公路水毀水工試驗及災害防治對策研究

羅文功 魏學利 陳寶成

(新疆維吾爾自治區交通規劃勘察設計研究院，烏魯木齊 830006)

喀喇昆侖公路(中巴友誼公路)是中國連接中亞和南亞的重要通道。喀喇昆侖公路國內部分奧依塔克鎮-布倫口段(沿蓋孜河段)全長約70 km，沿線地質構造復雜、地層活躍，沿線常見的地質災害有：泥石流、水毀及滑坡等，破壞性大、危害嚴重，已成為當下沿線交通急待解決的問題。目前，前人對于本地區泥石流及地質災害方面的研究較為豐富[1-8]，而對于水毀災害的研究涉及較少。本研究針對喀喇昆侖公路蓋孜河段水毀災害， 借鑒前人模型試驗的方法[9-11]，模擬實地水流沖刷現象，得到實地水流破壞機理和特性， 研究成果可為喀喇昆侖公路實地災害防治提供參考。

1 公路水毀水工試驗

1.1 水工模型及試驗條件設計

通過實地踏勘發現， 蓋孜河段破壞性最為嚴重的水毀災害為：擋墻水毀、丁壩群水毀和長挑流丁壩水毀，本研究在3 種水毀現象的基礎上開展水工模型試驗。 通過借鑒梁光模[9]、高冬光[10]、田偉平[11]等的模型試驗方法，結合實地水毀現象和破壞特征， 提出本研究縮尺水槽和防護結構。 試驗采用縮尺模型的形式，以幾何相似為主。 根據下述公式及實地數據進行計算， 最終得到水槽和防護模型幾何參數，如表1 所示。

表1 水工試驗主要設計參數及工況

式中：L、B 分別表示丁壩壩長和河的寬度；p、m 分別表示實際尺寸和模型尺寸。

式中：λv為水流流速比尺；λl為幾何比尺， 且λl=Lp/Lm。

1.2 試驗步驟及現場設定

試驗前對已砌筑完成的水泥砂漿水槽進行清理和防護結構模型布置， 在水槽周圍布設多臺高清攝像機進行實時記錄， 以便記錄試驗過程中水流沖刷特征和繞流現象。 水槽彎道轉角為固定的60°，無須進行轉角改變。 試驗起初進行水槽基底泥沙鋪設，模擬實際泥沙沖淤現象，隨后進行流速測量和局部沖刷深度測量。 試驗過程中分別對水槽基底泥沙鋪設和水槽基底泥沙沖淤現象量測進行拍照記錄。 試驗結束觀測泥沙沖淤工序需要進行排水工作，于水槽尾部排水坑處放置電動潛水泵，以便快速降低水槽水位直至見底。 試驗整體所需的測量儀器和材料包括LS300-A 型流速儀、直尺、試驗用砂(水洗砂)、測量標示桿、潛水泵、水槽閘門、鐵鍬、水桶等。 現場具體試驗布置如圖1 所示。

圖1 野外試驗現場布置圖

2 試驗結果分析

2.1 彎道斷面流速等值線分布

水工試驗中，對實地水毀進行模擬，進行了包含“擋墻”、“丁壩群+擋墻”和“直墻式挑流丁壩”的多組防護試驗。試驗過程中，采用流速計分別對各組試驗水槽斷面水流流速值進行了量測，并繪制成圖。各試驗中斷面流速等值線分布見圖2。

通過圖2 發現，擋墻試驗中斷面左側(凹岸)流速大，右側(凸岸)流速小；“丁壩群+擋墻”試驗中斷面左側(凹岸)流速大，右側(凸岸)流速小，斷面兩側流速差值極大；直墻式挑流丁壩試驗中斷面流速等值線分布與“丁壩群+擋墻”試驗相類似。斷面流速等值線分布整體表現為穩定的流速偏移，不同防護結構等值線分布規律存在差異，驗證了實地防護結構水流沖刷特性。

