摘要：涵洞作为公路的主要排水设施之一，作为公路排水系统的出水口，其在公路排水系统中具有极其的作用，在山区公路防排水系统中显得尤为重要。在山区公路的水毁中，涵洞的水毁占有很大的比例，并且破坏形式也多种多样，影响因素众多。因此针对山区公路涵洞水毁机理进行分析，提出合理有效的涵洞防护措施，对提高涵洞的抗水灾能力和山区公路的服务水平是十分必要的。
关键词：山区涵洞;结构形式;水毁因素;防护措施
Abstract: the main highway tunnels as one of the drainage facilities, as a road drainage system in an outlet, the road drainage system plays role in the mountainous area highway waterproof and drainage system is particularly important. In the mountainous area highway in damaged by flood, the culvert occupy a big proportion of the damaged by flood, and destroy form varied also, affected by many factors. So in mountain area highway tunnels damaged by flood mechanism analysis, some reasonable and effective culverts protective measures, to improve the resistance of the culvert flood ability and the service level of the mountainous area highway is very necessary.
Keywords: mountain tunnels; Structure form; Damaged by flood factors; Protective measures
中图分类号：U449 文献标识码：A 文章编号：
我们国家西部地区地势起伏较大，山川纵横，地域辽阔，气候水文地质条件复杂多变，自然灾害发生频繁，给人民群众的生命财产和当地的经济建设造成了巨大损失。与此同时也对桥梁、涵洞、隧道、公路等交通基础设施的正常运行造成了严重的威胁，特别是洪灾对公路涵洞等的危害尤为突出，公路、桥梁、涵洞等交通设施在每年汛期因洪水造成水毁的直接经济损失就达数十亿元人民币。
涵洞是公路综合排水系统中重要的横向排水构造物，其排水和输沙抗淤能力直接影响到桥涵以及路基的安全稳定。所以开展山区公路涵洞水毁机理研究及提出必要的防护措施具有十分重要的意义。
一、山区公路涵洞的常用结构形式
涵洞按自身构造形式不同可分为管涵、盖板涵、拱涵和箱涵。各类型又可有不同材料构成多种类型的涵洞。山区公路涵洞的常用结构形式如下：
1、石盖板涵
石盖板涵除了具有石拱涵能就地取材、结构坚固、造价低、工程费用少等特点外;还具有建筑高度小、对地基条件要求不高、施工简便、易于修复等特点。但其力学性能较差，一般仅适用于跨径小于2m的涵洞。
2、钢筋混凝土板涵
钢筋混凝土盖板涵是无石料地区常采用的一种形式，根据施工方法不同还可分为现场浇注和预制装配两种。预制装配式具有不受气候条件影响、工期短节省模板等优点，适用于桥涵分布集中并有运输及吊装条件的公路。现场浇注式整体性能好，施工不需要运输及吊装设备、施工简便，适用于分散或改建的单个涵洞，以及不具备运输条件及吊装条件的公路。
3、钢筋混凝土箱涵
箱涵是一种整体闭合式钢筋混凝土薄壁框架结构，具有良好的整体性能和抗震性能。由于施工较复杂、造价高，一般用于软土地基和高等级公路。常用跨径为2m、2.5m、3m、4m、5m。壁厚一般为22cm~35cm，内壁四个折角出一般做成45°的斜面。
二、涵洞水毁成因分析
在山区公路的水毁中，涵洞的水毁占有很大的比例，并且破坏形式也多种多样，影响因素众多。造成涵洞水毁的原因主要有冲刷作用、淤积、渗漏及水压力过大等几个方面。
1、冲刷作用
在调查中发现，山区公路涵洞水毁主要是由冲刷作用造成的，破坏形式主要有以下两类：
1)进出口冲刷破坏
