中巴公路蓋孜河段水毀類型與防治工程優(yōu)化設(shè)計*

羅文功 魏學(xué)利 陳寶成

（新疆維吾爾自治區(qū)交通規(guī)劃勘察設(shè)計研究院，烏魯木齊830006，中國）

0 引 言

中巴公路蓋孜河段位于喀喇昆侖山脈山嶺重丘區(qū)，公路全長約70 km（圖1），全線沿蓋孜河布設(shè)，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，海拔垂直落差大，公路最高處跨越海且缺少相關(guān)研究，本研究在實地踏勘和水毀資料整理分析的基礎(chǔ)上，對中巴公路蓋孜河段公路水毀類型和典型案例探討分析，因地制宜開展水毀工點處防治結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，得出較優(yōu)的防治方案，為本地區(qū)后續(xù)公路水毀防治工程給出指導(dǎo)和建議，可對新疆維吾爾自治區(qū)同類沿河公路的防治研究提供參考。拔高程3560 m，沿線冰川發(fā)育，季節(jié)性洪水顯著。公路受地形、地質(zhì)和氣象水文等條件影響，促成多發(fā)型地質(zhì)災(zāi)害，如泥石流、滑坡和洪水等，嚴(yán)重時甚至發(fā)生毀橋埋路、車毀人亡的重大安全事故（張學(xué)進(jìn)，2013；李凌婧等，2014；朱穎彥等，2014；陸軍等，2015；方成杰等，2016；魏學(xué)利等，2018）。

近年來國內(nèi)對于工程地質(zhì)災(zāi)害的研究成果較為豐富，涵蓋泥石流、滑坡、崩塌、公路災(zāi)害等（廖麗萍等，2013a，2013b；張碩等，2017；何朝陽等，2018；劉興榮等，2018）。對于新疆維吾爾自治區(qū)境內(nèi)蓋孜河流域地質(zhì)災(zāi)害的研究呈增加趨勢（胡進(jìn)等，2013；劉杰等，2015；魏小佳等，2015；鄧恩松等，2018a，2018b；羅文功等，2018；葉瀟瀟等，2018），但對于蓋孜河水流侵蝕和公路水毀等方面的研究尚存在大面積空白，已成為當(dāng)下中巴經(jīng)濟(jì)走廊災(zāi)害防治的重點之一。針對本區(qū)域公路水毀災(zāi)害典型頻發(fā)

1 蓋孜河段水毀災(zāi)情調(diào)查

中巴公路蓋孜河段近年來數(shù)次實地踏勘和收集統(tǒng)計的資料中，以2015年群發(fā)性公路水毀災(zāi)害最為顯著，涉及公路全線多處工點，水毀規(guī)模大，影響較深。蓋孜河段2015年群發(fā)性水毀情況按照公路樁號區(qū)間統(tǒng)計如表1所示。

2 蓋孜河段水毀類型與分布特征

2.1 公路沿線水毀類型

實地踏勘發(fā)現(xiàn)，中巴公路蓋孜河段公路水毀類型鮮明，且具有典型性特征。根據(jù)沿線水毀的不同破壞形態(tài)，將各工點樁號區(qū)間的主要水毀類型進(jìn)行劃分和分析，如表2所示。

圖1 中巴公路蓋孜河段走勢圖Fig.1 Trend in the Gaizi river section of Sino-Pakistan Highway

表1 中巴公路蓋孜河段公路水毀災(zāi)情統(tǒng)計表Table 1 Statistical table for water damage on roads in the Gaizi river section of Sino-Pakistan Highway

表2 中巴公路蓋孜河段主要水毀類型Table 2 Main water damage types in the Gaizi river section of the Sino-Pakistan Highway

2.2 公路沿線水毀分布特征

中巴公路蓋孜河段根據(jù)河道演化特征，可近似分為Ⅴ形河谷區(qū)和U形河谷區(qū)，通過河谷橫斷面寬度的段落區(qū)間劃分，又可分為3種段落：峽谷段、窄谷段和寬谷段。蓋孜河各河段特征及水毀災(zāi)害分布如表3所示。

