山西省高速公路水毀發育特征與成因分析

陳 毅

（山西省交通科技研發有限公司 黃土地區公路建設與養護技術交通行業重點實驗室，山西 太原 030032）

0 引言

截至2019年底，山西省累計通車運營的高速公路里程突破5 700 km，高速公路路網已經初具規模，受限于區內地形條件的限制和黃土特殊工程性質的影響，每年因水毀造成的直接經濟損失高達數億元，嚴重制約著高速公路的經濟收益和運營品質的提升。

公路水毀作為一種常見病害，其定義和范疇因研究對象和發育規模的不同而略有差別：廣義上，公路沿線的交通基礎設施由于水的作用和影響而導致的破壞或損毀均屬于公路水毀的范疇[1]；狹義上，公路水毀則特指公路因河流洪水、暴雨山洪等因素引起的結構物嚴重破壞的現象[2]。結合實際情況和已有的調研結果來看，山西省運營高速公路的水毀更符合廣義范疇的描述，即高速公路的既有結構物和人為改造的地質體受水的作用而產生的各種破壞現象和發育過程。由此可知，公路水毀的表現形式也因水的作用形式和損毀對象之間的組合而衍生出不同的類別。

公路水毀的分類判別作為災害防治的基礎，對水毀災害成因的精準分析和高效處治有著重要的指導意義。在之前的研究和工程實踐中[3-4]，公路水毀類別劃分的依據主要有公路承災體單元、致災因子、發育規模以及經濟損失等。J Doyle等[5]整理分析了華盛頓某景區道路二十余年的水毀資料，評價了洪水對公路結構物和路基的影響；G Keller等[6]則對公路結構物受水毀的影響程度提出了相應的評估方法，并對公路的水毀預防和控制所采取工程措施的適用性進行了討論；蔣煥章[7]結合公路承災體單元和暴雨、洪水的作用形式對公路水毀進行了分類，適用于水文條件復雜、水毀災害后果嚴重的南方地區；高冬光[8]依據公路承災體單元和水的作用形式，通過公路和橋梁水毀實例的調查總結歸納了10種主要的公路水毀類型；李家春[2]等綜合考慮公路承災體、致災因子和孕災環境的影響，將公路暴雨洪水災害劃分為11個類型，并提出了針對性較強的公路水毀命名方法。綜上所述，在公路水毀調研階段，以公路承災體單元為劃分依據的水毀分類方法可以較為直觀且系統地反映出各類水毀災害的發育特征和影響因素。

由于環境因素和地質條件的影響，公路水毀的發育程度和成因機理具有明顯的區域特征，也直接影響著工程處治措施的合理性和適用性。目前，關于山西省運營高速公路水毀發育特征的研究和文獻報道較為有限，因此，筆者在山西省運營高速公路水毀實地調研工作的基礎上，總結歸納常見的水毀類型，并對其成因機理進行分析，以期為山西省高速公路的運營管理決策和養護設計施工提供參考。

1 水毀現狀調研與分類

1.1 調研路段概況

本次調研涵蓋12個運營公司管轄的27條高速路段，結合山西省運營高速的分布現狀與區內主要的地形地貌特點以及山西省黃土工程地質分區[9]，將此次調研路段分為以下5個區域：

a）晉西北區，代表路段為S40靈河高速和G1812滄榆高速忻保段，該區位于黃土高原邊緣區域，屬黃土丘陵溝壑區，年平均降雨量約500 mm，地層主要為風積形成的Q3黃土，下伏新近系的紅層，濕陷性黃土沉積厚度較淺，一般小于8.0 m，土體濕陷程度中等。

b）晉西區，代表路段為S70霍永高速，該區位于呂梁山脈中部，屬黃土丘陵溝壑區，年平均降雨量500～600 mm，地層以風積形成的Q3和Q2黃土為主，偶有Q1黃土出露，濕陷性黃土沉積厚度一般大于10.0 m，土體濕陷程度強烈。

c）晉南區，該區位于運城盆地，區內地勢較為平坦，年平均降雨量大于600 mm，地層以風積形成的Q4黃土和Q3黃土為主，濕陷性黃土沉積厚度介于8.0～10.0 m之間，土體濕陷程度中等。

d）桑干河、汾河流域區，該區位于山西省中部，區內水系發達，地勢較為平坦，濕陷性黃土地層厚度介于8.0～15.0 m之間，年平均降雨量由北向南逐漸遞增，因此又分為3個亞區：第一亞區位于北部的大同盆地和朔州盆地，以風積形成的Q4和Q3黃土為主，代表性路段為S45天黎高速和S36廣源高速；第二亞區位于忻定盆地和太原盆地，以風積形成的Q4黃土為主，代表路段為G5京昆高速太祁段；第三亞區位于臨汾盆地，以風積形成的Q3黃土和Q2黃土為主，代表路段為G22青蘭高速臨吉段。

e）晉東南區，代表路段為G2516東呂高速平榆段和S80陵侯高速，該區位于太行山南麓，屬山嶺重丘區，年平均降雨量大于600 mm，濕陷性黃土零星分布，土體濕陷程度中等。

