黄土地区公路涵洞水毁特征及防治措施分析

薄军丽，王乾波

(甘肃恒路交通勘察设计院有限公司,甘肃 兰州 730070)

涵洞是公路工程中用于横向排水的重要结构之一,尤其是在二级公路及以下等级公路工程中所占比例极高[1],黄土地区二级公路中沿线涵洞数量约为桥梁的10倍。因此,涵洞的安全性是保证道路畅通的重要因素。黄土在干燥状态下,具有较小的压缩性和较大的强度,但遇水后由于土体结构的破坏而产生严重下沉,此类土体作为涵洞的基础,一旦发生湿陷性破坏,就会造成涵洞的不均匀沉降,在应力达到极限状态时涵洞发生破坏[2]。

目前,有学者针对黄土地区的涵洞受力特点进行了大量的研究工作。赵永虎等以青海民小一级路的两道涵洞为研究对象,系统分析了黄土地区不同地基处理方法对涵洞受力的影响[3]。解卫江等研究了湿陷性黄土地区大孔径波纹管涵的受力性能,得到了不同参数下涵洞应力与土压力的变化规律[4]。孙润东对青海东部4条高速公路涵洞病害调查研究,并通过试验对比了不同地基处理方法对涵洞沉降的影响[5]。虽然上述学者针对黄土地区涵洞受力特性进行了深入分析,但未对黄土地区涵洞的水毁问题进行系统研究。因此,研究黄土地区涵洞的水毁特征对保障黄土地区涵洞的安全服役具有重要的工程意义。

1 黄土地区涵洞水毁特征

1.1 涵侧路基冲毁

强降雨导致沟道洪水在涵洞口积聚,没过路面,冲毁涵洞两侧的路基,对涵洞基础造成破坏,从而使涵洞丧失功能。此类水毁病害主要发生于全压力式涵洞。涵洞水毁示意图如图1所示。

1.2 蒸发池水倒排冲毁涵洞

梁、塬、峁是黄土地区典型的三种地貌,居民聚居区及成片农田大部分位于宽阔平坦的黄土塬上。黄土塬地势平坦,地面坡度仅为1°～3°,是黄土地区黄土层堆积最高的位置[2]8。由于黄土塬独特的地貌特征,路基排水无法通过边沟直接从自然边沟排出,因此道路排水工程设计中往往会设置较多的蒸发池。受连续强降雨影响,涵洞出口蒸发池水蓄满后,会倒灌农田,造成路面大面积积水,蒸发池侧壁后填土受长时间强降雨影响,形成土体湿陷,造成既有蒸发池护坡整体断裂,长时间水流冲刷蒸发池边坡,危及周边民居安全。

1.3 涵洞出口损毁

对于涵洞出水口侧的路基边沟水,设计中往往通过急流槽将路基边沟水引入涵洞出口,通过涵洞出口急流槽排出。调查发现,急流槽水流盈满急流槽从侧壁外侧渗入急流槽底部,造成急流槽底部掏空后断裂,路基边沟水直接冲刷涵洞出口基础,造成涵洞洞身脱空断裂。典型的水毁现场如图2所示。

1.4 进出水口铺砌损毁

水流流经铺砌末端时,水流势能迅速转化为水流动能,使水流速度增加,在铺砌末端形成冲刷坑,从而使铺砌断裂,进一步影响涵洞出水口基础的冲刷,甚至导致涵洞的整体破坏。尤其在黄土地区,水流冲刷加之黄土湿陷性影响,加速了涵洞的水毁破坏。冲刷示意图见图3。

2 原因分析

2.1 设计原因

涵洞选型不当,排洪能力不足。规定频率的年最大洪水流量是涵洞设计中的关键因素。常见的计算方法有暴雨推理法、径流形成法、形态调查法和直接类比法,JTG/T 3365-02—2020公路涵洞设计规范[6]建议采用两种以上方法相互校核,并选择更适合本地区的计算方法。但在实际工程中,往往会因为诸如计算方法选择不当、水深降落系数及摩阻坡度取值不当等原因导致涵洞设计中对规定频率的最大洪水流量取值过小,导致涵洞排洪能力不足。