峽谷段位于蓋孜河上游，樁號區(qū)間為K1587＋000～K1618＋800，河道橫斷面形態(tài)整體呈Ⅴ形，河道深切。本段地形起伏，垂直落差大，河床較窄且比降較大，水流作用強烈，易造成堤岸防護(hù)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)沖刷破壞。由表3可看出，峽谷段水毀工點共計6處，水毀段落較為密集，本段以擋墻水毀為主，基礎(chǔ)淘蝕嚴(yán)重。窄谷段位于蓋孜河中游及中上游，樁號區(qū)間為K1563＋000～K1587＋000，路基和河床基準(zhǔn)面落差大，河谷形態(tài)發(fā)生寬窄斷面交替變化，窄谷段靠近下游一側(cè)逐漸進(jìn)入寬窄變換區(qū)，河道形態(tài)由Ⅴ形向U形過渡，河道水流量增加，水流破壞性增強。由表3可看出，窄谷段水毀工點數(shù)量共計10處，為全線水毀災(zāi)害最密集的段落，區(qū)間水毀災(zāi)害以丁壩和護(hù)坦沖刷破壞為主。寬谷段位于蓋孜河下游，樁號區(qū)間為K1548＋600～K1563＋000，河床比降較緩，U型河床特征明顯，蓋孜河水勢隨著上游匯集作用逐漸增大，河道走向易受到外界和人為作用而變化，沿河公路路基受改道水流頂沖破壞較為嚴(yán)重。由表3可看出，寬谷段水毀工點處共計2處，單一水毀段綿延距離較長，該段以丁壩局部水毀和路基沖刷水毀為主。

根據(jù)表3還發(fā)現(xiàn)：3種河段中，寬谷段的水毀連續(xù)分布區(qū)間長度最長，窄谷段次之，峽谷段最短；蓋孜河18處水毀工點中包含13處凹岸沖刷，僅有4處凸岸沖刷和1處順直河段沖刷；18處水毀工點中，峽谷河段發(fā)生的災(zāi)害為5處，開闊河道為13處；蓋孜河段發(fā)生水毀的樁號區(qū)間均為沿河公路，未見離河公路和跨河公路。以上現(xiàn)象表明：（1）蓋孜河水勢大小會影響公路水毀程度。（2）臨河公路水流沖刷常發(fā)生在河道凹岸，易造成水毀；凸岸和順直河道水毀沖刷較為少見，但在河流改道頂沖凸岸時，水毀程度也較為嚴(yán)重。（3）河道形態(tài)多由河谷地形決定，峽谷段大落差地形使河道發(fā)生深切侵蝕，河床比降增大，也加劇了水流對臨河公路路基的侵蝕性；開闊河段水流匯集，水勢提升了水流的攜沙能力和沖淤破壞能力，即使在河道比降較為平緩的情況下，水流沖刷力度也十分顯著，這也是開闊河段成為水毀發(fā)生工點的重要原因之一。（4）蓋孜河段公路隨著蓋孜河河道形態(tài)的變化受到不同水流作用的影響，而非臨河段公路受到河水及水流的作用極小，不易形成水毀規(guī)模。

表3 蓋孜河各河段河流特征Table 3 River characteristics in various river sections of the Gaizi river

3 不同水毀類型道路防護(hù)試驗及分析

中巴公路蓋孜河段水毀類型多樣，工點遍布公路沿線，根據(jù)水毀災(zāi)害工點開展縮尺模型試驗。主要包括對應(yīng)水毀類型的丁壩、擋墻、路基和組合型防護(hù)結(jié)構(gòu)等水毀試驗，模型幾何縮尺比例約為1:110。

3.1 水力條件對防護(hù)結(jié)構(gòu)破壞能力的影響

通過不同水力條件對多種防護(hù)類型進(jìn)行沖刷模擬，各試驗沖刷深度值如表4所示。

表4 不同水力條件下各模型試驗的局部沖刷深度值hs（單位：cm）Table 4 Maximum scouring depth of each model test under different hydraulic conditions（unit：cm）

