青海东部黄土区公路涵洞病害特征及成因分析

赵永虎，米维军，孙润东，屈耀辉，武小鹏

(1. 中铁西北科学研究院有限公司,甘肃 兰州 730000; 2. 青海省冻土与环境工程重点实验室，青海 格尔木 816000; 3. 青海省交通科学研究院, 青海 西宁 810000)

青海东部黄土区公路涵洞病害特征及成因分析

赵永虎1,2，米维军1，孙润东3，屈耀辉1，武小鹏1

(1. 中铁西北科学研究院有限公司,甘肃 兰州 730000; 2. 青海省冻土与环境工程重点实验室，青海 格尔木 816000; 3. 青海省交通科学研究院, 青海 西宁 810000)

为探究黄土地区高速公路涵洞的病害特征及其成因，对青海东部黄土地区4条高速公路的涵洞病害进行了现场调查和室内分析。研究结果表明，黄土地区高速公路涵洞病害类型主要有涵洞下沉、基础开裂、护锥翼墙沉降开裂或倾斜错位、涵节错位或填缝脱落、内部积水淤塞、进出口积水淤塞、涵背填土塌陷、涵顶路面开裂等8类。根据各类型病害的发育程度，首次将病害分为一般、严重和很严重3个等级，有助于客观、准确、快捷的评价涵洞病害实际发育程度。黄土地区涵洞病害的主要成因有涵洞地基处理措施不当、涵洞周边微地貌改造不合理、对路涵过渡段填土处理不当、对已有严重和很严重涵洞病害修补不及时等。对涵洞病害防治应从“地基处理为主、防排水为辅”逐步向“防排水为主、地基处理为辅”的理念改变。

涵洞；高速公路；黄土；现场调查；病害特征；成因分析

0 引言

涵洞作为高速公路跨越沟谷、河流、人工渠道以及排除路基内侧边沟水流的构造物，是高速公路的重要组成部分。目前，针对涵洞构造物及其地基的设计理论与施工技术方面还不够完全成熟[1-2]，导致涵洞在运营一定时期后出现各种病害，对涵洞的排水或通行功能造成一定影响。尤其是在西北黄土地区，由于黄土特殊的物理力学性质及复杂地质条件等因素的影响，导致黄土区涵洞病害不断发生，甚至严重影响高速公路的正常运营[3]，因此，很多科研人员对黄土地区涵洞病害的调研、防治等方面开展了一定的工作，如张卫兵等[3]对西部地区高填路堤涵洞病害机理进行了分析，并提出了针对性措施。李彦武[4]将黄土地区涵洞的主要病害类型归纳为基础下沉、冲刷、涵洞淤积、冲毁及溯源侵蚀等5类。赵建斌等[5]探讨了黄土地区涵洞病害的基本特征，并结合黄土地区特有的地质特征以及设计、施工等因素对病害成因进行了分析。这些研究成果为涵洞病害的成因分析及其防治措施提供了理论指导，但是仍对涵洞病害类型总结并不全面，对涵洞病害发育程度与病害类型之间的关联性未做分析，对黄土地区涵洞病害成因的认识有待进一步深入。

鉴于此，本文在对青海东部黄土地区涵洞病害现场充分调研的基础上，较为全面地将涵洞病害类型总结为8类，依据各自病害类型的发育特征创造性地将涵洞病害的发育程度划分为一般、严重、很严重3个病害等级，据此综合评价现场调查的高速公路的病害发育情况，并对黄土地区高速公路涵洞病害成因进行了分析，以便为黄土地区高速公路涵洞设计、施工及其病害勘察、防治提供理论指导和科学依据。

1 涵洞病害类型及其发育程度系统分类

1.1涵洞调查概况

青海东部分布着较多的黄土，大部分呈Ⅱ级或Ⅲ级自重湿陷性[6]，多条高速公路修建时不可避免的将路基建于湿陷性黄土之上，因此，在后期运营中出现了诸如涵顶路面开裂、涵洞下沉等病害。针对高速公路涵洞病害发育的广泛性和地域性特征，首先对位于青海省东部黄土地区的多条高速公路涵洞病害进行了初步调查，在普查的基础上，最终确定了涵洞病害较为严重的4条高速公路的重点路段进行详细调查，即兰州-西宁高速公路(以下简称兰西高速公路)老鸭村至平安段、平安-阿岱高速公路(以下简称平阿高速公路)平安至古城段、西宁-互助一级公路(以下简称宁互一级公路)、西宁至湟源高速公路(以下简称西湟高速公路)。共调查累计里程约96.1 km，各类涵洞408道，其中出现病害的涵洞有379道，对每一道涵洞的病害类型、病害特征及其发育程度进行了详细调查，并在室内进行统计分析。