1.2 水毀風險等級評估方法

為方便野外記錄和識別，本次調研依據《自然災害綜合風險公路承災體普查技術指南》，采用定性指標對水毀災害的風險等級進行評價，分為高、較高、中和低4級，如表1所示。定性評價指標包括水毀災害的發育程度和水毀災害的危害程度兩類，其中水毀災害的發育程度根據公路承災體的破損程度和變形特征分為4個等級，水毀災害的危害程度根據路段的交通量、災害可能導致的后果以及維修的難易程度分為3個等級，分別如表2和表3所示。

表1 水毀災害風險等級分級

表2 水毀災害發育程度分級說明

表3 水毀災害危害程度分級說明

1.3 水毀發育特征與分類

1.3.1 路堤水毀

路堤水毀指填方路堤在水流滲透、沖刷等作用下形成坡面侵蝕、沉陷或滑動的現象。填方路堤的土體壓實度較大，抗沖蝕能力強，且坡面多采用開放（植被防護）與半開放（拱圈植被防護）的防護措施，因此，坡面沖蝕病害的影響程度較為有限，不影響路堤的穩定性。路堤水毀的主要表現形式為路線穿越原地形黃土沖溝出口處的路堤沉降變形和沿河路段的傾斜變形。通常在路面可觀察到明顯的裂縫，其中，位于黃土沖溝處的路面發育有弧形的裂縫，沉降范圍大致與溝口寬度相同，沿河路段的裂縫則較為順直，沿路線走向發育，如圖1所示。這類水毀病害的成因與水流的滲透潛蝕以及地基土體的浸水軟化有關，對路堤的整體穩定性構成了嚴重的威脅，且具有持續發育的有利條件，可能導致路堤的整體滑塌，影響后果極為嚴重。

圖1 路堤水毀災害特征示意圖

1.3.2 路塹邊坡水毀

路塹邊坡為人為開挖改造而成，由于黃土強烈的水敏性和粉粒為主的特性，黃土邊坡在水流的沖刷作用下極易形成細溝侵蝕、淺層滑塌等病害。這類水毀病害最為常見，流失或滑塌的土體通常會造成道路排水設施的淤堵或者損毀，使排水設施功能喪失，進而誘發水流入滲引起的路面沉降等其他水毀病害。此外，當路塹邊坡采用全封閉的噴混凝土防護或者圬工防護時，在集中降雨期間極易形成防護砌體的整體滑動和崩塌，對行車安全構成了較為嚴重的威脅。這類水毀災害的成因與水流的沖刷侵蝕、孔隙水壓力變化以及土體力學性質的變化有關，通常會誘發坡體的崩塌滑動、排水設施破損等次生病害。典型的路塹邊坡水毀災害如圖2所示。

圖2 路塹水毀病害

1.3.3 涵洞水毀

涵洞作為公路工程中一種重要的排水設施，最易受到水流作用的影響。在此次調研中發現，涵洞水毀病害的發育特征受地形因素的影響較為明顯。

在平原微丘區，受地形高程條件限制，地表水流排泄受阻，經常造成涵洞排水不暢和積水的現象（圖3），涵洞內部的積水入滲地基土體時會導致地基承載力降低，容易誘發涵洞結構物的不均勻沉降等病害。在冬季，涵洞內部積水的凍結和消融對洞身混凝土或漿砌片石材料造成不利的影響，降低材料的耐久性，進而導致結構物的破損。

圖3 涵洞積水

在山嶺重丘區，涵洞水毀病害以水流沖刷破壞為主（圖4）。尤其在涵洞下游出口處，水流流速較大，攜帶的泥沙、塊石等對出口處的地面防護具有較強的沖擊，在突發的集中降雨期間導致結構物破損，進而對原地面的土體掏底沖刷，形成侵蝕基準面，造成洞身結構物的破損和坍塌等病害。

圖4 涵洞出口處的沖刷水毀病害

1.3.4 橋梁水毀

受降水條件的限制，山西省高速公路橋梁極少存在暴雨或洪水直接沖毀橋梁的現象。橋梁水毀災害主要的發育特征為橋梁底部原地面的沖刷、橋梁樁基外露和橋墩的偏壓等，如圖5所示。這類水毀災害的形成是橋梁排水設施不完善與黃土易沖蝕性質的共同作用結果，在黃土丘陵溝壑區較為發育。