從表4中可以看出，不同水力條件對防護(hù)結(jié)構(gòu)沖刷深度影響不同，局部沖刷深度與泥沙的粒徑大小和啟動流速相關(guān)。在一定范圍內(nèi)，防護(hù)結(jié)構(gòu)局部沖刷深度與水流速的大小呈正比例關(guān)系，即：水動力條件強烈時，防護(hù)結(jié)構(gòu)沖刷破壞也較大。

對模型試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析，針對丁壩防護(hù)工程，通過無量綱多元回歸得到丁壩局部沖刷深度公式。

式中：hs為沖刷穩(wěn)定深度；h為壩頭行進(jìn)水深；LD為丁壩阻水長度，LD＝L sinα，其中L為丁壩長度；Fr為行進(jìn)水流佛汝德數(shù)；m為邊坡系數(shù)。

蓋孜河水毀路段實地水流速可達(dá)3～8 m·s－1左右，不同河段水深不同，以2015年群發(fā)性水毀期間寬谷段常態(tài)水力條件（水流速5 m·s－1和水深3 m）為例，代入式（1）計算得到局部沖刷深度為2.796 m，以取整后3.0 m作為設(shè)計方案埋置深度要求。而當(dāng)前多處丁壩及橋涵墩臺結(jié)構(gòu)不能滿足基礎(chǔ)最大埋深要求，實地防護(hù)工程破壞較為普遍，故除峽谷段極端水動力條件外均可按照計算方案中基礎(chǔ)埋深不小于3.0 m進(jìn)行實地結(jié)構(gòu)埋置，以滿足最大沖刷深度要求；介于峽谷段水流速大、下切侵蝕強烈，可采用深基礎(chǔ)高擋墻或磯頭壩搭配深基礎(chǔ)擋墻方案進(jìn)行針對性防護(hù)。

3.2 模型試驗結(jié)果分析

經(jīng)過模型試驗?zāi)M實地水毀防護(hù)工程沖刷過程，驗證了各防護(hù)結(jié)構(gòu)的防治特性、沖淤現(xiàn)象與實地現(xiàn)狀相一致，同時驗證了防護(hù)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)埋深對水毀破壞程度的影響，即：多數(shù)水毀災(zāi)害中防護(hù)結(jié)構(gòu)破壞均是由于基礎(chǔ)埋深不足造成的。試驗中發(fā)現(xiàn)，深基礎(chǔ)丁壩群、“擋墻＋護(hù)坦”組合結(jié)構(gòu)和“丁壩群＋擋墻＋石籠”組合結(jié)構(gòu)整體防護(hù)效果較好，實地防護(hù)中已有相類似防護(hù)工程可尋，防護(hù)方案較優(yōu)。

丁壩局部沖刷深度無量綱公式適用于蓋孜河河谷水流沖刷計算，經(jīng)驗證得知吻合性較好，可在疆內(nèi)類似地區(qū)進(jìn)行推廣，試驗所得成果可實地指導(dǎo)工程建設(shè)。蓋孜河段公路常態(tài)水流段落可按照基礎(chǔ)埋深不小于3.0 m進(jìn)行實地丁壩及整體防護(hù)工程方案設(shè)計，橋梁墩臺結(jié)構(gòu)、新型丁壩結(jié)構(gòu)及類似墩臺結(jié)構(gòu)可沿用丁壩局部沖刷深度計算。

中巴公路蓋孜河段防護(hù)工程結(jié)構(gòu)滿足強度設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，破壞原因多為結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)淘蝕和沖擊破壞，其中以基礎(chǔ)淘蝕破壞為主，根據(jù)模型試驗結(jié)果和實地防護(hù)工程現(xiàn)狀，推薦因地制宜采用針對性防護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行防治。蓋孜河水流流速值分布區(qū)間跨度大，具體表現(xiàn)為：大落差山區(qū)可達(dá)6～8 m·s－1，山前平原區(qū)水流速為3～6 m·s－1，實地防護(hù)工程可按照設(shè)計方案基礎(chǔ)埋置深度進(jìn)行布置。當(dāng)現(xiàn)存實地防護(hù)工程結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)埋深不能滿足水流最大沖刷深度時，推薦采用基礎(chǔ)埋深不小于3.0 m的設(shè)計方案。實地水害嚴(yán)重路段可直接進(jìn)行重新規(guī)劃布設(shè)，水害程度較輕路段可在原防護(hù)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上進(jìn)行加固和再修復(fù)，須嚴(yán)格保證基礎(chǔ)埋置深度，避免重復(fù)性水毀。

