摘要：涵洞作為公路的主要排水設施之一，作為公路排水系統的出水口，其在公路排水系統中具有極其的作用，在山區公路防排水系統中顯得尤為重要。在山區公路的水毀中，涵洞的水毀占有很大的比例，并且破壞形式也多種多樣，影響因素眾多。因此針對山區公路涵洞水毀機理進行分析，提出合理有效的涵洞防護措施，對提高涵洞的抗水災能力和山區公路的服務水平是十分必要的。
關鍵詞：山區涵洞;結構形式;水毀因素;防護措施
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
中圖分類號：U449 文獻標識碼：A 文章編號：
我們國家西部地區地勢起伏較大，山川縱橫，地域遼闊，氣候水文地質條件復雜多變，自然災害發生頻繁，給人民群眾的生命財產和當地的經濟建設造成了巨大損失。與此同時也對橋梁、涵洞、隧道、公路等交通基礎設施的正常運行造成了嚴重的威脅，特別是洪災對公路涵洞等的危害尤為突出，公路、橋梁、涵洞等交通設施在每年汛期因洪水造成水毀的直接經濟損失就達數十億元人民幣。
涵洞是公路綜合排水系統中重要的橫向排水構造物，其排水和輸沙抗淤能力直接影響到橋涵以及路基的安全穩定。所以開展山區公路涵洞水毀機理研究及提出必要的防護措施具有十分重要的意義。
一、山區公路涵洞的常用結構形式
涵洞按自身構造形式不同可分為管涵、蓋板涵、拱涵和箱涵。各類型又可有不同材料構成多種類型的涵洞。山區公路涵洞的常用結構形式如下：
1、石蓋板涵
石蓋板涵除了具有石拱涵能就地取材、結構堅固、造價低、工程費用少等特點外;還具有建筑高度小、對地基條件要求不高、施工簡便、易于修復等特點。但其力學性能較差，一般僅適用于跨徑小于2m的涵洞。
2、鋼筋混凝土板涵
鋼筋混凝土蓋板涵是無石料地區常采用的一種形式，根據施工方法不同還可分為現場澆注和預制裝配兩種。預制裝配式具有不受氣候條件影響、工期短節省模板等優點，適用于橋涵分布集中并有運輸及吊裝條件的公路。現場澆注式整體性能好，施工不需要運輸及吊裝設備、施工簡便，適用于分散或改建的單個涵洞，以及不具備運輸條件及吊裝條件的公路。
3、鋼筋混凝土箱涵
箱涵是一種整體閉合式鋼筋混凝土薄壁框架結構，具有良好的整體性能和抗震性能。由于施工較復雜、造價高，一般用于軟土地基和高等級公路。常用跨徑為2m、2.5m、3m、4m、5m。壁厚一般為22cm~35cm，內壁四個折角出一般做成45°的斜面。
二、涵洞水毀成因分析
在山區公路的水毀中，涵洞的水毀占有很大的比例，并且破壞形式也多種多樣，影響因素眾多。造成涵洞水毀的原因主要有沖刷作用、淤積、滲漏及水壓力過大等幾個方面。
1、沖刷作用
在調查中發現，山區公路涵洞水毀主要是由沖刷作用造成的，破壞形式主要有以下兩類：
1)進出口沖刷破壞
山區公路所面臨的山谷一般都有較陡的坡度，從山谷中下泄的水流流經涵洞時，涵洞孔徑通常對天然河床都有較大的壓縮，致使進口斷面的流速中間較大，兩側較小，而水流進入進口斷面以前，整個水流斷面的流速都較大，這樣會對涵洞的進口處兩側產生較大沖擊力和沖刷作用。洪水來臨時，涵洞的進口處的沖刷作用更加強烈，極易造成進口被沖刷破壞，就可能導致整個涵洞被沖毀。即使涵洞進口沒有被水毀，遭受沖刷后防滲能力就會大幅下降，水流會深入涵洞洞身外圍的巖土體，路基巖土體在下滲水流的入滲和潛蝕作用下，強烈急劇下降，造成涵洞整體破壞，如果水流繼續發展，最終可能將路基沖毀。
2)淘空破壞
(l)基底淘空
當水流由自然河床流至涵洞入口時，由于河床底粗糙程度的變化、截水墻等原因，引起水流流速的變化，水流在這些部位周圍以強烈的渦流形式沖刷自然河床面泥沙，產生沖刷坑，最終淘空基底而危及涵洞結構的穩定。涵洞的進、出水口處和容易受到水流直接撞擊的部位，由于防護設施和導流設施設計標準低，或者布置不合理，極易造成基底淘空，進而引起涵洞水毀。
(2)臺背淘空
