公路水毁水工试验及灾害防治对策研究

罗文功 魏学利 陈宝成

(新疆维吾尔自治区交通规划勘察设计研究院，乌鲁木齐 830006)

喀喇昆仑公路(中巴友谊公路)是中国连接中亚和南亚的重要通道。喀喇昆仑公路国内部分奥依塔克镇-布伦口段(沿盖孜河段)全长约70 km，沿线地质构造复杂、地层活跃，沿线常见的地质灾害有：泥石流、水毁及滑坡等，破坏性大、危害严重，已成为当下沿线交通急待解决的问题。目前，前人对于本地区泥石流及地质灾害方面的研究较为丰富[1-8]，而对于水毁灾害的研究涉及较少。本研究针对喀喇昆仑公路盖孜河段水毁灾害， 借鉴前人模型试验的方法[9-11]，模拟实地水流冲刷现象，得到实地水流破坏机理和特性， 研究成果可为喀喇昆仑公路实地灾害防治提供参考。

1 公路水毁水工试验

1.1 水工模型及试验条件设计

通过实地踏勘发现， 盖孜河段破坏性最为严重的水毁灾害为：挡墙水毁、丁坝群水毁和长挑流丁坝水毁，本研究在3 种水毁现象的基础上开展水工模型试验。 通过借鉴梁光模[9]、高冬光[10]、田伟平[11]等的模型试验方法，结合实地水毁现象和破坏特征， 提出本研究缩尺水槽和防护结构。 试验采用缩尺模型的形式，以几何相似为主。 根据下述公式及实地数据进行计算， 最终得到水槽和防护模型几何参数，如表1 所示。

表1 水工试验主要设计参数及工况

式中：L、B 分别表示丁坝坝长和河的宽度；p、m 分别表示实际尺寸和模型尺寸。

式中：λv为水流流速比尺；λl为几何比尺， 且λl=Lp/Lm。

1.2 试验步骤及现场设定

试验前对已砌筑完成的水泥砂浆水槽进行清理和防护结构模型布置， 在水槽周围布设多台高清摄像机进行实时记录， 以便记录试验过程中水流冲刷特征和绕流现象。 水槽弯道转角为固定的60°，无须进行转角改变。 试验起初进行水槽基底泥沙铺设，模拟实际泥沙冲淤现象，随后进行流速测量和局部冲刷深度测量。 试验过程中分别对水槽基底泥沙铺设和水槽基底泥沙冲淤现象量测进行拍照记录。 试验结束观测泥沙冲淤工序需要进行排水工作，于水槽尾部排水坑处放置电动潜水泵，以便快速降低水槽水位直至见底。 试验整体所需的测量仪器和材料包括LS300-A 型流速仪、直尺、试验用砂(水洗砂)、测量标示杆、潜水泵、水槽闸门、铁锹、水桶等。 现场具体试验布置如图1 所示。

图1 野外试验现场布置图

2 试验结果分析

2.1 弯道断面流速等值线分布

水工试验中，对实地水毁进行模拟，进行了包含“挡墙”、“丁坝群+挡墙”和“直墙式挑流丁坝”的多组防护试验。试验过程中，采用流速计分别对各组试验水槽断面水流流速值进行了量测，并绘制成图。各试验中断面流速等值线分布见图2。

通过图2 发现，挡墙试验中断面左侧(凹岸)流速大，右侧(凸岸)流速小；“丁坝群+挡墙”试验中断面左侧(凹岸)流速大，右侧(凸岸)流速小，断面两侧流速差值极大；直墙式挑流丁坝试验中断面流速等值线分布与“丁坝群+挡墙”试验相类似。断面流速等值线分布整体表现为稳定的流速偏移，不同防护结构等值线分布规律存在差异，验证了实地防护结构水流冲刷特性。