1.2涵洞病害类型

为了对公路涵洞病害做定性分析和定量统计分析，参考已有文献并结合工程经验[5,7]，对涵洞病害类型总结为8类，分别为涵洞下沉、基础开裂、护锥翼墙沉降开裂或倾斜错位、涵节错位或填缝脱落、内部积水淤塞、进出口积水淤塞、涵背填土塌陷、涵顶路面开裂。其中对涵洞下沉可细分为涵洞整体下沉和弧形下沉2类，对基础开裂可分为横向开裂和纵向开裂。这些病害类型基本涵盖了涵洞的不同部位所发生的各种病害，适用于盖板涵、箱涵、管涵、拱涵等各类涵洞，有利于在现场对涵洞病害快速调查，准确、全面地记录涵洞病害特征，为涵洞病害调查和统计提供详细的记录资料。

1.3涵洞病害发育程度系统分类

以往在涵洞病害现场调查研究中多关心常见的病害类型及其发育数量，并未对涵洞病害的发育程度进行定量统计研究，本文参考《公路涵洞设计细则》(JTGTD65-04-2007)[8]、《公路工程地质勘察规范》(JTG_C20-2011)[9]和《公路桥涵地基与基础设计规范》(JTGD63-2007)[10]，基于现场调查在充分总结不同病害类型的典型特征的基础上，创造性地将涵洞病害类型与其发育程度关联起来，形成了涵洞病害类型系统分类表(表1)，从中可以看出，将每一类涵洞病害类型分为一般、严重、很严重3个等级，不同等级对应涵洞病害的不同发育状况，这样，就可以很明显地在现场将涵洞实际病害发育情况进行记录，从而更为客观、准确、快捷的评价涵洞病害实际发育程度，为室内准确评价高速公路涵洞病害发育情况提供了理论参考。

表1 涵洞病害类型及其发育程度系统分类表Table 1 The systematic classification of culvert disease type and its development degree

2 涵洞病害特征

涵洞病害特征总体上包括涵洞病害发育的主要类型及其发育程度2个方面，对青海东部黄土地区4条高速公路涵洞病害调查情况汇总见表2，从表2中可以看出，调研的4条高速公路涵洞病害率都在85%以上，其中兰西高速公路的涵洞病害率高达95.3%，由此说明黄土地区高速公路涵洞的病害率确实很高。对比发现，不同高速公路的病害类型及其病害率也有所不同，兰西高速公路出现较多的病害类型是内部积水淤塞、涵顶路面开裂、进出口积水淤塞等，其病害率分别为67.3%、57.6%、55.6%；平阿高速公路出现较多的涵洞病害类型依次为翼墙或护锥沉降开裂或倾斜错位、内部积水淤塞、基础开裂等，其病害率分别为62.7%、43.1%、37.3%；宁互一级公路出现较多的涵洞病害类型为内部和进出口积水淤塞，病害率均为34.4%；西湟高速公路出现较多的病害类型是内部和进出口积水、涵顶路面开裂，病害率分别为80%、70%、66.7%。下面以兰西高速公路涵洞病害发育为例，对涵洞病害发育程度与高速公路之间的关系进行分析。

表3为兰西高速公路涵洞病害各类型发育的基本情况，从中可以看出，不同病害类型的发育程度各有不同，发育很严重的涵洞病害类型主要有内部积水和进出口积水，病害数量分别为9道和7道。发育严重的涵洞病害类型主要有内部积水淤塞、进出口积水淤塞、翼墙沉降开裂或倾斜错位等，各自的病害数量分别为51道、43道和19道。总体来看，涵洞病害发育一般的病害类型和数量在调研区段都占到绝大部分，是兰西高速公路的涵洞病害发育的主要群体。可见，涵洞周边防排水措施对涵洞病害发育具有重大影响，涵洞运营期间很多病害的形成与其防排水效果有密切联系。进一步分析发现，同一病害类型中发育程度为一般的病害数量是最多的，发育程度为很严重的病害数量是最少的。

表2 涵洞病害调查情况Table 2 The investigate situation of culvert disease

表3 兰西高速公路涵洞病害发育情况Table 3 Development degree of culvert diseaseof Lanzhou-Xining expressway

