海南中部乡村道路涵洞病害成因及防治措施

0 引言

由于海南省中部地区水系发达，河溪细流纵横穿插于各县乡村。所以本地区乡村公路避免不了设置各种类型的涵洞。根据调查，海南中部地区现有乡村公路涵洞平均密度为3～5个/km，所以对于涵洞的设计是否合理及施工是否符合规范要求，对修建乡村道路的造价与通行质量都产生很大的影响。笔者通过实地调查及查阅资料等方式对海南中部多个市县的乡村道路涵洞的病害成因进行分析，并提出合理的防治措施。

1 海南中部乡村道路涵洞常见的病害类型

在笔者对海南中部多个市县的乡村道路涵洞的调查中，根据构造类型分类的有盖板涵、箱涵、拱涵、圆管涵等，此次乡村公路调查中盖板涵的占比率达到60%，其他类型共有30%的占比率。在此次所调查的涵洞中，较常见的涵洞病害类型见表1。

表1 海南中部乡村道路涵洞病害统计表

2 海南中部乡村道路涵洞病害成因分析

2.1 设计方面原因

①涵洞结构的形式选择不恰当，没有根据地质勘察及水文资料选择相适应的涵洞类型；②涵洞设计施工所使用的钢筋规格、构造配筋数量及水泥混凝土的强度等级不符合规范。③涵洞节与节之间的纵横对接设计不当，造成对接偏差、对接不上、偏移而发生错台；④涵洞出水口处的铺砌面没有根据实地情况施工，未超过翼墙的尾端，且在排水渠底部与隔水外墙之间并未进行过有效的加固，造成水流对铺砌面与涵洞底部产生严重的冲刷后果；⑤涵洞翼墙及端墙设计的厚度过小，使墙体自身的重力不足，从而导致出现坍塌损毁现象；⑥翼墙与端墙背面坡度的设计不合理，造成翼墙或端墙出现了外倾的情况；⑦墙体基础设计埋深过浅，且在设计的时候未考虑到海南中部高海拔地区的高山水流冲刷，对墙体造成一定的破坏；⑧涵洞地基承载力的设计没有考虑到涵洞顶部车载及铺筑材料重力的影响，导致计算出来的承载力偏小。从而造成涵洞的基底承载力不足，导致涵洞洞身及附属结构出现了不均匀沉降现象，从而造成了涵洞整体结构的损坏。

2.2 材料方面原因

用于涵洞施工的材料未按设计规范的要求选择使用是导致涵洞出现病害的主要原因之一。通常道路涵洞施工所使用的材料有水泥砂浆、钢筋混凝土、防水混凝土、沥青、油毡等。假如在实际的施工过程中所使用的水泥等级不满足设计规范要求，则会导致混凝土强度不足，最终造成涵洞洞身表面剥落、开裂、翼墙变形，甚至会出现坍塌的情况。如果涵洞防水施工所使用的防水混凝土、沥青、油毡等防水材料不符合设计及规范要求，则导致涵洞出现渗水、泛碱等病害，从而会影响到涵洞整体结构的质量。

2.3 施工方面原因

由于施工产生的病害原因主要是没有严格地按设计文件的要求与相关施工规范来进行施工，具体主要体现在以下的几个方面：①涵身回填的材料选用不符合要求，没有采用强度高稳定性好的材料进行回填，且回填的时候未采用两端对称的回填筑方式进行分层压实，导致涵洞出现偏压现象。另外，如果回填土的时候摊铺厚度过大，压实机械质量偏小，施工人员操作不规范也会导致压实度不符合要求。②为了迎合工期甚至超前工期，而过度讲究推进施工进度而忽视了工序之间的设计要求间隔时间，从而造成工程严重的质量缺陷。③在施工过程中，施工企业图谋不义之财，以致采取偷工减料的方式，以次充好、以假充真，造成所使用的防水材料量不合格以及混凝土强度等材料不满足设计要求和规范的要求，导致涵洞过早地产生涵身裂缝、渗水等质量问题。④洞身的沉降缝设置不合理。涵洞沉降缝施工时，施工单位为了赶工期而减少了沉降缝的设置数量，从而造成了涵洞的病害。⑤施工单位未考虑到实地地质情况，在进行涵洞基础施工的时候，并没有事先去检测地基承载力，而是直接按照设计图纸的要求去开挖。且在地基承载力不符合设计规范要求的情况下，没有去对地基进行处理，导致基底出现不均匀沉降，从而造成涵洞洞身结构产生裂缝。⑥涵洞结构混凝土浇筑完成后，没有及时去养护，由于混凝土的收缩徐变作用，造成洞身结构混凝土出现开裂、脱离等病害现象。

