青海東部黃土區(qū)公路涵洞病害特征及成因分析

趙永虎，米維軍，孫潤東，屈耀輝，武小鵬

(1. 中鐵西北科學(xué)研究院有限公司,甘肅 蘭州 730000; 2. 青海省凍土與環(huán)境工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，青海 格爾木 816000; 3. 青海省交通科學(xué)研究院, 青海 西寧 810000)

青海東部黃土區(qū)公路涵洞病害特征及成因分析

趙永虎1,2，米維軍1，孫潤東3，屈耀輝1，武小鵬1

(1. 中鐵西北科學(xué)研究院有限公司,甘肅 蘭州 730000; 2. 青海省凍土與環(huán)境工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，青海 格爾木 816000; 3. 青海省交通科學(xué)研究院, 青海 西寧 810000)

為探究黃土地區(qū)高速公路涵洞的病害特征及其成因，對(duì)青海東部黃土地區(qū)4條高速公路的涵洞病害進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和室內(nèi)分析。研究結(jié)果表明，黃土地區(qū)高速公路涵洞病害類型主要有涵洞下沉、基礎(chǔ)開裂、護(hù)錐翼墻沉降開裂或傾斜錯(cuò)位、涵節(jié)錯(cuò)位或填縫脫落、內(nèi)部積水淤塞、進(jìn)出口積水淤塞、涵背填土塌陷、涵頂路面開裂等8類。根據(jù)各類型病害的發(fā)育程度，首次將病害分為一般、嚴(yán)重和很嚴(yán)重3個(gè)等級(jí)，有助于客觀、準(zhǔn)確、快捷的評(píng)價(jià)涵洞病害實(shí)際發(fā)育程度。黃土地區(qū)涵洞病害的主要成因有涵洞地基處理措施不當(dāng)、涵洞周邊微地貌改造不合理、對(duì)路涵過渡段填土處理不當(dāng)、對(duì)已有嚴(yán)重和很嚴(yán)重涵洞病害修補(bǔ)不及時(shí)等。對(duì)涵洞病害防治應(yīng)從“地基處理為主、防排水為輔”逐步向“防排水為主、地基處理為輔”的理念改變。

涵洞；高速公路；黃土；現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查；病害特征；成因分析

0 引言

涵洞作為高速公路跨越溝谷、河流、人工渠道以及排除路基內(nèi)側(cè)邊溝水流的構(gòu)造物，是高速公路的重要組成部分。目前，針對(duì)涵洞構(gòu)造物及其地基的設(shè)計(jì)理論與施工技術(shù)方面還不夠完全成熟[1-2]，導(dǎo)致涵洞在運(yùn)營一定時(shí)期后出現(xiàn)各種病害，對(duì)涵洞的排水或通行功能造成一定影響。尤其是在西北黃土地區(qū)，由于黃土特殊的物理力學(xué)性質(zhì)及復(fù)雜地質(zhì)條件等因素的影響，導(dǎo)致黃土區(qū)涵洞病害不斷發(fā)生，甚至嚴(yán)重影響高速公路的正常運(yùn)營[3]，因此，很多科研人員對(duì)黃土地區(qū)涵洞病害的調(diào)研、防治等方面開展了一定的工作，如張衛(wèi)兵等[3]對(duì)西部地區(qū)高填路堤涵洞病害機(jī)理進(jìn)行了分析，并提出了針對(duì)性措施。李彥武[4]將黃土地區(qū)涵洞的主要病害類型歸納為基礎(chǔ)下沉、沖刷、涵洞淤積、沖毀及溯源侵蝕等5類。趙建斌等[5]探討了黃土地區(qū)涵洞病害的基本特征，并結(jié)合黃土地區(qū)特有的地質(zhì)特征以及設(shè)計(jì)、施工等因素對(duì)病害成因進(jìn)行了分析。這些研究成果為涵洞病害的成因分析及其防治措施提供了理論指導(dǎo)，但是仍對(duì)涵洞病害類型總結(jié)并不全面，對(duì)涵洞病害發(fā)育程度與病害類型之間的關(guān)聯(lián)性未做分析，對(duì)黃土地區(qū)涵洞病害成因的認(rèn)識(shí)有待進(jìn)一步深入。