山区公路所面临的山谷一般都有较陡的坡度，从山谷中下泄的水流流经涵洞时，涵洞孔径通常对天然河床都有较大的压缩，致使进口断面的流速中间较大，两侧较小，而水流进入进口断面以前，整个水流断面的流速都较大，这样会对涵洞的进口处两侧产生较大冲击力和冲刷作用。洪水来临时，涵洞的进口处的冲刷作用更加强烈，极易造成进口被冲刷破坏，就可能导致整个涵洞被冲毁。即使涵洞进口没有被水毁，遭受冲刷后防渗能力就会大幅下降，水流会深入涵洞洞身外围的岩土体，路基岩土体在下渗水流的入渗和潜蚀作用下，强烈急剧下降，造成涵洞整体破坏，如果水流继续发展，最终可能将路基冲毁。
2)淘空破坏
(l)基底淘空
当水流由自然河床流至涵洞入口时，由于河床底粗糙程度的变化、截水墙等原因，引起水流流速的变化，水流在这些部位周围以强烈的涡流形式冲刷自然河床面泥沙，产生冲刷坑，最终淘空基底而危及涵洞结构的稳定。涵洞的进、出水口处和容易受到水流直接撞击的部位，由于防护设施和导流设施设计标准低，或者布置不合理，极易造成基底淘空，进而引起涵洞水毁。
(2)台背淘空
台背淘空是指涵洞台背回填部分受到来自河流、边坡坡面水的冲刷作用，造成回填材料流失而引起的结构物暴露、失稳破坏的现象。涵洞由于位置布设不合理或者防护措施不够，进口处翼墙或端墙直接承受洪水迎面冲击，导致台背填土淘空、垮塌，造成翼墙或端墙出现大裂缝或倾斜，危及涵洞安全。另外，涵洞出口段设计长度不足，扩散角太大而引起回流对翼墙淘刷，使得翼墙填土被淘空，导致翼墙倾斜、断裂、冲垮，从而影响涵洞的稳定性。
2、淤积
山区是多泥沙河流，善冲善淤，涵洞淤积现象严重。在自然情况下，河道水流驱使床面泥沙运动，泥沙运动后的床面又影响水流结构，河流总处于不断变化和发展过程中。当涵洞修建后，涵洞位置处产生奎水，该处因断面缩窄、流速增大而产生冲刷，大量泥沙在涵洞及其防护构造物的阻挡作用下，在其周围剧烈涡旋沉淀后形成淤积，从而影响水流的顺畅通过，并对涵洞整体造成威胁。另外，山区降水量大，降雨季节比较集中，洪水来临时，由于洪水流速快，沿途冲刷挟带泥沙或漂浮物能力大，使河床抬高，堵塞涵洞口，使涵洞过水断面减小，涵洞侧面受力过大，导致结构物的破坏，引起涵洞水毁。调查发现，淤积产生的原因主要有涵洞位置处排水不畅，汇水区上游山坡陡峻、河沟纵坡大，河水泥沙含量大等。另外，由洪水引发的滑坡、泥石流等自然灾害破坏力巨大，携带大量泥砂和树枝，堵塞涵洞洞口，水流无法通过，从而将下游路基整体摧毁。淤积造成的涵洞破坏。
3、渗漏
渗漏是山区公路涵洞常见病害之一，如果不加重视，必将影响涵洞的结构稳定性、耐久性、外观质量以及台背路基的稳定性等。涵洞的渗漏方式主要有以下三种形式：
1)由内到外
这种形式常见于压力涵洞或半压力涵洞。由于洪水超标，涵洞内水压力过大和涵洞连接缝止水老化，易使防水层破裂或脱落。这类涵洞通过的水位较高，当水通过涵洞洞壁渗入路基后，导致路基填土的含水量增大，强度相应降低，结果产生不均匀沉降，严重的还会造成涵洞两侧及洞口边坡路基失稳。长期这样使混凝土内钢筋受到侵蚀，引起涵洞结构性破坏。
2)由外到内
这种形式通常由于涵洞周围填土不密实或未设截水环，在高水头差的作用下，水流沿涵洞台身或顶部由外到内渗漏，形成集中渗漏，长期这样甚至会侵蚀混凝上板内钢筋，导致混凝土剥落，严重的会引起涵洞结构性破坏。
3)涵洞铺砌冒水
这种形式常见于基底地下水丰富，地下水位较高时，特别是降暴雨后。如果涵洞铺砌冒水会带走铺砌下面的地基土，淘空基底，影响涵洞的稳定。调查中发现，山区公路涵洞渗漏破坏较多。
4、水压力过大
山区特殊的地形地貌、气候特征和环境特点使得山区成为暴雨多发区和高值区，暴雨具有强度大、历时短、雨量集中等特点。当洪水来临时，河流水位暴涨暴落，水流速度非常大。水流通过涵洞时，洪水超标，涵洞内的水压力变大，不断的冲击、撞击管壁，引起涵管壁破裂，造成涵洞水毁。另一方面，由于洪水巨大的冲刷、侵蚀作用，涵洞外水压力急剧增大，使得涵管外壁承受巨大的水压力，当超过一定界限，造成涵洞洞身出现较大裂缝，更严重的可以使涵洞洞身断裂，使得涵洞整体破坏。
三、山区公路涵洞防护措施分析
从理论上讲涵洞的水流平面扩散要均匀、减小局部的最大单宽流量、改变铺砌末端水流的垂直流速分布等方面的可以有效的减小水流冲刷对涵洞的影响。为了验证理论分析的正确性，同时提出涵洞合理的防护消能方式，为工程实际服务，我们对涵洞出口铺砌的长度、挑坎的布置形式、抛石防护等几个方面进行了试验研究并得出如下结论。
1、增加涵洞后的铺砌长度
