山西省高速公路水毁发育特征与成因分析

陈 毅

（山西省交通科技研发有限公司 黄土地区公路建设与养护技术交通行业重点实验室，山西 太原 030032）

0 引言

截至2019年底，山西省累计通车运营的高速公路里程突破5 700 km，高速公路路网已经初具规模，受限于区内地形条件的限制和黄土特殊工程性质的影响，每年因水毁造成的直接经济损失高达数亿元，严重制约着高速公路的经济收益和运营品质的提升。

公路水毁作为一种常见病害，其定义和范畴因研究对象和发育规模的不同而略有差别：广义上，公路沿线的交通基础设施由于水的作用和影响而导致的破坏或损毁均属于公路水毁的范畴[1]；狭义上，公路水毁则特指公路因河流洪水、暴雨山洪等因素引起的结构物严重破坏的现象[2]。结合实际情况和已有的调研结果来看，山西省运营高速公路的水毁更符合广义范畴的描述，即高速公路的既有结构物和人为改造的地质体受水的作用而产生的各种破坏现象和发育过程。由此可知，公路水毁的表现形式也因水的作用形式和损毁对象之间的组合而衍生出不同的类别。

公路水毁的分类判别作为灾害防治的基础，对水毁灾害成因的精准分析和高效处治有着重要的指导意义。在之前的研究和工程实践中[3-4]，公路水毁类别划分的依据主要有公路承灾体单元、致灾因子、发育规模以及经济损失等。J Doyle等[5]整理分析了华盛顿某景区道路二十余年的水毁资料，评价了洪水对公路结构物和路基的影响；G Keller等[6]则对公路结构物受水毁的影响程度提出了相应的评估方法，并对公路的水毁预防和控制所采取工程措施的适用性进行了讨论；蒋焕章[7]结合公路承灾体单元和暴雨、洪水的作用形式对公路水毁进行了分类，适用于水文条件复杂、水毁灾害后果严重的南方地区；高冬光[8]依据公路承灾体单元和水的作用形式，通过公路和桥梁水毁实例的调查总结归纳了10种主要的公路水毁类型；李家春[2]等综合考虑公路承灾体、致灾因子和孕灾环境的影响，将公路暴雨洪水灾害划分为11个类型，并提出了针对性较强的公路水毁命名方法。综上所述，在公路水毁调研阶段，以公路承灾体单元为划分依据的水毁分类方法可以较为直观且系统地反映出各类水毁灾害的发育特征和影响因素。

由于环境因素和地质条件的影响，公路水毁的发育程度和成因机理具有明显的区域特征，也直接影响着工程处治措施的合理性和适用性。目前，关于山西省运营高速公路水毁发育特征的研究和文献报道较为有限，因此，笔者在山西省运营高速公路水毁实地调研工作的基础上，总结归纳常见的水毁类型，并对其成因机理进行分析，以期为山西省高速公路的运营管理决策和养护设计施工提供参考。

1 水毁现状调研与分类

1.1 调研路段概况

本次调研涵盖12个运营公司管辖的27条高速路段，结合山西省运营高速的分布现状与区内主要的地形地貌特点以及山西省黄土工程地质分区[9]，将此次调研路段分为以下5个区域：

a）晋西北区，代表路段为S40灵河高速和G1812沧榆高速忻保段，该区位于黄土高原边缘区域，属黄土丘陵沟壑区，年平均降雨量约500 mm，地层主要为风积形成的Q3黄土，下伏新近系的红层，湿陷性黄土沉积厚度较浅，一般小于8.0 m，土体湿陷程度中等。

b）晋西区，代表路段为S70霍永高速，该区位于吕梁山脉中部，属黄土丘陵沟壑区，年平均降雨量500～600 mm，地层以风积形成的Q3和Q2黄土为主，偶有Q1黄土出露，湿陷性黄土沉积厚度一般大于10.0 m，土体湿陷程度强烈。

c）晋南区，该区位于运城盆地，区内地势较为平坦，年平均降雨量大于600 mm，地层以风积形成的Q4黄土和Q3黄土为主，湿陷性黄土沉积厚度介于8.0～10.0 m之间，土体湿陷程度中等。

d）桑干河、汾河流域区，该区位于山西省中部，区内水系发达，地势较为平坦，湿陷性黄土地层厚度介于8.0～15.0 m之间，年平均降雨量由北向南逐渐递增，因此又分为3个亚区：第一亚区位于北部的大同盆地和朔州盆地，以风积形成的Q4和Q3黄土为主，代表性路段为S45天黎高速和S36广源高速；第二亚区位于忻定盆地和太原盆地，以风积形成的Q4黄土为主，代表路段为G5京昆高速太祁段；第三亚区位于临汾盆地，以风积形成的Q3黄土和Q2黄土为主，代表路段为G22青兰高速临吉段。

e）晋东南区，代表路段为G2516东吕高速平榆段和S80陵侯高速，该区位于太行山南麓，属山岭重丘区，年平均降雨量大于600 mm，湿陷性黄土零星分布，土体湿陷程度中等。