鑒于此，本文在對(duì)青海東部黃土地區(qū)涵洞病害現(xiàn)場(chǎng)充分調(diào)研的基礎(chǔ)上，較為全面地將涵洞病害類型總結(jié)為8類，依據(jù)各自病害類型的發(fā)育特征創(chuàng)造性地將涵洞病害的發(fā)育程度劃分為一般、嚴(yán)重、很嚴(yán)重3個(gè)病害等級(jí)，據(jù)此綜合評(píng)價(jià)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查的高速公路的病害發(fā)育情況，并對(duì)黃土地區(qū)高速公路涵洞病害成因進(jìn)行了分析，以便為黃土地區(qū)高速公路涵洞設(shè)計(jì)、施工及其病害勘察、防治提供理論指導(dǎo)和科學(xué)依據(jù)。

1 涵洞病害類型及其發(fā)育程度系統(tǒng)分類

1.1涵洞調(diào)查概況

青海東部分布著較多的黃土，大部分呈Ⅱ級(jí)或Ⅲ級(jí)自重濕陷性[6]，多條高速公路修建時(shí)不可避免的將路基建于濕陷性黃土之上，因此，在后期運(yùn)營中出現(xiàn)了諸如涵頂路面開裂、涵洞下沉等病害。針對(duì)高速公路涵洞病害發(fā)育的廣泛性和地域性特征，首先對(duì)位于青海省東部黃土地區(qū)的多條高速公路涵洞病害進(jìn)行了初步調(diào)查，在普查的基礎(chǔ)上，最終確定了涵洞病害較為嚴(yán)重的4條高速公路的重點(diǎn)路段進(jìn)行詳細(xì)調(diào)查，即蘭州-西寧高速公路(以下簡稱蘭西高速公路)老鴨村至平安段、平安-阿岱高速公路(以下簡稱平阿高速公路)平安至古城段、西寧-互助一級(jí)公路(以下簡稱寧互一級(jí)公路)、西寧至湟源高速公路(以下簡稱西湟高速公路)。共調(diào)查累計(jì)里程約96.1 km，各類涵洞408道，其中出現(xiàn)病害的涵洞有379道，對(duì)每一道涵洞的病害類型、病害特征及其發(fā)育程度進(jìn)行了詳細(xì)調(diào)查，并在室內(nèi)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

1.2涵洞病害類型

為了對(duì)公路涵洞病害做定性分析和定量統(tǒng)計(jì)分析，參考已有文獻(xiàn)并結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)[5,7]，對(duì)涵洞病害類型總結(jié)為8類，分別為涵洞下沉、基礎(chǔ)開裂、護(hù)錐翼墻沉降開裂或傾斜錯(cuò)位、涵節(jié)錯(cuò)位或填縫脫落、內(nèi)部積水淤塞、進(jìn)出口積水淤塞、涵背填土塌陷、涵頂路面開裂。其中對(duì)涵洞下沉可細(xì)分為涵洞整體下沉和弧形下沉2類，對(duì)基礎(chǔ)開裂可分為橫向開裂和縱向開裂。這些病害類型基本涵蓋了涵洞的不同部位所發(fā)生的各種病害，適用于蓋板涵、箱涵、管涵、拱涵等各類涵洞，有利于在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)涵洞病害快速調(diào)查，準(zhǔn)確、全面地記錄涵洞病害特征，為涵洞病害調(diào)查和統(tǒng)計(jì)提供詳細(xì)的記錄資料。