4 典型路段水毀防治設(shè)計措施

中巴公路蓋孜河段水流沖刷作用強烈，沿河公路段已因地制宜進(jìn)行了水毀防治結(jié)構(gòu)布設(shè)，但由于受到水流長期沖刷，沿線防治結(jié)構(gòu)多發(fā)生局部和整體破壞，工點處防治工程重復(fù)性水毀嚴(yán)重。根據(jù)工點處防護(hù)結(jié)構(gòu)類型和現(xiàn)存的水毀隱患，對下述幾處典型水毀工程做以下分析和優(yōu)化設(shè)計。

4.1 擋墻水毀

本次選取的典型擋墻水毀區(qū)間為G314線K1603＋180～K1603＋870段，由于工點處河道狹窄，擋墻基礎(chǔ)受水流沖刷作用明顯，水毀程度較為嚴(yán)重，具備一定的典型性，故通過本工點來進(jìn)行擋墻水毀防治工程的優(yōu)化設(shè)計。

4.1.1 擋墻水毀優(yōu)化方案

工點處原防治工程采用單一擋墻結(jié)構(gòu)，由于水流沖刷強烈，擋墻基礎(chǔ)被掏空，擋墻整體破壞嚴(yán)重。針對本段河道特征，應(yīng)采用加固擋墻基礎(chǔ)穩(wěn)定性和增加基礎(chǔ)埋深的措施進(jìn)行防護(hù)，具體可采用表5中措施對原水毀工程進(jìn)行優(yōu)化。

表5 擋墻水毀優(yōu)化方案Table 5 Water damage optimization program of retaining wall

4.1.2 優(yōu)化方案防護(hù)工程設(shè)計與防治效果

工點處河流形態(tài)為峽谷深切型，河段水流速度較快、河床落差大，尤其在降雨量增加及水庫泄洪期間易形成極大的水流沖刷作用，沿河段公路擋墻水毀隱患加重。

原防護(hù)方案為單一擋墻防護(hù)，現(xiàn)場擋墻局部破壞、路基開裂段較多，故優(yōu)化方案采用路基回填壓實、擋墻重建以及新增“磯頭壩＋擋墻”防護(hù)組合結(jié)構(gòu)等措施，對原擋墻水毀進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。磯頭壩可配合路肩擋墻形成穩(wěn)固的防治結(jié)構(gòu)，從而規(guī)避單一擋墻沖刷破壞的情況。工點處擋墻水毀防治方案布置圖前后比較見圖2。

優(yōu)化方案防護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)固可靠、優(yōu)勢明顯，可規(guī)避原方案存在的水毀隱患，減少了重復(fù)水毀帶來的工程開支，且優(yōu)化結(jié)構(gòu)布設(shè)方便靈活，在實際工程中已有案例可循，因此推薦采用“擋墻＋磯頭壩”方案。擋墻水毀工點現(xiàn)場優(yōu)化方案實施前后對照見圖3。

4.2 “丁壩＋護(hù)坦＋擋墻”防護(hù)組合結(jié)構(gòu)水毀

選取G314線K1563＋280～K1564＋165段為“丁壩＋護(hù)坦＋擋墻”典型水毀區(qū)間，由于工點處河床受水流下切侵蝕嚴(yán)重，部分已施工完成的丁壩及護(hù)坦結(jié)構(gòu)被沖毀，工點處防護(hù)組合結(jié)構(gòu)破壞較為嚴(yán)重，具備典型性水毀特征，故通過本工點來進(jìn)行水毀防護(hù)組合結(jié)構(gòu)的工程優(yōu)化設(shè)計。

圖2 擋墻水毀防治工程優(yōu)化前后的布置方案對照（單位：cm）Fig.2 The comparison of layout schemes before and after optimization in retaining wall water damage prevention project（unit：cm）

圖3 擋墻水毀優(yōu)化方案實施前后概況對照Fig.3 Comparison of profile before and after implementation for the retaining wall water damage optimization program

