甘肅省黃土地區(qū)涵洞常見病害分析及設(shè)計(jì)防治措施

張小鵬 張瑜

摘 ?要：甘肅省黃土地區(qū)涵洞病害時(shí)有發(fā)生，為減少甘肅省黃土地區(qū)涵洞病害，本文基于甘肅省多條公路、城市道路的涵洞現(xiàn)場調(diào)查、實(shí)際工程設(shè)計(jì)經(jīng)歷，對甘肅省黃土地區(qū)涵洞常見病害進(jìn)行歸納和總結(jié)，分析了黃土地區(qū)涵洞常見病害，探討了黃土地區(qū)涵洞病害形成原因，并針對黃土地區(qū)涵洞常見病害從設(shè)計(jì)角度提出了涵洞設(shè)計(jì)工作中的防治措施。對今后黃土地區(qū)涵洞的設(shè)計(jì)有積極意義。

關(guān)鍵詞：黃土地區(qū);涵洞;病害;設(shè)計(jì)防治措施

中圖分類號：U449.7 ???文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A?????文章編號：1671-2064（2019）17-0000-00

0 引言

涵洞是橫穿道路的小型排水構(gòu)造物，是道路排水系統(tǒng)重要的組成部分。多年工程實(shí)踐表明，黃土地區(qū)涵洞病害是道路主要病害之一，并成為養(yǎng)護(hù)管理部門的棘手問題。本文基于甘肅省多條公路、城市道路涵洞現(xiàn)場調(diào)查，對甘肅省黃土地區(qū)涵洞常見病害進(jìn)行歸納和總結(jié)，進(jìn)一步加深對黃土地區(qū)涵洞病害的認(rèn)識(shí)，得出病害形成原因，提出新建涵洞在設(shè)計(jì)過程中針對防治措施。對減少黃土地區(qū)涵洞病害具有積極意義。

1病害類型

1.1涵側(cè)路基沉陷，路面開裂

通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)，黃土地區(qū)的既有明涵及填土高度較小的涵洞，涵側(cè)路基幾乎均發(fā)生輕度沉陷或坍塌，涵頂路面常開裂，裂縫沿涵洞軸線方向貫通。車輛通過時(shí)有涵頭跳車現(xiàn)象。造成這一問題的主要原因是涵洞與涵側(cè)填土剛度不同，兩部位間形成沉降差，造成行車不平穩(wěn)，并導(dǎo)致路面開裂，如圖1所示。

1.2基礎(chǔ)沉降

黃土地區(qū)因黃土濕陷性，當(dāng)涵洞基底未處理充分，基礎(chǔ)易發(fā)生沉降，造成涵節(jié)錯(cuò)位，進(jìn)出口結(jié)構(gòu)物與涵身分離，沉降縫填料脫落，地表水下滲至地基，進(jìn)一步降低地基強(qiáng)度，加劇了涵洞基礎(chǔ)不均勻沉降，嚴(yán)重時(shí)造成涵洞破壞，如圖2所示。

1.3進(jìn)出口水毀破壞

在黃土地區(qū)，涵洞進(jìn)出口水毀破壞為主要病害之一，水毀破壞的主要原因是地表水下滲造成構(gòu)造物底部濕陷脫空，及暴雨徑流的沖蝕造成涵洞及附屬構(gòu)造物水毀破壞，特別是跨越黃土沖溝的涵洞出口處，水毀破壞更為明顯。

涵洞進(jìn)口處水毀主要包括匯流設(shè)施破壞及進(jìn)口沖刷。涵洞進(jìn)口處邊溝、跌井等匯流設(shè)施因缺失、淤積、沉陷、滲漏等原因，使匯流系統(tǒng)局部破壞，并相繼發(fā)生濕陷、邊坡沖洞，甚至沖毀。涵洞進(jìn)口因上游水流速度過快、洞口設(shè)置不合理、洞口堵塞淤積等因素，水流無法順暢進(jìn)入涵洞，造成涵洞進(jìn)口沖刷。

涵洞出口處水毀主要包括出口破壞及出口外排水設(shè)施的缺失破壞。涵洞出口處因開裂滲漏，導(dǎo)致涵洞出口坍塌。涵洞出口外急流槽等排水設(shè)施未將水流平順引排至自然溝槽底部，常在陡坡、挑坎處形成跌水，在溝槽底部產(chǎn)生嚴(yán)重沖刷，排水設(shè)施掏蝕脫空，造成排水構(gòu)造物斷裂，坍塌，在原排水設(shè)施位置形成沖溝，造成水土流失，并由外向內(nèi)，導(dǎo)致涵洞坍塌，破壞，嚴(yán)重影響涵洞穩(wěn)定性。出口水毀，如圖3所示。

