涵洞工程病害統(tǒng)計與成因分析

贠新志

一、概況

涵洞是一種引水和排水類構(gòu)筑物設施，具有工程規(guī)模小、功能相對單一、結(jié)構(gòu)形式簡單、數(shù)量眾多、與堤防結(jié)合緊密等特點。涵洞雖然規(guī)模相對較小，但有些建在重要堤防上，工程的安危直接關系到流域的防洪安全。目前尚無涵洞工程安全評估和鑒定的相關規(guī)程規(guī)范。統(tǒng)計涵洞病害發(fā)生的部位及要素，分析病害發(fā)生的原因，可為后續(xù)的涵洞合理設計提供參考，也可為規(guī)范涵洞安全評估提出依據(jù)，為涵洞的維修加固與持續(xù)健康運行提供可靠依據(jù)。

二、涵洞病害分類及統(tǒng)計

1.涵洞病害分類

由于運行環(huán)境、地形地質(zhì)條件、結(jié)構(gòu)形式以及設計施工和運行管理等因素影響，涵洞病害性狀千差萬別，但歸納病害因素，可分為六大類：

（1）工程質(zhì)量方面的病害分為地基（處理）、混凝土、圬工結(jié)構(gòu)、土方工程病害。如地基處理方案選擇不合適或不良地質(zhì)未進行地基處理等；混凝土工程的病害包括強度、抗?jié)B、抗凍、碳化深度或氯離子滲透等級和保護層厚度不滿足要求以及混凝土裂縫、剝蝕等病害；砌石工程的病害主要有膠結(jié)材料強度、砌體強度、砌體容重及孔隙率、密實度不滿足要求以及砂漿勾縫開裂、塊石剝落等病害；填土方面主要為涵身填土不密實及與混凝土建筑物結(jié)合面處理質(zhì)量不滿足規(guī)范要求等病害。

（2）防洪能力方面的病害主要指過流能力、消能防沖、啟閉臺高程及涵洞處堤防頂高程狀況不滿足規(guī)范要求。過流能力方面的病害包括原設計標準偏低、規(guī)范標準變更以及運行工況發(fā)生改變導致的過流能力不足等；消能防沖方面的病害包括消力池、海漫和防沖槽等結(jié)構(gòu)尺寸不滿足要求、破損及底板脫空、河床沖刷深度過大等。

（3）結(jié)構(gòu)安全方面的病害主要為影響涵洞控制段、涵身、翼墻等部位的穩(wěn)定、強度和變形等不滿足規(guī)范要求。穩(wěn)定包括抗滑穩(wěn)定、抗傾覆穩(wěn)定和地基承載力要求；強度包括配筋、結(jié)構(gòu)裂縫與應力等；變形主要為沉降和沉降差。

（4）滲流安全方面的病害主要為底板下滲流破壞和側(cè)壁接觸滲流破壞，包括滲透穩(wěn)定性不滿足要求、防滲排水設施不完整和其他滲流異?，F(xiàn)象。

（5）金屬結(jié)構(gòu)及電氣設備方面病害主要為閘門腐蝕、銹蝕或者磨損，啟閉機零部件磨損、變形、漏油及啟閉力不滿足要求，電源及電氣設備可靠性、安全性等不滿足要求。

（6）運行管理方面的病害包括管理機構(gòu)不健全、人員及管理制度不滿足規(guī)范要求、管理設施缺失、調(diào)度運行及觀測不合理等方面。

2.病害統(tǒng)計

為分析涵洞工程的病害特征，以某大堤共45 座穿堤涵洞樣本進行病害統(tǒng)計并進行分析和歸類，見表1。以拱涵、箱涵為重點，在對不同類型涵洞開展病害調(diào)查、資料收集與現(xiàn)場檢測的基礎上，對所取的樣本統(tǒng)計各涵洞出現(xiàn)的病害及其表現(xiàn)形式。

根據(jù)統(tǒng)計，可以發(fā)現(xiàn)病害要素主要表現(xiàn)為以下方面。（1）工程施工質(zhì)量方面：部分涵洞洞身施工質(zhì)量較差，砂漿和混凝土密實性較差；側(cè)墻砌筑砂漿老化，因地基不均勻沉降產(chǎn)生裂縫；進出口翼墻砌石缺失，出現(xiàn)裂縫；啟閉機梁混凝土老化脫落，鋼筋出露；預制拱圈、鋼筋混凝土閘門混凝土老化脫落，鋼筋銹蝕出露。（2）防洪能力方面：進出口翼墻坍塌，淤塞渠道；涵身和消力池底板受沖刷損壞嚴重，大多圓管洞身短，對防洪不利。（3）結(jié)構(gòu)安全方面：地基不均勻沉降現(xiàn)象較多，部分翼墻、洞身傾斜開裂；部分涵身存在通長裂縫。（4）金屬結(jié)構(gòu)方面：鐵件普遍銹蝕；啟閉機老化銹蝕，部分啟閉機缺失。（5）滲流安全方面：涵身裂縫滲漏、防滲長度不滿足設計要求。

三、病害成因分析

在上述檢測檢查以及統(tǒng)計分析數(shù)據(jù)的基礎上，將涵洞的病害分為正常速度的老化病害和非正常速度的劣化病害。經(jīng)過長期的研究總結(jié)，將涵洞病害的成因主要歸納為以下幾個方面進行逐一分析。

