河道基巖引發(fā)臨河段公路水毀的致災(zāi)機(jī)理及處置措施

基金項(xiàng)目：甘肅省科技計(jì)劃資助項(xiàng)目“基于黃土路基干濕循環(huán)的半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)輪致?lián)p傷機(jī)理研究”（編號(hào)：20JR10RA261）；蘭州交通大學(xué)青年科學(xué)基金項(xiàng)目“黃土地區(qū)半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)輪致?lián)p傷機(jī)理研究”（編號(hào)：2018013）

作者簡(jiǎn)介：趙玉壁（1987—），博士，工程師，主要從事道路與鐵道工程項(xiàng)目管理工作。

摘要：文章對(duì)甘肅省高海拔黃土山區(qū)某高速公路臨河段路基水毀現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了踏勘，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)獨(dú)特的塌坑現(xiàn)象對(duì)路基塌陷的原因進(jìn)行分析，明確河道基巖為誘災(zāi)因素，并進(jìn)一步探究了災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)水-土-基巖-結(jié)構(gòu)物相互作用行為，揭示了河道基巖引發(fā)臨河道路路基水毀的致災(zāi)機(jī)理，制定了災(zāi)害處置工程措施，以供其他沿河公路工程勘察設(shè)計(jì)借鑒。

關(guān)鍵詞：臨河公路;水毀災(zāi)害;河道基巖;致災(zāi)機(jī)理;工程措施

中圖分類號(hào)：U418.5⁺4

0 引言

黃土山區(qū)沿河布線的公路在多雨季節(jié)或異常降雨條件下，常爆發(fā)山洪，沖毀路堤和擋墻，影響道路通行安全^［1-4］。本文結(jié)合甘肅省某已有山區(qū)高速公路臨河段水毀事故，通過現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)勘踏和原因分析，確定河道基巖是導(dǎo)致水毀事故發(fā)生的原因，通過分析洪水在河道基巖與路基擋墻形成的特定空間中的沖刷行為，探究了洪水、路基土體、河道基巖和路堤擋墻之間的水-土-巖-結(jié)構(gòu)物相互作用關(guān)系，揭示了臨河段路基破壞的致災(zāi)機(jī)理，據(jù)此制定了災(zāi)害處置措施。此案例具有典型性，對(duì)其他山區(qū)沿河公路在設(shè)計(jì)和施工過程中開展河道地質(zhì)勘察和河道整治具有借鑒意義。

1 臨河段公路水毀現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查

項(xiàng)目為甘肅省高海拔黃土山區(qū)新開通雙向四車道全封閉高速公路。水毀段為填方黃土路基，緊鄰季節(jié)性河道的彎曲段，采用衡重式現(xiàn)澆鋼筋混凝土擋土墻圍筑路堤。水毀事故發(fā)生時(shí)，項(xiàng)目區(qū)正值夏秋多雨季節(jié)，經(jīng)過連續(xù)多日降雨，上游出現(xiàn)山洪并匯入河道，洪水對(duì)擋墻底部進(jìn)行長時(shí)間沖刷，導(dǎo)致該處路基路面塌陷。

清除塌坑上方粘連的路面結(jié)構(gòu)和護(hù)欄后可見，水毀段路基塌坑形成一個(gè)縱向長度為21.0 m，橫向長度為8.2 m，深度為12.5 m的半月形塌坑，坑中的路基填土被洪水沖走，僅剩部分路堤底層塊石。路基擋土墻形態(tài)完整，線型順直無傾斜，未出現(xiàn)損壞跡象，塌坑坑壁豎直，界面填土層理清晰，帶有明顯的水流沖刷痕跡。

塌坑底部坑角兩側(cè)底部各有1個(gè)直徑約1.0 m的圓形孔洞。為便于區(qū)分，將兩個(gè)孔洞沿河道流向依次標(biāo)號(hào)為A、B。此處路基水毀形態(tài)與常見路基水毀形態(tài)有顯著不同：（1）通常臨河路段遭遇洪水沖刷時(shí)，首先是擋土墻發(fā)生破壞^［5-6］，隨后路基塌陷，但此處路基擋土墻完好；（2）路基塌坑坑壁豎直，與常見的塌陷面呈斜坡狀的路基水毀形態(tài)具有明顯區(qū)別。