蒸发池蓄水量偏小。蒸发池的设置仅满足日常蓄水蒸发需求,且路段前后长距离纵坡较缓,横向离沟道均较远,无法对排水设施进行远送排出路基,仅能通过蒸发池日常蓄水蒸发。

急流槽设计尺寸偏小。在设计过程中,对于边沟汇水计算不足,导致急流槽设置尺寸偏小,边沟水汇集,易翻越急流槽侧壁,渗入急流槽基础土体,黄土发生湿陷性沉降,造成急流槽断裂。

排水构造物抗渗性差。浆砌片石是常见的排水构造物用材料之一,常用于八字墙、集水池和急流槽等排水构造物的建造。工程中常见因施工质量问题或养护不到位,导致浆砌片石勾缝砂浆脱落,且浆砌片石防水能力较差,水发生渗漏进入黄土,黄土湿陷导致涵洞沉降,甚至折断破坏。

2.2 施工原因

基础及涵侧填方路基处理未达到设计要求。设计文件中针对黄土地区涵洞基础一般采取换填或挤密桩等方式进行处理,施工中由于换填料未达到设计要求,施工工艺未切实按设计图纸施工,导致涵洞基础及涵侧填方路基亲水性较强,抗水毁能力差。但从现场调查情况统计分析可知,由施工原因造成的涵洞强度损失或破坏的情况较少,即涵洞自身的强度往往不存在隐患,损毁均因施工过程中留有水毁隐患,强降雨影响下涵洞发生水毁破坏的可能性增大。

2.3 养护原因

日常养护不到位。日常养护是保证涵洞正常服役的关键因素,因日常养护不到位而造成的涵洞水毁如下:涵洞淤积未及时处理,使得涵洞排洪能力大打折扣;进水口跌水井养护不到位,底板破损,水流从涵洞底部渗流,导致基础脱空;涵洞顶路基侧拦水带损坏未及时修复,导致路面水从涵洞八字墙后排入土体,进一步冲刷掏空涵洞出口基础,使涵洞发生破坏。现场照片如图4所示。

3 黄土地区涵洞水毁防治措施

3.1 设计防治措施

针对黄土地区涵洞水毁的特征和主要原因,设计中可从以下方面规避。

3.1.1 合理选用流量计算方法、涵洞类型、孔径

黄土地区涵洞设计流量计算可采用暴雨推理法和径流形成法计算,计算结果取两者较大值,其计算公式详见文献[6]。其中,当以暴雨资料为主推算小流域洪水流量时,可采用暴雨推理法、径流形成法。但当现场可以调查到比较可靠的历史洪水位时,尤其是在项目所在地有确切的水文站监测数据时可采用形态调查法、直接类比法。但根据工程实际,黄土地区公路工程很少能获得可靠的历史洪水位,因此采用暴雨资料推算的情况居多。

获得可靠的计算流量后,应结合当地地理和气候特征、工程特征、涵洞功能等因素,合理选择涵洞类型、孔径、埋深及断面形式。黄土地区涵洞的选型应区别于常规地区,对基础承载能力要求较低且能更好适应基础不均匀沉降的钢波纹管涵明显优于混凝土圆管涵和钢筋混凝土盖板涵,且其造价相对较低,施工及后期维修及养护方便,尤其是对地基承载能力要求较高的箱涵等形式尽量避免选用,当不得不选用箱涵时,应对地基处理方案单独论证,保证地基换填深度等指标满足要求。

3.1.2 减少三角形边沟的设计

黄土地区路基边沟的断面形式多采用三角形边沟,其断面形式如图5所示。因地形限制,纵坡设计过小,流水通过时泥沙沉淀淤积,造成边沟过水面积大打折扣,边沟水外溢翻越边沟,造成边沟外侧黄土湿陷,水流从边沟底部渗流,从而进入涵侧造成涵洞水毁破坏。另外,调查发现不设路基边沟的路段,发生路基和涵洞水毁的可能性远低于设置路基边沟的路段。这是因为路基水散排不易汇流,路基边坡下的植物可以减小流水动能且增加地表蓄水能力,流水面广、渗流面积大、蒸发量大。因此在非极端降雨天气,不设路基边沟反而能有效抑制水毁的发生。

