中巴公路盖孜河段水毁类型与防治工程优化设计*

罗文功 魏学利 陈宝成

（新疆维吾尔自治区交通规划勘察设计研究院，乌鲁木齐830006，中国）

0 引 言

中巴公路盖孜河段位于喀喇昆仑山脉山岭重丘区，公路全长约70 km（图1），全线沿盖孜河布设，地质构造复杂，海拔垂直落差大，公路最高处跨越海且缺少相关研究，本研究在实地踏勘和水毁资料整理分析的基础上，对中巴公路盖孜河段公路水毁类型和典型案例探讨分析，因地制宜开展水毁工点处防治结构优化设计，得出较优的防治方案，为本地区后续公路水毁防治工程给出指导和建议，可对新疆维吾尔自治区同类沿河公路的防治研究提供参考。拔高程3560 m，沿线冰川发育，季节性洪水显著。公路受地形、地质和气象水文等条件影响，促成多发型地质灾害，如泥石流、滑坡和洪水等，严重时甚至发生毁桥埋路、车毁人亡的重大安全事故（张学进，2013；李凌婧等，2014；朱颖彦等，2014；陆军等，2015；方成杰等，2016；魏学利等，2018）。

近年来国内对于工程地质灾害的研究成果较为丰富，涵盖泥石流、滑坡、崩塌、公路灾害等（廖丽萍等，2013a，2013b；张硕等，2017；何朝阳等，2018；刘兴荣等，2018）。对于新疆维吾尔自治区境内盖孜河流域地质灾害的研究呈增加趋势（胡进等，2013；刘杰等，2015；魏小佳等，2015；邓恩松等，2018a，2018b；罗文功等，2018；叶潇潇等，2018），但对于盖孜河水流侵蚀和公路水毁等方面的研究尚存在大面积空白，已成为当下中巴经济走廊灾害防治的重点之一。针对本区域公路水毁灾害典型频发

1 盖孜河段水毁灾情调查

中巴公路盖孜河段近年来数次实地踏勘和收集统计的资料中，以2015年群发性公路水毁灾害最为显著，涉及公路全线多处工点，水毁规模大，影响较深。盖孜河段2015年群发性水毁情况按照公路桩号区间统计如表1所示。

2 盖孜河段水毁类型与分布特征

2.1 公路沿线水毁类型

实地踏勘发现，中巴公路盖孜河段公路水毁类型鲜明，且具有典型性特征。根据沿线水毁的不同破坏形态，将各工点桩号区间的主要水毁类型进行划分和分析，如表2所示。

图1 中巴公路盖孜河段走势图Fig.1 Trend in the Gaizi river section of Sino-Pakistan Highway

表1 中巴公路盖孜河段公路水毁灾情统计表Table 1 Statistical table for water damage on roads in the Gaizi river section of Sino-Pakistan Highway

表2 中巴公路盖孜河段主要水毁类型Table 2 Main water damage types in the Gaizi river section of the Sino-Pakistan Highway

2.2 公路沿线水毁分布特征

中巴公路盖孜河段根据河道演化特征，可近似分为Ⅴ形河谷区和U形河谷区，通过河谷横断面宽度的段落区间划分，又可分为3种段落：峡谷段、窄谷段和宽谷段。盖孜河各河段特征及水毁灾害分布如表3所示。

峡谷段位于盖孜河上游，桩号区间为K1587＋000～K1618＋800，河道横断面形态整体呈Ⅴ形，河道深切。本段地形起伏，垂直落差大，河床较窄且比降较大，水流作用强烈，易造成堤岸防护结构基础冲刷破坏。由表3可看出，峡谷段水毁工点共计6处，水毁段落较为密集，本段以挡墙水毁为主，基础淘蚀严重。窄谷段位于盖孜河中游及中上游，桩号区间为K1563＋000～K1587＋000，路基和河床基准面落差大，河谷形态发生宽窄断面交替变化，窄谷段靠近下游一侧逐渐进入宽窄变换区，河道形态由Ⅴ形向U形过渡，河道水流量增加，水流破坏性增强。由表3可看出，窄谷段水毁工点数量共计10处，为全线水毁灾害最密集的段落，区间水毁灾害以丁坝和护坦冲刷破坏为主。宽谷段位于盖孜河下游，桩号区间为K1548＋600～K1563＋000，河床比降较缓，U型河床特征明显，盖孜河水势随着上游汇集作用逐渐增大，河道走向易受到外界和人为作用而变化，沿河公路路基受改道水流顶冲破坏较为严重。由表3可看出，宽谷段水毁工点处共计2处，单一水毁段绵延距离较长，该段以丁坝局部水毁和路基冲刷水毁为主。