2.4 环境方面原因

海南中部乡村道路作为露天且线路长远的项目，沿途经过各种各样复杂的山区地质水文状况，涵洞作为公路工程的一部分，需要承受独特的山区地质水文等恶劣自然因素的影响，不可避免地会遭受不同程度的毁坏。尤其是遭遇地震，特大暴雨等不常遇的自然灾害时，由于地震及特大洪灾的影响，使地形及地貌出现断层、地裂、特大滑坡等巨大变化时，会导致涵洞产生结构和质量等方面的病害。

2.5 养护方面原因

①在施工阶段，洞身结构在施工完成后没有去针对洞身结构强度各个阶段的特性去采取符合规范及设计要求的相应养护措施。比如，混凝土在浇筑完毕后，施工人员未及时地进行按时浇水等养护方式，导致混凝土强度不足，这也是造成道路涵洞病害的一个重要原因。②在通车运营阶段，管养单位及监督单位相关管理人员的责任意识不够强。管养单位施工人员未按相关规范要求去进行养护，而且监督管理单位责任人也未做好相应的监督管理工作，进而给涵洞造成产生不可逆的破坏。另一方面，在管养过程中管养人员未对涵洞日常出现的现象进行详细记录和汇总上报，也没有提前去预判涵洞可能存在的质量隐患和病害，特别是车辆在超载行驶的时候，更会导致该病害和隐患进一步恶化发展，从而使涵洞产生了重大的质量问题。

3 海南中部乡村道路涵洞病害防治措施

3.1 设计方面

在进行设计前，设计人员应对施工现场的水文气象、地质勘察等资料进行详细的研究和相应数据的计算。还要根据山区乡村道路具有坡陡水急、排水不畅的特殊性，需要到实地对历年洪水的痕迹进行调查，并综合考虑车流量、降水量、地形位置、跨径、实用性、经济性等各个方面原因，最后确定设置的涵洞要具有以下特性。

①设置的涵洞构造形式的跨径范围应符合表2[1]的要求。

表2 各类涵洞构造的适用跨径

②根据相应的地质水文状况及涵洞特点设置的涵洞类型应符合表3的要求。

表3 不同涵洞类型特点与适用条件

③设计使用的材料应与施工情况相适应，在进行设计的时候应尽可能地去参考《公路涵洞设计细则》等有关规范标准去选定合格的施工材料。

④设置的涵洞结构规格应确保其在发生特大水量情况的基础上仍然可以顺利地排泄。

⑤设计墙体基础的埋置深度应确保不受当地水流最大冲刷深度的影响。

⑥翼墙与端墙的设计厚度要符合规范要求以及其墙背面坡度不能过大，要保证其具有足够的抗倾覆力矩。

3.2 施工方面

①在施工前，应针对涵洞编制专项的施工方案，做好施工部署，合理地安排好各道工序及材料进场时间，不仅能有效地控制工期和节约成本，还能统筹其他的不确定因素。

②施工单位在施工时要严格按照施工规范和设计单位的设计要求并根据现场具体情况进行规范化施工。如果在施工过程中发现存在设计图纸与地质情况不符的情况，要及时上报给设计单位进行修改，消除质量隐患。

③在施工过程中，要随时根据实际情况去将施工工艺更新及改进。施工工艺直接影响到施工质量，山区道路修建涵洞时要考虑到一些不良地质条件及突发的异常气候的影响，积极地改进施工工艺不仅能提高施工效率、节约成本，还能减少涵洞病害的产生。

④洞身结构在施工前，应根据实际地质勘察情况，对承载力差的基底选择相应的措施进行处理，提高涵洞基底的稳定性，避免因为涵洞基底产生不均匀沉降，而导致洞身结构的开裂。

⑤合理地去使用施工材料，对于保证施工质量起到了不可忽视的作用。所以，要坚决杜绝不符合要求的材料进场以及偷工减料的行为。在施工时根据设计要求选用材料时，除了要考虑到经济成本外，还要考虑到材料的强度和实用性，涵洞材料的最低强度等级如表4[2]。另外，洞身及基础渗水是涵洞病害产生的主要原因之一，所以在施工时用于沉降缝施工的材料至关重要，应选用具有防水、耐腐、抗压沥青橡胶等优良特性的填料。

表4 涵洞材料的最低强度等级

3.3 减载方面

海南中部地区由于是山区地形，地势跌宕起伏，为了满足道路工程的线形标准，需要进行高填方的路段较多，所以需要设置相应高填方的涵洞数量也比较多。据此次对海南中部几个市县乡村道路涵洞的调查中，部分涵洞最大填土高度达到30m。对于高填方涵洞来说，由于对涵顶进行回填土的荷载比较大，所以回填土措施的选择正确与否会改变涵洞与回填土方之间的相互作用，甚至会造成涵洞受到不同方向的附加作用力。因此，采用有效而可靠的减载措施，不仅能最大程度地减小涵洞竖向附加土压力，还可以产生向上的附加作用力，从而使涵顶的土压力得到了明显的降低。

