山西省橋涵水毀成因分析及防治措施研究

姬兵亮

（山西省交通科學研究院，山西 太原 030006）

1 研究背景

復雜的水文地質(zhì)狀況、復雜的地理、地貌特征，加之復雜的氣候天氣特征造成山西省在常年干旱的同時又會出現(xiàn)短期強降雨造成短期洪澇災害頻發(fā)，而近年來世界氣候異常又加劇這一現(xiàn)象的發(fā)生。

洪澇災害對公路設(shè)施的損害巨大，洪水沖毀路基、涵洞、橋梁，造成公路阻斷，損失慘重。根據(jù)歷年橋梁檢測統(tǒng)計資料顯示，橋梁水毀已經(jīng)是山西省橋梁損壞的主要原因。為此山西省相關(guān)部門立項專門研究，通過對在山西省范圍內(nèi)開展橋涵水毀調(diào)查，總結(jié)出橋涵水毀的主要類型、特征及主要影響因素，從設(shè)計、施工和管養(yǎng)等方面分析水毀成因，并據(jù)此提出防范對策。

2 山西省橋涵水毀主要原因分析[1]

從2014年3月開始至2016年10月，課題研究人員對山西省近年來的水毀橋涵資料進行收集和整理分析，并多次組織到大規(guī)模現(xiàn)場調(diào)查，調(diào)查區(qū)域基本覆蓋全省，包括山西省運城市、晉城市、長治市、臨汾市、呂梁市、大同市、晉中市、朔州市和忻州市，調(diào)查線路為縣鄉(xiāng)農(nóng)村道路、國省干線和高速公路。調(diào)查對象包括水毀、水損橋梁涵洞重點調(diào)查和重點路線橋梁現(xiàn)場考察分析。通過查找歷史資料，現(xiàn)場調(diào)查，分析其水毀特征、類型及原因，目的是為了進一步分析總結(jié)山西省橋涵水毀原因，進而找到科學合理的防治方法和對策，為橋梁建設(shè)及運營維護提供科學決策依據(jù)，保證公路運輸?shù)臅惩ê桶踩\營，減少公路橋涵水毀帶來的各種損失。

2.1 低等級公路橋涵水毀原因分析

調(diào)查組前往古交市、婁煩縣、晉源區(qū)、清徐縣、杏花嶺區(qū)、左權(quán)、壽陽、靈石、介休、平遙、垣曲、長治縣、平陸縣、芮城等區(qū)縣進行調(diào)查，通過詢問市縣交通運輸局管理人員及其他相關(guān)人員，現(xiàn)場橋梁檢測等方式調(diào)研。通過調(diào)查，發(fā)現(xiàn)低等級公路橋梁存在抗洪災能力不足的問題，歸納總結(jié)如下。

2.1.1 橋梁長度及跨徑小

很多縣、鄉(xiāng)、村道橋梁由于歷史、造價控制等原因橋長設(shè)計過小，排洪能力不足，引道侵入河灘甚至河槽（圖1），在洪災時洪水會沖毀路基引道（圖2），嚴重的導致橋梁損毀；橋梁孔徑?。▓D3），橋墩占用河道，排洪能力不足，影響輸沙，造成橋孔淤塞、橋前雍水，基礎(chǔ)沖刷，沖毀橋梁墩臺，沖斷橋梁結(jié)構(gòu)（圖4）。

圖1 橋梁引道侵入河槽

圖2 洪水沖毀引道

圖3 橋梁孔徑偏小，影響行洪

圖4 橋孔小導致?lián)p毀

2.1.2 橋梁基礎(chǔ)腐蝕、沖刷、掏空

山西省縣鄉(xiāng)道橋梁大多修建于90年代之前，由于節(jié)省投資的考慮，橋墩基礎(chǔ)很多采用圬工結(jié)構(gòu)。在長期的使用過程中石材風化腐蝕、掉塊脫皮，灰縫脫落，基礎(chǔ)沖刷掏空等，而這些問題很多沒有得到及時的維護修繕，導致橋墩的抗沖刷、抗傾覆能力不足，在洪水作用下，會出現(xiàn)兩種形式的破壞，沖淘導致的橋墩坍塌和水流及漂浮物產(chǎn)生的橫向力導致橋墩傾倒坍塌。見圖5及圖6所示。

