山區(qū)公路抗水損害研究及防治措施

祝軼君

（山西省交通科學(xué)研究院，山西 太原 030006）

0 引言

由于地形限制的原因，山區(qū)公路多修建在山腰或者溝底，多采用半填半挖的形式。在雨季，降水隨山體走勢匯集成流對沿途水土長期沖刷和浸蝕，影響公路路基及其防護(hù)工程的穩(wěn)定性，造成路基水土流失，進(jìn)而發(fā)生變形，出現(xiàn)裂痕和整體坍塌，對公路運(yùn)輸?shù)慕煌ò踩哂兄匾绊慬1]。以公路跳車和溝槽為代表性的路基水損病害在各山區(qū)公路不斷出現(xiàn)給交通出行帶來潛在影響。受黃土濕陷性的影響，山西省境內(nèi)公路每年因水損造成的路基沉降養(yǎng)護(hù)治理費(fèi)用不斷增加，且呈現(xiàn)逐年遞增的態(tài)勢。目前，公路水損路基的防治處置方式還不能完全滿足防災(zāi)減災(zāi)的要求，但通過對過往施工經(jīng)驗(yàn)、設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的梳理總結(jié)，合理分析路基水損病害的類型，分析災(zāi)害對路基穩(wěn)定性的影響，借助科學(xué)合理的設(shè)計(jì)和完善的防護(hù)工程修復(fù)措施，對水毀路基病害的預(yù)防和治理具有顯著意義。

1 山區(qū)公路水損破壞類型

1.1 水漫路面造成路基水毀

公路路面的絕對高程較低，河道較窄。以山西地區(qū)為代表的北方山區(qū)平均降水量較小且河床普遍較淺，在夏季雨水較為集中的時(shí)間段易造成河道水滿而漫過公路路面。水漫路面會加速狹窄河床的積淤，從而造成該路段洪水流速增加。在漲水期和急速退水期，洪水對公路路基路面的沖刷最為嚴(yán)重，公路邊坡、路肩被不斷沖刷出現(xiàn)失穩(wěn)區(qū)間，路面出現(xiàn)裂縫進(jìn)而出現(xiàn)整體坍塌[2]。該類型的路基水毀以山西S312省道寧武蘆芽山部分路段最具代表性，因蘆芽山山體結(jié)構(gòu)和氣候特點(diǎn)，公路路基水毀較為嚴(yán)重（圖1）。

圖1 水漫路面造成路基水毀

1.2 壓縮河道造成路基水毀

在山區(qū)公路新建和翻修中，部分路段存在施工造成的路邊河道被建筑物侵占現(xiàn)象，固體廢棄物的堆積減少了該路段河道排水能力。減少的河道過水?dāng)嗝嬖黾恿寺坊缓樗疀_刷破損的概率，被水侵蝕沖刷破壞的嚴(yán)重程度是正常河道路段的3倍以上[3]。在修建公路中，尤以修建施工便道和二級路翻修造成的壓縮河道最為常見。

圖2 壓縮河道造成路基水毀

1.3 邊坡防護(hù)不當(dāng)造成路基水毀

在山區(qū)縣城內(nèi)及周邊的沿河道路，道路兩側(cè)邊坡通常采用漿砌片石護(hù)坡的形式以抵抗河水的沖刷，漿砌片石護(hù)坡的穩(wěn)固對邊坡的穩(wěn)固起到?jīng)Q定性的作用。通常，漿砌護(hù)坡的底端應(yīng)低于最低水位線，即能抵抗水流的沖刷。否則，河道水流量較大甚至洪水到來時(shí)，護(hù)坡被慢慢侵蝕，進(jìn)而出現(xiàn)路基水毀。

圖3 邊坡防護(hù)不當(dāng)造成路基水毀

2 山區(qū)水毀路基穩(wěn)定性評價(jià)

公路路基抗水毀穩(wěn)定性主要表現(xiàn)在路基、涵洞、邊坡防護(hù)等工程抵抗洪水的能力，是防災(zāi)減災(zāi)的重要表征。對公路路基的抗水毀穩(wěn)定性進(jìn)行模型搭建及性能評價(jià)，可為公路抗水毀提供科學(xué)依據(jù)。目前，常用的方法有影響因素疊加法、層次分析法及綜合模糊評價(jià)法。