圖5 橋梁泄水孔對原地面的沖刷與橋臺部位的水毀災害

當排水溝設置長度不足或排水溝出口處于原地面形成較大高差時，橋梁的錐坡部位極易受到水流沖刷的影響而產生損毀，在水流的沖刷和滲透作用下，橋臺底部附近的回填土體嚴重流失，形成較大的濕陷坑洞，對橋臺的穩定性造成不利的影響。當橋梁的泄水孔不設置排水管時，橋面匯集的水流就會對橋梁下部的原地面產生直接的沖刷，這種沖刷作用由于較高的落差具有極強的沖擊力，常在原地面形成大范圍的坑洞，導致樁基外露或橋墩的偏壓受力，影響橋梁的穩定性。

1.3.5 附屬設施水毀

公路附屬設施的水毀主要表現為排水設施受水流沖刷作用的損毀，進而誘發路基掏底沖蝕、邊坡滑塌以及支擋結構的變形失穩現象，是高速公路較為常見的水毀病害之一（圖6、圖7）。其成因與排水設施的線型設計、施工質量以及抗沖刷防護措施的設置不當有關。當多條排水設施存在匯集點時，該部位通常是水毀災害的易發點，排水設施一旦損毀，就形成了侵蝕基準面，在進一步的水流沖刷作用下，形成路堤或者邊坡的溯源侵蝕現象。

圖6 排水溝損毀誘發的水毀病害

圖7 邊溝與支擋設施的水毀病害

1.4 調研結果統計

本次調研共記錄水毀災害227處，統計結果如圖8所示。由圖8可知，在各類型水毀災害中，附屬設施水毀是高速公路水毀災害發生最多的類型，占比達到42.3%，其次為路塹邊坡的水毀，占比28.6%，橋梁水毀數量最少。其中，附屬設施的水毀多為排水構造物的破損或者毀壞，對路基穩定性的影響較為有限，風險等級較低，一般可通過日常的巡檢和維修養護予以解決，但排水設施的損毀會導致路面和路基的徑流無法有效排導，進而誘發更為嚴重的次生災害，因此應當重視排水構造物的日常巡檢和維護工作，尤其是邊坡截排水溝的健康狀況。路塹邊坡水毀主要以坡面沖刷和淺層溜坍為主，對行車安全的威脅較小，但坡面防護砌體的坍塌則可能造成較為嚴重的安全事故。值得說明的是，在此次調研中發現，植被防護的路塹邊坡產生水毀的數量遠低于封閉式護面路塹，因此，條件允許時，應考慮坡面防護形式的調整或優化。從調研路段的分區方面來看，晉西區的水毀數量最多，這與該區域內溝壑縱橫的地形地貌條件以及黃土強烈的水敏性質有關。晉南區和汾河、桑干河流域區地勢較為平坦，水毀總數為78處，且均為中低風險等級，與之相比，其余3個區域為山嶺重丘區，水毀總量達到149處，說明水毀災害的發育密度受地形地貌的影響較為顯著。高風險與較高風險等級的水毀災害主要表現形式為路堤的持續沉降以及發育的弧形裂縫，均為穿越原地形沖溝出口處且涵洞設置不當路段，路基土體持續滲透破壞變形可能會導致較大范圍的滑動和沉陷，導致交通的中斷和較為嚴重的后果，應當予以足夠的重視并采取積極的工程措施予以防治。

圖8 山西省運營高速公路水毀災害統計結果

2 公路水毀影響因素與成因分析

根據調研結果，高速公路水毀發育的主要影響因素大致可歸為以下5類，即自然環境條件、地形地貌特征、土體的水理力學性質、建筑材料的環境耐久性和施工設計的合理性。

自然環境條件主要指公路所在區域的集中性降雨強度與降雨時長。山西省地處黃土高原東麓，區內降雨量的分布隨季節的不同呈現出較大的差異，在夏季集中性降雨頻發，降雨強度大，水毀災害的發育類型以徑流沖刷為主；秋季的降雨強度雖小，但降雨歷時較長，水毀災害則以土體的滲透變形破壞為主；在冬春季節，凍融循環作用又成為土體和建筑材料環境耐久性降低的主要誘因。

地形地貌特征對公路水毀的影響則更加明顯，總體上，丘陵溝壑區公路的水毀災害發育密度遠大于平原微丘區公路。公路工程的建設是對原有自然地形地貌的人為改造過程，當采取的工程措施不能適應地表徑流的排泄或地下水的滲流時，就會導致各類型水毀災害的形成。在丘陵溝壑區，這一矛盾集中體現在填方路堤切斷了原有的溝壑出口，在集中降雨期間，溝壑內能夠快速地匯聚水流，為水毀的形成提供了充足的水源條件，而填方路堤兩側的高差也為水流的沖刷和滲透破壞提供了有利的地形條件。在平原微丘區，地表徑流無法有效排導，在橋涵等設施的低洼處多有集聚、淤堵現象，地表水流沿黃土的垂直節理入滲，導致地基土體的軟化和承載力的下降，進而誘發路基的不均勻沉降或涵洞的破損等病害。

