yǎng)護(hù)不到位而造成的涵洞水毀如下:涵洞淤積未及時(shí)處理,使得涵洞排洪能力大打折扣;進(jìn)水口跌水井養(yǎng)護(hù)不到位,底板破損,水流從涵洞底部滲流,導(dǎo)致基礎(chǔ)脫空;涵洞頂路基側(cè)攔水帶損壞未及時(shí)修復(fù),導(dǎo)致路面水從涵洞八字墻后排入土體,進(jìn)一步?jīng)_刷掏空涵洞出口基礎(chǔ),使涵洞發(fā)生破壞。現(xiàn)場照片如圖4所示。

3 黃土地區(qū)涵洞水毀防治措施

3.1 設(shè)計(jì)防治措施

針對黃土地區(qū)涵洞水毀的特征和主要原因,設(shè)計(jì)中可從以下方面規(guī)避。

3.1.1 合理選用流量計(jì)算方法、涵洞類型、孔徑

黃土地區(qū)涵洞設(shè)計(jì)流量計(jì)算可采用暴雨推理法和徑流形成法計(jì)算,計(jì)算結(jié)果取兩者較大值,其計(jì)算公式詳見文獻(xiàn)[6]。其中,當(dāng)以暴雨資料為主推算小流域洪水流量時(shí),可采用暴雨推理法、徑流形成法。但當(dāng)現(xiàn)場可以調(diào)查到比較可靠的歷史洪水位時(shí),尤其是在項(xiàng)目所在地有確切的水文站監(jiān)測數(shù)據(jù)時(shí)可采用形態(tài)調(diào)查法、直接類比法。但根據(jù)工程實(shí)際,黃土地區(qū)公路工程很少能獲得可靠的歷史洪水位,因此采用暴雨資料推算的情況居多。

獲得可靠的計(jì)算流量后,應(yīng)結(jié)合當(dāng)?shù)氐乩砗蜌夂蛱卣鳌⒐こ烫卣鳌⒑垂δ艿纫蛩?合理選擇涵洞類型、孔徑、埋深及斷面形式。黃土地區(qū)涵洞的選型應(yīng)區(qū)別于常規(guī)地區(qū),對基礎(chǔ)承載能力要求較低且能更好適應(yīng)基礎(chǔ)不均勻沉降的鋼波紋管涵明顯優(yōu)于混凝土圓管涵和鋼筋混凝土蓋板涵,且其造價(jià)相對較低,施工及后期維修及養(yǎng)護(hù)方便,尤其是對地基承載能力要求較高的箱涵等形式盡量避免選用,當(dāng)不得不選用箱涵時(shí),應(yīng)對地基處理方案單獨(dú)論證,保證地基換填深度等指標(biāo)滿足要求。

3.1.2 減少三角形邊溝的設(shè)計(jì)

黃土地區(qū)路基邊溝的斷面形式多采用三角形邊溝,其斷面形式如圖5所示。因地形限制,縱坡設(shè)計(jì)過小,流水通過時(shí)泥沙沉淀淤積,造成邊溝過水面積大打折扣,邊溝水外溢翻越邊溝,造成邊溝外側(cè)黃土濕陷,水流從邊溝底部滲流,從而進(jìn)入涵側(cè)造成涵洞水毀破壞。另外,調(diào)查發(fā)現(xiàn)不設(shè)路基邊溝的路段,發(fā)生路基和涵洞水毀的可能性遠(yuǎn)低于設(shè)置路基邊溝的路段。這是因?yàn)槁坊⑴挪灰讌R流,路基邊坡下的植物可以減小流水動能且增加地表蓄水能力,流水面廣、滲流面積大、蒸發(fā)量大。因此在非極端降雨天氣,不設(shè)路基邊溝反而能有效抑制水毀的發(fā)生。

因此,設(shè)計(jì)中當(dāng)根據(jù)工程實(shí)際和流量計(jì)算,充分論證設(shè)置路基邊溝的必要性。當(dāng)必須設(shè)邊溝時(shí),應(yīng)選擇沉淀淤積對流水?dāng)嗝婵s減且更便于清淤的梯形邊溝,其斷面形式如圖6所示。設(shè)計(jì)中應(yīng)充分考慮邊溝縱坡偏緩造成淤積的可能,適當(dāng)放大邊溝縱坡,尤其是靠近涵洞進(jìn)出水口的邊溝。

3.1.3 合理布設(shè)蒸發(fā)池

對于接蒸發(fā)池的涵洞位置應(yīng)詳細(xì)論證分析,相鄰涵洞距離不宜過長,避免水盈滿蒸發(fā)池后倒排沖毀涵洞和路基。蒸發(fā)池設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)30 d蒸發(fā)總量計(jì)算結(jié)果,且不考慮下滲影響,合理確定蒸發(fā)池面積,必要時(shí)適當(dāng)增大設(shè)計(jì)徑流量。蒸發(fā)池的選址應(yīng)盡量遠(yuǎn)離農(nóng)田和民房,且設(shè)計(jì)中應(yīng)充分考慮匯水面積和蒸發(fā)量的關(guān)系,避免因蒸發(fā)池中水外溢而造成的水毀破壞。蒸發(fā)池距離路基安全距離不宜太大,保證蒸發(fā)池蓄滿水后能及時(shí)將水抽出運(yùn)離。