層次分析法是將與決策有關(guān)的元素分解成目標(biāo)、準(zhǔn)則、方案等層次，在此基礎(chǔ)之上進(jìn)行定性和定量分析的決策方法。模糊綜合評價(jià)法是一種基于模糊數(shù)學(xué)的綜合評標(biāo)方法，即用模糊數(shù)學(xué)對受到多種因素制約的事物或?qū)ο笞龀鲆粋€(gè)總體的評價(jià)。在當(dāng)前的工程應(yīng)用中由于層次分析法元素分解的難度較大，模糊評價(jià)法制約因素的不確定性使得應(yīng)用起來較為繁瑣。

較之以上兩種方法，影響因素疊加法是目前水毀路基穩(wěn)定性評價(jià)的最主要應(yīng)用方法。考慮到各種復(fù)雜因素對路基水毀的影響，各災(zāi)害影響因素的影響模型搭建通常需要考慮公路所處區(qū)域環(huán)境的影響因子，各災(zāi)害影響因素的復(fù)合影響因子是評價(jià)路基穩(wěn)定性的最重要指標(biāo)。

影響因素疊加法應(yīng)用的根本是解決不同影響因素的權(quán)重系數(shù)。同一種影響因素對不同路基穩(wěn)定性的影響原理是一樣的，但影響因數(shù)數(shù)值大小的差異和不同對路基穩(wěn)定性的作用系數(shù)存在較大不同，其離散性符合數(shù)值大小的正態(tài)分布規(guī)律。同時(shí)，同一影響因素的影響效果在特殊點(diǎn)的差異也存在兩極化表現(xiàn)，以水在0℃的表現(xiàn)最具代表性。

對于不同影響因素，同一路基水損區(qū)域模型內(nèi)對路基水損的作用機(jī)理和作用方式均存在較大差異。對于多種影響因素對路基水損的影響，因影響效果的大小存在主要因素和次要因素。在各種影響因素中，首先要分析和理清主要因素，因其對災(zāi)害發(fā)生的貢獻(xiàn)最大，影響權(quán)重需最先確定，進(jìn)而確定次要因素對災(zāi)害發(fā)生和作用的權(quán)重系數(shù)。最終基于不同災(zāi)害影響因素的權(quán)重系數(shù)，結(jié)合具體工程情況開展水毀路基穩(wěn)定性評價(jià)。

3 山區(qū)公路抗水損害防治措施

山區(qū)公路抗水損害的防治，應(yīng)從設(shè)計(jì)階段進(jìn)行抗水損設(shè)計(jì)，好的抗水損設(shè)計(jì)，可降低工程造價(jià)、提高工程質(zhì)量、保障工程安全、降低災(zāi)害影響因子對路基穩(wěn)定性的影響。在設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)之上進(jìn)行防護(hù)工程的合理構(gòu)建是對公路抗水損害的根本性保障。

3.1 路基水毀防治的設(shè)計(jì)

3.1.1 勘察設(shè)計(jì)要全面

詳細(xì)的勘察設(shè)計(jì)是公路選線的基礎(chǔ)，借助資料調(diào)研，實(shí)地考察，工程鉆探獲得詳盡的現(xiàn)場資料，對公路路線范圍內(nèi)的地質(zhì)和水文情況可能造成的影響進(jìn)行評估分析，從宏觀方案設(shè)計(jì)上掌握地質(zhì)條件對公路可能產(chǎn)生的影響。對設(shè)計(jì)方案中的水損影響進(jìn)行評估，開展風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)，提出對應(yīng)的防治工程計(jì)劃。

a）對于軟土地基、順層巖質(zhì)等特殊地質(zhì)條件路段，在不大幅改變公路線性和里程的基礎(chǔ)之上，應(yīng)盡量采用繞行和規(guī)避的方案，如不能避免，則必須加入防水毀防護(hù)工程設(shè)計(jì)方案，且選擇災(zāi)害可能最小的路線設(shè)計(jì)方案。

b）對于黃土地基或是高填高挖路段，則應(yīng)充分勘察周邊地質(zhì)條件，詳細(xì)分析各災(zāi)害影響因素的影響因子，選取合適的評價(jià)模型，確定各評價(jià)指標(biāo)的權(quán)重，進(jìn)行水毀路基穩(wěn)定性計(jì)算及評價(jià)，從而得到該路段的加固防護(hù)方法。

3.1.2 注重水文、地質(zhì)結(jié)構(gòu)的影響

近年來公路修建為節(jié)約工程造價(jià)，公路現(xiàn)行采用高填深挖的方法較多。從環(huán)保理念出發(fā)應(yīng)采用橋梁和隧道的形式進(jìn)行線性設(shè)計(jì)，高填深挖難免對周邊地質(zhì)結(jié)構(gòu)造成部分?jǐn)_動，存在自然災(zāi)害隱患。故在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)對路線周邊原有災(zāi)害影響因素充分研究，并減少新增災(zāi)害隱患對公路及其周邊的影響。提倡以資源環(huán)境承載力為基礎(chǔ)，注意對公路沿線綠色植被及自然景觀的保護(hù)，將路基水毀的安全隱患減少至最小范圍。

