山西省桥涵水毁成因分析及防治措施研究

2018-02-14姬兵亮

山西交通科技 2018年6期

姬兵亮

（山西省交通科学研究院，山西太原 030006）

1 研究背景

复杂的水文地质状况、复杂的地理、地貌特征，加之复杂的气候天气特征造成山西省在常年干旱的同时又会出现短期强降雨造成短期洪涝灾害频发，而近年来世界气候异常又加剧这一现象的发生。

洪涝灾害对公路设施的损害巨大，洪水冲毁路基、涵洞、桥梁，造成公路阻断，损失惨重。根据历年桥梁检测统计资料显示，桥梁水毁已经是山西省桥梁损坏的主要原因。为此山西省相关部门立项专门研究，通过对在山西省范围内开展桥涵水毁调查，总结出桥涵水毁的主要类型、特征及主要影响因素，从设计、施工和管养等方面分析水毁成因，并据此提出防范对策。

2 山西省桥涵水毁主要原因分析[1]

从2014年3月开始至2016年10月，课题研究人员对山西省近年来的水毁桥涵资料进行收集和整理分析，并多次组织到大规模现场调查，调查区域基本覆盖全省，包括山西省运城市、晋城市、长治市、临汾市、吕梁市、大同市、晋中市、朔州市和忻州市，调查线路为县乡农村道路、国省干线和高速公路。调查对象包括水毁、水损桥梁涵洞重点调查和重点路线桥梁现场考察分析。通过查找历史资料，现场调查，分析其水毁特征、类型及原因，目的是为了进一步分析总结山西省桥涵水毁原因，进而找到科学合理的防治方法和对策，为桥梁建设及运营维护提供科学决策依据，保证公路运输的畅通和安全运营，减少公路桥涵水毁带来的各种损失。

2.1 低等级公路桥涵水毁原因分析

调查组前往古交市、娄烦县、晋源区、清徐县、杏花岭区、左权、寿阳、灵石、介休、平遥、垣曲、长治县、平陆县、芮城等区县进行调查，通过询问市县交通运输局管理人员及其他相关人员，现场桥梁检测等方式调研。通过调查，发现低等级公路桥梁存在抗洪灾能力不足的问题，归纳总结如下。

2.1.1 桥梁长度及跨径小

很多县、乡、村道桥梁由于历史、造价控制等原因桥长设计过小，排洪能力不足，引道侵入河滩甚至河槽（图1），在洪灾时洪水会冲毁路基引道（图2），严重的导致桥梁损毁；桥梁孔径小（图3），桥墩占用河道，排洪能力不足，影响输沙，造成桥孔淤塞、桥前雍水，基础冲刷，冲毁桥梁墩台，冲断桥梁结构（图4）。

图1 桥梁引道侵入河槽

图2 洪水冲毁引道

图3 桥梁孔径偏小，影响行洪

图4 桥孔小导致损毁

2.1.2 桥梁基础腐蚀、冲刷、掏空

山西省县乡道桥梁大多修建于90年代之前，由于节省投资的考虑，桥墩基础很多采用圬工结构。在长期的使用过程中石材风化腐蚀、掉块脱皮，灰缝脱落，基础冲刷掏空等，而这些问题很多没有得到及时的维护修缮，导致桥墩的抗冲刷、抗倾覆能力不足，在洪水作用下，会出现两种形式的破坏，冲淘导致的桥墩坍塌和水流及漂浮物产生的横向力导致桥墩倾倒坍塌。见图5及图6所示。

图5 桥梁基础冲刷掏空、局部沉降

图6 桥台冲淘塌陷，桥面板断裂

2.1.3 防护不足

由于原设计考虑不足或在后期运营中损坏导致很多桥梁涵洞防护不足，在常规的小洪流下，这些小桥涵尚能应付，但在大及特大洪水中，这些桥梁涵洞可能由于防护不足导致冲刷破坏甚至坍塌。

调查发现很多桥涵八字墙、护坡由于水流冲刷，地基沉降等原因开裂、移位、倾斜，甚至出现坍塌。而出现问题后没有及时得到修缮，存在隐患，在遭遇大洪水时，这些地方会成为薄弱区，在洪水的冲淘下可能会导致桥头引道掏空、损毁，甚至导致桥梁坍塌。

部分桥下河道设置有防洪堤等导水设施，同样由于水流冲刷，地基沉降等原因开裂、移位、倾斜，甚至出现坍塌，而出现问题后没有及时得到修缮，在遭遇大洪水时，这些地方会成为薄弱区，会造成河水在冲毁导水设施后直接冲刷桥头引道，导致桥头引道掏空、损毁，甚至导致桥梁坍塌。

