山區(qū)公路涵洞水毀成因分析及防治措施

吳 博，吳永芳

（1.江蘇省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院股份有限公司昆明分院，云南 昆明 650000；2.昆明市交通運(yùn)輸局，云南 昆明 650000）

涵洞是公路上最常見(jiàn)的跨越溪澗溝壑、宣泄山洪的小型橫向排水構(gòu)造物，是公路排水系統(tǒng)的重要組成部分。山區(qū)公路受到地形限制，大多依山傍水布線、逢溝布涵，涵洞分布廣，占全線工程比重大［1-2］。每年汛期涵洞水毀、水害頻發(fā)，輕則造成行車不暢，重則切斷交通，損失嚴(yán)重，成為公路建設(shè)、管理及養(yǎng)護(hù)的一大難題。

1 云南山區(qū)自然地理

（1）地形起伏、溝谷下切發(fā)育

云南國(guó)土面積39.4萬(wàn)km2，山地高原約占94%，壩子、湖泊僅占6%。地勢(shì)西北高而東南低，帚狀南延。600多條江河呈南北向、放射狀分布，地表被切割成“雞爪”狀。山區(qū)地形陡峻，巖石破碎，地質(zhì)侵蝕強(qiáng)烈，溝谷下切發(fā)育。

溝谷上游地形三面環(huán)山，一面出口，平面形態(tài)呈漏斗狀、勺狀、瓢狀、樹(shù)葉狀。溝底狹窄，溝坡陡峭，溝床橫斷面呈U形、V形。溝道縱向坡降大，水流和固體雜物（雜草、樹(shù)枝、泥沙、石塊等）能夠向下游快速流動(dòng)。

（2）干濕季分明、山洪陡漲陡落

云南受東亞季風(fēng)、西南季風(fēng)和高原季風(fēng)的綜合影響，形成了冬干夏雨、干濕季分明的季風(fēng)氣候。冬半年11月至次年4月是干季；夏半年5月至10月是雨季，占全年80%~90%雨量。此外，山區(qū)立體氣候普遍，從河谷至山頂隨著海拔升高，降水量不斷增多。

山區(qū)溝谷洪水源主要是降雨，少量來(lái)自冰雪融水。降于山坡上的雨水在地表形成薄層狀、細(xì)流狀的坡面水流并轉(zhuǎn)變?yōu)榫€狀集流，山高坡陡，迅速向溪澗溝壑匯集，形成了沖刷能力增強(qiáng)的溝流。在暴雨、久雨的雨季，高強(qiáng)度的降雨匯集形成季節(jié)性山洪。溝流流域面積小、 流程短，導(dǎo)致匯流速度快、時(shí)間短，水位和流量的變幅大，水能豐富，汛期山洪陡漲陡落。

（3）地質(zhì)災(zāi)害多發(fā)、易發(fā)

云南地處歐亞板塊、印度洋板塊與太平洋板塊的復(fù)合部位，地殼運(yùn)動(dòng)活躍，是全國(guó)地質(zhì)災(zāi)害危害最嚴(yán)重的省份之一。據(jù)有關(guān)資料，近10年自然災(zāi)害年均發(fā)生1 000多起，全省129個(gè)縣（市、區(qū)）都有成災(zāi)記錄。

由于山高坡陡，山頂出現(xiàn)的小部分滑坡會(huì)形成“滾雪球”效應(yīng)，導(dǎo)致大規(guī)模的山體滑坡現(xiàn)象。另外，有的工程設(shè)計(jì)不符合水土保持要求，如公路棄土場(chǎng)選址不當(dāng)，棄土被山洪沖刷，也易引起滑坡、塌方、泥石流等嚴(yán)重的工程地質(zhì)災(zāi)害，加劇了公路涵洞水毀。

