天山公路水毁类型及防治措施*

孙 进

国道217线天山公路沿线自然条件复杂,地势起伏较大、构成岩性复杂多变、气候条件变化莫测,形成公路水毁的各种因素在空间分布与组合上差异很大,从而发育了多种类型的水毁,成为水毁规模较大、破坏程度较强、水毁类型发育较全的线路之一。

通过对国道217线天山公路路基水毁实例调查,按照沿线河流特征、河流形貌、水文水力条件、河岸、河床的组成、物质特征和路基结构、危害程度的差异,将水毁分为冲刷型、漫流型、淹没型、淤埋型和混合型五种类型。

1 冲刷型水毁

1.1 冲刷型水毁特征

冲刷型水毁是路基水毁最常见的水毁类型,冲刷型水毁主要是河水冲刷路基侧河岸,使路基外边坡临空失稳,导致路基、路面产生毁坏。由于国道217线天山公路横亘天山山脉,绝大多数路段与河道并行,依山傍水,路基为半填半挖式或全填筑的路基,靠河床一侧的路基下边坡就是河岸。因此,河水容易冲刷路基,直接造成路基下边坡(填筑路基)失稳而形成的冲刷型水毁。

1.2 冲刷型水毁机理

冲刷型水毁主要受两个因素的影响:即水和路基。两个因素相互作用,水是影响因素,当水流流速较小时,水的冲蚀能力有限,产生的危害不大,当水流流速较大时,冲蚀能力增强,危害变大。路基因素是决定性因素,路基抗冲蚀能力强,则水毁的可能性小,反之则大。

国道217公路大部分路段是沿河而行,山区河流的水量大、流速快、河水的冲蚀能力较强。而天山公路在二十世纪七八十年代修筑期间路基的抗冲蚀能力普遍较低。路基在一般的洪水条件下,水位较低、流速不大、坡脚块石较大、坡脚边坡较平缓河段,其抗冲刷性能较好,可保持路基的稳定。但在较大洪水条件下,水位高、流速大,而边坡上部的粒径较小,且岩屑与土质成分含量较多,边坡也较坡脚陡,随着水流的作用,边坡坡脚处的岩屑与土质成分被水流冲刷带走,使得路基坡脚逐渐被掏空,造成路基坍塌,路基出现缺口或大部分被毁。在路基修筑了防护工程(浆砌片石挡墙、丁坝、护坡、石笼等)的地段,也常发生水毁。究其原因:1)防护工程结构失去稳定,如防护工程基础埋置深度不够,在洪水作用下,导致滑动、倾倒破坏,使防护构造物失效,最终导致路基水毁破坏。2)山区河流河床纵坡一般较大,洪水经常能携带粒径较大的颗粒运动,其撞击作用会对构造物造成破坏。最后,山区河段往往沟窄水急,地基开挖困难,施工中对水下部分的施工质量难以保证,施工基底埋置深度达不到设计要求、构造物强度达不到设计要求的现象还是比较常见的。

1.3 冲刷型水毁防治措施

1.3.1 挡墙防护

1)一般挡墙防护。a.铁丝石笼挡墙。此种防护形式优点是:施工方便,可以就地取材,经济实用;石笼的柔性能适应基底水蚀后发生的局部变形;易于养护。其缺点是:耐久性较差;整体强度低;防护深度小;不利于防护较大股流,当洪流携带较大卵、块石时,容易将铁丝砸断而使石笼失效。b.浆砌石(混凝土)挡墙。主体防护宜采用浆砌石(混凝土)挡墙。此种防护形式优点是:可以就地取材,抗冲刷能力强,有很好的防护性能。其缺点是:防护深度小,若基础施工难度较大,不利于河道施工,因此,对于冲刷深度大于4 m的情况应选用其他防护形式。2)桩基础挡墙防护。此种防护形式优点是:抗冲刷能力强,对冲刷深度较大的河段有很好的防护性能,河床内施工较浆砌石挡墙方便。其缺点是:造价高,对河床中漂卵石较多的河段,不容易施工钻孔,当河床冲刷过深后,桩基受到水平的推力较大,容易发生倾覆破坏等。3)扩大基础挡墙防护。此种防护形式优点是:抗冲刷能力强,对冲刷深度较大的河段有很好的防护性能,河床内施工相对方便。其缺点是:基础体积大,造价较高。巨砾石基础挡墙可以用于巨砾石较多的河段。埋置深度不一定按照冲刷深度进行设置,关键是要满足一定的清理深度要求,一般是要清理到河床面以下1m。为了防止巨砾(块)石移动而毁坏挡墙,可以将巨砾(块)石用锚杆连接起来。