因此,设计中当根据工程实际和流量计算,充分论证设置路基边沟的必要性。当必须设边沟时,应选择沉淀淤积对流水断面缩减且更便于清淤的梯形边沟,其断面形式如图6所示。设计中应充分考虑边沟纵坡偏缓造成淤积的可能,适当放大边沟纵坡,尤其是靠近涵洞进出水口的边沟。

3.1.3 合理布设蒸发池

对于接蒸发池的涵洞位置应详细论证分析,相邻涵洞距离不宜过长,避免水盈满蒸发池后倒排冲毁涵洞和路基。蒸发池设计应根据30 d蒸发总量计算结果,且不考虑下渗影响,合理确定蒸发池面积,必要时适当增大设计径流量。蒸发池的选址应尽量远离农田和民房,且设计中应充分考虑汇水面积和蒸发量的关系,避免因蒸发池中水外溢而造成的水毁破坏。蒸发池距离路基安全距离不宜太大,保证蒸发池蓄满水后能及时将水抽出运离。

3.1.4 合理设计涵洞进出口构造物

涵洞进水口集水池、跌水井、进出口八字墙、铺砌、急流槽等构造物,应避免使用强度及抗渗性较小的浆砌片石,而选用强度和抗渗性能较好的混凝土。选用混凝土作为构造物材料时,应考虑构造物接头位置的防水,增设防水土工膜或沥青等隔水材料处理构造物与土体的接触面,并考虑黄土湿陷性带来的不均匀沉降可能造成的混凝土开裂,采用配置钢筋网片保证排水构造物的抗水毁能力。

路基急流槽引边沟水至涵洞出水口的位置,应充分考虑水流翻越急流槽涌入急流槽外侧土体而进一步冲刷涵洞出口的可能性,合理选择急流槽的设计尺寸,并在急流槽体中适量配置防裂钢筋,避免因黄土湿陷而造成的急流槽折断破坏。涵洞出水口急流槽应引入沟道底,避免因急流槽末端水流冲刷侵蚀土体,造成边坡垮塌,从而影响路基边坡的稳定性。

涵洞出水口铺砌基础土体应夯压密实,铺砌应采用混凝土硬化处理,铺砌出口与涵洞出水口急流槽顺接,且接头位置应圆顺密实,以保证排水的顺畅。在地形条件允许的情况下,应避免涵洞出水口铺砌直接与急流槽连接,而应在铺砌末端增设跌水井、消力池,或当铺砌长度足够时,在铺砌表面增设消力坎,消减流水动能,减少水流对急流槽的直接冲刷。

3.2 施工防治措施

施工中应注重涵洞全寿命周期服役的安全性,严格按设计图纸施工。现场开挖后,若地基土质与设计不符时,应及时沟通,变更设计方案。严格按设计的施工工艺施工,对诸如涵侧路基填筑方式与顺序、洞身防水涂层施工、地基处理方式及地基承载力要求等关键点应严格把控。

3.3 养护防治措施

高效的日常养护是避免涵洞发生水毁的最重要因素之一。黄土地区土质松散,极易在涵洞及其排水构造物中沉淀淤积,造成涵洞及构造物过水断面缩减,不及时清淤,则过水断面越来越小,强降雨造成涵洞水毁的概率增大。涵洞进出水口排水构造物因混凝土碳化剥落、石块碰撞冲击、季节性冻胀等因素造成混凝土局部破损,抗渗性能下降,水渗入基础造成黄土湿陷的可能性增大。因此,涵洞日常养护中应对可能进一步造成涵洞水毁破坏的因素逐一排查,及时修复,以免进一步扩散,造成更严重的水毁破坏。

4 结语

防止黄土地区涵洞水毁破坏主要应从设计入手,针对新建项目涵洞,应以既有项目水毁特征及原因为指导,在设计中合理评估涵洞排洪能力和抗水毁能力,综合考虑涵洞附属排水构造物的作用,合理选择排水构造物的材料、设计尺寸及设置的必要性。施工中对涵洞地基处理等易造成涵洞水毁破坏的薄弱环节应尤为重视。日常养护中应注重“未雨绸缪”,及时疏通清理。总之,对于黄土地区涵洞的设置,不仅要考虑其排洪能力和运营强度,更应将抗水毁破坏能力作为重要的评价指标。