1.2 水毁风险等级评估方法

为方便野外记录和识别，本次调研依据《自然灾害综合风险公路承灾体普查技术指南》，采用定性指标对水毁灾害的风险等级进行评价，分为高、较高、中和低4级，如表1所示。定性评价指标包括水毁灾害的发育程度和水毁灾害的危害程度两类，其中水毁灾害的发育程度根据公路承灾体的破损程度和变形特征分为4个等级，水毁灾害的危害程度根据路段的交通量、灾害可能导致的后果以及维修的难易程度分为3个等级，分别如表2和表3所示。

表1 水毁灾害风险等级分级

表2 水毁灾害发育程度分级说明

表3 水毁灾害危害程度分级说明

1.3 水毁发育特征与分类

1.3.1 路堤水毁

路堤水毁指填方路堤在水流渗透、冲刷等作用下形成坡面侵蚀、沉陷或滑动的现象。填方路堤的土体压实度较大，抗冲蚀能力强，且坡面多采用开放（植被防护）与半开放（拱圈植被防护）的防护措施，因此，坡面冲蚀病害的影响程度较为有限，不影响路堤的稳定性。路堤水毁的主要表现形式为路线穿越原地形黄土冲沟出口处的路堤沉降变形和沿河路段的倾斜变形。通常在路面可观察到明显的裂缝，其中，位于黄土冲沟处的路面发育有弧形的裂缝，沉降范围大致与沟口宽度相同，沿河路段的裂缝则较为顺直，沿路线走向发育，如图1所示。这类水毁病害的成因与水流的渗透潜蚀以及地基土体的浸水软化有关，对路堤的整体稳定性构成了严重的威胁，且具有持续发育的有利条件，可能导致路堤的整体滑塌，影响后果极为严重。

图1 路堤水毁灾害特征示意图

1.3.2 路堑边坡水毁

路堑边坡为人为开挖改造而成，由于黄土强烈的水敏性和粉粒为主的特性，黄土边坡在水流的冲刷作用下极易形成细沟侵蚀、浅层滑塌等病害。这类水毁病害最为常见，流失或滑塌的土体通常会造成道路排水设施的淤堵或者损毁，使排水设施功能丧失，进而诱发水流入渗引起的路面沉降等其他水毁病害。此外，当路堑边坡采用全封闭的喷混凝土防护或者圬工防护时，在集中降雨期间极易形成防护砌体的整体滑动和崩塌，对行车安全构成了较为严重的威胁。这类水毁灾害的成因与水流的冲刷侵蚀、孔隙水压力变化以及土体力学性质的变化有关，通常会诱发坡体的崩塌滑动、排水设施破损等次生病害。典型的路堑边坡水毁灾害如图2所示。

图2 路堑水毁病害

1.3.3 涵洞水毁

涵洞作为公路工程中一种重要的排水设施，最易受到水流作用的影响。在此次调研中发现，涵洞水毁病害的发育特征受地形因素的影响较为明显。

在平原微丘区，受地形高程条件限制，地表水流排泄受阻，经常造成涵洞排水不畅和积水的现象（图3），涵洞内部的积水入渗地基土体时会导致地基承载力降低，容易诱发涵洞结构物的不均匀沉降等病害。在冬季，涵洞内部积水的冻结和消融对洞身混凝土或浆砌片石材料造成不利的影响，降低材料的耐久性，进而导致结构物的破损。

图3 涵洞积水

在山岭重丘区，涵洞水毁病害以水流冲刷破坏为主（图4）。尤其在涵洞下游出口处，水流流速较大，携带的泥沙、块石等对出口处的地面防护具有较强的冲击，在突发的集中降雨期间导致结构物破损，进而对原地面的土体掏底冲刷，形成侵蚀基准面，造成洞身结构物的破损和坍塌等病害。

图4 涵洞出口处的冲刷水毁病害

1.3.4 桥梁水毁

受降水条件的限制，山西省高速公路桥梁极少存在暴雨或洪水直接冲毁桥梁的现象。桥梁水毁灾害主要的发育特征为桥梁底部原地面的冲刷、桥梁桩基外露和桥墩的偏压等，如图5所示。这类水毁灾害的形成是桥梁排水设施不完善与黄土易冲蚀性质的共同作用结果，在黄土丘陵沟壑区较为发育。

