公路水毁机理分析

韩文斌

(山西省交通规划勘察设计院，山西太原 030006)

1 概述

2009年～2012年是我省高速公路建设的高潮期，基本实现了每年建成1 000 km高速公路的宏伟目标。公路的设计和施工缺陷在这种快节奏的背景下，被大幅放大，加上气候(特别是降雨)的急剧变化，好多公路出现了不同程度的水毁现象，导致某些高速工程成为了崭新的补丁路，严重影响交通系统的社会形象，造成了财力、物力的较大浪费。

2 水毁概况

2.1 挖方边坡垮塌

挖方边坡垮塌主要发生在土质边坡和强～全风化的石质地段。

一方面受坡面水流冲刷影响，边坡土体颗粒被剥离母岩，在坡面上，形成一定规模的沟槽，沟槽的进一步发展，形成了更为顺畅的汇水通道，水流的冲刷能力也随之进一步加强，对坡面构成更大的冲刷。

另一方面，受降雨渗水影响，土的含水量增加，自重增大;同时土体软化，C值减小，土体粘结力减弱;加之人工开挖山体，打破了原有的边坡土体应力平衡状态，从而造成局部的边坡塌落，甚至整体垮塌。

2.2 填方边坡垮塌、开裂

在填方路段，受工期、降雨、填方地基、填料性质、填土高度、施工质量等因素影响，填方段在填筑完成后，存在不同程度的工后沉降。

填挖结合部一般设有排水沟或急流槽。受工期控制，在工后沉降尚未完成的情况下，截水沟、排水沟等均已施工完成，随着填挖结合部不均匀沉降的发展，导致浆砌排水沟、急流槽等产生断裂。雨季汇水从断裂处涌出，一方面，涌水优先掏蚀砌体底部较为柔软的填方土体，填挖结合部一旦冲毁，修补难度较大，施工成本较高。另一方面，急速汇水的溯源侵蚀进一步掏蚀断裂处以上砌体的底基，最终可能冲毁填方边坡，冲毁甚至致使路面开裂。

2.3 路基工后沉降

填方路段普遍在工后沉降。受工期、施工组织管理等因素影响，工后沉降较为普遍和严重，路基成型后，大变型沉降未完成就开始铺筑路面结构层，从而导致路面早期裂缝的产生。

2.4 冲毁农田

以往的设计习惯，为了排水需要，涵洞基本设置于沟心位置。如今，随着山川河流治理工程的深入，大部分冲沟都已经被整修为平坦的台阶地，沟心没有明显的汇水渠道，降雨直接下渗至土壤层。涵洞修筑完成后，路面，路基边坡等汇水通过急流槽汇流至涵洞，形成集中排水，造成涵洞下游农田冲毁，目前这种矛盾尤为突出。

2.5 冲毁被交路

受传统设计理念的束缚，大部分设计者重视高速公路本身的排水系统的设计，而忽略了被交路等线外工程的设计深度。线外排水设施未能形成系统或者存在较大的缺陷。被交道路受汇水冲刷，朔源侵蚀至通道口，继续掏蚀通道口砌体的地基土层，造成砌体悬空、坍塌。

2.6 人工堰塞湖

由于施工管理不到位，挖除的废方经常被随意堆放，如果堆积于沟谷中，堵塞水路，形成一道人工坝，遇到大雨将可能产生人工堰塞湖。随着湖内水位的升高，松散堆积的土体本身稳定性较差，在水的浸泡和水位压力综合作用下，很容易造成“溃坝”，最后可能演变为人工泥石流，其危害可见一斑。

2.7 砌体防护开裂垮塌

挡土墙、护面墙等支挡工程开裂主要有两方面的原因:1)砌体质量不合格。由于工期、单价、管理等因素影响，部分砌体存在厚度不足的情况。砂浆不饱满、砂浆强度不足、后期养护不到位等也影响砌体强度。2)砌体墙后的排水系统缺失，具体有碎石反滤层、防水土工布，甚至泄水孔在施工中被“省缺”或者施工不满足功能要求。边坡渗水在墙后汇聚富集，不能及时有效排出，墙对墙后岩土体浸泡，使其软化强度较低，随后导致松散，特别是遇见膨胀性岩土体，遇水膨胀，墙后应力增大，加之砌体强度不足，造成墙体开裂、鼓胀，甚至坍塌(见图1)。

有的岩土体泌水较慢，岩土体中的渗流速度有限，夏季、秋季的地表渗水，可能到了冬季还在不断从墙后渗出。北方冬季天气寒冷，大部分地区冰冻深度大于砌体厚度，墙后渗水容易冻结、膨胀，加之砌体靠岩土体表面普遍呈“楔形”状，冰体的“劈裂作用”明显，冻胀破坏显的尤为严重(见图2)。

图1 墙后渗水携带泥质挤出砌体

图2 岩层渗水冬季冻胀

3 原因分析

3.1 砌体强度问题

排水设施如边沟、排水沟、急流槽等，以浆砌片石为主。目前浆砌工程有两大质量问题:1)砂浆强度不够，砂浆水泥用量不足和后期养护不到位均会造成砂浆强度低下;2)砂浆不饱满，在排水设施等小型砌体工程中，偷工和减料较为常见，更有甚者，排水沟的砌筑只是简单的干砌片石，然后进行勾缝。如此一来，砌体的强度和耐久性不满足设计和使用要求。