4.2.1 “丁壩＋護(hù)坦＋擋墻”水毀優(yōu)化方案

工點處原采用“丁壩＋護(hù)坦＋擋墻”防護(hù)組合結(jié)構(gòu)，由于河道變遷造成河床沖刷作用加劇，導(dǎo)致防治結(jié)構(gòu)因基礎(chǔ)埋深不足，受到淘蝕破壞。針對以上水毀特征，應(yīng)采用“丁壩＋護(hù)坦＋擋墻”防護(hù)組合結(jié)構(gòu)的修復(fù)再加固措施，具體可按表6中進(jìn)行優(yōu)化。

表6 “丁壩＋護(hù)坦＋擋墻”水毀優(yōu)化方案Table 6 “Spur Dike＋Apron＋Retaining Wall”water damage optimization plan

4.2.2 優(yōu)化方案防護(hù)工程設(shè)計與防治效果

優(yōu)化方案采用丁壩群加長、加密的措施，使丁壩群更加穩(wěn)固，通過長丁壩發(fā)揮較大的挑流作用，減少頂沖和側(cè)蝕的水流流速；護(hù)坦優(yōu)化時將已破壞護(hù)坦進(jìn)行拆除重建，增大結(jié)構(gòu)埋深，局部破壞較輕的護(hù)坦可采取修復(fù)加固措施。上述丁壩及護(hù)坦的新建和再加固措施，共同保護(hù)路肩擋墻免受水流的直接沖刷，增加了“丁壩＋護(hù)坦＋擋墻”防護(hù)體系的水毀防治功效和抗破壞性能。

“丁壩＋護(hù)坦＋擋墻”防護(hù)組合結(jié)構(gòu)防治效果較優(yōu)，且能形成穩(wěn)固的防治體系，故采用表7中優(yōu)化方案對“丁壩＋護(hù)坦＋擋墻”體系進(jìn)行設(shè)計，優(yōu)化前后布置圖比較見圖4。

表7 路基水毀優(yōu)化方案Table 7 The optimization plan of roadbed water damage

“丁壩＋護(hù)坦＋擋墻”的優(yōu)化方案穩(wěn)固可靠，可規(guī)避原方案的水毀淘蝕隱患，有效避免重復(fù)性水毀，在新疆維吾爾自治區(qū)河谷流域工程中已有大量實例，故采用“擋墻＋護(hù)坦＋丁壩”修復(fù)再加固優(yōu)化方案。優(yōu)化方案實施前后現(xiàn)場概況對照如圖5所示。

4.3 路基水毀段

本次選取的典型路基水毀區(qū)間為G314線K1609＋700～K1610＋100段，由于工點段路基常受到泥石流破壞和臨河側(cè)水流的沖刷作用，路基水毀破壞嚴(yán)重，成為嚴(yán)重的路基水毀路段。故通過本工點來進(jìn)行路基水毀防治工程的優(yōu)化設(shè)計。

4.3.1 路基水毀優(yōu)化方案

工點段原防護(hù)方案為臨河側(cè)單一護(hù)坡防護(hù)，泥石流沖淤破壞路面及公路邊坡，且臨河側(cè)水流沖刷作用明顯，多重作用下造成工點段路基大面積沖毀。針對以上水毀特點和實際公路走向特征，初步選擇“改線＋設(shè)置橋涵結(jié)構(gòu)物”方案和“改河＋設(shè)置護(hù)岸工程”兩種方案。兩種方案的詳細(xì)優(yōu)化措施詳見表7。

4.3.2 優(yōu)化方案防護(hù)工程設(shè)計與防治效果

圖4 “丁壩＋護(hù)坦＋擋墻”防治工程優(yōu)化前后布置方案對照（單位：cm）Fig.4 The comparison of the layout schemes before and after the optimization in the“Spur Dike＋Apron＋Retaining Wall”prevention project（unit：cm）

圖5 “丁壩＋護(hù)坦＋擋墻”優(yōu)化方案實施前后概況對照Fig.5 The comparison of profile before and after implementation for the“Spur Dike＋Apron＋Retaining Wall”optimization program