2.2 基底泥沙冲刷深度随时间变化规律

试验过程中，通过固定时间节点量测，记录不同流速下挡墙冲刷最不利位置泥沙冲刷深度变化值， 整理成图表模式。 各试验基底泥沙冲刷深度变化如图3 所示。

通过图3 发现，各组试验均表现为：基底泥沙冲刷深度随着时间的增加均表现为前期增速快、 后期增速缓慢的现象，其中试验时间前10 min，“挡墙”、“丁坝群+挡墙”和“直墙式挑流丁坝”试验的冲刷深度增速较快，而试验时间后10 min，冲刷深度增速则逐渐减缓；试验现象整体上表现为流速大时水流的挟沙能力更强， 在一定范围内流速较大时对应的冲刷深度值也较大。

图2 试验中断面流速等值线分布(流速：0.5 m/s)

3 水毁防治工程针对性建议

通过实地公路水毁工程及对应水工模拟试验， 发现公路水毁灾害特征多为基础冲刷淘蚀和冲刷坑失稳破坏，根据公路水毁“预防为主，防治结合”的防治原则，现给出不同水毁类型的针对性防治建议如下：

(1)“挡墙”水毁。 该类型公路水毁主要表现为基础淘蚀、挡墙倒塌、部分挡墙倾覆等破坏，可以采取以下措施进行防治：①将倾覆挡墙予以拆除，新建挡墙增大基础埋深；②可通过修复挡墙和采用锚杆技术进行加固，增设丁坝或矶头坝进行防护，如图4～5 所示，同时严格保证矶头坝和丁坝基础埋深不小于3.0 m，可因地制宜增大埋深深度；③根据地形和水文条件进行多种防护结构搭配，但切勿于弯道处二次压缩河道。

(2)“丁坝群+挡墙”水毁。该类型水毁破坏现象主要表现为丁坝坝头出现冲刷坑，绝大部分基础外露，部分丁坝的坝身和坝头出现破坏，可以采取以下措施进行防治：①局部破坏丁坝可进行修复工作，进行丁坝加固恢复；②丁坝破坏严重处可设置矶头坝或增设丁坝的方式， 且基础埋深不小于3.0 m， 以保证路肩挡墙和路基的安全稳定，如图4～5 所示； ③丁坝破坏严重处可采用设置围堰式丁坝替换常规式丁坝， 在一定程度上可以免于丁坝重复水毁，如图6 所示。

图3 基底泥沙冲刷深度随时间变化规律

图4 “丁坝群+挡墙”组合结构

图5 “矶头坝+挡墙”组合结构

图6 “围堰式丁坝群+挡墙”组合结构

(1)“直墙式挑流丁坝”水毁。 该类型水毁主要表现为丁坝坝头基础外露，坝头出现冲刷水坑等破坏。可以采取以下措施进行防治：①丁坝冲刷严重处需进行加固处理；②行进水流较深、水流流速快的地方，需增设同种直墙式挑流丁坝(图7)，减小路基边坡冲刷隐患。

图7 “直墙式调流丁坝群+挡墙”组合结构

4 结论

(1)根据喀喇昆仑公路盖孜河段实地水毁情况，开展水工试验对3 种水毁工况进行模拟， 发现试验情况与公路水毁实地水流冲刷情况和特性相一致。

(2)水工试验中，弯道断面流速呈现出偏移现象，弯道凹岸侧流速大、 凸岸侧流速小， 加设压缩断面防护结构(如：丁坝)时，加设的凹岸侧流速减小，对岸流速急剧增大；在一定范围内，水槽床沙局部冲刷深度随着时间的推移逐渐增大，同时在临界范围内随着水流速度的增加，床沙的局部冲刷深度也逐渐增大。

(3) 实地水毁现象选取了典型的挡墙水毁、“丁坝群+挡墙”水毁和垂直式挑流丁坝水毁为例，均表现为结构基础冲刷淘蚀和冲刷坑失稳破坏。可通过原破坏结构修复、增设和重建等方式增加防护结构的整体稳定性， 同时须严格保证结构埋置深度，制约水毁破坏，保障交通畅行。