3.1.4 合理設(shè)計(jì)涵洞進(jìn)出口構(gòu)造物

涵洞進(jìn)水口集水池、跌水井、進(jìn)出口八字墻、鋪砌、急流槽等構(gòu)造物,應(yīng)避免使用強(qiáng)度及抗?jié)B性較小的漿砌片石,而選用強(qiáng)度和抗?jié)B性能較好的混凝土。選用混凝土作為構(gòu)造物材料時(shí),應(yīng)考慮構(gòu)造物接頭位置的防水,增設(shè)防水土工膜或?yàn)r青等隔水材料處理構(gòu)造物與土體的接觸面,并考慮黃土濕陷性帶來的不均勻沉降可能造成的混凝土開裂,采用配置鋼筋網(wǎng)片保證排水構(gòu)造物的抗水毀能力。

路基急流槽引邊溝水至涵洞出水口的位置,應(yīng)充分考慮水流翻越急流槽涌入急流槽外側(cè)土體而進(jìn)一步?jīng)_刷涵洞出口的可能性,合理選擇急流槽的設(shè)計(jì)尺寸,并在急流槽體中適量配置防裂鋼筋,避免因黃土濕陷而造成的急流槽折斷破壞。涵洞出水口急流槽應(yīng)引入溝道底,避免因急流槽末端水流沖刷侵蝕土體,造成邊坡垮塌,從而影響路基邊坡的穩(wěn)定性。

涵洞出水口鋪砌基礎(chǔ)土體應(yīng)夯壓密實(shí),鋪砌應(yīng)采用混凝土硬化處理,鋪砌出口與涵洞出水口急流槽順接,且接頭位置應(yīng)圓順密實(shí),以保證排水的順暢。在地形條件允許的情況下,應(yīng)避免涵洞出水口鋪砌直接與急流槽連接,而應(yīng)在鋪砌末端增設(shè)跌水井、消力池,或當(dāng)鋪砌長度足夠時(shí),在鋪砌表面增設(shè)消力坎,消減流水動能,減少水流對急流槽的直接沖刷。

3.2 施工防治措施

施工中應(yīng)注重涵洞全壽命周期服役的安全性,嚴(yán)格按設(shè)計(jì)圖紙施工。現(xiàn)場開挖后,若地基土質(zhì)與設(shè)計(jì)不符時(shí),應(yīng)及時(shí)溝通,變更設(shè)計(jì)方案。嚴(yán)格按設(shè)計(jì)的施工工藝施工,對諸如涵側(cè)路基填筑方式與順序、洞身防水涂層施工、地基處理方式及地基承載力要求等關(guān)鍵點(diǎn)應(yīng)嚴(yán)格把控。

3.3 養(yǎng)護(hù)防治措施

高效的日常養(yǎng)護(hù)是避免涵洞發(fā)生水毀的最重要因素之一。黃土地區(qū)土質(zhì)松散,極易在涵洞及其排水構(gòu)造物中沉淀淤積,造成涵洞及構(gòu)造物過水?dāng)嗝婵s減,不及時(shí)清淤,則過水?dāng)嗝嬖絹碓叫?強(qiáng)降雨造成涵洞水毀的概率增大。涵洞進(jìn)出水口排水構(gòu)造物因混凝土碳化剝落、石塊碰撞沖擊、季節(jié)性凍脹等因素造成混凝土局部破損,抗?jié)B性能下降,水滲入基礎(chǔ)造成黃土濕陷的可能性增大。因此,涵洞日常養(yǎng)護(hù)中應(yīng)對可能進(jìn)一步造成涵洞水毀破壞的因素逐一排查,及時(shí)修復(fù),以免進(jìn)一步擴(kuò)散,造成更嚴(yán)重的水毀破壞。

4 結(jié)語

防止黃土地區(qū)涵洞水毀破壞主要應(yīng)從設(shè)計(jì)入手,針對新建項(xiàng)目涵洞,應(yīng)以既有項(xiàng)目水毀特征及原因?yàn)橹笇?dǎo),在設(shè)計(jì)中合理評估涵洞排洪能力和抗水毀能力,綜合考慮涵洞附屬排水構(gòu)造物的作用,合理選擇排水構(gòu)造物的材料、設(shè)計(jì)尺寸及設(shè)置的必要性。施工中對涵洞地基處理等易造成涵洞水毀破壞的薄弱環(huán)節(jié)應(yīng)尤為重視。日常養(yǎng)護(hù)中應(yīng)注重“未雨綢繆”,及時(shí)疏通清理。總之,對于黃土地區(qū)涵洞的設(shè)置,不僅要考慮其排洪能力和運(yùn)營強(qiáng)度,更應(yīng)將抗水毀破壞能力作為重要的評價(jià)指標(biāo)。