3 成因分析及防治对策

3.1成因分析

依据现场涵洞病害调查实际情况，并结合涵洞设计资料及其地质条件，对青海东部黄土地区高速公路涵洞病害的主要形成原因分析如下：

(1)黄土地区涵洞地基处理措施不当。黄土所特有的土性疏松、含大孔隙、易浸水湿陷等特殊性质，势必要求对黄土地区的涵洞地基进行特殊处理，方可保证涵洞在运营期不发生不均匀沉降或局部塌陷，因此，除采用换填、夯实等方式对黄土地基处理外，对具有湿陷性或湿陷性较强黄土路段地基可采用箱型基础、小范围桩基等方式进行特殊处理，以解决涵洞地基后期因湿陷而引起的整体或局部不均匀沉降。因黄土地基处理不当而造成的主要涵洞病害类型有基础开裂、涵节错位、翼墙或护锥沉降开裂或倾斜错位等。图1为平阿高速公路K5+300处的管涵因地基不均匀沉降出现的涵节错位情况，管涵进出口的3～4段涵节出现不均匀下沉，下沉量约在8～15 cm。

图1 涵节错位病害照片

(2)涵洞周边微地貌改造不合理。涵洞周边的微地形地貌直接影响到涵洞的排水功能，涵洞周边黄土斜坡变形、崩塌、滑坡等灾害可能会间接影响原有的排水路径，使泥土在涵洞内淤积，甚至直接封堵或改变涵洞的排水路径，尤其是处于平缓地形的涵洞，很容易在涵洞内或进出口形成淤积。因此，在设计及后期运营阶段，很有必要对涵洞周边微地貌进行合理改善，使涵洞保持顺畅的排水条件。图2为兰西高速公路K1761+600处的盖板涵完全积水和淤积的现场照片，涵洞处于较平缓的地形，距该涵洞不远处正在进行土方开挖施工，泥土随排水沟顺势而下，最终在涵洞进出口大量淤积，造成涵洞失去正常的排水功能(图3)。

图2 涵洞进出口积水病害照片

(3)对路基和涵洞过渡段填土处理不当。涵洞顶部路面出现的纵、横向裂缝除了基础下沉因素引起的外，主要是由于对路涵过渡段填土处理不当、填土的压实度不足、填土材料选择不佳、压实度不均匀等因素导致的，因此，在施工中特别重视路涵过渡段的处理，以确保路涵过渡段的均匀性和整体稳定性。路涵过渡段填土的合理处理对预防涵洞出现整体或局部沉降、涵顶开裂等病害起到重要作用。

(4)对已有严重病害修补不及时导致病害进一步急剧或恶化，造成病害类型的多样性。涵洞出现局部或整体下沉时，往往会伴随出现涵顶路面开裂、基础开裂、涵节错位或填缝脱落等病害，因此，在涵洞出现下沉的初期，就可采取措施加强涵洞地基强度和整体刚度，这样能避免涵洞出现其它病害。在后期运营中加大对涵洞病害的检查与维护，对出现多种病害的涵洞及病害发育程度为严重的涵洞进行及时修补和加固，以防止病害范围扩大或对行车造成更大的影响。图3为西湟高速公路K1862+550处的一道涵洞，调查中发现该涵洞进口处护锥已经完全被水冲蚀倾倒，一侧的斜坡坡脚因雨水长期浸湿而导致斜坡发生坍塌，涵洞进口处基础完全裸露于外界环境中，对该涵洞暂未做任何保护或维修措施。涵洞进口处的积水穿过地基后从出口处渗出，导致涵洞出口处的翼墙已经发生轻微的倾斜错位，因此，亟需对此涵洞采取合理措施进行修护。

图3 涵洞综合病害现场照片

3.2防治对策

在涵洞病害现场调研及其成因分析的基础上，对黄土地区高速公路涵洞病害的防治可采取如下对策：

(1)针对运营阶段出现的涵洞下沉、涵顶路面开裂、基础开裂、涵节错位等病害，首先应采取路面填补或裂缝灌浆等措施，以保证路面的平整度和行车安全。之后可对地基或基础采取局部灌浆加固措施，以确保涵洞地基不发生整体或局部的不均匀沉降。对于湿陷性等级为Ⅳ级或Ⅲ级地区的涵洞地基，为了从根本上消除或减轻因黄土湿陷性而引发涵洞出现上述病害，在设计阶段应加强地基处理，扩大地基处理面积，使涵洞地基土体特性明显改善，并根据涵洞周围地形、受力情况等采取合理的基础形式。

(2)对涵洞进出口和内部积水淤塞、护锥沉降开裂或倾斜错位等病害，多是由于涵洞防排水不到位而引发的，因此，针对这类病害，应及时清理涵洞内外部的积水或淤积物，并对涵洞周边微地貌或排水路径进行适当改善，保证涵洞处于排水顺畅的环境条件。在设计强湿陷性或中等湿陷性黄土地区的涵洞时，除对涵洞地基采取加强处理措施外，还应重视对涵洞周边防排水措施的优化设计，将涵洞与进出口排水沟平顺衔接，使涵洞最大可能发挥排水作用。而在弱湿陷性等级地区或年降雨量较多地区，尤其是涵洞周围为平缓地形时，应尽可能加强防排水措施的完善和优化，适当改善涵洞进出口的排水路径，尽量减轻或防止降雨、地表排水等对涵洞的影响。因此，在黄土地区对涵洞病害防治应从“地基处理为主、防排水为辅”向“防排水为主、地基处理为辅”的理念逐步改变。

