公路水毀水工試驗及災(zāi)害防治對策研究

羅文功 魏學(xué)利 陳寶成

(新疆維吾爾自治區(qū)交通規(guī)劃勘察設(shè)計研究院，烏魯木齊 830006)

喀喇昆侖公路(中巴友誼公路)是中國連接中亞和南亞的重要通道?？龉穱鴥?nèi)部分奧依塔克鎮(zhèn)-布倫口段(沿蓋孜河段)全長約70 km，沿線地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜、地層活躍，沿線常見的地質(zhì)災(zāi)害有：泥石流、水毀及滑坡等，破壞性大、危害嚴(yán)重，已成為當(dāng)下沿線交通急待解決的問題。目前，前人對于本地區(qū)泥石流及地質(zhì)災(zāi)害方面的研究較為豐富[1-8]，而對于水毀災(zāi)害的研究涉及較少。本研究針對喀喇昆侖公路蓋孜河段水毀災(zāi)害， 借鑒前人模型試驗的方法[9-11]，模擬實地水流沖刷現(xiàn)象，得到實地水流破壞機理和特性， 研究成果可為喀喇昆侖公路實地災(zāi)害防治提供參考。

1 公路水毀水工試驗

1.1 水工模型及試驗條件設(shè)計

通過實地踏勘發(fā)現(xiàn)， 蓋孜河段破壞性最為嚴(yán)重的水毀災(zāi)害為：擋墻水毀、丁壩群水毀和長挑流丁壩水毀，本研究在3 種水毀現(xiàn)象的基礎(chǔ)上開展水工模型試驗。 通過借鑒梁光模[9]、高冬光[10]、田偉平[11]等的模型試驗方法，結(jié)合實地水毀現(xiàn)象和破壞特征， 提出本研究縮尺水槽和防護結(jié)構(gòu)。 試驗采用縮尺模型的形式，以幾何相似為主。 根據(jù)下述公式及實地數(shù)據(jù)進行計算， 最終得到水槽和防護模型幾何參數(shù)，如表1 所示。

表1 水工試驗主要設(shè)計參數(shù)及工況

式中：L、B 分別表示丁壩壩長和河的寬度；p、m 分別表示實際尺寸和模型尺寸。

式中：λv為水流流速比尺；λl為幾何比尺， 且λl=Lp/Lm。

1.2 試驗步驟及現(xiàn)場設(shè)定

試驗前對已砌筑完成的水泥砂漿水槽進行清理和防護結(jié)構(gòu)模型布置， 在水槽周圍布設(shè)多臺高清攝像機進行實時記錄， 以便記錄試驗過程中水流沖刷特征和繞流現(xiàn)象。 水槽彎道轉(zhuǎn)角為固定的60°，無須進行轉(zhuǎn)角改變。 試驗起初進行水槽基底泥沙鋪設(shè)，模擬實際泥沙沖淤現(xiàn)象，隨后進行流速測量和局部沖刷深度測量。 試驗過程中分別對水槽基底泥沙鋪設(shè)和水槽基底泥沙沖淤現(xiàn)象量測進行拍照記錄。 試驗結(jié)束觀測泥沙沖淤工序需要進行排水工作，于水槽尾部排水坑處放置電動潛水泵，以便快速降低水槽水位直至見底。 試驗整體所需的測量儀器和材料包括LS300-A 型流速儀、直尺、試驗用砂(水洗砂)、測量標(biāo)示桿、潛水泵、水槽閘門、鐵鍬、水桶等。 現(xiàn)場具體試驗布置如圖1 所示。

圖1 野外試驗現(xiàn)場布置圖

2 試驗結(jié)果分析

2.1 彎道斷面流速等值線分布

水工試驗中，對實地水毀進行模擬，進行了包含“擋墻”、“丁壩群+擋墻”和“直墻式挑流丁壩”的多組防護試驗。試驗過程中，采用流速計分別對各組試驗水槽斷面水流流速值進行了量測，并繪制成圖。各試驗中斷面流速等值線分布見圖2。

通過圖2 發(fā)現(xiàn)，擋墻試驗中斷面左側(cè)(凹岸)流速大，右側(cè)(凸岸)流速小；“丁壩群+擋墻”試驗中斷面左側(cè)(凹岸)流速大，右側(cè)(凸岸)流速小，斷面兩側(cè)流速差值極大；直墻式挑流丁壩試驗中斷面流速等值線分布與“丁壩群+擋墻”試驗相類似。斷面流速等值線分布整體表現(xiàn)為穩(wěn)定的流速偏移，不同防護結(jié)構(gòu)等值線分布規(guī)律存在差異，驗證了實地防護結(jié)構(gòu)水流沖刷特性。

2.2 基底泥沙沖刷深度隨時間變化規(guī)律

試驗過程中，通過固定時間節(jié)點量測，記錄不同流速下?lián)鯄_刷最不利位置泥沙沖刷深度變化值， 整理成圖表模式。 各試驗基底泥沙沖刷深度變化如圖3 所示。

