公路水毀機(jī)理分析

韓文斌

(山西省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院，山西太原 030006)

1 概述

2009年～2012年是我省高速公路建設(shè)的高潮期，基本實(shí)現(xiàn)了每年建成1 000 km高速公路的宏偉目標(biāo)。公路的設(shè)計(jì)和施工缺陷在這種快節(jié)奏的背景下，被大幅放大，加上氣候(特別是降雨)的急劇變化，好多公路出現(xiàn)了不同程度的水毀現(xiàn)象，導(dǎo)致某些高速工程成為了嶄新的補(bǔ)丁路，嚴(yán)重影響交通系統(tǒng)的社會(huì)形象，造成了財(cái)力、物力的較大浪費(fèi)。

2 水毀概況

2.1 挖方邊坡垮塌

挖方邊坡垮塌主要發(fā)生在土質(zhì)邊坡和強(qiáng)～全風(fēng)化的石質(zhì)地段。

一方面受坡面水流沖刷影響，邊坡土體顆粒被剝離母巖，在坡面上，形成一定規(guī)模的溝槽，溝槽的進(jìn)一步發(fā)展，形成了更為順暢的匯水通道，水流的沖刷能力也隨之進(jìn)一步加強(qiáng)，對(duì)坡面構(gòu)成更大的沖刷。

另一方面，受降雨滲水影響，土的含水量增加，自重增大;同時(shí)土體軟化，C值減小，土體粘結(jié)力減弱;加之人工開(kāi)挖山體，打破了原有的邊坡土體應(yīng)力平衡狀態(tài)，從而造成局部的邊坡塌落，甚至整體垮塌。

2.2 填方邊坡垮塌、開(kāi)裂

在填方路段，受工期、降雨、填方地基、填料性質(zhì)、填土高度、施工質(zhì)量等因素影響，填方段在填筑完成后，存在不同程度的工后沉降。

填挖結(jié)合部一般設(shè)有排水溝或急流槽。受工期控制，在工后沉降尚未完成的情況下，截水溝、排水溝等均已施工完成，隨著填挖結(jié)合部不均勻沉降的發(fā)展，導(dǎo)致漿砌排水溝、急流槽等產(chǎn)生斷裂。雨季匯水從斷裂處涌出，一方面，涌水優(yōu)先掏蝕砌體底部較為柔軟的填方土體，填挖結(jié)合部一旦沖毀，修補(bǔ)難度較大，施工成本較高。另一方面，急速匯水的溯源侵蝕進(jìn)一步掏蝕斷裂處以上砌體的底基，最終可能沖毀填方邊坡，沖毀甚至致使路面開(kāi)裂。

2.3 路基工后沉降

填方路段普遍在工后沉降。受工期、施工組織管理等因素影響，工后沉降較為普遍和嚴(yán)重，路基成型后，大變型沉降未完成就開(kāi)始鋪筑路面結(jié)構(gòu)層，從而導(dǎo)致路面早期裂縫的產(chǎn)生。

2.4 沖毀農(nóng)田

以往的設(shè)計(jì)習(xí)慣，為了排水需要，涵洞基本設(shè)置于溝心位置。如今，隨著山川河流治理工程的深入，大部分沖溝都已經(jīng)被整修為平坦的臺(tái)階地，溝心沒(méi)有明顯的匯水渠道，降雨直接下滲至土壤層。涵洞修筑完成后，路面，路基邊坡等匯水通過(guò)急流槽匯流至涵洞，形成集中排水，造成涵洞下游農(nóng)田沖毀，目前這種矛盾尤為突出。

2.5 沖毀被交路

受傳統(tǒng)設(shè)計(jì)理念的束縛，大部分設(shè)計(jì)者重視高速公路本身的排水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，而忽略了被交路等線外工程的設(shè)計(jì)深度。線外排水設(shè)施未能形成系統(tǒng)或者存在較大的缺陷。被交道路受匯水沖刷，朔源侵蝕至通道口，繼續(xù)掏蝕通道口砌體的地基土層，造成砌體懸空、坍塌。

2.6 人工堰塞湖

由于施工管理不到位，挖除的廢方經(jīng)常被隨意堆放，如果堆積于溝谷中，堵塞水路，形成一道人工壩，遇到大雨將可能產(chǎn)生人工堰塞湖。隨著湖內(nèi)水位的升高，松散堆積的土體本身穩(wěn)定性較差，在水的浸泡和水位壓力綜合作用下，很容易造成“潰壩”，最后可能演變?yōu)槿斯つ嗍?，其危害可?jiàn)一斑。