（4）水土流失嚴(yán)重、溝谷排洪又輸沙

山區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)落后，大量坡地被開(kāi)墾，地表裸露，土質(zhì)疏松，水土流失，以致越開(kāi)越貧，越貧越墾，生態(tài)系統(tǒng)破壞惡性循環(huán)。溝谷斜坡巖層結(jié)構(gòu)疏松軟弱、風(fēng)化嚴(yán)重，巖塊、卵石、粗沙等沖、洪積物堆積層深厚富集；坡面粗骨性坡積物多，蓄水能力弱，極易被沖刷。

在急流而下的坡面水流和溝谷水流作用下，谷床物質(zhì)運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈，山坡、溝床表層坡積物被侵蝕、推移、沉積。部分溝谷在一次洪水后上游谷槽就基本填滿，二次洪水時(shí)被迅速搬運(yùn)到下游?？梢?jiàn)，山區(qū)溝谷既要排洪又要輸沙，而且輸沙任務(wù)尤為嚴(yán)峻［3］。

2 山區(qū)涵洞現(xiàn)狀

由于涵洞相對(duì)的“小”，其設(shè)計(jì)往往被忽視，導(dǎo)致施工中的變更設(shè)計(jì)多。水文計(jì)算形式化，照搬公式，未準(zhǔn)確把握溝谷水文特性，對(duì)設(shè)計(jì)無(wú)控制作用。洞口設(shè)計(jì)“模式化、標(biāo)準(zhǔn)化、傳統(tǒng)化”，機(jī)械地套用，缺乏因地制宜和靈活設(shè)計(jì)的理念。洞口構(gòu)造物形式選擇未能緊密結(jié)合涵洞進(jìn)出口實(shí)地條件，而且洞口形式單一化，多數(shù)采用“跌水井+八字式”固定組合。

山區(qū)公路涵洞一般采用鋼筋混凝土圓管涵、蓋板涵，為節(jié)省投資，涵洞跨徑一般偏小，縱坡平緩，排水、輸沙能力嚴(yán)重不足。設(shè)計(jì)靈活性差、洞口布設(shè)不當(dāng)造成排水不暢、沖毀農(nóng)田、工程浪費(fèi)等現(xiàn)象，已成為影響工程質(zhì)量的突出問(wèn)題［4］。

3 涵洞水毀成因

（1）“上淤”水毀

山區(qū)溝谷設(shè)置涵洞后，水流在上游進(jìn)水段處受側(cè)向束窄，水面急劇上升，在進(jìn)水口形成壓縮的流水?dāng)嗝?。山洪裹挾帶?lái)的固體雜物自身的滾動(dòng)力（以重力為主）超過(guò)了水流的沖力時(shí)，就堆積、堵塞在涵洞進(jìn)水段及跌水井處，削弱涵洞排水輸沙能力，不斷堆積而不能及時(shí)流過(guò)洞身排至下游時(shí)，就出現(xiàn)“上淤”水毀現(xiàn)象。

跨越邊溝的涵洞更容易發(fā)生“上淤”水毀，開(kāi)挖后的路塹邊坡失去了原來(lái)的自然、整體穩(wěn)定狀態(tài)，巖土表面長(zhǎng)期暴露在大氣之中，坡面土壤干燥疏松，巖土被風(fēng)化、碎裂、剝蝕，導(dǎo)致邊坡產(chǎn)生碎落、剝落、缺口、溜方、沖溝甚至滑坡。此外，受建設(shè)資金所困，邊坡坡面防護(hù)措施有限，抗沖刷能力弱。經(jīng)暴雨和地表水流侵蝕、沖刷后，固體雜物沿著邊溝快速匯集于跌水井，也加劇了進(jìn)水段的淤積。

