涵洞工程病害统计与成因分析

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一、概况

涵洞是一种引水和排水类构筑物设施，具有工程规模小、功能相对单一、结构形式简单、数量众多、与堤防结合紧密等特点。涵洞虽然规模相对较小，但有些建在重要堤防上，工程的安危直接关系到流域的防洪安全。目前尚无涵洞工程安全评估和鉴定的相关规程规范。统计涵洞病害发生的部位及要素，分析病害发生的原因，可为后续的涵洞合理设计提供参考，也可为规范涵洞安全评估提出依据，为涵洞的维修加固与持续健康运行提供可靠依据。

二、涵洞病害分类及统计

1.涵洞病害分类

由于运行环境、地形地质条件、结构形式以及设计施工和运行管理等因素影响，涵洞病害性状千差万别，但归纳病害因素，可分为六大类：

（1）工程质量方面的病害分为地基（处理）、混凝土、圬工结构、土方工程病害。如地基处理方案选择不合适或不良地质未进行地基处理等；混凝土工程的病害包括强度、抗渗、抗冻、碳化深度或氯离子渗透等级和保护层厚度不满足要求以及混凝土裂缝、剥蚀等病害；砌石工程的病害主要有胶结材料强度、砌体强度、砌体容重及孔隙率、密实度不满足要求以及砂浆勾缝开裂、块石剥落等病害；填土方面主要为涵身填土不密实及与混凝土建筑物结合面处理质量不满足规范要求等病害。

（2）防洪能力方面的病害主要指过流能力、消能防冲、启闭台高程及涵洞处堤防顶高程状况不满足规范要求。过流能力方面的病害包括原设计标准偏低、规范标准变更以及运行工况发生改变导致的过流能力不足等；消能防冲方面的病害包括消力池、海漫和防冲槽等结构尺寸不满足要求、破损及底板脱空、河床冲刷深度过大等。

（3）结构安全方面的病害主要为影响涵洞控制段、涵身、翼墙等部位的稳定、强度和变形等不满足规范要求。稳定包括抗滑稳定、抗倾覆稳定和地基承载力要求；强度包括配筋、结构裂缝与应力等；变形主要为沉降和沉降差。

（4）渗流安全方面的病害主要为底板下渗流破坏和侧壁接触渗流破坏，包括渗透稳定性不满足要求、防渗排水设施不完整和其他渗流异常现象。

（5）金属结构及电气设备方面病害主要为闸门腐蚀、锈蚀或者磨损，启闭机零部件磨损、变形、漏油及启闭力不满足要求，电源及电气设备可靠性、安全性等不满足要求。

（6）运行管理方面的病害包括管理机构不健全、人员及管理制度不满足规范要求、管理设施缺失、调度运行及观测不合理等方面。

2.病害统计

为分析涵洞工程的病害特征，以某大堤共45 座穿堤涵洞样本进行病害统计并进行分析和归类，见表1。以拱涵、箱涵为重点，在对不同类型涵洞开展病害调查、资料收集与现场检测的基础上，对所取的样本统计各涵洞出现的病害及其表现形式。

根据统计，可以发现病害要素主要表现为以下方面。（1）工程施工质量方面：部分涵洞洞身施工质量较差，砂浆和混凝土密实性较差；侧墙砌筑砂浆老化，因地基不均匀沉降产生裂缝；进出口翼墙砌石缺失，出现裂缝；启闭机梁混凝土老化脱落，钢筋出露；预制拱圈、钢筋混凝土闸门混凝土老化脱落，钢筋锈蚀出露。（2）防洪能力方面：进出口翼墙坍塌，淤塞渠道；涵身和消力池底板受冲刷损坏严重，大多圆管洞身短，对防洪不利。（3）结构安全方面：地基不均匀沉降现象较多，部分翼墙、洞身倾斜开裂；部分涵身存在通长裂缝。（4）金属结构方面：铁件普遍锈蚀；启闭机老化锈蚀，部分启闭机缺失。（5）渗流安全方面：涵身裂缝渗漏、防渗长度不满足设计要求。

三、病害成因分析

在上述检测检查以及统计分析数据的基础上，将涵洞的病害分为正常速度的老化病害和非正常速度的劣化病害。经过长期的研究总结，将涵洞病害的成因主要归纳为以下几个方面进行逐一分析。