2.7 砌體防護(hù)開(kāi)裂垮塌

擋土墻、護(hù)面墻等支擋工程開(kāi)裂主要有兩方面的原因:1)砌體質(zhì)量不合格。由于工期、單價(jià)、管理等因素影響，部分砌體存在厚度不足的情況。砂漿不飽滿、砂漿強(qiáng)度不足、后期養(yǎng)護(hù)不到位等也影響砌體強(qiáng)度。2)砌體墻后的排水系統(tǒng)缺失，具體有碎石反濾層、防水土工布，甚至泄水孔在施工中被“省缺”或者施工不滿足功能要求。邊坡滲水在墻后匯聚富集，不能及時(shí)有效排出，墻對(duì)墻后巖土體浸泡，使其軟化強(qiáng)度較低，隨后導(dǎo)致松散，特別是遇見(jiàn)膨脹性巖土體，遇水膨脹，墻后應(yīng)力增大，加之砌體強(qiáng)度不足，造成墻體開(kāi)裂、鼓脹，甚至坍塌(見(jiàn)圖1)。

有的巖土體泌水較慢，巖土體中的滲流速度有限，夏季、秋季的地表滲水，可能到了冬季還在不斷從墻后滲出。北方冬季天氣寒冷，大部分地區(qū)冰凍深度大于砌體厚度，墻后滲水容易凍結(jié)、膨脹，加之砌體靠巖土體表面普遍呈“楔形”狀，冰體的“劈裂作用”明顯，凍脹破壞顯的尤為嚴(yán)重(見(jiàn)圖2)。

圖1 墻后滲水?dāng)y帶泥質(zhì)擠出砌體

圖2 巖層滲水冬季凍脹

3 原因分析

3.1 砌體強(qiáng)度問(wèn)題

排水設(shè)施如邊溝、排水溝、急流槽等，以漿砌片石為主。目前漿砌工程有兩大質(zhì)量問(wèn)題:1)砂漿強(qiáng)度不夠，砂漿水泥用量不足和后期養(yǎng)護(hù)不到位均會(huì)造成砂漿強(qiáng)度低下;2)砂漿不飽滿，在排水設(shè)施等小型砌體工程中，偷工和減料較為常見(jiàn)，更有甚者，排水溝的砌筑只是簡(jiǎn)單的干砌片石，然后進(jìn)行勾縫。如此一來(lái)，砌體的強(qiáng)度和耐久性不滿足設(shè)計(jì)和使用要求。

3.2 地形未修整、匯水不流暢

截水溝、邊溝、急流槽、排水溝等已經(jīng)砌筑完成，外側(cè)地形未做整修，地面標(biāo)高低于排水設(shè)施，匯水不能順利流入，而是在砌體外側(cè)浸泡、沖刷砌體基底，造成地基下沉或者掏空、砌體斷裂、排水設(shè)施土崩瓦解。

挖方平臺(tái)平整度低或者排水坡度不夠造成積水，浸泡土體邊坡，導(dǎo)致自重增加，土體粘聚力急劇降低，造成邊坡失穩(wěn)。

3.3 淤積

排水設(shè)施淤積物來(lái)源主要有三個(gè)渠道:1)挖方邊坡坡面的松散體;2)填方邊坡寬填后未進(jìn)行刷坡，壓實(shí)度不夠的寬填部分及外表面懸浮堆積體;3)匯水范圍內(nèi)的松散棄渣未進(jìn)行防護(hù)固化。在集中降雨過(guò)程中，散粒被雨水?dāng)y帶，進(jìn)入排水設(shè)施，在平緩處形成淤積，最終導(dǎo)致水流溢出排水設(shè)施，造成水毀。

另外農(nóng)田中的秸稈雜草等也是造成邊溝等堵塞的重要原因。

3.4 砌體基底沉降

我們比較重視填方路基本身的壓實(shí)度，而對(duì)于附著在填方邊坡表面的砌體基底的密實(shí)度往往忽略。由于基底下沉，急流槽、錐坡等排水防護(hù)工程開(kāi)裂，匯水下滲，地基土在匯水溶蝕及重力的作用下，沉降加劇，進(jìn)而導(dǎo)致砌體懸空甚至斷裂。加上急流槽和錐坡的位置，地形坡度大，匯水流速快，沖刷能力強(qiáng)，可能一場(chǎng)暴雨即可造成路基局部沖毀。

填挖結(jié)合部本身就是路基穩(wěn)定性的薄弱環(huán)節(jié)。在設(shè)計(jì)和施工過(guò)程中，填挖路段的不均勻沉降本身就是一個(gè)難點(diǎn)，一旦填挖結(jié)合部沖毀，想要一次性修復(fù)，十分困難。首先，由于沖刷形成的溝槽坡度大，填料本身的穩(wěn)定性很難保障;其次填料與挖方土體，特別是與填方土體的結(jié)合問(wèn)題更是一個(gè)難點(diǎn)，且范圍狹小不利于機(jī)械碾壓作業(yè)。

