G30新疆果子沟段高速公路路基水毁研究

2018-11-01凌新鹏

现代交通技术 2018年5期

凌新鹏，叶伟

(新疆交通科学研究院，乌鲁木齐 830000)

“三山夹两盆”是新疆地区的特殊地理形态，因此该地区主要通道包含许多山区公路。由于山区气候变化无常，夏季雨水多，水毁病害多发生在夏季。新疆北部为温带大陆性半干旱气候，每年3月至6月气温升高，高山积聚的冰雪消融，季节性洪水时常发生；对于中低山区，高温、暴雨、洪水频发。基于新疆北部山区的气候特点，路基水毁病害在山区路段较为显著[1]。

多年来，由于资金限制，新疆地区对山区公路多采用过水路面的防洪处理手段，然而其效果并不理想，水毁灾害也愈发严重。对低等级及干线公路的水毁研究已有路基路面水毁评价、路基冲刷理论分析以及雪山融水对洪水的影响分析等，然而对高速公路的水毁防治分析研究较少。基于此，本文针对北疆山区高速公路水毁状况，对G30线赛里木湖-果子沟段(K4177-K4197)水毁问题进行具体调查，以探究相关成因和对策。

1 工程概况

本项目研究段落位于伊犁霍城县境内，自然区划为Ⅵ4b伊犁河谷副区，地貌属科古琴山脉中、低山区，公路走向沿果子沟河布设，研究段落相对高差约100 m。地层岩性为天山-兴安岭地层区(Ⅰ)，大部分地表被第四纪地层覆盖，并由洪积、冲积、风积形成的砾石、砂砾及亚砂土组成，地震动峰值加速度为0.20 g，地震动反应谱特征周期为0.45 s；项目区域内共有17条山沟水，均发源于伊犁河谷的北山沟，多年平均流量为34.23 m3/s，年径流总量为8.44亿m3，较大的山沟水有萨尔布拉克、果子沟、小西沟、大西沟、切得克苏、格干沟等6条，河源高程海拔多在1 500～3 000 m之间。

2 水毁病害分布与诱因分析

根据实地调查，2016年在G30线K4177-K4197(赛里木湖-果子沟沟口)段连霍高速公路中，连续多日的暴雨造成G30线果子沟路段35处公路水毁，如表1所示，为其中17处主要水毁段落灾害状况及诱因分析[2]。

根据上述水毁类型及原因分析，本研究段段落水毁类别主要为三类。第一类为路基挡墙损坏，第二类为路基冲刷水毁与路基边坡冲刷水毁，第三类为桥涵结构物冲毁。本文主要以第一、二类水毁形式为主要研究对象，对其进一步分析。

3 数据分析与计算

3.1 水毁段落概况

本文以路基水毁和挡墙水毁类别为例，选用4处典型河床断面进行分析，如图1所示为现场图，其中河槽泥沙平均粒径d=0.15 mm，E=0.66，河槽形态断面见图2。根据河床高程对河床坡度进行拟合，如表2所示。

(a) K4177+200处河床断面

(d) K4195+850处河床断面

(a) K4177+200处河槽形态断面

(b) K4188+200处河槽形态断面

(d) K4195+850处河槽形态断面

表2 河床坡度拟合

3.2 参照历史洪水位设计流量的推算

利用历史洪痕调查法[5]，计算河流的历史洪水设计流量。本研究在计算G30沿线洪水设计流量时，采用如下公式，计算结果如表3所示。

Q=AcVc+AtVt

(1)

(2)

(3)

式中，Q为历史洪水流量(m3/s)；AC和At分别为河槽、河滩过水面积；Vc和Vt分别为河槽、河滩平均流速(m/s)；nc和nt分别为河槽、河滩糙率；RC和Rt分别为河槽、河滩水力半径(m)，当宽深比大于10时，可用平均水深代替；I为水面比降(%)。

表3 G30沿线洪水设计流量

3.3 洪水冲刷计算

全国汇总64-1式适用于平原的次稳定河段、游荡性河段、半山区及山前区的变迁性河段和山区的稳定性河段的洪水冲刷计算[5]。

(4)

式中，hp为河道断面(即设计断面)一般冲刷后的最大水深(m)；qmax为冲刷停止时断面上最大单宽流量(m3/s)；Vx为冲止流速，即冲刷停止时的垂线平均流速(m/s)。

根据我国实测资料，冲刷停止时断面上最大单宽流量和冲止流速如式(5)和式(6)所示。

(5)

(6)

因此，式(4)基本形式为：

(7)

式中，b为修建防护构造物后，在设计洪水位时的水面宽度(m)；Qs为在b宽度范围内的流量(m3/s)，当压缩河道时不是设计流量；hmax为设计断面冲刷前的最大水深(m)；hj为设计断面冲刷前的平均水深(m)；dj为河床土的平均粒径(mm)；E为与含沙量ρ有关的系数，当ρ<1.0 kg/m3，E=0.46；1 kg/m3<ρ<10 kg/m3，E=0.66；ρ>10 kg/m3，E=0.86；含沙量ρ采用汛期月中最大含沙量的平均值，或者采用实际测定值；A为单宽流量集中系数。

式(7)中A由式(8)计算确定。

(8)