根据表3还发现：3种河段中，宽谷段的水毁连续分布区间长度最长，窄谷段次之，峡谷段最短；盖孜河18处水毁工点中包含13处凹岸冲刷，仅有4处凸岸冲刷和1处顺直河段冲刷；18处水毁工点中，峡谷河段发生的灾害为5处，开阔河道为13处；盖孜河段发生水毁的桩号区间均为沿河公路，未见离河公路和跨河公路。以上现象表明：（1）盖孜河水势大小会影响公路水毁程度。（2）临河公路水流冲刷常发生在河道凹岸，易造成水毁；凸岸和顺直河道水毁冲刷较为少见，但在河流改道顶冲凸岸时，水毁程度也较为严重。（3）河道形态多由河谷地形决定，峡谷段大落差地形使河道发生深切侵蚀，河床比降增大，也加剧了水流对临河公路路基的侵蚀性；开阔河段水流汇集，水势提升了水流的携沙能力和冲淤破坏能力，即使在河道比降较为平缓的情况下，水流冲刷力度也十分显著，这也是开阔河段成为水毁发生工点的重要原因之一。（4）盖孜河段公路随着盖孜河河道形态的变化受到不同水流作用的影响，而非临河段公路受到河水及水流的作用极小，不易形成水毁规模。

表3 盖孜河各河段河流特征Table 3 River characteristics in various river sections of the Gaizi river

3 不同水毁类型道路防护试验及分析

中巴公路盖孜河段水毁类型多样，工点遍布公路沿线，根据水毁灾害工点开展缩尺模型试验。主要包括对应水毁类型的丁坝、挡墙、路基和组合型防护结构等水毁试验，模型几何缩尺比例约为1:110。

3.1 水力条件对防护结构破坏能力的影响

通过不同水力条件对多种防护类型进行冲刷模拟，各试验冲刷深度值如表4所示。

表4 不同水力条件下各模型试验的局部冲刷深度值hs（单位：cm）Table 4 Maximum scouring depth of each model test under different hydraulic conditions（unit：cm）

从表4中可以看出，不同水力条件对防护结构冲刷深度影响不同，局部冲刷深度与泥沙的粒径大小和启动流速相关。在一定范围内，防护结构局部冲刷深度与水流速的大小呈正比例关系，即：水动力条件强烈时，防护结构冲刷破坏也较大。

对模型试验数据进行整理分析，针对丁坝防护工程，通过无量纲多元回归得到丁坝局部冲刷深度公式。

式中：hs为冲刷稳定深度；h为坝头行进水深；LD为丁坝阻水长度，LD＝L sinα，其中L为丁坝长度；Fr为行进水流佛汝德数；m为边坡系数。

盖孜河水毁路段实地水流速可达3～8 m·s－1左右，不同河段水深不同，以2015年群发性水毁期间宽谷段常态水力条件（水流速5 m·s－1和水深3 m）为例，代入式（1）计算得到局部冲刷深度为2.796 m，以取整后3.0 m作为设计方案埋置深度要求。而当前多处丁坝及桥涵墩台结构不能满足基础最大埋深要求，实地防护工程破坏较为普遍，故除峡谷段极端水动力条件外均可按照计算方案中基础埋深不小于3.0 m进行实地结构埋置，以满足最大冲刷深度要求；介于峡谷段水流速大、下切侵蚀强烈，可采用深基础高挡墙或矶头坝搭配深基础挡墙方案进行针对性防护。

3.2 模型试验结果分析

经过模型试验模拟实地水毁防护工程冲刷过程，验证了各防护结构的防治特性、冲淤现象与实地现状相一致，同时验证了防护结构基础埋深对水毁破坏程度的影响，即：多数水毁灾害中防护结构破坏均是由于基础埋深不足造成的。试验中发现，深基础丁坝群、“挡墙＋护坦”组合结构和“丁坝群＋挡墙＋石笼”组合结构整体防护效果较好，实地防护中已有相类似防护工程可寻，防护方案较优。

丁坝局部冲刷深度无量纲公式适用于盖孜河河谷水流冲刷计算，经验证得知吻合性较好，可在疆内类似地区进行推广，试验所得成果可实地指导工程建设。盖孜河段公路常态水流段落可按照基础埋深不小于3.0 m进行实地丁坝及整体防护工程方案设计，桥梁墩台结构、新型丁坝结构及类似墩台结构可沿用丁坝局部冲刷深度计算。