4 结语

(1)黄土地区高速公路涵洞病害类型主要有涵洞下沉、基础开裂、护锥翼墙沉降开裂或倾斜错位、涵节错位或填缝脱落、内部积水淤塞、进出口积水淤塞、涵背填土塌陷、涵顶路面开裂等8类。

(2)根据各病害类型的发育程度，可将病害分为一般、严重和很严重3个等级，有助于在现场将涵洞实际病害发育情况进行记录，从而更为客观、准确、快捷的评价涵洞病害实际发育程度。

(3)黄土地区涵洞病害的主要成因有黄土地区涵洞地基处理措施不当、涵洞周边微地貌改造不合理、对路基和涵洞过渡段填土处理不当和对已有严重和很严重涵洞病害修补不及时等。

(4)对涵洞病害防治应从“地基处理为主、防排水为辅”逐步向“防排水为主、地基处理为辅”的理念改变。

[1] 娄奕红, 王秉勇. 涵洞顶填土压力的计算分析[J]. 岩土力学, 2003, 24(3): 475-478.

LOU Yihong, WANG Bingyong. Analysis of earth pressure on top of culverts[J]. Rock and Soil Mechanics, 2003, 24(3): 475-478.

[2] 杨锡武. 山区公路高填方涵洞土压力计算理论研究综述[J]. 重庆交通学院学报, 2005, 24(4): 55-61.

YANG Xiwu. Comprehension introduction about the earth pressure calculation theories for high embankment culverts in mountainous place[J]. Journal of Chongqing Jiaotong University, 2005, 24(4): 55-61.

[3] 张卫兵, 刘保健. 西部山区高填路堤涵洞病害及其防治对策[J]. 中外公路, 2007, 27(1): 35-39.

ZHANG Weibing, LIU Baojian. Disease mechanism and control method of culvert under high fill embankment in mountainous region of western[J]. Journal of China and Foreign Highway, 2007, 27(1): 35-39.

[4] 李彦武. 黄土地区公路路基病害分析与防治对策研究[D]. 西安：长安大学, 2001.

LI Yanwu. Study on technology of preventing and treating of the subgrade diseases in the loess area[D]. Xi′an：Chang′an University, 2001.

[5] 赵建斌, 李万乐, 申俊敏, 等. 黄土地区高速公路涵洞病害调查及分析[J]. 土木工程与管理学报, 2014, 31(1):24-28.

ZHAO Jianbin, LI Wanle, SHEN Junmin, et al. Investigation and analysis on diseases of expressway culvert in loess area[J]. Journal of Civil Engineering and Management, 2014, 31(1): 24-28.

[6] 吴燕开, 邱勇, 李永利. 西湟一级公路湿陷性黄土处理探讨[J]. 公路交通科技, 2004, 21(4): 28-32.

WU Yankai, QIU Yong, LI Yongli. Analysis of collapsible loess treatment for Xi-Huang highway[J]. Journal of Highway and Transportation Research and Development, 2004, 21(4): 28-32.

[7] 戴铁丁. 公路涵洞病害处治技术研究[D]. 西安: 长安大学, 2005.

DAI Tieding. Study of treatment technology of expressway culvert disease[D]. Xi′an: Chang′an University, 2005.

[8] JTG/T D65-04-2007, 公路涵洞设计细则[S]. 北京: 人民交通出版社, 2007.

JTG/T D65-04-2007, Guidelines for design of highway culvert[S]. Beijing: China Communications Press, 2007.

[9] JTGC20-2011, 公路工程地质勘察规范[S]. 北京: 人民交通出版社, 2011.

JTGC20-2011, Specifications for engineering geological investigation[S]. Beijing: China Communications Press, 2011.

[10] JTGD63-2007, 公路桥涵地基与基础设计规范[S]. 北京: 人民交通出版社, 2007.

JTGD63-2007, Code for design of ground base and foundation of highway bridges and culverts[S]. Beijing: China Communications Press, 2007.

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

青海省交通科技项目(2014-10)

赵永虎(1987-)，男，甘肃临夏人，工学硕士，工程师，主要从事黄土、冻土等特殊土工程病害勘察与试验方面的研究。

E-mail：zhaoyh2012@lzu.edu.cn