緊鄰擋墻的河道中，淤泥已被沖走，河床被洪水沖刷下切2.0 m左右，河床中線的水面下露出一塊長約14.7 m，寬約4.6 m的基巖，與路基擋墻間距1.2 m左右。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查情況，可以初步判斷路基塌陷是由于洪水通過坑角底部的兩個(gè)孔洞形成流通通道，對(duì)路基內(nèi)部的填土持續(xù)沖刷所致。

2 水毀形成機(jī)理分析

2.1 現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)勘察

為了探究坑角孔洞和路基塌坑獨(dú)特形態(tài)的形成原因，并據(jù)此制定有效的工程處置措施來徹底解決水毀隱患，運(yùn)營養(yǎng)護(hù)單位對(duì)水毀現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行地質(zhì)勘察?？辈旖Y(jié)果如圖1所示。由圖1可知，路基塌坑兩側(cè)的孔洞下穿擋土墻與河道連通，其中孔洞A、B中心線與擋土墻夾角分別為50°、110°；河道基巖位于河床以下部分最寬處約13.4 m，長約22.5 m，中心厚度約5.9 m，形狀不規(guī)則但形態(tài)完整，其平面位置與擋土墻和路堤部分重合。塌坑段擋土墻在修筑時(shí)對(duì)其設(shè)計(jì)位置處既有基巖進(jìn)行了風(fēng)鎬破碎。擋土墻中部的墻趾直接位于河道基巖之上，兩端的墻趾基礎(chǔ)為卵石土。山洪暴發(fā)前，擋土墻墻趾上覆河床淤土約2.5 m厚；山洪暴發(fā)后，擋土墻墻底與河道基巖基礎(chǔ)間發(fā)現(xiàn)裂隙，兩端墻底的卵石土基礎(chǔ)被掏空。

2.2 A、B孔洞形成機(jī)理

2.2.1 基巖位移形成夾角裂隙

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)勘察結(jié)論，塌坑段的部分擋土墻和填土路基位于河道基巖之上，在項(xiàng)目建成投運(yùn)后，基巖在行車荷載、路基填土和擋土墻應(yīng)力的聯(lián)合作用下發(fā)生了蠕變位移，致使擋墻墻趾與基巖貼合面出現(xiàn)夾角裂隙，且隨著基巖蠕變位移的發(fā)展，夾角裂隙逐漸增大，為洪水進(jìn)入路基底部創(chuàng)造了條件。

2.2.2 湍流的沖刷與下切作用

山洪暴發(fā)后，洪水的勢(shì)能匯聚在基巖與擋土墻之間平均約1.2 m的狹窄通道內(nèi)，裹挾著礫石高速通過。通道部位2.5 m厚的河床淤土在礫石的碰撞與水的高速?zèng)_刷作用下迅速流失，河床以下基巖和擋土墻墻趾全部裸露。在擋土墻與基巖形成的有限空間內(nèi)，洪水以湍流形式持續(xù)下切擋土墻的基礎(chǔ)，使擋土墻下基巖兩側(cè)的卵石土基礎(chǔ)逐漸被掏空，形成A、B孔洞的雛形。

2.2.3 水的巖面滲流

洪水沿著擋土墻與基巖間的夾角裂隙向路基本體滲流，逐步在基巖表面形成多處滲流通道。水流進(jìn)入路基底部，對(duì)路基填土持續(xù)軟化。在洪水的沖刷作用下，水流將路基土體中細(xì)顆粒部分從擋土墻下方的裂隙中帶出，從而在路基土體內(nèi)部形成一條帶狀水流通道。隨著帶狀水流通道的擴(kuò)展和A、B孔洞的加深，路基本體內(nèi)由A孔洞入，由B孔洞出的洪水流通通道最終被貫通，A、B孔洞也完全形成。

2.3 塌坑形成機(jī)理

在基巖與擋土墻的狹窄通道的擠壓下，洪水具有巨大的勢(shì)能，流速極快。A、B孔洞兩端水流通道形成后，洪水從A孔洞快速涌入，對(duì)路基底部土體進(jìn)行強(qiáng)烈沖刷，并裹挾著泥沙從B孔洞快速流出，路基迅速塌方形成塌坑。塌坑的形成為洪水在路基土體內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)提供了空間，洪水繼而以高速射流形式進(jìn)入塌坑，在塌坑內(nèi)部形成如圖2所示的渦流，對(duì)路基填土產(chǎn)生剪切作用。在渦流的持續(xù)剪切下，塌坑逐漸成為坑壁豎直的半月形狀。