1.規(guī)劃設計

據(jù)統(tǒng)計，涵洞由于設計的不合理而發(fā)生病害的例子在工程實踐中所占比重較大，尤其值得引起重視。由于對工程的重要性認識不足，常把復雜的問題簡單化處理，或者在基礎資料不全的情況下進行設計，這都會給工程造成重大安全隱患。水力設計時所取涵前水位或者過涵水位差不合理，往往會影響到涵洞斷面尺寸的大小，直接造成涵洞過流能力不足或者洞內(nèi)流態(tài)紊亂。

2.建設管理與施工質(zhì)量

由于歷史原因，早期建設的涵洞為了追求高速度和高數(shù)量，建設程序不規(guī)范。很多為“邊勘察、邊設計、邊施工”的“三邊”工程，有的工程沒有經(jīng)過驗收就投入實際運行。由于人為因素影響大，質(zhì)量保證體系不健全，工程建設質(zhì)量難以保證。

很多涵洞限于當時的社會經(jīng)濟發(fā)展和科學技術(shù)水平，施工單位的施工工藝及水平不高，缺乏專業(yè)的施工隊伍和施工設備，造成涵洞工程出現(xiàn)了混凝土強度不足、混凝土的蜂窩、麻面、孔洞多和連接部位止水質(zhì)量差等問題，工程的施工質(zhì)量難以得到保證。由于涵洞的建筑材料和筑堤材料不同，結(jié)合部位填土不密實以及預制管段安裝時接頭處理不當，涵洞周邊發(fā)生接觸滲流或滲徑短路等現(xiàn)象。

表1 某大堤45 座涵洞病害統(tǒng)計表

3.環(huán)境與荷載

受所處環(huán)境的影響，涵洞的老化包含以下幾類：混凝土的碳化、裂縫、侵蝕、沖刷及磨損破壞、凍融破壞、止水失效、閘門及啟閉機的銹蝕、機電設備的損壞等。首先，對于鋼筋混凝土來說，在周圍介質(zhì)和二氧化碳的影響下，其混凝土的堿度慢慢降低，也即碳化，因而會使混凝土對鋼筋的保護作用減弱；而溫度、塑性收縮等引起的裂縫以及沿海地區(qū)海水、海風中氯離子對鋼筋的電化學作用都會加劇鋼筋的銹蝕，從而降低混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性。其次，過涵水位差及單寬流量較大時，對下游消能防沖設施損壞較大，容易引起護坡沖毀、破損，消力池沖刷破壞等。另外，長時間露天情況下的工作環(huán)境也容易造成啟閉設備的銹蝕、鑄鐵閘門的脆性斷裂以及電氣線路的破損。這些外部環(huán)境都會使涵洞的使用性能逐漸下降，隨著時間的增長，性能下降愈甚，最終導致病害的發(fā)生。

對于未實行雨污分離的城市排澇站的穿堤涵洞，污水進入涵洞后，所含的酸、堿、鹽及有機質(zhì)，在微生物的作用下，生成腐蝕性強的酸性氣體，帶有腐蝕物的水汽極易侵入混凝土，發(fā)生由表及里的腐蝕，致使混凝土表層疏松破壞，局部腐蝕的鋼筋膨脹，造成混凝土開裂剝落。惡劣的水環(huán)境嚴重削弱了混凝土結(jié)構(gòu)耐久性，使得建筑物的使用壽命大大縮短。

對于埋設在具有交通要求的堤防下或者道路下的涵洞，受超設計標準的車輛荷載的影響和涵洞未達到設計強度就通過重型車輛，都會造成涵洞涵身出現(xiàn)結(jié)構(gòu)性破壞或者沉降破壞。

4.運行管理

涵洞作為堤防的重要組成部分，通常不設專門的管理單位，而統(tǒng)一由工程所在處堤防的管理單位來管理。長期以來，受“重建輕管”的觀念和傾向束縛，輕視工程維護管理的現(xiàn)象比較普遍，使得管理投入嚴重不足，工程的運行管理、維護等處于無標準、無定額、無穩(wěn)定投入的不正常狀態(tài)。

由于許多工程管理單位地處偏僻，生產(chǎn)生活條件艱苦，經(jīng)濟條件又沒有吸引力，管理人才吸引不來或者是留不住。很多管理人員編制臃腫，人浮于事，單位缺少或者根本沒有合格的技術(shù)人員，有些管理人員甚至搞不清楚所管工程的運行、設計及管理要求，只能起到看管的作用。另外，因為工程規(guī)模小，調(diào)度運行的方法說明甚少或者無調(diào)度運行方法，輕視的心理加上不專業(yè)的操作，也使得工程出現(xiàn)人為損壞。

四、結(jié)語

通過對某大堤45 座穿堤涵洞統(tǒng)計可以發(fā)現(xiàn)，病害主要發(fā)生在工程施工質(zhì)量、防洪能力、結(jié)構(gòu)、滲流、金屬結(jié)構(gòu)及電氣設備和管理設施等六個方面。綜合分析其原因，主要體現(xiàn)在：（1）前期規(guī)劃設計不合理；（2）早期建設管理程序不規(guī)范、施工質(zhì)量管控較差；（3）環(huán)境與荷載變化影響；（4）運行管理水平較落后等方面。合理規(guī)劃設計，嚴格建管程序，保證施工質(zhì)量，確保工程按設計工況運行，提高運行管理水平是保證涵洞安全運行的重要保障。通過統(tǒng)計涵洞病害發(fā)生類型，分析病害發(fā)生成因，可為后續(xù)的涵洞合理設計提供參考，也可為涵洞工程有針對性地進行安全評估提出依據(jù)■