图7 防洪堤残缺

2.1.4 桥下河道淤塞

河道淤积、倾倒垃圾、杂草树木滋生是山西省河道的典型和普遍问题，而桥下河道由于其位置特殊性尤为突出，这些问题的存在均会大幅降低桥下过水能力，进而导致桥梁水毁，图8所示。

图8 桥梁淤积堵塞

大部分桥梁会存在程度不一的河道淤积问题，这是山西省中小河流的特性，短期难以改变。近段时期由于退耕还林等原因山西省内植被覆盖情况好转，河道淤积问题相比以往有减轻的趋势。

相当一部分的桥下河道堵塞问题由人为引起，村镇附近的桥下倾倒垃圾普遍存在，很多桥梁部分桥孔完全被垃圾堵死，丧失过水能力。个别桥梁桥下建设固定建筑物，严重影响河道行洪。甚至个别桥梁的堵塞问题是由施工不完善引起，如古交梁庄小桥上部结构采用土牛法施工，施工后没有将夯土完全清理干净，仅掏出一小洞供排水使用，留下很大的隐患。

杂草树木丛生又是山西省河道的典型特点，山西省干旱少雨，绝大部分河流为季节性河流，很多河流在平时无水流，河道滩地日久杂草树木滋生疯长，甚至被开垦为农田及林地，遭遇洪水时会阻滞上游漂浮物形成拦水坝效应，雍水加重造成水害。

总之，桥下河道堵塞是影响桥梁行洪的重大问题，山西省大部分地区干旱少雨，这些问题存在短期没有对桥梁造成恶劣影响。然而，气候异常，降雨的分布极不均匀，长期内大降雨、大洪水的概率很大，必须对这一问题加以重视，桥下堵塞的清理、疏通，河道的整治，河道农田林地、建筑清理，河道功能的回归复原显得非常必要。

2.2 高等级公路桥涵水毁原因分析

课题组结合桥梁检测工作前往霍永高速、太长高速、平榆高速、晋焦高速、河运高速、山平高速、灵山高速、高陵高速、太佳高速、侯马翼城高速等高速公路开展高等级高速公路桥涵水毁调查工作。调查发现，由于高速公路桥梁设计标准高，近年来高速公路没有因洪灾坍塌的桥梁，高速公路桥梁存在水毁的主要为基础的冲刷和锥坡、护坡水毁。

2.2.1 墩台基础冲刷

山西省有大面积的黄土沟壑区域，土质松软，植被覆盖差，坡面陡峭。许多桥梁为跨沟桥，经过一段时间的雨水冲刷后，一方面边坡极易产生滑坡、崩塌等地质灾害，在桩周形成较厚的堆积层，对桥墩及桩基不平衡堆载，形成巨大的推力和滑移力，严重影响桥梁的安全。另一方面桩基出现了不同程度的冲淘，造成桩基的埋置深度减小，承载力降低，桥梁桩基础的安全使用存在严重隐患。见图9所示。

图9 桥梁基础冲刷

2.2.2 锥坡冲刷

山西省地质条件复杂，加之桥梁设计、施工管理、后期管理养护水平等因素造成部分桥梁锥坡护坡设施存在严重的病害，主要存在几种：严重的沉降，整体或部分滑坡，冲刷掏空，砌体破损塌陷等，造成锥护坡对桥梁保护功能部分或全部失效，威胁桥梁安全，见图10。

图10 桥梁锥坡冲刷垮塌

2.3 山西省桥涵水毁原因综合分析

根据山西省桥涵水毁现状和调查结果统计，将山西省水毁原因分析总结如下。

2.3.1 自然原因

a）山西省山区的地形、地貌及地质条件复杂，很多桥梁因为选址困难设置在不稳定河段，容易产生桥涵水毁现象。

b）洪水流量大，很多河流流域面积较大，大雨、暴雨天气时洪水流量大。如左权县2016年7月19日水灾事件，洪水基本为百年一遇或超越百年一遇，而此次被冲毁桥梁均为低等级公路桥梁，设计洪水频率低，在本次洪灾中出现水毁垮塌也属正常。