式中，B为造床流量时河段平均水面宽(m)；H为造床流量时的平均水深(m)。

G30高速公路用式(7)和式(8)计算洪水冲刷，对于单宽流量集中系数公式中的B和H采用调查时的河床断面宽度与洪水位最大深度进行计算，对于设计断面冲刷前平均水深hj，采用3～4处水深做算数平均计算；设计断面冲刷前的最大水深hmax采用现场调查的方法取得，最终计算结果如表4所示。

表4 本次洪水冲刷计算

3.4 百年一遇设计流量

对于百年一遇设计流量，本文采用推算系数进行计算，但对洪峰流量的选值采用两种计算方法进行比较，一种是根据实际洪水流量进行推算，即采用84.5 m3/s作为十年一遇的洪水流量进行推算；另一种是根据伊犁水文局历年记载洪峰流量，采用140 m3/s的十年一遇洪峰流量进行推算，相关资料如表5所示。对于洪水冲刷计算，用两种方式进行对比，最终采用最不利影响下的计算结果作为本次设计的基础冲刷深度参考值。

表5 伊犁水文勘察局果子沟流域预估洪峰流量

(1) 百年一遇设计流量计算

根据水文局提供的数据，以84.5 m3/s作为十年一遇的洪水流量进行推算，得出百年一遇洪水推算系数为：

n=251/84.5=2.970

通过试算法求出百年一遇洪水各个断面的最大洪水深度，结果如表6所示。

根据水文局提供的数据，以140 m3/s作为十年一遇的洪水流量进行推算，得出百年一遇洪水推算系数为：

n1=水文局百年一遇流量/水文局十年一遇流量=251/140=1.793

通过试算法求出百年一遇洪水时各个断面的最大洪水深度，结果如表7所示。

表6 百年一遇流量最大洪水位深度值1

表7 百年一遇流量最大洪水位深度值2

(2) 百年一遇洪水冲刷计算

① 冲刷计算公式一：

(9)

② 冲刷计算公式二：

包尔达柯夫一般冲刷公式[6]

(10)

式中，hp为一般冲刷停止后的垂线水深(m)；h为河道压缩前的护坡脚附近处的天然水深(m)；p为冲刷系数；Ω为未压缩的河道过水面积(m2)；Ω′为压缩后冲刷前的河道过水面积(m2)。

通过两种公式对冲刷深度进行计算，结果如表8、表9所示。通过采用参照历史洪水位设计流量的推算方法，得出上述4处水毁洪水设计流量，根据果子沟水文站提供的百年、五十年及十年历史洪水数据，以此次84.5 m3/s作为十年一遇洪水，推算出百年一遇洪水推算系数，从而计算出百年一遇洪水流量及最大洪水位深度值，得到百年一遇洪水冲刷最大深度。另外根据果子沟水文站十年一遇洪水流量140 m3/s进行第二组数据推算，数据二(140 m3/s)和数据一(84.5 m3/s)对比结果如下：百年一遇洪水流量计算结果相对较小，对应4处流量差值在60～90 m3/s之间；一般冲刷深度浅了0.4～0.52 m之间，冲刷下刷增加量小0.4～0.5 m之间。因此根据实际情况，采用数据一的计算结果，最终确定路基防护基础的埋置深度=2.39+1.02=3.41 m，考虑一定的安全系数建议设计基础埋深采用 3.6 m。

表8 百年一遇洪水冲刷计算1

注：河床一般冲刷下刷增量h100-10是指百年一遇洪水冲刷深度减去十年一遇洪水冲刷深度的差值。

表9 百年一遇洪水冲刷计算2

注：河床一般冲刷下刷增量h100-10是指百年一遇洪水冲刷深度减去十年一遇洪水冲刷深度的差值。

4 工程防治措施

4.1 挡土墙工程防护恢复

对于原挡土墙水毁或路基边坡冲毁严重路段，对挡墙进行重新设计，根据水文计算，对原挡墙基础埋深不足导致的冲毁进行修复；对于新建挡墙，此次采用挡土墙+钢筋笼於坝方案，如图3、图4所示。挡墙墙体及基础均采用C30块石混凝土，在河道底面铺外轮廓10 m×5.2 m钢筋笼，钢筋骨架长宽各1 m，内填筑C30块石混凝土，防止流水冲刷，达到稳定的作用。

图3 挡墙设计

图4 钢筋笼填筑

4.2 路基边坡恢复

对于窄河道路肩墙倒塌不利回填的边坡较陡段落，只压铅丝笼，防止冲刷，如图5所示。

图5 高路基修复

对塌方断面分层填筑砾类土，最底层铅丝笼中插入直径22 mm、高度1.5 m的钢筋，增加底层铅丝笼抗滑能力，铅丝笼尺寸采用1 m×1 m规格正方体；对于边坡坡脚冲毁的部分，沿坡脚压一至二层铅丝笼，并在河道边设置铅丝笼丁坝进行导流，方案设计见图6，路基坡脚底层铅丝笼设置宽度不小于3 m，每层铅丝笼之间插入直径22 mm钢筋，并保证钢筋分布在不同层内，增加整体稳定性，铅丝笼丁坝沿路基外侧设置长度15至20 m范围，高度为1 m，起到导流排水，防止冲刷的作用。