臺背淘空是指涵洞臺背回填部分受到來自河流、邊坡坡面水的沖刷作用，造成回填材料流失而引起的結構物暴露、失穩破壞的現象。涵洞由于位置布設不合理或者防護措施不夠，進口處翼墻或端墻直接承受洪水迎面沖擊，導致臺背填土淘空、垮塌，造成翼墻或端墻出現大裂縫或傾斜，危及涵洞安全。另外，涵洞出口段設計長度不足，擴散角太大而引起回流對翼墻淘刷，使得翼墻填土被淘空，導致翼墻傾斜、斷裂、沖垮，從而影響涵洞的穩定性。
2、淤積
山區是多泥沙河流，善沖善淤，涵洞淤積現象嚴重。在自然情況下，河道水流驅使床面泥沙運動，泥沙運動后的床面又影響水流結構，河流總處于不斷變化和發展過程中。當涵洞修建后，涵洞位置處產生奎水，該處因斷面縮窄、流速增大而產生沖刷，大量泥沙在涵洞及其防護構造物的阻擋作用下，在其周圍劇烈渦旋沉淀后形成淤積，從而影響水流的順暢通過，并對涵洞整體造成威脅。另外，山區降水量大，降雨季節比較集中，洪水來臨時，由于洪水流速快，沿途沖刷挾帶泥沙或漂浮物能力大，使河床抬高，堵塞涵洞口，使涵洞過水斷面減小，涵洞側面受力過大，導致結構物的破壞，引起涵洞水毀。調查發現，淤積產生的原因主要有涵洞位置處排水不暢，匯水區上游山坡陡峻、河溝縱坡大，河水泥沙含量大等。另外，由洪水引發的滑坡、泥石流等自然災害破壞力巨大，攜帶大量泥砂和樹枝，堵塞涵洞洞口，水流無法通過，從而將下游路基整體摧毀。淤積造成的涵洞破壞。
3、滲漏
滲漏是山區公路涵洞常見病害之一，如果不加重視，必將影響涵洞的結構穩定性、耐久性、外觀質量以及臺背路基的穩定性等。涵洞的滲漏方式主要有以下三種形式：
1)由內到外
這種形式常見于壓力涵洞或半壓力涵洞。由于洪水超標，涵洞內水壓力過大和涵洞連接縫止水老化，易使防水層破裂或脫落。這類涵洞通過的水位較高，當水通過涵洞洞壁滲入路基后，導致路基填土的含水量增大，強度相應降低，結果產生不均勻沉降，嚴重的還會造成涵洞兩側及洞口邊坡路基失穩。長期這樣使混凝土內鋼筋受到侵蝕，引起涵洞結構性破壞。
2)由外到內
這種形式通常由于涵洞周圍填土不密實或未設截水環，在高水頭差的作用下，水流沿涵洞臺身或頂部由外到內滲漏，形成集中滲漏，長期這樣甚至會侵蝕混凝上板內鋼筋，導致混凝土剝落，嚴重的會引起涵洞結構性破壞。
3)涵洞鋪砌冒水
這種形式常見于基底地下水豐富，地下水位較高時，特別是降暴雨后。如果涵洞鋪砌冒水會帶走鋪砌下面的地基土，淘空基底，影響涵洞的穩定。調查中發現，山區公路涵洞滲漏破壞較多。
4、水壓力過大
山區特殊的地形地貌、氣候特征和環境特點使得山區成為暴雨多發區和高值區，暴雨具有強度大、歷時短、雨量集中等特點。當洪水來臨時，河流水位暴漲暴落，水流速度非常大。水流通過涵洞時，洪水超標，涵洞內的水壓力變大，不斷的沖擊、撞擊管壁，引起涵管壁破裂，造成涵洞水毀。另一方面，由于洪水巨大的沖刷、侵蝕作用，涵洞外水壓力急劇增大，使得涵管外壁承受巨大的水壓力，當超過一定界限，造成涵洞洞身出現較大裂縫，更嚴重的可以使涵洞洞身斷裂，使得涵洞整體破壞。
三、山區公路涵洞防護措施分析
從理論上講涵洞的水流平面擴散要均勻、減小局部的最大單寬流量、改變鋪砌末端水流的垂直流速分布等方面的可以有效的減小水流沖刷對涵洞的影響。為了驗證理論分析的正確性，同時提出涵洞合理的防護消能方式，為工程實際服務，我們對涵洞出口鋪砌的長度、挑坎的布置形式、拋石防護等幾個方面進行了試驗研究并得出如下結論。
1、增加涵洞后的鋪砌長度
增加涵洞后的鋪砌長度，可以減少沖刷坑對涵洞的威脅，減少涵洞破壞的幾率。特別是當流量較大時，鋪砌越長，對涵洞的防護效果越好，效果越明顯。采用較短的鋪砌時，出口處水流的流速較大，水流來不及向兩側擴散，水流的流速不均勻，造成局部沖深過大，而采用較長的鋪砌時，水流在鋪砌段內流速趨向于均勻流，因此垂裙處沖刷深度較為一致，對下游河床的沖刷深度也較小，最大沖刷點也距離垂裙較遠，由此可以得到，加長鋪砌，可以改變水流的流態和流速的垂直分布，因而減少沖刷深度，但鋪砌不宜過長，鋪砌過大將大大增加工程的造價。