c）洪水出现迂回冲刷，冲毁路堤、引道，进而导致桥台损毁。

d）暴雨引发的地质灾害如滑坡、泥石流等次生灾害造成桥梁的淤塞，漂浮物冲击桥梁，导致桥梁失效或破坏。

e）生态环境破坏恶化，水土流失，植被覆盖不足，造成流域内蓄洪能力不足，河道流量异常增大。

2.3.2 设计原因

a）部分桥梁特别是县乡村道桥梁由于历史原因、造价控制等原因桥长设计过小，排洪能力不足；桥孔设计过小，排洪与输沙能力不足，长期作用造成桥孔被泥沙淤塞，暴雨洪水时泄水不及造成桥前雍水，基础严重冲刷掏空，桥梁墩台冲毁，桥梁结构破坏失效，设计标准过低是造成低等级公路桥涵水毁的主要原因之一。

b）桥位设计不合理，对桥址处水文、地质和水力信息缺乏掌握，研究深入不够，造成洪水时桥梁异常冲刷。

c）桥梁基础结构型式选择不当，如大部分老旧桥梁采用扩大基础，埋置深度不够，易造成冲刷掏空；很多桥梁没有设置调治构造物或设置不当。

d）很多桥梁上、下部结构均采用圬工结构（圬工拱桥），抗侧推能力低，洪水携带漂浮物撞击、水流冲击等产生的巨大推力桥侧导致桥梁侧翻坍塌。

e）桥台锥坡或挡墙抗冲刷能力低，发生坍塌，引道被冲失大量填土，造成桥台背的引道或桥台倒塌。

2.3.3 管养原因

a）护坡、锥坡、调治构造物等防护工程不坚固或防护不到位，甚至部分桥梁没有有效的防护设施。

b）施工质量差，后期缺乏管理养护。很多桥梁长期得不到养护，墩身存在严重的砌缝脱落、剥落、漏筋、破损等病害，基础存在冲刷、掏空、沉降、倾斜等病害，这些病害的存在均是桥梁水毁的诱因甚至是关键因素。

c）山西常年干旱少雨，大部分河流为季节性河流，很多桥下河滩被人为占用，被开垦为农田林地，甚至建造永久性建筑，设置采砂场、垃圾倾倒场，这些存在均会堵塞河道，破坏了河道平衡状态，抬高水位。

d）山西省植被覆盖情况较差，部分区域河道淤积情况严重，河道过洪能力降低。

3 山西省桥涵水毁防治措施[2]

3.1 设计及施工方面

a）适当提高桥涵抗洪设计洪水频率。公路工程技术标准对于不同等级的公路桥梁涵洞给出了设计洪水频率。对于高等级公路来讲，是基本合适的。然而，对于低等级公路来讲，桥涵的设计洪水频率过低，水毁损失是极为惨重的，道路恢复时间漫长，需要的经费巨大，由于养护经费的短缺，道路的恢复存在极大困难。因此，可适当提高低等级公路桥涵的设计洪水频率，可提高低等级公路保通能力，另外可节省运营期间养护成本，更可节省水毁后的重建成本。

b）认真考虑地质、地貌、水文和水力因素，选择最优桥位和桥涵方案。

c）合理选择下部结构形式，建于河道冲刷范围内、地质条件较差的小桥涵应逐步弃用圬工形式的下部结构形式，优先采用桩基础等深基础和钢筋混凝土墩柱；条件合适选择圬工结构时应保证足够的埋置深度和抗洪水冲击倾覆性。

d）根据河流漂浮物的特点结合下部结构形式设计可靠的的防护设施如调治构造物、护墩体、锥护坡等，根据实际需要齐全设置，不得压缩项目和工程规模。

e）小桥涵选位、孔径、进出口形式以及加固消能措施等方面是防治小桥涵水毁的关键，应进行合理设计。

f）开展黄土地区桥涵冲刷及水毁机理研究，对该地区桥梁防护系统深入研究，为桥涵建设提供科学而有效的依据，提高公路桥涵设计水平，提高桥梁抗灾性。

g）施工时严格按照设计及相关要求进行施工，并根据现场地质地貌、水文等实际情况联合各部门进行适当调整，做到桥涵、引道及其附属防护工程均满足相关要求。

3.2 桥梁养护管理方面

公路桥涵养护管理工作必须贯彻“预防为主，防治结合，防重于抢”的方针。按照要求进行桥梁检查工作，及时对存在抗洪能力不足的桥涵进行整治和修复，清理疏通河道确保通畅排洪，对桥涵墩台基础进行必要的养护和加固，对防护设施和调制构造物进行修复和改建优化，恢复桥梁各项功能，达到控制降低水毁损失、减少桥涵水毁的目的。