1.3涵洞病害發(fā)育程度系統(tǒng)分類

以往在涵洞病害現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查研究中多關(guān)心常見的病害類型及其發(fā)育數(shù)量，并未對(duì)涵洞病害的發(fā)育程度進(jìn)行定量統(tǒng)計(jì)研究，本文參考《公路涵洞設(shè)計(jì)細(xì)則》(JTGTD65-04-2007)[8]、《公路工程地質(zhì)勘察規(guī)范》(JTG_C20-2011)[9]和《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTGD63-2007)[10]，基于現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查在充分總結(jié)不同病害類型的典型特征的基礎(chǔ)上，創(chuàng)造性地將涵洞病害類型與其發(fā)育程度關(guān)聯(lián)起來，形成了涵洞病害類型系統(tǒng)分類表(表1)，從中可以看出，將每一類涵洞病害類型分為一般、嚴(yán)重、很嚴(yán)重3個(gè)等級(jí)，不同等級(jí)對(duì)應(yīng)涵洞病害的不同發(fā)育狀況，這樣，就可以很明顯地在現(xiàn)場(chǎng)將涵洞實(shí)際病害發(fā)育情況進(jìn)行記錄，從而更為客觀、準(zhǔn)確、快捷的評(píng)價(jià)涵洞病害實(shí)際發(fā)育程度，為室內(nèi)準(zhǔn)確評(píng)價(jià)高速公路涵洞病害發(fā)育情況提供了理論參考。

表1 涵洞病害類型及其發(fā)育程度系統(tǒng)分類表Table 1 The systematic classification of culvert disease type and its development degree

2 涵洞病害特征

涵洞病害特征總體上包括涵洞病害發(fā)育的主要類型及其發(fā)育程度2個(gè)方面，對(duì)青海東部黃土地區(qū)4條高速公路涵洞病害調(diào)查情況匯總見表2，從表2中可以看出，調(diào)研的4條高速公路涵洞病害率都在85%以上，其中蘭西高速公路的涵洞病害率高達(dá)95.3%，由此說明黃土地區(qū)高速公路涵洞的病害率確實(shí)很高。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，不同高速公路的病害類型及其病害率也有所不同，蘭西高速公路出現(xiàn)較多的病害類型是內(nèi)部積水淤塞、涵頂路面開裂、進(jìn)出口積水淤塞等，其病害率分別為67.3%、57.6%、55.6%；平阿高速公路出現(xiàn)較多的涵洞病害類型依次為翼墻或護(hù)錐沉降開裂或傾斜錯(cuò)位、內(nèi)部積水淤塞、基礎(chǔ)開裂等，其病害率分別為62.7%、43.1%、37.3%；寧互一級(jí)公路出現(xiàn)較多的涵洞病害類型為內(nèi)部和進(jìn)出口積水淤塞，病害率均為34.4%；西湟高速公路出現(xiàn)較多的病害類型是內(nèi)部和進(jìn)出口積水、涵頂路面開裂，病害率分別為80%、70%、66.7%。下面以蘭西高速公路涵洞病害發(fā)育為例，對(duì)涵洞病害發(fā)育程度與高速公路之間的關(guān)系進(jìn)行分析。

表3為蘭西高速公路涵洞病害各類型發(fā)育的基本情況，從中可以看出，不同病害類型的發(fā)育程度各有不同，發(fā)育很嚴(yán)重的涵洞病害類型主要有內(nèi)部積水和進(jìn)出口積水，病害數(shù)量分別為9道和7道。發(fā)育嚴(yán)重的涵洞病害類型主要有內(nèi)部積水淤塞、進(jìn)出口積水淤塞、翼墻沉降開裂或傾斜錯(cuò)位等，各自的病害數(shù)量分別為51道、43道和19道。總體來看，涵洞病害發(fā)育一般的病害類型和數(shù)量在調(diào)研區(qū)段都占到絕大部分，是蘭西高速公路的涵洞病害發(fā)育的主要群體?？梢?，涵洞周邊防排水措施對(duì)涵洞病害發(fā)育具有重大影響，涵洞運(yùn)營期間很多病害的形成與其防排水效果有密切聯(lián)系。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，同一病害類型中發(fā)育程度為一般的病害數(shù)量是最多的，發(fā)育程度為很嚴(yán)重的病害數(shù)量是最少的。