2.2 基底泥沙沖刷深度隨時間變化規律

試驗過程中，通過固定時間節點量測，記錄不同流速下擋墻沖刷最不利位置泥沙沖刷深度變化值， 整理成圖表模式。 各試驗基底泥沙沖刷深度變化如圖3 所示。

通過圖3 發現，各組試驗均表現為：基底泥沙沖刷深度隨著時間的增加均表現為前期增速快、 后期增速緩慢的現象，其中試驗時間前10 min，“擋墻”、“丁壩群+擋墻”和“直墻式挑流丁壩”試驗的沖刷深度增速較快，而試驗時間后10 min，沖刷深度增速則逐漸減緩；試驗現象整體上表現為流速大時水流的挾沙能力更強， 在一定范圍內流速較大時對應的沖刷深度值也較大。

圖2 試驗中斷面流速等值線分布(流速：0.5 m/s)

3 水毀防治工程針對性建議

通過實地公路水毀工程及對應水工模擬試驗， 發現公路水毀災害特征多為基礎沖刷淘蝕和沖刷坑失穩破壞，根據公路水毀“預防為主，防治結合”的防治原則，現給出不同水毀類型的針對性防治建議如下：

(1)“擋墻”水毀。 該類型公路水毀主要表現為基礎淘蝕、擋墻倒塌、部分擋墻傾覆等破壞，可以采取以下措施進行防治：①將傾覆擋墻予以拆除，新建擋墻增大基礎埋深；②可通過修復擋墻和采用錨桿技術進行加固，增設丁壩或磯頭壩進行防護，如圖4～5 所示，同時嚴格保證磯頭壩和丁壩基礎埋深不小于3.0 m，可因地制宜增大埋深深度；③根據地形和水文條件進行多種防護結構搭配，但切勿于彎道處二次壓縮河道。

(2)“丁壩群+擋墻”水毀。該類型水毀破壞現象主要表現為丁壩壩頭出現沖刷坑，絕大部分基礎外露，部分丁壩的壩身和壩頭出現破壞，可以采取以下措施進行防治：①局部破壞丁壩可進行修復工作，進行丁壩加固恢復；②丁壩破壞嚴重處可設置磯頭壩或增設丁壩的方式， 且基礎埋深不小于3.0 m， 以保證路肩擋墻和路基的安全穩定，如圖4～5 所示； ③丁壩破壞嚴重處可采用設置圍堰式丁壩替換常規式丁壩， 在一定程度上可以免于丁壩重復水毀，如圖6 所示。

圖3 基底泥沙沖刷深度隨時間變化規律

圖4 “丁壩群+擋墻”組合結構

圖5 “磯頭壩+擋墻”組合結構

圖6 “圍堰式丁壩群+擋墻”組合結構

(1)“直墻式挑流丁壩”水毀。 該類型水毀主要表現為丁壩壩頭基礎外露，壩頭出現沖刷水坑等破壞。可以采取以下措施進行防治：①丁壩沖刷嚴重處需進行加固處理；②行進水流較深、水流流速快的地方，需增設同種直墻式挑流丁壩(圖7)，減小路基邊坡沖刷隱患。

圖7 “直墻式調流丁壩群+擋墻”組合結構

4 結論

(1)根據喀喇昆侖公路蓋孜河段實地水毀情況，開展水工試驗對3 種水毀工況進行模擬， 發現試驗情況與公路水毀實地水流沖刷情況和特性相一致。

(2)水工試驗中，彎道斷面流速呈現出偏移現象，彎道凹岸側流速大、 凸岸側流速小， 加設壓縮斷面防護結構(如：丁壩)時，加設的凹岸側流速減小，對岸流速急劇增大；在一定范圍內，水槽床沙局部沖刷深度隨著時間的推移逐漸增大，同時在臨界范圍內隨著水流速度的增加，床沙的局部沖刷深度也逐漸增大。

(3) 實地水毀現象選取了典型的擋墻水毀、“丁壩群+擋墻”水毀和垂直式挑流丁壩水毀為例，均表現為結構基礎沖刷淘蝕和沖刷坑失穩破壞。可通過原破壞結構修復、增設和重建等方式增加防護結構的整體穩定性， 同時須嚴格保證結構埋置深度，制約水毀破壞，保障交通暢行。