通過圖3 發(fā)現(xiàn)，各組試驗均表現(xiàn)為：基底泥沙沖刷深度隨著時間的增加均表現(xiàn)為前期增速快、 后期增速緩慢的現(xiàn)象，其中試驗時間前10 min，“擋墻”、“丁壩群+擋墻”和“直墻式挑流丁壩”試驗的沖刷深度增速較快，而試驗時間后10 min，沖刷深度增速則逐漸減緩；試驗現(xiàn)象整體上表現(xiàn)為流速大時水流的挾沙能力更強， 在一定范圍內(nèi)流速較大時對應(yīng)的沖刷深度值也較大。

圖2 試驗中斷面流速等值線分布(流速：0.5 m/s)

3 水毀防治工程針對性建議

通過實地公路水毀工程及對應(yīng)水工模擬試驗， 發(fā)現(xiàn)公路水毀災(zāi)害特征多為基礎(chǔ)沖刷淘蝕和沖刷坑失穩(wěn)破壞，根據(jù)公路水毀“預(yù)防為主，防治結(jié)合”的防治原則，現(xiàn)給出不同水毀類型的針對性防治建議如下：

(1)“擋墻”水毀。 該類型公路水毀主要表現(xiàn)為基礎(chǔ)淘蝕、擋墻倒塌、部分擋墻傾覆等破壞，可以采取以下措施進行防治：①將傾覆擋墻予以拆除，新建擋墻增大基礎(chǔ)埋深；②可通過修復(fù)擋墻和采用錨桿技術(shù)進行加固，增設(shè)丁壩或磯頭壩進行防護，如圖4～5 所示，同時嚴(yán)格保證磯頭壩和丁壩基礎(chǔ)埋深不小于3.0 m，可因地制宜增大埋深深度；③根據(jù)地形和水文條件進行多種防護結(jié)構(gòu)搭配，但切勿于彎道處二次壓縮河道。

(2)“丁壩群+擋墻”水毀。該類型水毀破壞現(xiàn)象主要表現(xiàn)為丁壩壩頭出現(xiàn)沖刷坑，絕大部分基礎(chǔ)外露，部分丁壩的壩身和壩頭出現(xiàn)破壞，可以采取以下措施進行防治：①局部破壞丁壩可進行修復(fù)工作，進行丁壩加固恢復(fù)；②丁壩破壞嚴(yán)重處可設(shè)置磯頭壩或增設(shè)丁壩的方式， 且基礎(chǔ)埋深不小于3.0 m， 以保證路肩擋墻和路基的安全穩(wěn)定，如圖4～5 所示； ③丁壩破壞嚴(yán)重處可采用設(shè)置圍堰式丁壩替換常規(guī)式丁壩， 在一定程度上可以免于丁壩重復(fù)水毀，如圖6 所示。

圖3 基底泥沙沖刷深度隨時間變化規(guī)律

圖4 “丁壩群+擋墻”組合結(jié)構(gòu)

圖5 “磯頭壩+擋墻”組合結(jié)構(gòu)

圖6 “圍堰式丁壩群+擋墻”組合結(jié)構(gòu)

(1)“直墻式挑流丁壩”水毀。 該類型水毀主要表現(xiàn)為丁壩壩頭基礎(chǔ)外露，壩頭出現(xiàn)沖刷水坑等破壞?？梢圆扇∫韵麓胧┻M行防治：①丁壩沖刷嚴(yán)重處需進行加固處理；②行進水流較深、水流流速快的地方，需增設(shè)同種直墻式挑流丁壩(圖7)，減小路基邊坡沖刷隱患。

圖7 “直墻式調(diào)流丁壩群+擋墻”組合結(jié)構(gòu)

4 結(jié)論

(1)根據(jù)喀喇昆侖公路蓋孜河段實地水毀情況，開展水工試驗對3 種水毀工況進行模擬， 發(fā)現(xiàn)試驗情況與公路水毀實地水流沖刷情況和特性相一致。

(2)水工試驗中，彎道斷面流速呈現(xiàn)出偏移現(xiàn)象，彎道凹岸側(cè)流速大、 凸岸側(cè)流速小， 加設(shè)壓縮斷面防護結(jié)構(gòu)(如：丁壩)時，加設(shè)的凹岸側(cè)流速減小，對岸流速急劇增大；在一定范圍內(nèi)，水槽床沙局部沖刷深度隨著時間的推移逐漸增大，同時在臨界范圍內(nèi)隨著水流速度的增加，床沙的局部沖刷深度也逐漸增大。

(3) 實地水毀現(xiàn)象選取了典型的擋墻水毀、“丁壩群+擋墻”水毀和垂直式挑流丁壩水毀為例，均表現(xiàn)為結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)沖刷淘蝕和沖刷坑失穩(wěn)破壞?？赏ㄟ^原破壞結(jié)構(gòu)修復(fù)、增設(shè)和重建等方式增加防護結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性， 同時須嚴(yán)格保證結(jié)構(gòu)埋置深度，制約水毀破壞，保障交通暢行。