3.1.3 防護(hù)工程的設(shè)計(jì)

防護(hù)工程是應(yīng)對洪水災(zāi)害的最有利措施，利用防護(hù)工程的阻隔可有效降低洪峰時(shí)洪水的沖刷，誘導(dǎo)洪水流向，穩(wěn)定洪水流速。在防護(hù)工程的設(shè)計(jì)中，應(yīng)嚴(yán)格遵守保護(hù)河道沿線環(huán)境的要點(diǎn)，防護(hù)工程類型的選定應(yīng)依照所在地區(qū)經(jīng)濟(jì)、文化、技術(shù)、資源等現(xiàn)有條件就地取材，因地制宜。詳細(xì)勘測工程沿線河道的特性，是做好道路沿線設(shè)施水文設(shè)計(jì)的重要保障，不同河流的不同河段有其獨(dú)特屬性，所以應(yīng)根據(jù)工程所在地河段的水文特點(diǎn)，科學(xué)設(shè)計(jì)采取合理的防護(hù)工程措施。

3.2 完整路基水毀防護(hù)工程的構(gòu)建

完整的路基水毀防護(hù)工程構(gòu)建是對公路路基穩(wěn)定性的最大保障，在各式各樣的防護(hù)工程中，側(cè)重點(diǎn)都是基于提高坡底和坡面的抗沖刷能力，減少水流對路基的沖刷。其中應(yīng)用最多的是漿砌片石護(hù)坡、漿砌片石護(hù)肩。合理且完整的漿砌片石護(hù)坡和漿砌片石護(hù)肩設(shè)置至關(guān)重要。

3.2.1 漿砌片石護(hù)坡的設(shè)計(jì)和修建

為了提高河道路基邊坡耐水流沖刷性能，通常在河道橫截面較寬且順直段，河道瞬時(shí)流量較小段采用修筑漿砌片石護(hù)坡的防護(hù)工程。漿砌片石護(hù)坡防護(hù)工程因防護(hù)能力的不同通常分為單層漿砌片石護(hù)坡、雙層漿砌片石護(hù)坡和深基礎(chǔ)漿砌片石護(hù)坡3種。為了提高河道邊坡穩(wěn)定性，護(hù)坡應(yīng)埋至極限水流沖刷線以下，在施工情況允許下修建至坡底。對于地質(zhì)條件不穩(wěn)定地區(qū)或雨季時(shí)雨水較大的河段，應(yīng)采用深基礎(chǔ)漿砌護(hù)坡，深基礎(chǔ)護(hù)坡基地深度應(yīng)在河床面以下1 m，寬度在0.6 m以上，以保證護(hù)坡的穩(wěn)定性。

圖4 深基礎(chǔ)護(hù)坡（單位：m）

3.2.2 漿砌護(hù)肩的設(shè)計(jì)和修建

沿河路堤水面到路面高程差偏小或邊坡較難修筑時(shí)，為了減少水流對河道道路路肩的沖刷損壞，通常在路肩處修筑漿砌片石護(hù)肩。漿砌片石護(hù)肩的整體構(gòu)造主要由護(hù)肩高度決定。護(hù)肩大于1.0 m時(shí)，護(hù)肩肩頂寬度不小于0.8 m，護(hù)肩小于1.0 m時(shí)，護(hù)肩肩頂寬度不小于0.5 m。工程施工中，由于護(hù)肩坡地受到流水沖刷最大，通常在當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)條件允許的情況下，護(hù)肩高度還會向下增加0.1～0.2 m。

圖5 漿砌護(hù)肩（單位：cm）

4 結(jié)語

借助研究山區(qū)公路水損病害發(fā)生的類型和特點(diǎn)，提出山區(qū)公路路基穩(wěn)定性的評估方法。在工程開展中，對不同災(zāi)害影響因素的權(quán)重系數(shù)進(jìn)行評估，發(fā)現(xiàn)影響因素疊加法的模型搭建是公路穩(wěn)定性評價(jià)的最有效手段。好的抗水損設(shè)計(jì)，可降低工程造價(jià)，保障工程安全，降低影響因子對路基穩(wěn)定性的影響。在設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)之上進(jìn)行防護(hù)工程的合理構(gòu)建是對公路抗水損害的根本性保障。