1.3.2 护坦防护

1)浆砌石护坦。对于常水位为宽浅河谷,丰水期流量较大的河床,弯曲度不大,冲蚀能力强的河道,建议采用护坦防护。此种防护优点是:降低了单纯挡墙条件下冲刷过深的问题;减少了主体挡墙的基础埋置深度,从而减小了主体挡墙的截面尺寸,水下开挖基坑的工程量减少,方便了施工。此种防护的缺点是:护坦要具有一定的宽度,侵占了河道,不适用于弯曲、较窄的河段,同时,容易被崩塌物质或河流携带较大的漂卵石砸坏。2)铁丝石笼护坦。铁丝石笼护坦又称为柔性护坦,柔性护坦可以起到很好的防护作用。对既有防护工程的墙前加固及应急抢险作业,建议采用柔性护坦作为挡墙前防冲的辅助防护。柔性护坦埋置深度根据构造要求,埋置在不低于河床面1 m以下,其上为卵、块石堆积。柔性护坦垂直挡墙面布置,向河床有5%左右的倾斜。柔性护坦和挡墙相接部位,应进行连接,防止护坦被流水冲走。

1.3.3 丁坝防护

1)浆砌石丁坝。对于常水位为宽浅河谷,丰水期流量较大,河段主要受顶流冲蚀及顺流冲蚀,水毁危害段较长的河段。此时布置丁坝主要是起到分流的作用,改变洪流主流流向,使洪水偏离路基边坡顺流经过。此种防护形式优点是:可以避免水流对挡墙及路基的直接冲蚀,因势利导起到较好的防护作用,缺点是设置要求高,需要对水流的流态科学掌握、计算准确,丁坝对水流流态的改变要准确计算,否则可能不但不能起到效果,反而会因为丁坝自身的首先破坏或丁坝不起作用而水毁路基;侵占河床,需要河床中水下施工,不适用较窄河道,同时由于丁坝是浆砌石砌筑的,一旦局部失稳,很可能导致整体破坏。2)铁丝石笼丁坝。其使用条件与刚性丁坝基本相同,主要用于应急防护或其他临时防护。此种防护形式优点是:可以起到浆砌石挡墙所起的作用,由于石笼具有一定柔性,当局部破坏或发生沉降时,挡墙本身可以进行自我调整到稳定状态,从而避免整体破坏;缺点与刚性丁坝一样外还存在耐久性差的缺点。

1.3.4 挡墙+抛石

一般用于水流较为平顺,河床中或边坡处巨砾或块石较多宽浅型河段,抛石不至于对河道束水严重,且石料供应丰富。抛石垛的边坡坡度根据水深、流速和波浪情况而定,不应陡于所抛石料浸水后的天然休止角。此种防护优点是施工简单,利于机械化施工,施工周期短,经济实用;缺点是侵占河道,不适用于较窄、弯曲及水流较急的河道,受限制因素多。

1.3.5 间接防护

对于河道较宽,河道易于变迁的水毁河段,可以采取开挖、疏导河道,将游荡型河道变为固定河道,使固定河道远离河床,从而达到治理水毁的目的。

对路线对岸的挑流岩嘴清除,以防止对公路侧河岸的冲刷。

对于十分弯曲的河段经过经济技术比较,可以考虑采用导水洞的方式改变河道的流态。

2 淹没型水毁

2.1 淹没型水毁特征

淹没型水毁,是路基或连同路面被水淹没,使得交通中断形成的水毁。国道217线天山公路段淹没型水毁主要有两段,第一段位于K702+000～K702+900段,第二段位于大龙池K954+300～K956+770段。

第一段淹没型水毁,泥石流堵塞长900m、平均淤埋厚度10m、宽60m,形成了一个巨大的泥石流坝,横拦在公路、河道上,和对面山体连为一体,将河流堵塞,形成一个堰塞湖,使该段路的交通中断近3年,来往车辆不得不绕行其他道路。

第二段淹没型水毁位于大龙池K954+300～K956+770段沿湖路段,路面高出常水位4 m左右。2002年8月,由于上游山区突降暴雨,沟谷内洪水泄入大龙池,造成大龙池水位比枯水期上涨达7m,造成该段路基被上涨的湖水淹没,导致交通中断半年。

2.2 淹没型水毁机理

一种是由于河道两侧的崩塌或泥石流堵塞河道,造成上游河道水位上涨,淹没公路路基路面,造成路线的水毁。另一种是由于公路沿湖泊边缘展线,且线位较低,离水面较近,由于暴雨、洪水造成湖泊水位升高,路基路面被湖水淹没而形成的水毁。