3.5 水對(duì)路面結(jié)構(gòu)層的破壞

填方段在工后沉降的影響下，經(jīng)常出現(xiàn)路面產(chǎn)生裂縫，雨水順著裂縫灌入路面結(jié)構(gòu)層，加速了路面結(jié)構(gòu)層的破壞。主要破壞機(jī)理如下:在高速行駛的汽車輪胎的沖擊下，路面結(jié)構(gòu)層的變形釋放于相對(duì)狹小的裂縫部位，瞬時(shí)傳遞到裂縫內(nèi)的水體，水體瞬時(shí)壓力陡增，這種壓力反作用于裂縫斷面兩側(cè)集料表面，對(duì)其造成沖擊，使得部分顆粒脫離散落(需要較長(zhǎng)時(shí)間的反復(fù)作用)，裂縫繼續(xù)發(fā)育擴(kuò)大。

隨著裂縫的擴(kuò)大，縫隙中散粒含量的增多，在輪胎反復(fù)沖擊作用下，散粒會(huì)隨著被擠壓的液體一起運(yùn)動(dòng)，對(duì)接觸面的集料造成更大的沖擊破壞和磨耗。最后的發(fā)展方向?qū)⑹?，路面結(jié)構(gòu)層細(xì)集料不斷被磨耗，各結(jié)構(gòu)層強(qiáng)度降低，在上部荷載作用下單向裂縫發(fā)展為放射狀的裂縫群，導(dǎo)致龜裂、松散等后期破壞。

如果這種作用發(fā)生在路面底基層之下，將首先表現(xiàn)為擠泥，進(jìn)而路面結(jié)構(gòu)層被掏空，最后發(fā)生路面沉陷、斷裂。

4 改進(jìn)措施

4.1 在設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)要周詳考慮

設(shè)計(jì)理念需要改變，以往的本位主義思想要堅(jiān)決改變。設(shè)計(jì)不能只考慮高速公路本身的或者當(dāng)下的排水需要，要從長(zhǎng)遠(yuǎn)的、系統(tǒng)的、全面的考慮排水系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)。

遇到長(zhǎng)大段落邊溝，下游尺寸需要驗(yàn)算。

涵洞、通道的排水設(shè)施不能止步于涵洞口，要為水流找到歸宿。

4.2 加強(qiáng)施工組織管理，保證工程質(zhì)量

工程質(zhì)量要從其功能性和耐久性出發(fā)進(jìn)行施工的監(jiān)管和驗(yàn)收。主要從三方面著手:

1)砌體本身或者主體的質(zhì)量問(wèn)題。從原材料質(zhì)量抽檢、工序工藝控制、后期養(yǎng)護(hù)監(jiān)督抓起。2)附屬設(shè)施不能被省缺，主要包括防滲土工布、墻后或盲溝底部碎石排水層、泄水孔等、施工縫、沉降縫填料。3)排水設(shè)施施工完成后，對(duì)周圍地形整修回填，綜合考慮美觀、匯流和沖刷，一般橫坡按1%控制，有條件的可以進(jìn)行壓實(shí)、綠化或者硬化。

4.3 填方段工后沉降問(wèn)題

施工組織中，填方段應(yīng)優(yōu)先施工，主要有兩個(gè)優(yōu)點(diǎn):一是貫通局部或者全段路基，有利于材料運(yùn)輸;二是路基早日成型，盡早完成工后沉降。

填方路基完成后，邊坡排水防護(hù)及路面設(shè)施不要急于施工。雨季可在坡面鋪設(shè)一層塑料布，起到臨時(shí)排水防護(hù)的作用。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，經(jīng)過(guò)大約1年的自然沉降，大的沉降變形基本可以完成，然后整修邊坡浮土，修筑排水防護(hù)設(shè)施，鋪筑路面。這樣可以大大減少砌體開(kāi)裂和路面早期裂縫的產(chǎn)生。

4.4 砌體地基處理

一般情況下，砌體自重小，要求承載力低，砌體地基無(wú)需處理。但考慮到排水設(shè)施的系統(tǒng)性，且又不增加太多成本，建議砌體施工前，對(duì)原地基進(jìn)行人工壓實(shí)。

4.5 養(yǎng)護(hù)管理

加強(qiáng)巡查，路面裂縫、砌體裂縫、溝渠淤積早期病害一經(jīng)發(fā)現(xiàn)，早日處理?！扒Ю镏?、潰于蟻穴”，我們不要因?yàn)椤跋佈ā碧《栌诜来蠡肌?/p>

5 結(jié)語(yǔ)

水毀現(xiàn)象既是天災(zāi)，也是人禍。天災(zāi)不可絕，人禍可以斷。我們可以通過(guò)科學(xué)合理的設(shè)計(jì)系統(tǒng)、完善的排水方案，加強(qiáng)工程質(zhì)量監(jiān)管等提高排水系統(tǒng)的功能性;通過(guò)及時(shí)有效的日常養(yǎng)護(hù)，保證排水系統(tǒng)的長(zhǎng)效性。

排水系統(tǒng)為公路的免疫系統(tǒng)，為公路的長(zhǎng)期、健康運(yùn)營(yíng)保駕護(hù)航。