增加涵洞后的铺砌长度，可以减少冲刷坑对涵洞的威胁，减少涵洞破坏的几率。特别是当流量较大时，铺砌越长，对涵洞的防护效果越好，效果越明显。采用较短的铺砌时，出口处水流的流速较大，水流来不及向两侧扩散，水流的流速不均匀，造成局部冲深过大，而采用较长的铺砌时，水流在铺砌段内流速趋向于均匀流，因此垂裙处冲刷深度较为一致，对下游河床的冲刷深度也较小，最大冲刷点也距离垂裙较远，由此可以得到，加长铺砌，可以改变水流的流态和流速的垂直分布，因而减少冲刷深度，但铺砌不宜过长，铺砌过大将大大增加工程的造价。
2、设置不同级挑坎
采用挑坎消能防护的方式，变冲为淤，可以减少水流对垂裙处的直接冲刷深度，特别是挑坎后有一段铺砌时，防护消能的效果也较好。挑坎防护系一种构造物，来改变水流条件。它是紧靠涵洞加固段的末端变冲为淤的防护方法，通过设置一级、二级、三级挑坎来实现目的。
当采用挑坎时，可以改变水流的流态，减小底流的流速，逐步形成面流的流态，并且当在铺砌的末端再加一级挑坎时，可以进一步降低底部的流速，水流的上部流速更加增大，可以减少对垂裙后泥沙的直接冲刷。
在二级挑坎的后部，加铺一定长度的铺砌，消能的效果会更好，因为二级挑坎进一步消弱了水流的能量，其后加铺一段距离，可以使水流的流态更加稳定，减少局部最大流速的产生。
设置三级挑坎，可以使垂裙后部变冲为淤，但处理不当会在两侧产生水流回漩，反而会加大局部冲刷深度，此时可以采用降低河床加固标高的形式，即将河床铺砌加固面标高降低到下坎顶或上坎顶与河床面齐平时，可以取得较好的消能效果。
三级挑坎式消能方式泄洪能力强，但消能率低，水流流态差，有明显的回流现象，且横轴漩流的影响区域和流速值较大。波浪式消能方式消能率位于三级挑坎式和挑流式之间，存在横向分流、顶冲侧壁及回流现象，横轴漩流的影响范围和流速值最大，下游防冲效果最差，此方案有待进一步修改。挑流式消能方式消能率最大，横轴漩流的影响范围及流速值最小，水流流态比较好，防冲效果比较明显，优于其他两种消能方式，是一种比较好的消能防冲方式。
3、出口处抛石防护
抛石防护可以起到较好的防护效果，特别是采用较大的砾石、较长的铺砌长度铺砌垂裙后部时，冲刷坑的深度有较大的减少，其原因在于较大的砾石的起动流速较大，其起动需要较大的流速，同时它还可以调整垂直流速分布，使河床冲刷坑平、浅、长，避免底流使冲坑出现陡、深、短的情况;而且有助于水流的平面扩散，不使旁侧回漩，减小河床中部的冲刷坑深度，避免形成左右两个冲刷坑危及边坡的稳定。
四、结论
目前国内针对山区公路桥涵的水毁问题研究较少，而且不深入。一般性、原则性的规定较多而针对具体问题的研究较少。因而，为适应我国山区高速公路快速发展的实际需要，迫切需要进行山区高速公路桥涵抗水毁机理的研究。对山区高速公路桥涵抗水毁技术进行系统研究，合理进行山区高速公路沿线桥涵抗水毁设计，有针对性地采取预防措施，提出涵洞防护与加固的经济合理型式，从理论到技术措施建立一个相对完整的体系。对保障交通安全畅通，确保桥涵安全防洪，保证公路沿线人民生命财产安全，促进西部地区的经济、社会建设和可持续发展起着至关重要的作用;对山区公路涵洞的规划、抗水灾能力、养护皆具有十分重要的意义。
主要结论：从防护消能的机理角度认为：(1)通过小桥涵的流量一定时，铺砌的长度越长，冲刷深度越小，达到平衡冲刷的时间也越短;(2)采用挑坎的消能方式时，其消能的效果较好，采用三级挑坎的消能方式效果比一级挑坎的消能方式、二级挑坎挑坎的消能方式和不加挑坎的情形好，局部冲刷深度最小;(3)采用抛石防护的消能效果较好，较短的时间内就达到了冲刷平衡，并且冲刷的深度较小。
通过比较三种不同的消能方式认为：(1)三级挑坎式消能方式泄洪能力强，但消能率低，水流流态差，有明显的回流现象，且横轴漩流的影响区域和流速值较大;(2)波浪式消能方式消能率位于三级挑坎式和挑流式之间，存在横向分流和回流现象，横轴漩流的影响范围和流速值最大，下游防冲效果最差，此方案有待进一步完善;(3)挑流式消能方式消能率最大，横轴漩流的影响范围及流速值最小，水流流态比较好，防冲效果比较明显，优于其他两种消能方式，是一种比较好的消能防冲方式。挑流式消能方式消能率最大，横轴漩流的流速值最小，水流流态比较好，防冲效果比较明显是一种比较好的消能方式。建议山区有条件的地区在设计时尽量采用挑流式和抛石防护相结合的方式。
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