山区公路涵洞水毁成因分析及防治措施

吴 博，吴永芳

（1.江苏省交通规划设计院股份有限公司昆明分院，云南 昆明 650000；2.昆明市交通运输局，云南 昆明 650000）

涵洞是公路上最常见的跨越溪涧沟壑、宣泄山洪的小型横向排水构造物，是公路排水系统的重要组成部分。山区公路受到地形限制，大多依山傍水布线、逢沟布涵，涵洞分布广，占全线工程比重大［1-2］。每年汛期涵洞水毁、水害频发，轻则造成行车不畅，重则切断交通，损失严重，成为公路建设、管理及养护的一大难题。

1 云南山区自然地理

（1）地形起伏、沟谷下切发育

云南国土面积39.4万km2，山地高原约占94%，坝子、湖泊仅占6%。地势西北高而东南低，帚状南延。600多条江河呈南北向、放射状分布，地表被切割成“鸡爪”状。山区地形陡峻，岩石破碎，地质侵蚀强烈，沟谷下切发育。

沟谷上游地形三面环山，一面出口，平面形态呈漏斗状、勺状、瓢状、树叶状。沟底狭窄，沟坡陡峭，沟床横断面呈U形、V形。沟道纵向坡降大，水流和固体杂物（杂草、树枝、泥沙、石块等）能够向下游快速流动。

（2）干湿季分明、山洪陡涨陡落

云南受东亚季风、西南季风和高原季风的综合影响，形成了冬干夏雨、干湿季分明的季风气候。冬半年11月至次年4月是干季；夏半年5月至10月是雨季，占全年80%~90%雨量。此外，山区立体气候普遍，从河谷至山顶随着海拔升高，降水量不断增多。

山区沟谷洪水源主要是降雨，少量来自冰雪融水。降于山坡上的雨水在地表形成薄层状、细流状的坡面水流并转变为线状集流，山高坡陡，迅速向溪涧沟壑汇集，形成了冲刷能力增强的沟流。在暴雨、久雨的雨季，高强度的降雨汇集形成季节性山洪。沟流流域面积小、 流程短，导致汇流速度快、时间短，水位和流量的变幅大，水能丰富，汛期山洪陡涨陡落。

（3）地质灾害多发、易发

云南地处欧亚板块、印度洋板块与太平洋板块的复合部位，地壳运动活跃，是全国地质灾害危害最严重的省份之一。据有关资料，近10年自然灾害年均发生1 000多起，全省129个县（市、区）都有成灾记录。

由于山高坡陡，山顶出现的小部分滑坡会形成“滚雪球”效应，导致大规模的山体滑坡现象。另外，有的工程设计不符合水土保持要求，如公路弃土场选址不当，弃土被山洪冲刷，也易引起滑坡、塌方、泥石流等严重的工程地质灾害，加剧了公路涵洞水毁。

（4）水土流失严重、沟谷排洪又输沙

山区农业生产落后，大量坡地被开垦，地表裸露，土质疏松，水土流失，以致越开越贫，越贫越垦，生态系统破坏恶性循环。沟谷斜坡岩层结构疏松软弱、风化严重，岩块、卵石、粗沙等冲、洪积物堆积层深厚富集；坡面粗骨性坡积物多，蓄水能力弱，极易被冲刷。

在急流而下的坡面水流和沟谷水流作用下，谷床物质运动强烈，山坡、沟床表层坡积物被侵蚀、推移、沉积。部分沟谷在一次洪水后上游谷槽就基本填满，二次洪水时被迅速搬运到下游。可见，山区沟谷既要排洪又要输沙，而且输沙任务尤为严峻［3］。

2 山区涵洞现状

由于涵洞相对的“小”，其设计往往被忽视，导致施工中的变更设计多。水文计算形式化，照搬公式，未准确把握沟谷水文特性，对设计无控制作用。洞口设计“模式化、标准化、传统化”，机械地套用，缺乏因地制宜和灵活设计的理念。洞口构造物形式选择未能紧密结合涵洞进出口实地条件，而且洞口形式单一化，多数采用“跌水井+八字式”固定组合。