2.3 淹没型水毁防治措施

淹没型水毁要根据淹没原因、淹没区域的大小及造成淹没水域的大小等分为主动防护和被动防护,主动防护主要表现为避让会造成淹没的区域,或对堰塞湖的疏导排水,以此降低水位,当大型崩塌、滑坡等会造成堵塞河道的情况时,应针对这些地质病害进行专项治理;被动防护主要为提高公路路基,使路基高度满足设计水位的要求,并要考虑水位升降对路基稳定的影响,采取必要的措施。

3 淤埋型水毁

3.1 淤埋型水毁特征

淤埋型水毁表现为路基上边坡一侧沟谷水流携带碎屑物质冲蚀、淤埋路面路基。淤埋型水毁大多伴随泥石流而发生,如K940+900～K941+020段泥石流堆积路面形成淤埋,泥石流冲沟在雨季汇集水流冲蚀外侧路基形成水毁。

3.2 淤埋型水毁机理

淤埋型水毁机理,根据前述特征介绍,主要是沟谷雨季汇聚而成的水石流、泥石流冲击沟口的公路,由于沟口及公路侧地势平坦,原有公路又没有有效的排导措施,水流携带的固体物质堆积淤埋公路,造成交通中断,同时公路淤埋后,水流会翻过路面造成路基边坡损毁,或者根据地形情况,形成顺路跑水的现象,造成较长距离的边坡冲蚀。

3.3 淤埋型水毁防治措施

淤埋型水毁主要是由于泥石流堆积路面形成的水毁,对于其防护,主要有主动防护和被动防护,主动防护包括对泥石流形成区的防护、拦阻,流通区的排导、疏通;被动防护主要是公路改线避让,或从流通区架设桥梁或涵洞通过,无法避让的特别严重区可以隧道穿越等。

4 漫流型水毁

4.1 漫流型水毁特征

在国道217线天山公路沿线,漫流型水毁主要发生在哈希勒根达坂、玉希莫勒盖达坂、拉尔墩达坂及铁力买提达坂段山岭盘山公路上。其中在铁力买提达坂南坡段最为严重。该段公路排水系统被坡面溜坍、崩塌碎落物填满,起不到排水效果,坡面流直接汇流到路面,冲蚀路面及外侧路基形成水毁。

4.2 漫流型水毁破坏机理

1)松散的路基和边坡;2)没有完善的排导系统;3)丰富的降水及融雪水。丰富的坡面物质补给会造成既有的排导系统迅速失去作用,水流顺地势在路面上通过,造成边坡及路面的损毁。

4.3 漫流型水毁防治措施

对于漫流型水毁的防护,一方面要做好排水措施,另一方面则要做好固坡工作,重点是固坡,为此,对漫流型水毁可以采用护坡+植草。

5 混合型水毁

5.1 混合型水毁特征

混合型水毁主要表现为两种或两种以上的水毁共同作用,如冲刷型水毁与淤埋型水毁共同作用,此种水毁多发生在泥石流沟沟口与河流的交接地段,泥石流沟携带的大量物质堆积在沟口,部分堵塞河道形成挑流,此种混合型水毁在铁力买提达坂南侧坡脚至大龙池之间的路段多有发育,主要与路线左侧支沟较多有关。

此外混合型水毁还表现为冲刷型水毁与漫流型水毁共同作用,此种水毁多发生在河岸边坡较松散的地段,如K976+300～K979+300段的部分段落。

5.2 混合型水毁机理及防护措施

混合型水毁的机理是各单项水毁机理的叠加,多项水毁的叠加,往往加大了水毁的毁坏能力。这个过程是复杂多变的。应分清主次关系,治理措施也要主次分明,将单项水毁的治理方法有机结合起来,形成防护体系。

6 结语

公路是线性工程,即使是局部发生破坏,势必影响全线的运行。由于国道217线天山公路里程长,公路穿越的地貌单元较多,地质结构复杂,地形多变,人烟稀少,气候恶劣,这就需要在进行水毁防护设计时全线统一规划,对全线水毁类型及其分布情况进行科学分类,研究发生机理,对水毁病害有侧重、分层次进行整治。

水毁防治要因势利导、因害设防。要先研究水毁的原因所在,根据其成因顺应自然规律,采取有针对性的防护措施。进行水毁防治要在确保防治效果的同时,尽量做到就地取材、经济合理。同时我们也应该认识到,在水毁的防护中要注重对环境的保护,环境保护本身也是对水毁的一种生态防护,在防护措施选择时,应结合地方特点,工程防护与生物防护相结合,减少水土流失,保护生态环境。

[1]JTG C30-2002,公路工程水文勘测设计规范[S].

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