（2）“下沖”水毀

下游出水段沖刷破壞是另一種常見(jiàn)的涵洞水毀現(xiàn)象。設(shè)置涵洞后溝谷泄流寬度比原有天然寬度縮窄，單寬流量增加，抬高了上游水位，造成顯著的水位差。因而，上游水流經(jīng)洞身后集中向下游宣泄，因地形陡變，勢(shì)能轉(zhuǎn)換為巨大的泄流動(dòng)能。水流及固體雜物流出鋪砌末端進(jìn)入下游天然谷床時(shí)，就開(kāi)始緊貼谷床向前流動(dòng)，由于蓄含極大動(dòng)能使谷床發(fā)生急劇變形，當(dāng)實(shí)際流速大于土壤允許不沖刷流速時(shí)，靠近鋪砌末端的谷床就被沖刷，形成沖刷坑、深潭等，導(dǎo)致垂裙下沉、坍塌，甚至引起洞身崩塌、路基損壞，在出水段就出現(xiàn)了“下沖”水毀現(xiàn)象。

按二元水流理論，縱向上，在旋滾水流沖刷、掏蝕作用下，沖刷坑深度逐漸增大，坑底也不斷向下游推移。在橫向上，由于涵洞出口水流斷面寬度突然增大而形成了兩側(cè)回旋水流，對(duì)沖刷坑兩側(cè)旁蝕加劇，其直徑不斷增大。若是出口水流方向與溝谷形成交角，對(duì)溝谷產(chǎn)生淘刷水毀作用更明顯［2］。

4 防治措施

4.1 進(jìn)水段束流

（1）修筑壩系。在涵洞上游進(jìn)水段修建攔沙壩、谷坊等擋攔構(gòu)筑物，約束、攔蓄山洪及固體雜物。壩系工程提高了壩址處的侵蝕基準(zhǔn)面，減緩壩上游淤積段溝床比降；加寬溝床，淤積物淤埋在上游溝谷兩岸坡腳；穩(wěn)定坡腳，使坡面沖刷作用和岸坡崩塌減弱；降低流速和徑流深度，使重力勢(shì)能與動(dòng)能在較小的范圍內(nèi)轉(zhuǎn)化。

壩址應(yīng)依據(jù)地形地質(zhì)條件、坡面大小、溝谷發(fā)育狀況、建筑材料以及施工條件來(lái)確定。壩高的選擇要綜合考慮攔沙效益、消能設(shè)施、工程量以及工期等因素。為了施工方便，最好在冬春季節(jié)修建壩系，到次年雨季之前完工。

（2）設(shè)置束流槽。束流槽收集并引導(dǎo)散流狀態(tài)的水流、固體雜物歸槽，改變山洪流向、流速，使其順暢通過(guò)進(jìn)水段，避免溝谷橫向侵蝕、沖刷谷床，保護(hù)涵洞、路基以及下游城鎮(zhèn)設(shè)施。束水導(dǎo)流，防止山洪亂流、偏流，朝著預(yù)定方向運(yùn)動(dòng)；束水攻沙，束流后升高水位，加快流速，增大水流的沖刷力，集中沖刷固體雜物。

束流槽的設(shè)計(jì)高度應(yīng)保證山洪不致漫過(guò)槽壁，還應(yīng)考慮溝坡有無(wú)崩塌的可能。此外，若經(jīng)濟(jì)條件容許，槽底基礎(chǔ)要深挖，同時(shí)采用高強(qiáng)混凝土槽底、間隔設(shè)置肋檻或鋼軌混凝土槽床，減輕對(duì)槽底的磨蝕，防止掏空和揭底破壞。束流槽結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、縱坡使用范圍大、斷面優(yōu)化程度高，施工方便，經(jīng)濟(jì)適用，對(duì)防治“上淤”有立竿見(jiàn)影的效果。

4.2 洞身段速流

（1）適當(dāng)增大涵底縱坡。在涵洞設(shè)計(jì)過(guò)程中，縱坡取值一般相對(duì)平緩，多為緩坡涵洞，不利于水流、固體雜物排泄。為了使洞身段不堵塞，除了加大涵洞跨徑，增加涵高之外，只有適當(dāng)增大涵底縱坡才能提高過(guò)流速度。涵底縱坡應(yīng)該控制在10%~15%，涵洞兩端與地面線自然過(guò)渡，平順銜接，既不產(chǎn)生水躍也不產(chǎn)生壅水，使水流和固體雜物快速地流過(guò)洞身。