1.规划设计

据统计，涵洞由于设计的不合理而发生病害的例子在工程实践中所占比重较大，尤其值得引起重视。由于对工程的重要性认识不足，常把复杂的问题简单化处理，或者在基础资料不全的情况下进行设计，这都会给工程造成重大安全隐患。水力设计时所取涵前水位或者过涵水位差不合理，往往会影响到涵洞断面尺寸的大小，直接造成涵洞过流能力不足或者洞内流态紊乱。

2.建设管理与施工质量

由于历史原因，早期建设的涵洞为了追求高速度和高数量，建设程序不规范。很多为“边勘察、边设计、边施工”的“三边”工程，有的工程没有经过验收就投入实际运行。由于人为因素影响大，质量保证体系不健全，工程建设质量难以保证。

很多涵洞限于当时的社会经济发展和科学技术水平，施工单位的施工工艺及水平不高，缺乏专业的施工队伍和施工设备，造成涵洞工程出现了混凝土强度不足、混凝土的蜂窝、麻面、孔洞多和连接部位止水质量差等问题，工程的施工质量难以得到保证。由于涵洞的建筑材料和筑堤材料不同，结合部位填土不密实以及预制管段安装时接头处理不当，涵洞周边发生接触渗流或渗径短路等现象。

表1 某大堤45 座涵洞病害统计表

3.环境与荷载

受所处环境的影响，涵洞的老化包含以下几类：混凝土的碳化、裂缝、侵蚀、冲刷及磨损破坏、冻融破坏、止水失效、闸门及启闭机的锈蚀、机电设备的损坏等。首先，对于钢筋混凝土来说，在周围介质和二氧化碳的影响下，其混凝土的碱度慢慢降低，也即碳化，因而会使混凝土对钢筋的保护作用减弱；而温度、塑性收缩等引起的裂缝以及沿海地区海水、海风中氯离子对钢筋的电化学作用都会加剧钢筋的锈蚀，从而降低混凝土结构的耐久性。其次，过涵水位差及单宽流量较大时，对下游消能防冲设施损坏较大，容易引起护坡冲毁、破损，消力池冲刷破坏等。另外，长时间露天情况下的工作环境也容易造成启闭设备的锈蚀、铸铁闸门的脆性断裂以及电气线路的破损。这些外部环境都会使涵洞的使用性能逐渐下降，随着时间的增长，性能下降愈甚，最终导致病害的发生。

对于未实行雨污分离的城市排涝站的穿堤涵洞，污水进入涵洞后，所含的酸、碱、盐及有机质，在微生物的作用下，生成腐蚀性强的酸性气体，带有腐蚀物的水汽极易侵入混凝土，发生由表及里的腐蚀，致使混凝土表层疏松破坏，局部腐蚀的钢筋膨胀，造成混凝土开裂剥落。恶劣的水环境严重削弱了混凝土结构耐久性，使得建筑物的使用寿命大大缩短。

对于埋设在具有交通要求的堤防下或者道路下的涵洞，受超设计标准的车辆荷载的影响和涵洞未达到设计强度就通过重型车辆，都会造成涵洞涵身出现结构性破坏或者沉降破坏。

4.运行管理

涵洞作为堤防的重要组成部分，通常不设专门的管理单位，而统一由工程所在处堤防的管理单位来管理。长期以来，受“重建轻管”的观念和倾向束缚，轻视工程维护管理的现象比较普遍，使得管理投入严重不足，工程的运行管理、维护等处于无标准、无定额、无稳定投入的不正常状态。

由于许多工程管理单位地处偏僻，生产生活条件艰苦，经济条件又没有吸引力，管理人才吸引不来或者是留不住。很多管理人员编制臃肿，人浮于事，单位缺少或者根本没有合格的技术人员，有些管理人员甚至搞不清楚所管工程的运行、设计及管理要求，只能起到看管的作用。另外，因为工程规模小，调度运行的方法说明甚少或者无调度运行方法，轻视的心理加上不专业的操作，也使得工程出现人为损坏。

四、结语

通过对某大堤45 座穿堤涵洞统计可以发现，病害主要发生在工程施工质量、防洪能力、结构、渗流、金属结构及电气设备和管理设施等六个方面。综合分析其原因，主要体现在：（1）前期规划设计不合理；（2）早期建设管理程序不规范、施工质量管控较差；（3）环境与荷载变化影响；（4）运行管理水平较落后等方面。合理规划设计，严格建管程序，保证施工质量，确保工程按设计工况运行，提高运行管理水平是保证涵洞安全运行的重要保障。通过统计涵洞病害发生类型，分析病害发生成因，可为后续的涵洞合理设计提供参考，也可为涵洞工程有针对性地进行安全评估提出依据■