圖5 橋梁基礎(chǔ)沖刷掏空、局部沉降

圖6 橋臺沖淘塌陷，橋面板斷裂

2.1.3 防護不足

由于原設(shè)計考慮不足或在后期運營中損壞導致很多橋梁涵洞防護不足，在常規(guī)的小洪流下，這些小橋涵尚能應付，但在大及特大洪水中，這些橋梁涵洞可能由于防護不足導致沖刷破壞甚至坍塌。

調(diào)查發(fā)現(xiàn)很多橋涵八字墻、護坡由于水流沖刷，地基沉降等原因開裂、移位、傾斜，甚至出現(xiàn)坍塌。而出現(xiàn)問題后沒有及時得到修繕，存在隱患，在遭遇大洪水時，這些地方會成為薄弱區(qū)，在洪水的沖淘下可能會導致橋頭引道掏空、損毀，甚至導致橋梁坍塌。

部分橋下河道設(shè)置有防洪堤等導水設(shè)施，同樣由于水流沖刷，地基沉降等原因開裂、移位、傾斜，甚至出現(xiàn)坍塌，而出現(xiàn)問題后沒有及時得到修繕，在遭遇大洪水時，這些地方會成為薄弱區(qū)，會造成河水在沖毀導水設(shè)施后直接沖刷橋頭引道，導致橋頭引道掏空、損毀，甚至導致橋梁坍塌。

圖7 防洪堤殘缺

2.1.4 橋下河道淤塞

河道淤積、傾倒垃圾、雜草樹木滋生是山西省河道的典型和普遍問題，而橋下河道由于其位置特殊性尤為突出，這些問題的存在均會大幅降低橋下過水能力，進而導致橋梁水毀，圖8所示。

圖8 橋梁淤積堵塞

大部分橋梁會存在程度不一的河道淤積問題，這是山西省中小河流的特性，短期難以改變。近段時期由于退耕還林等原因山西省內(nèi)植被覆蓋情況好轉(zhuǎn)，河道淤積問題相比以往有減輕的趨勢。

相當一部分的橋下河道堵塞問題由人為引起，村鎮(zhèn)附近的橋下傾倒垃圾普遍存在，很多橋梁部分橋孔完全被垃圾堵死，喪失過水能力。個別橋梁橋下建設(shè)固定建筑物，嚴重影響河道行洪。甚至個別橋梁的堵塞問題是由施工不完善引起，如古交梁莊小橋上部結(jié)構(gòu)采用土牛法施工，施工后沒有將夯土完全清理干凈，僅掏出一小洞供排水使用，留下很大的隱患。

雜草樹木叢生又是山西省河道的典型特點，山西省干旱少雨，絕大部分河流為季節(jié)性河流，很多河流在平時無水流，河道灘地日久雜草樹木滋生瘋長，甚至被開墾為農(nóng)田及林地，遭遇洪水時會阻滯上游漂浮物形成攔水壩效應，雍水加重造成水害。

總之，橋下河道堵塞是影響橋梁行洪的重大問題，山西省大部分地區(qū)干旱少雨，這些問題存在短期沒有對橋梁造成惡劣影響。然而，氣候異常，降雨的分布極不均勻，長期內(nèi)大降雨、大洪水的概率很大，必須對這一問題加以重視，橋下堵塞的清理、疏通，河道的整治，河道農(nóng)田林地、建筑清理，河道功能的回歸復原顯得非常必要。

2.2 高等級公路橋涵水毀原因分析

課題組結(jié)合橋梁檢測工作前往霍永高速、太長高速、平榆高速、晉焦高速、河運高速、山平高速、靈山高速、高陵高速、太佳高速、侯馬翼城高速等高速公路開展高等級高速公路橋涵水毀調(diào)查工作。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，由于高速公路橋梁設(shè)計標準高，近年來高速公路沒有因洪災坍塌的橋梁，高速公路橋梁存在水毀的主要為基礎(chǔ)的沖刷和錐坡、護坡水毀。

2.2.1 墩臺基礎(chǔ)沖刷

山西省有大面積的黃土溝壑區(qū)域，土質(zhì)松軟，植被覆蓋差，坡面陡峭。許多橋梁為跨溝橋，經(jīng)過一段時間的雨水沖刷后，一方面邊坡極易產(chǎn)生滑坡、崩塌等地質(zhì)災害，在樁周形成較厚的堆積層，對橋墩及樁基不平衡堆載，形成巨大的推力和滑移力，嚴重影響橋梁的安全。另一方面樁基出現(xiàn)了不同程度的沖淘，造成樁基的埋置深度減小，承載力降低，橋梁樁基礎(chǔ)的安全使用存在嚴重隱患。見圖9所示。