（2）采用U形基底。U形斷面涵底基礎(chǔ)，形狀為半圓（弓形或弧形），上部為垂直線段的斷面形式，使進(jìn)入涵洞基底的水流、固體雜物密度保持不變，在U形面上處于不穩(wěn)定狀態(tài)，合力指向下游溝心最低點(diǎn)，兩側(cè)水流向U 形底中間匯集，增大了水深，重組水動(dòng)力，減小了阻力，加大了流速。在橫斷面上形成一個(gè)水流和固體雜物集中點(diǎn)最大流速點(diǎn)，成為固定的動(dòng)力束流和集流沖沙中心。改善了防滲襯砌涵底膨脹變形分布的不均勻性，且涵底有一定的反拱作用，可以減輕凍害，減少裂縫和錯(cuò)臺(tái)現(xiàn)象，具有良好的水力學(xué)性能、防滲性能和抗凍性能。與矩形斷面涵底相比，具有流速分布均勻，近似最佳水力斷面，流速快，兩側(cè)不淤積固體雜物，排泄更有效等特點(diǎn)。

4.3 出水段緩流

（1）設(shè)置跌水井。急流而下的山洪和裹挾的固體雜物蓄含著極大的破壞力，即使對(duì)出水口末端鋪砌加固，甚至設(shè)置挑坎，都未必能充分消能，有必要增強(qiáng)出水段與地表的銜接。傳統(tǒng)的跌水井設(shè)置在涵洞進(jìn)水口處，給上游進(jìn)水段淤積創(chuàng)造了溫床，本文首次提出把跌水井位置由進(jìn)水段調(diào)整到出水段，在幾乎不增加造價(jià)的情況下，最大程度地發(fā)揮跌水井的作用，使水流和固體雜物盡可能消能。

跌水井由具有足夠強(qiáng)度抵抗沖刷的底板、跌水壁和側(cè)壁組成，跌水壁要預(yù)留泄水口。跌水井接納和擴(kuò)散洞身高速水流，促使在出水段的限定范圍內(nèi)產(chǎn)生底流式水躍，通過(guò)水流、固體雜物的內(nèi)部摩擦和撞擊，利用池中的水墊緩沖，使其迅速變?yōu)樯⑺?、緩流，充分消能，一般可將下泄水流的?dòng)能消除40%~70%。跌水井具有消能效率高，對(duì)地質(zhì)條件和尾水變幅適應(yīng)性強(qiáng)，縮短鋪砌長(zhǎng)度，降低造價(jià)，應(yīng)用廣泛等優(yōu)點(diǎn)，是一種有效而經(jīng)濟(jì)的消能設(shè)施。

5 結(jié)語(yǔ)

山區(qū)地形地貌、地質(zhì)、氣候、水文條件復(fù)雜，要提高公路涵洞水毀的防治能力，保證進(jìn)水段束流、洞身段速流、出水段緩流是關(guān)鍵所在。本文通過(guò)對(duì)云南山區(qū)公路涵洞進(jìn)行大量現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研和成因分析，從工程角度出發(fā)，探討了涵洞水毀主要原因及防治措施，以期為山區(qū)公路涵洞建設(shè)提供參考。

［1］ JTG/TD65-04—2007公路涵洞設(shè)計(jì)細(xì)則［S］.

［2］ 蔣煥章.公路水文勘測(cè)設(shè)計(jì)與水毀防治［M］.北京：人民交通出版社，2002.

［3］ 嚴(yán)欽尚，曾昭璇.地貌學(xué)［M］.北京.高等教育出版社，1985.

［4］ 孫家駟.公路小橋涵勘測(cè)設(shè)計(jì)［M］.北京：人民交通出版社，2009.