水流的作用形式和作用機理是不同類型公路水毀災害形成的根本原因，在公路水毀災害的發育過程中，水流與公路之間的相互作用主要表現為以下4個方面。

2.1 地表徑流沖刷

受地表徑流沖刷影響的主要公路設施包括路基邊坡、涵洞、橋梁錐坡、排水附屬設施。其中，路基邊坡的沖刷與土體的水理性質有關，當降雨強度大于邊坡土體的入滲量時，邊坡的淺層土體達到瞬時的飽和狀態，形成坡面徑流，邊坡土體的土顆粒崩解分散，隨徑流產生懸浮運移的現象，這一過程也加劇了徑流的沖蝕剪切能力，對原有坡面形成明顯的水力侵蝕。坡面徑流的流速和侵蝕力在邊坡的下部達到峰值，造成坡腳部位的嚴重侵蝕，嚴重時可能引發坡體的失穩。此外，邊坡徑流所攜帶的土顆粒會在道路的邊溝中產生沉積，造成邊溝的淤堵，阻礙邊溝排水功能的發揮，淤堵嚴重時，邊溝水流的溢出又會進一步導致路面結構或者路基土體的雨水入滲，誘發其他類型的水毀災害。

橋涵與排水設施因徑流沖刷而產生的水毀主要受到建筑材料、施工質量和線型設計的影響。從調研結果來看，混凝土護面的抗沖蝕能力要優于漿砌片石的抗沖蝕能力。同時，排水設施的線型設計應盡量避免多條排水溝的匯集，兩條排水溝的匯集應順徑流方向以小角度的形式平順交匯，并適當加寬排水溝的寬度以減小水流的沖擊力。

2.2 滲流潛蝕

地表降水的下滲過程使得土顆粒受到向下的滲透壓力而產生沉降變形，導致路基或結構物基礎的沉陷。在半填半挖的路基土體中，由于水頭高度的差異，這一滲流過程會導致土體的潛蝕，土體內部的團聚體顆粒聯結被削弱，細顆粒被帶走，使得土體的大孔隙含量增加，力學強度降低，形成內部暗穴或者優勢的滑動面，路基產生局部沉陷或者弧形滑動的變形，影響路堤的整體穩定性。

2.3 孔隙水壓力

在降雨過程中，邊坡土體水流的入滲會改變坡體的滲流場，增大土體內部的孔隙水壓力。如前所述，當邊坡坡面采用全封閉的噴混凝土護面或者漿砌片石防護時，一旦設置的泄水孔被堵塞，護面砌體與坡面接觸部位的靜水壓力將會大幅增長，加之坡面土體浸水軟化導致的力學強度降低，將直接導致砌體結構失穩而產生坍塌破壞現象，因此在土質邊坡的坡面防護時，應盡量采用開放與半開放式的植被護坡。

2.4 對土體力學性質的影響

黃土在浸水飽和的過程中，其宏微觀性質均會產生明顯的改變。土顆粒中的礦物顆粒和化學物質受到水分的溶解和溶蝕作用導致團聯結構的損傷與破壞，顆粒間基質吸力的減小則導致土體抗剪強度的降低，此外土體的變形模量也隨含水量的增加而迅速降低，這些性質都會造成土體材料的軟化，從而伴生各類型的公路水毀現象。值得注意的是，土體力學性質變化的環境效應具有較為明顯的累積和滯后現象，因此在水毀災害形成的初期就應當予以重視并采取有效的工程措施予以加固。

3 結論

本文通過實地調研的方法對山西省運營高速公路的水毀災害發育現狀進行了初步評估，在此基礎上，歸納總結了5種常見的水毀災害發育特征，并對其影響因素和成因進行了初步討論。調研統計結果表明，道路排水設施的損毀是最為常見的水毀災害類型，也是誘發路基掏底沖蝕、結構物破損、邊坡滑塌等次生災害的主要誘因；同時，穿越溝壑區的填方路堤在滲流作用下的滑動變形對路堤的穩定性具有較大的威脅，在水毀災害防治中應重視對土體滲透破壞的防御；水毀災害的發育密度主要受集中性降雨強度和地形地貌條件的影響，黃土丘陵溝壑區的水毀災害更為發育；坡表水流入滲產生的孔隙水壓力增加和土體的軟化是導致邊坡淺層滑塌和全封閉式護面坍塌的主要原因。