表2 涵洞病害調(diào)查情況Table 2 The investigate situation of culvert disease

表3 蘭西高速公路涵洞病害發(fā)育情況Table 3 Development degree of culvert diseaseof Lanzhou-Xining expressway

3 成因分析及防治對(duì)策

3.1成因分析

依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)涵洞病害調(diào)查實(shí)際情況，并結(jié)合涵洞設(shè)計(jì)資料及其地質(zhì)條件，對(duì)青海東部黃土地區(qū)高速公路涵洞病害的主要形成原因分析如下：

(1)黃土地區(qū)涵洞地基處理措施不當(dāng)。黃土所特有的土性疏松、含大孔隙、易浸水濕陷等特殊性質(zhì)，勢(shì)必要求對(duì)黃土地區(qū)的涵洞地基進(jìn)行特殊處理，方可保證涵洞在運(yùn)營期不發(fā)生不均勻沉降或局部塌陷，因此，除采用換填、夯實(shí)等方式對(duì)黃土地基處理外，對(duì)具有濕陷性或濕陷性較強(qiáng)黃土路段地基可采用箱型基礎(chǔ)、小范圍樁基等方式進(jìn)行特殊處理，以解決涵洞地基后期因濕陷而引起的整體或局部不均勻沉降。因黃土地基處理不當(dāng)而造成的主要涵洞病害類型有基礎(chǔ)開裂、涵節(jié)錯(cuò)位、翼墻或護(hù)錐沉降開裂或傾斜錯(cuò)位等。圖1為平阿高速公路K5+300處的管涵因地基不均勻沉降出現(xiàn)的涵節(jié)錯(cuò)位情況，管涵進(jìn)出口的3～4段涵節(jié)出現(xiàn)不均勻下沉，下沉量約在8～15 cm。

圖1 涵節(jié)錯(cuò)位病害照片

(2)涵洞周邊微地貌改造不合理。涵洞周邊的微地形地貌直接影響到涵洞的排水功能，涵洞周邊黃土斜坡變形、崩塌、滑坡等災(zāi)害可能會(huì)間接影響原有的排水路徑，使泥土在涵洞內(nèi)淤積，甚至直接封堵或改變涵洞的排水路徑，尤其是處于平緩地形的涵洞，很容易在涵洞內(nèi)或進(jìn)出口形成淤積。因此，在設(shè)計(jì)及后期運(yùn)營階段，很有必要對(duì)涵洞周邊微地貌進(jìn)行合理改善，使涵洞保持順暢的排水條件。圖2為蘭西高速公路K1761+600處的蓋板涵完全積水和淤積的現(xiàn)場(chǎng)照片，涵洞處于較平緩的地形，距該涵洞不遠(yuǎn)處正在進(jìn)行土方開挖施工，泥土隨排水溝順勢(shì)而下，最終在涵洞進(jìn)出口大量淤積，造成涵洞失去正常的排水功能(圖3)。

圖2 涵洞進(jìn)出口積水病害照片

(3)對(duì)路基和涵洞過渡段填土處理不當(dāng)。涵洞頂部路面出現(xiàn)的縱、橫向裂縫除了基礎(chǔ)下沉因素引起的外，主要是由于對(duì)路涵過渡段填土處理不當(dāng)、填土的壓實(shí)度不足、填土材料選擇不佳、壓實(shí)度不均勻等因素導(dǎo)致的，因此，在施工中特別重視路涵過渡段的處理，以確保路涵過渡段的均勻性和整體穩(wěn)定性。路涵過渡段填土的合理處理對(duì)預(yù)防涵洞出現(xiàn)整體或局部沉降、涵頂開裂等病害起到重要作用。