山区公路涵洞一般采用钢筋混凝土圆管涵、盖板涵，为节省投资，涵洞跨径一般偏小，纵坡平缓，排水、输沙能力严重不足。设计灵活性差、洞口布设不当造成排水不畅、冲毁农田、工程浪费等现象，已成为影响工程质量的突出问题［4］。

3 涵洞水毁成因

（1）“上淤”水毁

山区沟谷设置涵洞后，水流在上游进水段处受侧向束窄，水面急剧上升，在进水口形成压缩的流水断面。山洪裹挟带来的固体杂物自身的滚动力（以重力为主）超过了水流的冲力时，就堆积、堵塞在涵洞进水段及跌水井处，削弱涵洞排水输沙能力，不断堆积而不能及时流过洞身排至下游时，就出现“上淤”水毁现象。

跨越边沟的涵洞更容易发生“上淤”水毁，开挖后的路堑边坡失去了原来的自然、整体稳定状态，岩土表面长期暴露在大气之中，坡面土壤干燥疏松，岩土被风化、碎裂、剥蚀，导致边坡产生碎落、剥落、缺口、溜方、冲沟甚至滑坡。此外，受建设资金所困，边坡坡面防护措施有限，抗冲刷能力弱。经暴雨和地表水流侵蚀、冲刷后，固体杂物沿着边沟快速汇集于跌水井，也加剧了进水段的淤积。

（2）“下冲”水毁

下游出水段冲刷破坏是另一种常见的涵洞水毁现象。设置涵洞后沟谷泄流宽度比原有天然宽度缩窄，单宽流量增加，抬高了上游水位，造成显著的水位差。因而，上游水流经洞身后集中向下游宣泄，因地形陡变，势能转换为巨大的泄流动能。水流及固体杂物流出铺砌末端进入下游天然谷床时，就开始紧贴谷床向前流动，由于蓄含极大动能使谷床发生急剧变形，当实际流速大于土壤允许不冲刷流速时，靠近铺砌末端的谷床就被冲刷，形成冲刷坑、深潭等，导致垂裙下沉、坍塌，甚至引起洞身崩塌、路基损坏，在出水段就出现了“下冲”水毁现象。

按二元水流理论，纵向上，在旋滚水流冲刷、掏蚀作用下，冲刷坑深度逐渐增大，坑底也不断向下游推移。在横向上，由于涵洞出口水流断面宽度突然增大而形成了两侧回旋水流，对冲刷坑两侧旁蚀加剧，其直径不断增大。若是出口水流方向与沟谷形成交角，对沟谷产生淘刷水毁作用更明显［2］。

4 防治措施

4.1 进水段束流

（1）修筑坝系。在涵洞上游进水段修建拦沙坝、谷坊等挡拦构筑物，约束、拦蓄山洪及固体杂物。坝系工程提高了坝址处的侵蚀基准面，减缓坝上游淤积段沟床比降；加宽沟床，淤积物淤埋在上游沟谷两岸坡脚；稳定坡脚，使坡面冲刷作用和岸坡崩塌减弱；降低流速和径流深度，使重力势能与动能在较小的范围内转化。

坝址应依据地形地质条件、坡面大小、沟谷发育状况、建筑材料以及施工条件来确定。坝高的选择要综合考虑拦沙效益、消能设施、工程量以及工期等因素。为了施工方便，最好在冬春季节修建坝系，到次年雨季之前完工。

（2）设置束流槽。束流槽收集并引导散流状态的水流、固体杂物归槽，改变山洪流向、流速，使其顺畅通过进水段，避免沟谷横向侵蚀、冲刷谷床，保护涵洞、路基以及下游城镇设施。束水导流，防止山洪乱流、偏流，朝着预定方向运动；束水攻沙，束流后升高水位，加快流速，增大水流的冲刷力，集中冲刷固体杂物。