下文探讨目前国内比较常用的减载措施，如松散填筑法、柔性填料法、加筋减载法、利用天然地形等方法的适用性。

①利用天然地形。

海南中部山区的天然地形，如溪谷、陡坡等自然的道路临界条件对涵顶回填土的压力会产生不小的影响，道路边坡能够承担部分涵洞顶部回填土体的自身荷载，以减小涵顶应力的过度集中，这样有助于减载效果的充分发挥。

有研究表明，山区道路高填方路堤设置合理的边坡比和冲沟高宽比对于减少涵顶回填土压力具有很显著的效果。所以，合理地设置涵位，充分地去利用坡岸和沟槽的拱效应，可以达到很好的减载作用。

不过由于涵洞到两侧边坡之间的距离差异大于一定值可能会导致偏载，从而会造成涵洞的结构因为其中一侧的土压力过大而开裂损坏及地基的不均匀沉降，所以完成利用天然边坡对于涵洞结构的正常使用会产生一定的不稳定因素。

②松散填筑法。

松散填筑法[3]是使用不同压实度的土层对涵顶进行回填，即涵洞的两侧回填土方压实的同时，涵洞顶部在一定的高度范围内只能回填松散的填料。这样就能使涵顶回填土方的变形模量小于涵洞两侧回填土方的变形模量，涵洞内外土柱间的沉降差会有所减小，涵顶的土压力集中现象就能够得到有效的缓解，因此达到了减载的效果。

选择松散侧实填土的减载方法能够降低涵顶回填土方的等沉面，减小涵洞顶部土压力的集中系数，产生了比较好的减载作用。

不过该方法对涵洞顶部松散回填土方区域的范围难以把控，因此在土方回填过程中稍微把控不好就会导致道路路堤顶面沉降的加大，从而影响到路堤的稳定性，形成了潜在的不安全因素。

③柔性填料法。

柔性填料法是在松散填筑法的基础之上进行改进的减载方法。一般在施工过程中选用的是压缩模量比较小的柔性填料。因为要协调涵洞顶部与两侧填土变形的作用，回填柔性材料的摊铺厚度仅为10～50cm就可以。由于涵洞顶部回填了柔性填料，所以当回填土的高度达到一定的数值以后，柔性材料就会在回填土的重力荷载作用下产生屈服，产生比较大的变形现象。通俗地说就是减少了涵顶的内外部回填土柱之间的沉降差，有效地减轻了涵洞顶部的应力过于集中现象，以此达到减小高填方涵顶回填土产生荷载过大的效果。

国内现阶段工程施工中广泛使用可发性聚苯乙烯泡沫塑料模塑板（PES）。模塑板（PES）的特性主要是具有容重小与足够的结构强度，施加压力较小时具有弹性体的性能，但是外施压力进一步加大后便发生屈服，变形加大，因而便获得了良好的减载效果。当模塑板（PES）的变形达到极限值时，涵洞顶的土压力系数也就慢慢地稳定。同时模塑板（PES）还具有稳定可靠、施工方便、造价低廉等优点；但模塑板（PES）的防火性能差，且燃烧时释放大量的热量，生成有毒、有害烟雾，受火后收缩熔化产生空腔，从而加剧燃烧程度。因此在施工中，要特别对此材料采取可靠的防火措施。

④加筋减载法。

我们通常所说的加筋减载法[4]就是使涵洞顶上方一定宽度和高度范围内的回填土方的密实度小于两侧的回填土方，以此形成内松外紧的“减载孔”；同时也在减载孔的上方分层铺设钢筋，且钢筋两端分别要锚固于两侧密实的回填土体中，形成“加筋桥”，从而减少涵洞顶部的土压力，以避免路堤的沉降过大。

该方法与松散填筑法比较相似，目前都被广泛应用于公路涵洞的病害防治当中。

3.4 养护方面

①在施工阶段，道路涵洞工程使用的材料中水泥混凝土占有比较大的比例，由于水泥混凝土具有热胀冷缩的特性，所以在高温和低温的天气时节比较容易产生裂缝。所以，在进行洞身结构混凝土浇筑完毕后要及时去进行养护。

②在运营阶段，养护单位责任人员必须要加强对涵洞的监管和养护工作。一是要及时地去将洞口内与出水口存留的淤积物清理干净，从而使涵洞排水的保持畅通。二是要按时对涵洞洞身及其附属构造进行详细检查，从而能够提前发现和处理存在的各种质量隐患，做到未雨绸缪。三是要严格管控对超载车辆的通行，避免由于车辆超载而造成涵洞的损毁。

4 结语

海南中部乡村道路作为改善民生及提高当地农村产业规模的重要交通枢纽，涵洞作为道路的重要组成部分，涵洞结构质量的好坏关系到道路工程整体质量的好坏。本文通过实地考察、查阅资料等方式归纳出海南中部乡村道路涵洞出现病害主要原因，并从设计、施工及养护等方面提出了对于涵洞病害科学的防治措施，减少乃至避免道路涵洞再出现类似的病害，以保证道路涵洞整体结构的质量。