優(yōu)化方案一采用“改線＋設(shè)置橋涵結(jié)構(gòu)物”的形式，根據(jù)實地踏勘資料，將公路走向調(diào)整為遠(yuǎn)離河岸的方式（圖6），對路線進(jìn)行重新規(guī)劃設(shè)計，使公路線路走向遠(yuǎn)離泥石流堆積扇緣和蓋孜河堤岸，一定程度上有效地遠(yuǎn)離了水毀災(zāi)害源，此方法可在一定程度上規(guī)避泥石流和河流的雙重水毀作用，極大減輕和減緩原防護(hù)工程水毀災(zāi)害。優(yōu)化方案二采用“改河＋設(shè)置護(hù)岸工程”的形式，根據(jù)實地勘測采用人為變遷河道的方法（圖6），進(jìn)行工點處河道改移，并新建路基邊坡防護(hù)工程體系，減小水流對公路路基的頂沖和側(cè)蝕作用，可有效減小水流的路基沖刷作用，減弱和改善原防護(hù)工程的水毀程度。

經(jīng)過兩種優(yōu)化方案的對照分析，發(fā)現(xiàn)方案二河流改道尤為困難，工程量大不易實施，且無法從根本上解決路基水毀災(zāi)害的發(fā)生；而方案一可根本上解決本段公路路基沖刷問題。路基水毀優(yōu)化方案一實施前后現(xiàn)場對照見圖7。

5 結(jié) 論

圖6 工點處兩種優(yōu)化方案示意圖Fig.6 Schematic diagram about two optimization schemes at worksite

圖7 路基水毀優(yōu)化方案實施前后對照圖Fig.7 The comparison of profile before and after the implementation for the roadbed water damage optimization program

（1）中巴公路蓋孜河段常見的水毀類型根據(jù)不同的地質(zhì)地形條件，呈現(xiàn)不同的分布。峽谷路段以擋墻水毀、丁壩水毀為主，基礎(chǔ)淘蝕嚴(yán)重；窄谷路段和寬谷路段以路基水毀、丁壩水毀及護(hù)坦等附屬結(jié)構(gòu)物水毀為主，破壞較為嚴(yán)重。蓋孜河段公路水毀工點共計18處，均位于沿河段，且其中13處位于河道凹岸，僅5處位于凸岸或順直段。沿線公路段落中峽谷段水毀工點共計6處，窄谷段水毀點為10處，寬谷段水毀點為2處。水毀受地質(zhì)、水文和地形地貌共同影響，當(dāng)河道地形狹窄、水流流速較快時，發(fā)生的災(zāi)害更為嚴(yán)重，段落水毀工點也較為密集。

（2）水毀防治工程應(yīng)以“以防為主，防治結(jié)合”的原則，最大限度減少重復(fù)水毀造成的損害。蓋孜河段水毀防護(hù)工程破壞以基礎(chǔ)淘蝕破壞、防護(hù)結(jié)構(gòu)局部破壞和路基邊坡沖刷破壞為主，防護(hù)工程優(yōu)化設(shè)計方案中，根據(jù)多個優(yōu)化方案的適用條件、適用范圍對照分析，因地制宜選取最為符合的水毀防護(hù)類型。

（3）擋墻水毀防護(hù)設(shè)計方案中，針對擋墻基礎(chǔ)淘蝕破壞，增設(shè)磯頭壩結(jié)構(gòu)，保證基礎(chǔ)埋深不小于3.0 m，可根據(jù)實際情況增大埋深；“丁壩＋護(hù)坦＋擋墻”水毀優(yōu)化設(shè)計方案中，針對丁壩破壞，于原丁壩基礎(chǔ)上進(jìn)行再修復(fù)工作并縮短丁壩間距，丁壩埋深控制在3.5 m；路基水毀優(yōu)化設(shè)計方案中，針對路基大面積沖刷和沖擊塌陷，進(jìn)行改河防護(hù)方案和改線方案對照分析，實際發(fā)現(xiàn)改線方案效果較好。實踐證明，3種典型防護(hù)工程優(yōu)化后的現(xiàn)狀水毀防治性能良好，現(xiàn)場無明顯破壞特征。