图5 桥梁泄水孔对原地面的冲刷与桥台部位的水毁灾害

当排水沟设置长度不足或排水沟出口处于原地面形成较大高差时，桥梁的锥坡部位极易受到水流冲刷的影响而产生损毁，在水流的冲刷和渗透作用下，桥台底部附近的回填土体严重流失，形成较大的湿陷坑洞，对桥台的稳定性造成不利的影响。当桥梁的泄水孔不设置排水管时，桥面汇集的水流就会对桥梁下部的原地面产生直接的冲刷，这种冲刷作用由于较高的落差具有极强的冲击力，常在原地面形成大范围的坑洞，导致桩基外露或桥墩的偏压受力，影响桥梁的稳定性。

1.3.5 附属设施水毁

公路附属设施的水毁主要表现为排水设施受水流冲刷作用的损毁，进而诱发路基掏底冲蚀、边坡滑塌以及支挡结构的变形失稳现象，是高速公路较为常见的水毁病害之一（图6、图7）。其成因与排水设施的线型设计、施工质量以及抗冲刷防护措施的设置不当有关。当多条排水设施存在汇集点时，该部位通常是水毁灾害的易发点，排水设施一旦损毁，就形成了侵蚀基准面，在进一步的水流冲刷作用下，形成路堤或者边坡的溯源侵蚀现象。

图6 排水沟损毁诱发的水毁病害

图7 边沟与支挡设施的水毁病害

1.4 调研结果统计

本次调研共记录水毁灾害227处，统计结果如图8所示。由图8可知，在各类型水毁灾害中，附属设施水毁是高速公路水毁灾害发生最多的类型，占比达到42.3%，其次为路堑边坡的水毁，占比28.6%，桥梁水毁数量最少。其中，附属设施的水毁多为排水构造物的破损或者毁坏，对路基稳定性的影响较为有限，风险等级较低，一般可通过日常的巡检和维修养护予以解决，但排水设施的损毁会导致路面和路基的径流无法有效排导，进而诱发更为严重的次生灾害，因此应当重视排水构造物的日常巡检和维护工作，尤其是边坡截排水沟的健康状况。路堑边坡水毁主要以坡面冲刷和浅层溜坍为主，对行车安全的威胁较小，但坡面防护砌体的坍塌则可能造成较为严重的安全事故。值得说明的是，在此次调研中发现，植被防护的路堑边坡产生水毁的数量远低于封闭式护面路堑，因此，条件允许时，应考虑坡面防护形式的调整或优化。从调研路段的分区方面来看，晋西区的水毁数量最多，这与该区域内沟壑纵横的地形地貌条件以及黄土强烈的水敏性质有关。晋南区和汾河、桑干河流域区地势较为平坦，水毁总数为78处，且均为中低风险等级，与之相比，其余3个区域为山岭重丘区，水毁总量达到149处，说明水毁灾害的发育密度受地形地貌的影响较为显著。高风险与较高风险等级的水毁灾害主要表现形式为路堤的持续沉降以及发育的弧形裂缝，均为穿越原地形冲沟出口处且涵洞设置不当路段，路基土体持续渗透破坏变形可能会导致较大范围的滑动和沉陷，导致交通的中断和较为严重的后果，应当予以足够的重视并采取积极的工程措施予以防治。

图8 山西省运营高速公路水毁灾害统计结果

2 公路水毁影响因素与成因分析

根据调研结果，高速公路水毁发育的主要影响因素大致可归为以下5类，即自然环境条件、地形地貌特征、土体的水理力学性质、建筑材料的环境耐久性和施工设计的合理性。

自然环境条件主要指公路所在区域的集中性降雨强度与降雨时长。山西省地处黄土高原东麓，区内降雨量的分布随季节的不同呈现出较大的差异，在夏季集中性降雨频发，降雨强度大，水毁灾害的发育类型以径流冲刷为主；秋季的降雨强度虽小，但降雨历时较长，水毁灾害则以土体的渗透变形破坏为主；在冬春季节，冻融循环作用又成为土体和建筑材料环境耐久性降低的主要诱因。

地形地貌特征对公路水毁的影响则更加明显，总体上，丘陵沟壑区公路的水毁灾害发育密度远大于平原微丘区公路。公路工程的建设是对原有自然地形地貌的人为改造过程，当采取的工程措施不能适应地表径流的排泄或地下水的渗流时，就会导致各类型水毁灾害的形成。在丘陵沟壑区，这一矛盾集中体现在填方路堤切断了原有的沟壑出口，在集中降雨期间，沟壑内能够快速地汇聚水流，为水毁的形成提供了充足的水源条件，而填方路堤两侧的高差也为水流的冲刷和渗透破坏提供了有利的地形条件。在平原微丘区，地表径流无法有效排导，在桥涵等设施的低洼处多有集聚、淤堵现象，地表水流沿黄土的垂直节理入渗，导致地基土体的软化和承载力的下降，进而诱发路基的不均匀沉降或涵洞的破损等病害。