中巴公路盖孜河段防护工程结构满足强度设计标准，破坏原因多为结构基础淘蚀和冲击破坏，其中以基础淘蚀破坏为主，根据模型试验结果和实地防护工程现状，推荐因地制宜采用针对性防护结构进行防治。盖孜河水流流速值分布区间跨度大，具体表现为：大落差山区可达6～8 m·s－1，山前平原区水流速为3～6 m·s－1，实地防护工程可按照设计方案基础埋置深度进行布置。当现存实地防护工程结构基础埋深不能满足水流最大冲刷深度时，推荐采用基础埋深不小于3.0 m的设计方案。实地水害严重路段可直接进行重新规划布设，水害程度较轻路段可在原防护结构基础上进行加固和再修复，须严格保证基础埋置深度，避免重复性水毁。

4 典型路段水毁防治设计措施

中巴公路盖孜河段水流冲刷作用强烈，沿河公路段已因地制宜进行了水毁防治结构布设，但由于受到水流长期冲刷，沿线防治结构多发生局部和整体破坏，工点处防治工程重复性水毁严重。根据工点处防护结构类型和现存的水毁隐患，对下述几处典型水毁工程做以下分析和优化设计。

4.1 挡墙水毁

本次选取的典型挡墙水毁区间为G314线K1603＋180～K1603＋870段，由于工点处河道狭窄，挡墙基础受水流冲刷作用明显，水毁程度较为严重，具备一定的典型性，故通过本工点来进行挡墙水毁防治工程的优化设计。

4.1.1 挡墙水毁优化方案

工点处原防治工程采用单一挡墙结构，由于水流冲刷强烈，挡墙基础被掏空，挡墙整体破坏严重。针对本段河道特征，应采用加固挡墙基础稳定性和增加基础埋深的措施进行防护，具体可采用表5中措施对原水毁工程进行优化。

表5 挡墙水毁优化方案Table 5 Water damage optimization program of retaining wall

4.1.2 优化方案防护工程设计与防治效果

工点处河流形态为峡谷深切型，河段水流速度较快、河床落差大，尤其在降雨量增加及水库泄洪期间易形成极大的水流冲刷作用，沿河段公路挡墙水毁隐患加重。

原防护方案为单一挡墙防护，现场挡墙局部破坏、路基开裂段较多，故优化方案采用路基回填压实、挡墙重建以及新增“矶头坝＋挡墙”防护组合结构等措施，对原挡墙水毁进行优化设计。矶头坝可配合路肩挡墙形成稳固的防治结构，从而规避单一挡墙冲刷破坏的情况。工点处挡墙水毁防治方案布置图前后比较见图2。

优化方案防护结构稳固可靠、优势明显，可规避原方案存在的水毁隐患，减少了重复水毁带来的工程开支，且优化结构布设方便灵活，在实际工程中已有案例可循，因此推荐采用“挡墙＋矶头坝”方案。挡墙水毁工点现场优化方案实施前后对照见图3。

4.2 “丁坝＋护坦＋挡墙”防护组合结构水毁

选取G314线K1563＋280～K1564＋165段为“丁坝＋护坦＋挡墙”典型水毁区间，由于工点处河床受水流下切侵蚀严重，部分已施工完成的丁坝及护坦结构被冲毁，工点处防护组合结构破坏较为严重，具备典型性水毁特征，故通过本工点来进行水毁防护组合结构的工程优化设计。

图2 挡墙水毁防治工程优化前后的布置方案对照（单位：cm）Fig.2 The comparison of layout schemes before and after optimization in retaining wall water damage prevention project（unit：cm）

图3 挡墙水毁优化方案实施前后概况对照Fig.3 Comparison of profile before and after implementation for the retaining wall water damage optimization program

4.2.1 “丁坝＋护坦＋挡墙”水毁优化方案

工点处原采用“丁坝＋护坦＋挡墙”防护组合结构，由于河道变迁造成河床冲刷作用加剧，导致防治结构因基础埋深不足，受到淘蚀破坏。针对以上水毁特征，应采用“丁坝＋护坦＋挡墙”防护组合结构的修复再加固措施，具体可按表6中进行优化。

表6 “丁坝＋护坦＋挡墙”水毁优化方案Table 6 “Spur Dike＋Apron＋Retaining Wall”water damage optimization plan

4.2.2 优化方案防护工程设计与防治效果

优化方案采用丁坝群加长、加密的措施，使丁坝群更加稳固，通过长丁坝发挥较大的挑流作用，减少顶冲和侧蚀的水流流速；护坦优化时将已破坏护坦进行拆除重建，增大结构埋深，局部破坏较轻的护坦可采取修复加固措施。上述丁坝及护坦的新建和再加固措施，共同保护路肩挡墙免受水流的直接冲刷，增加了“丁坝＋护坦＋挡墙”防护体系的水毁防治功效和抗破坏性能。