3.2 地形未修整、汇水不流畅

截水沟、边沟、急流槽、排水沟等已经砌筑完成，外侧地形未做整修，地面标高低于排水设施，汇水不能顺利流入，而是在砌体外侧浸泡、冲刷砌体基底，造成地基下沉或者掏空、砌体断裂、排水设施土崩瓦解。

挖方平台平整度低或者排水坡度不够造成积水，浸泡土体边坡，导致自重增加，土体粘聚力急剧降低，造成边坡失稳。

3.3 淤积

排水设施淤积物来源主要有三个渠道:1)挖方边坡坡面的松散体;2)填方边坡宽填后未进行刷坡，压实度不够的宽填部分及外表面悬浮堆积体;3)汇水范围内的松散弃渣未进行防护固化。在集中降雨过程中，散粒被雨水携带，进入排水设施，在平缓处形成淤积，最终导致水流溢出排水设施，造成水毁。

另外农田中的秸秆杂草等也是造成边沟等堵塞的重要原因。

3.4 砌体基底沉降

我们比较重视填方路基本身的压实度，而对于附着在填方边坡表面的砌体基底的密实度往往忽略。由于基底下沉，急流槽、锥坡等排水防护工程开裂，汇水下渗，地基土在汇水溶蚀及重力的作用下，沉降加剧，进而导致砌体悬空甚至断裂。加上急流槽和锥坡的位置，地形坡度大，汇水流速快，冲刷能力强，可能一场暴雨即可造成路基局部冲毁。

填挖结合部本身就是路基稳定性的薄弱环节。在设计和施工过程中，填挖路段的不均匀沉降本身就是一个难点，一旦填挖结合部冲毁，想要一次性修复，十分困难。首先，由于冲刷形成的沟槽坡度大，填料本身的稳定性很难保障;其次填料与挖方土体，特别是与填方土体的结合问题更是一个难点，且范围狭小不利于机械碾压作业。

3.5 水对路面结构层的破坏

填方段在工后沉降的影响下，经常出现路面产生裂缝，雨水顺着裂缝灌入路面结构层，加速了路面结构层的破坏。主要破坏机理如下:在高速行驶的汽车轮胎的冲击下，路面结构层的变形释放于相对狭小的裂缝部位，瞬时传递到裂缝内的水体，水体瞬时压力陡增，这种压力反作用于裂缝断面两侧集料表面，对其造成冲击，使得部分颗粒脱离散落(需要较长时间的反复作用)，裂缝继续发育扩大。

随着裂缝的扩大，缝隙中散粒含量的增多，在轮胎反复冲击作用下，散粒会随着被挤压的液体一起运动，对接触面的集料造成更大的冲击破坏和磨耗。最后的发展方向将是，路面结构层细集料不断被磨耗，各结构层强度降低，在上部荷载作用下单向裂缝发展为放射状的裂缝群，导致龟裂、松散等后期破坏。

如果这种作用发生在路面底基层之下，将首先表现为挤泥，进而路面结构层被掏空，最后发生路面沉陷、断裂。

4 改进措施

4.1 在设计环节要周详考虑

设计理念需要改变，以往的本位主义思想要坚决改变。设计不能只考虑高速公路本身的或者当下的排水需要，要从长远的、系统的、全面的考虑排水系统的总体设计。

遇到长大段落边沟，下游尺寸需要验算。

涵洞、通道的排水设施不能止步于涵洞口，要为水流找到归宿。

4.2 加强施工组织管理，保证工程质量

工程质量要从其功能性和耐久性出发进行施工的监管和验收。主要从三方面着手:

1)砌体本身或者主体的质量问题。从原材料质量抽检、工序工艺控制、后期养护监督抓起。2)附属设施不能被省缺，主要包括防渗土工布、墙后或盲沟底部碎石排水层、泄水孔等、施工缝、沉降缝填料。3)排水设施施工完成后，对周围地形整修回填，综合考虑美观、汇流和冲刷，一般横坡按1%控制，有条件的可以进行压实、绿化或者硬化。

4.3 填方段工后沉降问题

施工组织中，填方段应优先施工，主要有两个优点:一是贯通局部或者全段路基，有利于材料运输;二是路基早日成型，尽早完成工后沉降。

填方路基完成后，边坡排水防护及路面设施不要急于施工。雨季可在坡面铺设一层塑料布，起到临时排水防护的作用。根据经验，经过大约1年的自然沉降，大的沉降变形基本可以完成，然后整修边坡浮土，修筑排水防护设施，铺筑路面。这样可以大大减少砌体开裂和路面早期裂缝的产生。

4.4 砌体地基处理

一般情况下，砌体自重小，要求承载力低，砌体地基无需处理。但考虑到排水设施的系统性，且又不增加太多成本，建议砌体施工前，对原地基进行人工压实。

4.5 养护管理

加强巡查，路面裂缝、砌体裂缝、沟渠淤积早期病害一经发现，早日处理。“千里之堤、溃于蚁穴”，我们不要因为“蚁穴”太小而疏于防大患。

5 结语

水毁现象既是天灾，也是人祸。天灾不可绝，人祸可以断。我们可以通过科学合理的设计系统、完善的排水方案，加强工程质量监管等提高排水系统的功能性;通过及时有效的日常养护，保证排水系统的长效性。

排水系统为公路的免疫系统，为公路的长期、健康运营保驾护航。