(4)對(duì)已有嚴(yán)重病害修補(bǔ)不及時(shí)導(dǎo)致病害進(jìn)一步急劇或惡化，造成病害類型的多樣性。涵洞出現(xiàn)局部或整體下沉?xí)r，往往會(huì)伴隨出現(xiàn)涵頂路面開裂、基礎(chǔ)開裂、涵節(jié)錯(cuò)位或填縫脫落等病害，因此，在涵洞出現(xiàn)下沉的初期，就可采取措施加強(qiáng)涵洞地基強(qiáng)度和整體剛度，這樣能避免涵洞出現(xiàn)其它病害。在后期運(yùn)營中加大對(duì)涵洞病害的檢查與維護(hù)，對(duì)出現(xiàn)多種病害的涵洞及病害發(fā)育程度為嚴(yán)重的涵洞進(jìn)行及時(shí)修補(bǔ)和加固，以防止病害范圍擴(kuò)大或?qū)π熊囋斐筛蟮挠绊?。圖3為西湟高速公路K1862+550處的一道涵洞，調(diào)查中發(fā)現(xiàn)該涵洞進(jìn)口處護(hù)錐已經(jīng)完全被水沖蝕傾倒，一側(cè)的斜坡坡腳因雨水長期浸濕而導(dǎo)致斜坡發(fā)生坍塌，涵洞進(jìn)口處基礎(chǔ)完全裸露于外界環(huán)境中，對(duì)該涵洞暫未做任何保護(hù)或維修措施。涵洞進(jìn)口處的積水穿過地基后從出口處滲出，導(dǎo)致涵洞出口處的翼墻已經(jīng)發(fā)生輕微的傾斜錯(cuò)位，因此，亟需對(duì)此涵洞采取合理措施進(jìn)行修護(hù)。

圖3 涵洞綜合病害現(xiàn)場(chǎng)照片

3.2防治對(duì)策

在涵洞病害現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研及其成因分析的基礎(chǔ)上，對(duì)黃土地區(qū)高速公路涵洞病害的防治可采取如下對(duì)策：

(1)針對(duì)運(yùn)營階段出現(xiàn)的涵洞下沉、涵頂路面開裂、基礎(chǔ)開裂、涵節(jié)錯(cuò)位等病害，首先應(yīng)采取路面填補(bǔ)或裂縫灌漿等措施，以保證路面的平整度和行車安全。之后可對(duì)地基或基礎(chǔ)采取局部灌漿加固措施，以確保涵洞地基不發(fā)生整體或局部的不均勻沉降。對(duì)于濕陷性等級(jí)為Ⅳ級(jí)或Ⅲ級(jí)地區(qū)的涵洞地基，為了從根本上消除或減輕因黃土濕陷性而引發(fā)涵洞出現(xiàn)上述病害，在設(shè)計(jì)階段應(yīng)加強(qiáng)地基處理，擴(kuò)大地基處理面積，使涵洞地基土體特性明顯改善，并根據(jù)涵洞周圍地形、受力情況等采取合理的基礎(chǔ)形式。

(2)對(duì)涵洞進(jìn)出口和內(nèi)部積水淤塞、護(hù)錐沉降開裂或傾斜錯(cuò)位等病害，多是由于涵洞防排水不到位而引發(fā)的，因此，針對(duì)這類病害，應(yīng)及時(shí)清理涵洞內(nèi)外部的積水或淤積物，并對(duì)涵洞周邊微地貌或排水路徑進(jìn)行適當(dāng)改善，保證涵洞處于排水順暢的環(huán)境條件。在設(shè)計(jì)強(qiáng)濕陷性或中等濕陷性黃土地區(qū)的涵洞時(shí)，除對(duì)涵洞地基采取加強(qiáng)處理措施外，還應(yīng)重視對(duì)涵洞周邊防排水措施的優(yōu)化設(shè)計(jì)，將涵洞與進(jìn)出口排水溝平順銜接，使涵洞最大可能發(fā)揮排水作用。而在弱濕陷性等級(jí)地區(qū)或年降雨量較多地區(qū)，尤其是涵洞周圍為平緩地形時(shí)，應(yīng)盡可能加強(qiáng)防排水措施的完善和優(yōu)化，適當(dāng)改善涵洞進(jìn)出口的排水路徑，盡量減輕或防止降雨、地表排水等對(duì)涵洞的影響。因此，在黃土地區(qū)對(duì)涵洞病害防治應(yīng)從“地基處理為主、防排水為輔”向“防排水為主、地基處理為輔”的理念逐步改變。