水流的作用形式和作用机理是不同类型公路水毁灾害形成的根本原因，在公路水毁灾害的发育过程中，水流与公路之间的相互作用主要表现为以下4个方面。

2.1 地表径流冲刷

受地表径流冲刷影响的主要公路设施包括路基边坡、涵洞、桥梁锥坡、排水附属设施。其中，路基边坡的冲刷与土体的水理性质有关，当降雨强度大于边坡土体的入渗量时，边坡的浅层土体达到瞬时的饱和状态，形成坡面径流，边坡土体的土颗粒崩解分散，随径流产生悬浮运移的现象，这一过程也加剧了径流的冲蚀剪切能力，对原有坡面形成明显的水力侵蚀。坡面径流的流速和侵蚀力在边坡的下部达到峰值，造成坡脚部位的严重侵蚀，严重时可能引发坡体的失稳。此外，边坡径流所携带的土颗粒会在道路的边沟中产生沉积，造成边沟的淤堵，阻碍边沟排水功能的发挥，淤堵严重时，边沟水流的溢出又会进一步导致路面结构或者路基土体的雨水入渗，诱发其他类型的水毁灾害。

桥涵与排水设施因径流冲刷而产生的水毁主要受到建筑材料、施工质量和线型设计的影响。从调研结果来看，混凝土护面的抗冲蚀能力要优于浆砌片石的抗冲蚀能力。同时，排水设施的线型设计应尽量避免多条排水沟的汇集，两条排水沟的汇集应顺径流方向以小角度的形式平顺交汇，并适当加宽排水沟的宽度以减小水流的冲击力。

2.2 渗流潜蚀

地表降水的下渗过程使得土颗粒受到向下的渗透压力而产生沉降变形，导致路基或结构物基础的沉陷。在半填半挖的路基土体中，由于水头高度的差异，这一渗流过程会导致土体的潜蚀，土体内部的团聚体颗粒联结被削弱，细颗粒被带走，使得土体的大孔隙含量增加，力学强度降低，形成内部暗穴或者优势的滑动面，路基产生局部沉陷或者弧形滑动的变形，影响路堤的整体稳定性。

2.3 孔隙水压力

在降雨过程中，边坡土体水流的入渗会改变坡体的渗流场，增大土体内部的孔隙水压力。如前所述，当边坡坡面采用全封闭的喷混凝土护面或者浆砌片石防护时，一旦设置的泄水孔被堵塞，护面砌体与坡面接触部位的静水压力将会大幅增长，加之坡面土体浸水软化导致的力学强度降低，将直接导致砌体结构失稳而产生坍塌破坏现象，因此在土质边坡的坡面防护时，应尽量采用开放与半开放式的植被护坡。

2.4 对土体力学性质的影响

黄土在浸水饱和的过程中，其宏微观性质均会产生明显的改变。土颗粒中的矿物颗粒和化学物质受到水分的溶解和溶蚀作用导致团联结构的损伤与破坏，颗粒间基质吸力的减小则导致土体抗剪强度的降低，此外土体的变形模量也随含水量的增加而迅速降低，这些性质都会造成土体材料的软化，从而伴生各类型的公路水毁现象。值得注意的是，土体力学性质变化的环境效应具有较为明显的累积和滞后现象，因此在水毁灾害形成的初期就应当予以重视并采取有效的工程措施予以加固。

3 结论

本文通过实地调研的方法对山西省运营高速公路的水毁灾害发育现状进行了初步评估，在此基础上，归纳总结了5种常见的水毁灾害发育特征，并对其影响因素和成因进行了初步讨论。调研统计结果表明，道路排水设施的损毁是最为常见的水毁灾害类型，也是诱发路基掏底冲蚀、结构物破损、边坡滑塌等次生灾害的主要诱因；同时，穿越沟壑区的填方路堤在渗流作用下的滑动变形对路堤的稳定性具有较大的威胁，在水毁灾害防治中应重视对土体渗透破坏的防御；水毁灾害的发育密度主要受集中性降雨强度和地形地貌条件的影响，黄土丘陵沟壑区的水毁灾害更为发育；坡表水流入渗产生的孔隙水压力增加和土体的软化是导致边坡浅层滑塌和全封闭式护面坍塌的主要原因。