1.4涵洞積水

通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)，因部分涵洞設(shè)置標(biāo)高不合理、進(jìn)出口兩側(cè)均淤積致標(biāo)高增加、地基下沉、錯(cuò)臺(tái)等因素，造成涵洞內(nèi)長期積水，積水通過沉降縫等下滲造成基礎(chǔ)下沉，涵洞開裂錯(cuò)位等問題。

1.5涵洞淤積堵塞

黃土地區(qū)涵洞養(yǎng)護(hù)管理難度大，大部分涵洞均存在淤積現(xiàn)象，靠近農(nóng)田的涵洞常被廢柴草堆積，靠近村鎮(zhèn)的涵洞常被生活垃圾堆積堵塞，設(shè)置于黃土沖溝的涵洞常被淤積泥沙堆積堵塞。涵洞被堵塞未及時(shí)清淤，嚴(yán)重影響了涵洞過水能力，當(dāng)下一次暴雨來臨時(shí)，涵前往往積水或漫出路面，路基浸泡于水中，嚴(yán)重影響路基的穩(wěn)定性，嚴(yán)重時(shí)造成路基沖毀，道路中斷，影響溝渠附近人民生命財(cái)產(chǎn)安全。涵前淤積導(dǎo)致涵側(cè)路基沖毀，如圖4所示。

1.6孔徑偏小

調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，黃土地區(qū)涵洞因孔徑偏小，在暴雨期間發(fā)生水毀破壞極多。黃土地區(qū)溝壑縱橫，地形起伏較大，暴雨常常具有“歷時(shí)短匯流快”的特點(diǎn)，涵洞孔徑偏小，無法滿足暴雨時(shí)匯水導(dǎo)致水流沖蝕路基，造成涵洞及路基水毀。

1.7倒虹吸淤積堵塞

倒虹吸是道路工程中的常用構(gòu)筑物之一。當(dāng)?shù)缆饭こ膛c原有灌溉水系交叉，因受規(guī)劃標(biāo)高限制、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)及工程投資制約等因素的影響，當(dāng)原有灌溉溝渠高度影響道路工程建設(shè)及使用，但因灌溉需求渠道必須使用時(shí)，穿越灌溉水系方案多采用倒虹吸形式。

黃土地區(qū)的灌溉水系在穿越農(nóng)田、城鎮(zhèn)、村莊后，泥沙含量明顯增大，雜草雜物、生活垃圾、動(dòng)物尸體均會(huì)混入灌溉水系，在倒吸虹進(jìn)口出，水系雜物往往造成不同程度淤積堵塞，經(jīng)常在進(jìn)口處發(fā)生漫渠及供水中斷等事故，豎井內(nèi)泥沙雜物淤積速度快，倒虹吸通水不暢，養(yǎng)護(hù)成本及難度均較大。以2013年至2018年蘭州新區(qū)建設(shè)項(xiàng)目交叉穿越“引大入秦”工程東二干渠的倒虹吸方案為例，總計(jì)倒虹吸形式穿越東二干渠14處，其中，13處倒虹吸多次發(fā)生過漫渠及中斷供水等事故。嚴(yán)重威脅道路設(shè)施的安全。

切實(shí)解決倒虹吸淤積、堵塞問題，降低后期維護(hù)及運(yùn)行管理難度成為倒虹吸設(shè)計(jì)必不可少的考慮因素。倒虹吸豎井淤積，如圖5所示。

2 防治措施

經(jīng)調(diào)查分析，對黃土地區(qū)涵洞病害的設(shè)計(jì)防治措施，可以從以下方面考慮：

（1）對涵側(cè)路基沉陷，涵洞路面開裂等病害，應(yīng)慎重選擇涵側(cè)過渡段回填材料，加強(qiáng)過渡段底部路基處理范圍，嚴(yán)格依據(jù)規(guī)范確保涵側(cè)過渡段長度，必要時(shí)涵側(cè)可設(shè)置搭板，確保涵側(cè)過渡段的均勻性和整體性。

（2）對涵洞基礎(chǔ)沉降等病害。當(dāng)涵洞基底地質(zhì)為濕陷性等級較高的黃土?xí)r，為從根本上消除或減輕因黃土濕陷性，而引發(fā)涵洞基礎(chǔ)沉降、涵節(jié)錯(cuò)位等病害，設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)地基處理，擴(kuò)大地基處理范圍及深度，改善涵洞基底地質(zhì)情況，并依據(jù)地質(zhì)情況合理選用基礎(chǔ)形式，降低基底應(yīng)力。提高基礎(chǔ)穩(wěn)定性。