2、設置不同級挑坎
采用挑坎消能防護的方式，變沖為淤，可以減少水流對垂裙處的直接沖刷深度，特別是挑坎后有一段鋪砌時，防護消能的效果也較好。挑坎防護系一種構造物，來改變水流條件。它是緊靠涵洞加固段的末端變沖為淤的防護方法，通過設置一級、二級、三級挑坎來實現目的。
當采用挑坎時，可以改變水流的流態，減小底流的流速，逐步形成面流的流態，并且當在鋪砌的末端再加一級挑坎時，可以進一步降低底部的流速，水流的上部流速更加增大，可以減少對垂裙后泥沙的直接沖刷。
在二級挑坎的后部，加鋪一定長度的鋪砌，消能的效果會更好，因為二級挑坎進一步消弱了水流的能量，其后加鋪一段距離，可以使水流的流態更加穩定，減少局部最大流速的產生。
設置三級挑坎，可以使垂裙后部變沖為淤，但處理不當會在兩側產生水流回漩，反而會加大局部沖刷深度，此時可以采用降低河床加固標高的形式，即將河床鋪砌加固面標高降低到下坎頂或上坎頂與河床面齊平時，可以取得較好的消能效果。
三級挑坎式消能方式泄洪能力強，但消能率低，水流流態差，有明顯的回流現象，且橫軸漩流的影響區域和流速值較大。波浪式消能方式消能率位于三級挑坎式和挑流式之間，存在橫向分流、頂沖側壁及回流現象，橫軸漩流的影響范圍和流速值最大，下游防沖效果最差，此方案有待進一步修改。挑流式消能方式消能率最大，橫軸漩流的影響范圍及流速值最小，水流流態比較好，防沖效果比較明顯，優于其他兩種消能方式，是一種比較好的消能防沖方式。
3、出口處拋石防護
拋石防護可以起到較好的防護效果，特別是采用較大的礫石、較長的鋪砌長度鋪砌垂裙后部時，沖刷坑的深度有較大的減少，其原因在于較大的礫石的起動流速較大，其起動需要較大的流速，同時它還可以調整垂直流速分布，使河床沖刷坑平、淺、長，避免底流使沖坑出現陡、深、短的情況;而且有助于水流的平面擴散，不使旁側回漩，減小河床中部的沖刷坑深度，避免形成左右兩個沖刷坑危及邊坡的穩定。
四、結論
目前國內針對山區公路橋涵的水毀問題研究較少，而且不深入。一般性、原則性的規定較多而針對具體問題的研究較少。因而，為適應我國山區高速公路快速發展的實際需要，迫切需要進行山區高速公路橋涵抗水毀機理的研究。對山區高速公路橋涵抗水毀技術進行系統研究，合理進行山區高速公路沿線橋涵抗水毀設計，有針對性地采取預防措施，提出涵洞防護與加固的經濟合理型式，從理論到技術措施建立一個相對完整的體系。對保障交通安全暢通，確保橋涵安全防洪，保證公路沿線人民生命財產安全，促進西部地區的經濟、社會建設和可持續發展起著至關重要的作用;對山區公路涵洞的規劃、抗水災能力、養護皆具有十分重要的意義。
主要結論：從防護消能的機理角度認為：(1)通過小橋涵的流量一定時，鋪砌的長度越長，沖刷深度越小，達到平衡沖刷的時間也越短;(2)采用挑坎的消能方式時，其消能的效果較好，采用三級挑坎的消能方式效果比一級挑坎的消能方式、二級挑坎挑坎的消能方式和不加挑坎的情形好，局部沖刷深度最小;(3)采用拋石防護的消能效果較好，較短的時間內就達到了沖刷平衡，并且沖刷的深度較小。
通過比較三種不同的消能方式認為：(1)三級挑坎式消能方式泄洪能力強，但消能率低，水流流態差，有明顯的回流現象，且橫軸漩流的影響區域和流速值較大;(2)波浪式消能方式消能率位于三級挑坎式和挑流式之間，存在橫向分流和回流現象，橫軸漩流的影響范圍和流速值最大，下游防沖效果最差，此方案有待進一步完善;(3)挑流式消能方式消能率最大，橫軸漩流的影響范圍及流速值最小，水流流態比較好，防沖效果比較明顯，優于其他兩種消能方式，是一種比較好的消能防沖方式。挑流式消能方式消能率最大，橫軸漩流的流速值最小，水流流態比較好，防沖效果比較明顯是一種比較好的消能方式。建議山區有條件的地區在設計時盡量采用挑流式和拋石防護相結合的方式。
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