束流槽的设计高度应保证山洪不致漫过槽壁，还应考虑沟坡有无崩塌的可能。此外，若经济条件容许，槽底基础要深挖，同时采用高强混凝土槽底、间隔设置肋槛或钢轨混凝土槽床，减轻对槽底的磨蚀，防止掏空和揭底破坏。束流槽结构简单、纵坡使用范围大、断面优化程度高，施工方便，经济适用，对防治“上淤”有立竿见影的效果。

4.2 洞身段速流

（1）适当增大涵底纵坡。在涵洞设计过程中，纵坡取值一般相对平缓，多为缓坡涵洞，不利于水流、固体杂物排泄。为了使洞身段不堵塞，除了加大涵洞跨径，增加涵高之外，只有适当增大涵底纵坡才能提高过流速度。涵底纵坡应该控制在10%~15%，涵洞两端与地面线自然过渡，平顺衔接，既不产生水跃也不产生壅水，使水流和固体杂物快速地流过洞身。

（2）采用U形基底。U形断面涵底基础，形状为半圆（弓形或弧形），上部为垂直线段的断面形式，使进入涵洞基底的水流、固体杂物密度保持不变，在U形面上处于不稳定状态，合力指向下游沟心最低点，两侧水流向U 形底中间汇集，增大了水深，重组水动力，减小了阻力，加大了流速。在横断面上形成一个水流和固体杂物集中点最大流速点，成为固定的动力束流和集流冲沙中心。改善了防渗衬砌涵底膨胀变形分布的不均匀性，且涵底有一定的反拱作用，可以减轻冻害，减少裂缝和错台现象，具有良好的水力学性能、防渗性能和抗冻性能。与矩形断面涵底相比，具有流速分布均匀，近似最佳水力断面，流速快，两侧不淤积固体杂物，排泄更有效等特点。

4.3 出水段缓流

（1）设置跌水井。急流而下的山洪和裹挟的固体杂物蓄含着极大的破坏力，即使对出水口末端铺砌加固，甚至设置挑坎，都未必能充分消能，有必要增强出水段与地表的衔接。传统的跌水井设置在涵洞进水口处，给上游进水段淤积创造了温床，本文首次提出把跌水井位置由进水段调整到出水段，在几乎不增加造价的情况下，最大程度地发挥跌水井的作用，使水流和固体杂物尽可能消能。

跌水井由具有足够强度抵抗冲刷的底板、跌水壁和侧壁组成，跌水壁要预留泄水口。跌水井接纳和扩散洞身高速水流，促使在出水段的限定范围内产生底流式水跃，通过水流、固体杂物的内部摩擦和撞击，利用池中的水垫缓冲，使其迅速变为散水、缓流，充分消能，一般可将下泄水流的动能消除40%~70%。跌水井具有消能效率高，对地质条件和尾水变幅适应性强，缩短铺砌长度，降低造价，应用广泛等优点，是一种有效而经济的消能设施。

5 结语

山区地形地貌、地质、气候、水文条件复杂，要提高公路涵洞水毁的防治能力，保证进水段束流、洞身段速流、出水段缓流是关键所在。本文通过对云南山区公路涵洞进行大量现场调研和成因分析，从工程角度出发，探讨了涵洞水毁主要原因及防治措施，以期为山区公路涵洞建设提供参考。

［1］ JTG/TD65-04—2007公路涵洞设计细则［S］.

［2］ 蒋焕章.公路水文勘测设计与水毁防治［M］.北京：人民交通出版社，2002.

［3］ 严钦尚，曾昭璇.地貌学［M］.北京.高等教育出版社，1985.

［4］ 孙家驷.公路小桥涵勘测设计［M］.北京：人民交通出版社，2009.