（3）涵洞進(jìn)出口水毀病害較多的主觀原因，是對于與涵洞銜接的排水設(shè)施重視程度不足，過度重視涵洞主體工程，而忽略了附屬排水構(gòu)造物。因此在設(shè)計(jì)過程中，首先應(yīng)轉(zhuǎn)變觀念，正確認(rèn)識(shí)黃土的工程特性，掌握對排水系統(tǒng)的要求，重視涵洞主體與各種排水構(gòu)造物的布設(shè)與銜接。以避免因涵洞附屬排水構(gòu)造物損壞而導(dǎo)致的涵洞水毀，降低養(yǎng)護(hù)維修部門工作難度，減小修復(fù)工作的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。第二，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)加強(qiáng)進(jìn)口處排水設(shè)施，排水構(gòu)造物能夠保證水流與涵洞平順連接，涵洞進(jìn)口一定范圍內(nèi)溝槽應(yīng)適當(dāng)硬化鋪砌，涵前縱坡較大時(shí)，設(shè)置必要的消能構(gòu)造及導(dǎo)流設(shè)施，當(dāng)排水設(shè)施基礎(chǔ)位于松散填土、濕陷性嚴(yán)重的黃土等不良土?xí)r，應(yīng)對排水設(shè)施基礎(chǔ)底部一定范圍內(nèi)填土進(jìn)行處理，避免因進(jìn)口處排水構(gòu)造物基礎(chǔ)不良發(fā)生沉陷，導(dǎo)致進(jìn)口沖毀。第三，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)加強(qiáng)出口排水設(shè)施，尤其在黃土山區(qū)，涵洞出口的排水設(shè)計(jì)成為普遍難題。出口處排水設(shè)施應(yīng)能保證水流平順的流入自然溝槽，避免產(chǎn)生跌水等集中水流對自然地面直接沖刷，形成沖溝，造成水土流失。同時(shí)應(yīng)注意，出口排水設(shè)施本身往往也會(huì)因黃土濕陷而破壞，因此在設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)增加排水設(shè)施基礎(chǔ)處理范圍，保證排水設(shè)施基礎(chǔ)穩(wěn)定性，以減小沉降變形。

（4）為避免涵洞長期積水，設(shè)計(jì)涵洞時(shí)，應(yīng)合理確定涵洞進(jìn)出口標(biāo)高、排水縱坡。

（5）對涵洞淤積堵塞等病害，設(shè)計(jì)階段，可適當(dāng)增大涵洞縱坡，必要時(shí)增設(shè)沉淀池、沉淤井等設(shè)施。

（6）對涵洞孔徑偏小的問題，設(shè)計(jì)階段，應(yīng)依據(jù)暴雨流量嚴(yán)格計(jì)算，并集合當(dāng)?shù)卮迕?、養(yǎng)護(hù)管理工作人員意見，選取適當(dāng)?shù)暮纯讖健Ｒ詽M足涵洞排水需求。避免因涵洞孔徑偏小發(fā)生涵洞水毀。

（7）對倒虹吸淤積病害，應(yīng)明確僅依靠豎井底部沉砂池防淤，清淤難度大，無法阻止水面漂浮雜物在倒虹吸進(jìn)口豎井處的淤積，防淤效果差。因此，在倒虹吸進(jìn)口豎井前方溝渠位置上應(yīng)設(shè)置沉砂池，使流經(jīng)的泥沙在沉砂池底部沉淀下來，避免進(jìn)入倒虹吸管，起到防淤作用，設(shè)計(jì)時(shí)，在豎井前方設(shè)置攔污柵，可以有效阻擋水面漂浮物。設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)研究攔污柵結(jié)構(gòu)形式，攔污柵孔徑等，既要避免因攔污柵強(qiáng)度太小破壞，又要避免攔污柵孔太小，增加不必要的水力損失。為降低倒虹吸人工清淤難度，倒虹吸豎井蓋板應(yīng)避免自重太大，人工無法移動(dòng)，只能采用機(jī)械清淤的方式清淤的問題。設(shè)計(jì)時(shí)，倒虹吸豎井蓋板應(yīng)設(shè)置為單人可移動(dòng)式或帶鑄鐵井蓋式蓋板，方便養(yǎng)管工作人員及時(shí)檢查及清淤。

3 結(jié)語

通過對甘肅省黃土地區(qū)涵洞常見病害進(jìn)行歸納總結(jié)，分析了黃土地區(qū)涵洞常見病害形成原因，進(jìn)一步加深對黃土地區(qū)涵洞病害的認(rèn)識(shí)。在設(shè)計(jì)過程中，充分考慮黃土的工程特性，并提出新建涵洞在設(shè)計(jì)過程中針對防治措施。改善和預(yù)防新建涵洞在使用過程中發(fā)生病害的比例，保證涵洞使用壽命。

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收稿日期：2019-07-26

作者簡介：張小鵬（1992—），男，甘肅渭源人，本科，助理工程師，研究方向：小橋涵的設(shè)計(jì);張瑜（1988—），女，甘肅榆中人，本科，助理工程師，研究方向：道路的咨詢與設(shè)計(jì)。