4 結(jié)語

(1)黃土地區(qū)高速公路涵洞病害類型主要有涵洞下沉、基礎(chǔ)開裂、護(hù)錐翼墻沉降開裂或傾斜錯(cuò)位、涵節(jié)錯(cuò)位或填縫脫落、內(nèi)部積水淤塞、進(jìn)出口積水淤塞、涵背填土塌陷、涵頂路面開裂等8類。

(2)根據(jù)各病害類型的發(fā)育程度，可將病害分為一般、嚴(yán)重和很嚴(yán)重3個(gè)等級(jí)，有助于在現(xiàn)場(chǎng)將涵洞實(shí)際病害發(fā)育情況進(jìn)行記錄，從而更為客觀、準(zhǔn)確、快捷的評(píng)價(jià)涵洞病害實(shí)際發(fā)育程度。

(3)黃土地區(qū)涵洞病害的主要成因有黃土地區(qū)涵洞地基處理措施不當(dāng)、涵洞周邊微地貌改造不合理、對(duì)路基和涵洞過渡段填土處理不當(dāng)和對(duì)已有嚴(yán)重和很嚴(yán)重涵洞病害修補(bǔ)不及時(shí)等。

(4)對(duì)涵洞病害防治應(yīng)從“地基處理為主、防排水為輔”逐步向“防排水為主、地基處理為輔”的理念改變。

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AnalysisoncharacteristicsandcausesfordefectsofexpresswayculvertineastloessareaofQinghaiProvince

ZHAO Yonghu1,2,MI Weijun1,SUN Rundong3,QU Yaohui1,WU Xiaopeng1

(1.NorthwestResearchInstituteCo. ,LtdofChinaRailwayEngineeringCorporation,Lanzhou,Gansu730000,China; 2.QinghaiProvinceKeyLaboratoryofPermafrostandEnvironmentalEngineering,Golmud,Qinghai816000,China; 3.QinghaiResearchInstituteofTransportation,Xining,Qinghai810000,China)

In order to research the disease characteristics of expressway culvert as well as cause of formation in loess area, based on the field investigation that has been carried in Qinghai province and document materials, the characteristics and its causes of expressway culvert disease has been analyzed in detailed. The results show that the types of culvert disease in loess area mainly include culvert sinking, foundation fissure, subsidence cracking or dislocation of wing wall, culvert section mismatch or caulking falling off, internal water silting, lateral water silting, filling collapse behind culvert, pavement cracking on the top of culvert. The each disease type of culvert can be divided into general, serious and very serious according to the development degree, this classification result may be useful for the evaluation of culvert disease objective, accurate and fast. The main reasons of the culvert disease in loess regions include culvert foundation treatment measures are improper, the surrounding micro geomorphology transforming culvert is not reasonable, filling of transition section between roadbed and the culvert is improper, existing serious and very serious culvert diseases is not timely repairer, etc. The ideas of prevention and treatment measures of culvert disease should be changed from “foundation treatment is more prior than waterproof and drainage” to “waterproof and drainage is more prior than foundation treatment”

culvert; expressway; loess; field investigation ; disease characteristics; cause analysis

U416.1+69

A

1003-8035(2017)03-0124-06

10.16031/j.cnki.issn.1003-8035.2017.03.19

2016-09-01;

2016-09-09

青海省交通科技項(xiàng)目(2014-10)

趙永虎(1987-)，男，甘肅臨夏人，工學(xué)碩士，工程師，主要從事黃土、凍土等特殊土工程病害勘察與試驗(yàn)方面的研究。

E-mail：zhaoyh2012@lzu.edu.cn