圖9 橋梁基礎(chǔ)沖刷

2.2.2 錐坡沖刷

山西省地質(zhì)條件復雜，加之橋梁設(shè)計、施工管理、后期管理養(yǎng)護水平等因素造成部分橋梁錐坡護坡設(shè)施存在嚴重的病害，主要存在幾種：嚴重的沉降，整體或部分滑坡，沖刷掏空，砌體破損塌陷等，造成錐護坡對橋梁保護功能部分或全部失效，威脅橋梁安全，見圖10。

圖10 橋梁錐坡沖刷垮塌

2.3 山西省橋涵水毀原因綜合分析

根據(jù)山西省橋涵水毀現(xiàn)狀和調(diào)查結(jié)果統(tǒng)計，將山西省水毀原因分析總結(jié)如下。

2.3.1 自然原因

a）山西省山區(qū)的地形、地貌及地質(zhì)條件復雜，很多橋梁因為選址困難設(shè)置在不穩(wěn)定河段，容易產(chǎn)生橋涵水毀現(xiàn)象。

b）洪水流量大，很多河流流域面積較大，大雨、暴雨天氣時洪水流量大。如左權(quán)縣2016年7月19日水災事件，洪水基本為百年一遇或超越百年一遇，而此次被沖毀橋梁均為低等級公路橋梁，設(shè)計洪水頻率低，在本次洪災中出現(xiàn)水毀垮塌也屬正常。

c）洪水出現(xiàn)迂回沖刷，沖毀路堤、引道，進而導致橋臺損毀。

d）暴雨引發(fā)的地質(zhì)災害如滑坡、泥石流等次生災害造成橋梁的淤塞，漂浮物沖擊橋梁，導致橋梁失效或破壞。

e）生態(tài)環(huán)境破壞惡化，水土流失，植被覆蓋不足，造成流域內(nèi)蓄洪能力不足，河道流量異常增大。

2.3.2 設(shè)計原因

a）部分橋梁特別是縣鄉(xiāng)村道橋梁由于歷史原因、造價控制等原因橋長設(shè)計過小，排洪能力不足；橋孔設(shè)計過小，排洪與輸沙能力不足，長期作用造成橋孔被泥沙淤塞，暴雨洪水時泄水不及造成橋前雍水，基礎(chǔ)嚴重沖刷掏空，橋梁墩臺沖毀，橋梁結(jié)構(gòu)破壞失效，設(shè)計標準過低是造成低等級公路橋涵水毀的主要原因之一。

b）橋位設(shè)計不合理，對橋址處水文、地質(zhì)和水力信息缺乏掌握，研究深入不夠，造成洪水時橋梁異常沖刷。

c）橋梁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)型式選擇不當，如大部分老舊橋梁采用擴大基礎(chǔ)，埋置深度不夠，易造成沖刷掏空；很多橋梁沒有設(shè)置調(diào)治構(gòu)造物或設(shè)置不當。

d）很多橋梁上、下部結(jié)構(gòu)均采用圬工結(jié)構(gòu)（圬工拱橋），抗側(cè)推能力低，洪水攜帶漂浮物撞擊、水流沖擊等產(chǎn)生的巨大推力橋側(cè)導致橋梁側(cè)翻坍塌。

e）橋臺錐坡或擋墻抗沖刷能力低，發(fā)生坍塌，引道被沖失大量填土，造成橋臺背的引道或橋臺倒塌。

2.3.3 管養(yǎng)原因

a）護坡、錐坡、調(diào)治構(gòu)造物等防護工程不堅固或防護不到位，甚至部分橋梁沒有有效的防護設(shè)施。

b）施工質(zhì)量差，后期缺乏管理養(yǎng)護。很多橋梁長期得不到養(yǎng)護，墩身存在嚴重的砌縫脫落、剝落、漏筋、破損等病害，基礎(chǔ)存在沖刷、掏空、沉降、傾斜等病害，這些病害的存在均是橋梁水毀的誘因甚至是關(guān)鍵因素。

c）山西常年干旱少雨，大部分河流為季節(jié)性河流，很多橋下河灘被人為占用，被開墾為農(nóng)田林地，甚至建造永久性建筑，設(shè)置采砂場、垃圾傾倒場，這些存在均會堵塞河道，破壞了河道平衡狀態(tài)，抬高水位。

d）山西省植被覆蓋情況較差，部分區(qū)域河道淤積情況嚴重，河道過洪能力降低。

3 山西省橋涵水毀防治措施[2]