“丁坝＋护坦＋挡墙”防护组合结构防治效果较优，且能形成稳固的防治体系，故采用表7中优化方案对“丁坝＋护坦＋挡墙”体系进行设计，优化前后布置图比较见图4。

表7 路基水毁优化方案Table 7 The optimization plan of roadbed water damage

“丁坝＋护坦＋挡墙”的优化方案稳固可靠，可规避原方案的水毁淘蚀隐患，有效避免重复性水毁，在新疆维吾尔自治区河谷流域工程中已有大量实例，故采用“挡墙＋护坦＋丁坝”修复再加固优化方案。优化方案实施前后现场概况对照如图5所示。

4.3 路基水毁段

本次选取的典型路基水毁区间为G314线K1609＋700～K1610＋100段，由于工点段路基常受到泥石流破坏和临河侧水流的冲刷作用，路基水毁破坏严重，成为严重的路基水毁路段。故通过本工点来进行路基水毁防治工程的优化设计。

4.3.1 路基水毁优化方案

工点段原防护方案为临河侧单一护坡防护，泥石流冲淤破坏路面及公路边坡，且临河侧水流冲刷作用明显，多重作用下造成工点段路基大面积冲毁。针对以上水毁特点和实际公路走向特征，初步选择“改线＋设置桥涵结构物”方案和“改河＋设置护岸工程”两种方案。两种方案的详细优化措施详见表7。

4.3.2 优化方案防护工程设计与防治效果

图4 “丁坝＋护坦＋挡墙”防治工程优化前后布置方案对照（单位：cm）Fig.4 The comparison of the layout schemes before and after the optimization in the“Spur Dike＋Apron＋Retaining Wall”prevention project（unit：cm）

图5 “丁坝＋护坦＋挡墙”优化方案实施前后概况对照Fig.5 The comparison of profile before and after implementation for the“Spur Dike＋Apron＋Retaining Wall”optimization program

优化方案一采用“改线＋设置桥涵结构物”的形式，根据实地踏勘资料，将公路走向调整为远离河岸的方式（图6），对路线进行重新规划设计，使公路线路走向远离泥石流堆积扇缘和盖孜河堤岸，一定程度上有效地远离了水毁灾害源，此方法可在一定程度上规避泥石流和河流的双重水毁作用，极大减轻和减缓原防护工程水毁灾害。优化方案二采用“改河＋设置护岸工程”的形式，根据实地勘测采用人为变迁河道的方法（图6），进行工点处河道改移，并新建路基边坡防护工程体系，减小水流对公路路基的顶冲和侧蚀作用，可有效减小水流的路基冲刷作用，减弱和改善原防护工程的水毁程度。

经过两种优化方案的对照分析，发现方案二河流改道尤为困难，工程量大不易实施，且无法从根本上解决路基水毁灾害的发生；而方案一可根本上解决本段公路路基冲刷问题。路基水毁优化方案一实施前后现场对照见图7。

5 结 论

图6 工点处两种优化方案示意图Fig.6 Schematic diagram about two optimization schemes at worksite

图7 路基水毁优化方案实施前后对照图Fig.7 The comparison of profile before and after the implementation for the roadbed water damage optimization program

（1）中巴公路盖孜河段常见的水毁类型根据不同的地质地形条件，呈现不同的分布。峡谷路段以挡墙水毁、丁坝水毁为主，基础淘蚀严重；窄谷路段和宽谷路段以路基水毁、丁坝水毁及护坦等附属结构物水毁为主，破坏较为严重。盖孜河段公路水毁工点共计18处，均位于沿河段，且其中13处位于河道凹岸，仅5处位于凸岸或顺直段。沿线公路段落中峡谷段水毁工点共计6处，窄谷段水毁点为10处，宽谷段水毁点为2处。水毁受地质、水文和地形地貌共同影响，当河道地形狭窄、水流流速较快时，发生的灾害更为严重，段落水毁工点也较为密集。

（2）水毁防治工程应以“以防为主，防治结合”的原则，最大限度减少重复水毁造成的损害。盖孜河段水毁防护工程破坏以基础淘蚀破坏、防护结构局部破坏和路基边坡冲刷破坏为主，防护工程优化设计方案中，根据多个优化方案的适用条件、适用范围对照分析，因地制宜选取最为符合的水毁防护类型。

（3）挡墙水毁防护设计方案中，针对挡墙基础淘蚀破坏，增设矶头坝结构，保证基础埋深不小于3.0 m，可根据实际情况增大埋深；“丁坝＋护坦＋挡墙”水毁优化设计方案中，针对丁坝破坏，于原丁坝基础上进行再修复工作并缩短丁坝间距，丁坝埋深控制在3.5 m；路基水毁优化设计方案中，针对路基大面积冲刷和冲击塌陷，进行改河防护方案和改线方案对照分析，实际发现改线方案效果较好。实践证明，3种典型防护工程优化后的现状水毁防治性能良好，现场无明显破坏特征。