2.4 水毀災(zāi)害機(jī)理總結(jié)

通過現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)勘察和孔洞、塌坑形成的機(jī)理分析可知，導(dǎo)致此次水毀災(zāi)害的主因是河道基巖在行車荷載、路基填土和擋土墻聯(lián)合作用下發(fā)生沉降位移，導(dǎo)致?lián)跬翂χ号c基巖貼合面產(chǎn)生夾角裂隙。山洪暴發(fā)后，因河道基巖擠壓河道泄水空間，洪水伴隨著巨大的勢(shì)能以湍流形式不斷下切擋土墻基礎(chǔ)，致使擋土墻下的基巖兩側(cè)形成與路基本體連通的孔洞。洪水從夾角裂隙和孔洞持續(xù)滲入，首先在基巖表面形成滲流通道并帶出泥沙，繼而形成連通路基本體和兩條孔洞的沖刷通道，路基逐步塌陷并形成塌坑。洪水在巨大勢(shì)能的作用下，從入口孔洞高速射入，在塌坑內(nèi)形成渦流，在渦流的持續(xù)剪切作用下，路基形成了半月形、坑壁豎直的塌坑。

3 現(xiàn)場(chǎng)處置措施

根據(jù)本次水毀災(zāi)害的形成機(jī)理，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的處置措施可分為基巖處理、河道整治、擋土墻基礎(chǔ)處理和路基塌坑回填四部分。以下頁圖3水毀路段代表性橫斷面YK84+020（右）處治措施為例進(jìn)行說明。

如圖3所示，在水毀路段代表性橫斷面YK84+020（右）處采取以下針對(duì)性處置措施。

（1）基巖處理：采用改移河道，堆放沙袋圍堰、抽排水等措施，清除水毀現(xiàn)場(chǎng)積水和河道流水。用風(fēng)鎬鑿除河道和河岸基巖，清除河道內(nèi)淤泥和礫石至擋墻墻趾以下150 cm。

（2）河道整治：河道用鐵絲石籠分層回填至沖刷地面線以下50 cm，石籠與擋土墻之間采用C20混凝土振搗回填，石籠與右側(cè)河岸之間采用片塊石混凝土填充，上方采用C20混凝土封頂抹平。右側(cè)河岸基巖采用風(fēng)鎬破碎至與沖刷地面線齊平，并施作C20現(xiàn)澆混凝土擋墻，擋墻墻趾嵌入河岸基巖。

（3）擋土墻基礎(chǔ)處理：清除塌坑內(nèi)遺留的碎礫石、塊石，并將沖刷后地面線修整至擋墻墻趾以下50 cm。分段清除擋土墻墻趾下方土體，采用C20混凝土填補(bǔ)。

（4）路基塌坑回填：挖除塌坑段路基中心線3.75 m以外路基路面結(jié)構(gòu)至底基層底部以下30 cm，采用C15片石混凝土回填塌坑至路面底基層底部以下30 cm，在整體鋪筑30 cm砂礫排水層后，重新鋪筑路面結(jié)構(gòu)層。

4 結(jié)語

（1）黃土山區(qū)沿河道路工程在地質(zhì)勘察階段要對(duì)緊鄰的河道進(jìn)行延伸勘察，了解河道中的基巖、沉積島、大體積礫石等擠壓河道過水?dāng)嗝娴牡刭|(zhì)物分布情況，對(duì)有可能影響道路建設(shè)和運(yùn)營安全的有害地質(zhì)物，應(yīng)通過破碎、挖除等措施進(jìn)行整治。

（2）緊鄰河道彎曲段的道路路基邊坡、擋土墻等構(gòu)筑物承受洪水和礫石的直接沖擊，易遭受破壞，因此在道路選線時(shí)，線路應(yīng)盡量避免緊鄰河道彎曲段。若河道彎曲段無法避免，則應(yīng)通過在路基坡腳、擋墻底部堆放鐵絲石籠、修建丁壩等被動(dòng)保護(hù)措施對(duì)路基進(jìn)行保護(hù)。

（3）黃土山區(qū)沿河道路在施工時(shí)，針對(duì)狹窄河道或河道蜂腰段，應(yīng)適度加寬河道或修建備用泄洪道，以減輕山洪對(duì)路基結(jié)構(gòu)物的沖刷。

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收稿日期：2022-04-20