3.1 設(shè)計及施工方面

a）適當提高橋涵抗洪設(shè)計洪水頻率。公路工程技術(shù)標準對于不同等級的公路橋梁涵洞給出了設(shè)計洪水頻率。對于高等級公路來講，是基本合適的。然而，對于低等級公路來講，橋涵的設(shè)計洪水頻率過低，水毀損失是極為慘重的，道路恢復時間漫長，需要的經(jīng)費巨大，由于養(yǎng)護經(jīng)費的短缺，道路的恢復存在極大困難。因此，可適當提高低等級公路橋涵的設(shè)計洪水頻率，可提高低等級公路保通能力，另外可節(jié)省運營期間養(yǎng)護成本，更可節(jié)省水毀后的重建成本。

b）認真考慮地質(zhì)、地貌、水文和水力因素，選擇最優(yōu)橋位和橋涵方案。

c）合理選擇下部結(jié)構(gòu)形式，建于河道沖刷范圍內(nèi)、地質(zhì)條件較差的小橋涵應逐步棄用圬工形式的下部結(jié)構(gòu)形式，優(yōu)先采用樁基礎(chǔ)等深基礎(chǔ)和鋼筋混凝土墩柱；條件合適選擇圬工結(jié)構(gòu)時應保證足夠的埋置深度和抗洪水沖擊傾覆性。

d）根據(jù)河流漂浮物的特點結(jié)合下部結(jié)構(gòu)形式設(shè)計可靠的的防護設(shè)施如調(diào)治構(gòu)造物、護墩體、錐護坡等，根據(jù)實際需要齊全設(shè)置，不得壓縮項目和工程規(guī)模。

e）小橋涵選位、孔徑、進出口形式以及加固消能措施等方面是防治小橋涵水毀的關(guān)鍵，應進行合理設(shè)計。

f）開展黃土地區(qū)橋涵沖刷及水毀機理研究，對該地區(qū)橋梁防護系統(tǒng)深入研究，為橋涵建設(shè)提供科學而有效的依據(jù)，提高公路橋涵設(shè)計水平，提高橋梁抗災性。

g）施工時嚴格按照設(shè)計及相關(guān)要求進行施工，并根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)地貌、水文等實際情況聯(lián)合各部門進行適當調(diào)整，做到橋涵、引道及其附屬防護工程均滿足相關(guān)要求。

3.2 橋梁養(yǎng)護管理方面

公路橋涵養(yǎng)護管理工作必須貫徹“預防為主，防治結(jié)合，防重于搶”的方針。按照要求進行橋梁檢查工作，及時對存在抗洪能力不足的橋涵進行整治和修復，清理疏通河道確保通暢排洪，對橋涵墩臺基礎(chǔ)進行必要的養(yǎng)護和加固，對防護設(shè)施和調(diào)制構(gòu)造物進行修復和改建優(yōu)化，恢復橋梁各項功能，達到控制降低水毀損失、減少橋涵水毀的目的。

3.3 非工程措施

非工程防治措施則體現(xiàn)了橋涵水害防治的哲學性和主動性，對防治橋涵水害同樣意義重大。

a）實施綜合治理?？赏ㄟ^多部門協(xié)作，進行農(nóng)、林、水等流域綜合治理。例如通過植樹造林種草等措施培育植被，提高植被覆蓋率，減少水土流失，增大地表糙率，增加雨水入滲，提高地表攔蓄能力，減小洪水流量，提高小橋涵的防洪標準。

b）建立先進的監(jiān)測預警系統(tǒng)。各級道路管理部門要加大投入，逐步建立和完善橋涵水毀災害預警系統(tǒng)，對水毀危險性、易損性比較高的重點水毀段、點開展監(jiān)測工作，進行預防性養(yǎng)護，達到以預防為主、防治結(jié)合的目的。