公路穿越水库安全风险分析——以G10绥满高速为例

张震韬，马东梅，张健俣，张利新

（1.内蒙古公路交通投资发展有限公司，内蒙古 呼和浩特 010000；2.内蒙古交科路桥建设有限公司；3.中交基础设施养护集团；4.内蒙古交通设计研究院有限责任公司）

1 引言

绥满高速公路是国家已建成的重点公路项目，是内蒙古“三横九纵十二出口”干线公路网的组成部分，是呼伦贝尔市境内建设的第一条高速公路。对于打通呼伦贝尔市南北经济连线，完善地区公路通道网络，实现沿线公路网络循环起到重要保障作用，但该高速公路博克图至牙克石段穿越扎敦河水库，水库正常蓄水时，存在一定程度的安全风险，且2020年9月试蓄水期间，穿越库区高速公路段落已产生病害，存在安全隐患。

国内的一些学者对高速公路被淹没路段的路基边坡、桥涵锥坡等构造物产生的病害和存在的安全风险进行了相关研究。李海瑞[1]从河床冲刷、冻害等方面具体分析了桥梁锥坡水毁的影响因素，并提出了预防与治理锥坡水毁的有效措施。李清华等[2]通过模拟水位变化，分析影响路基边坡稳定性变化因素，表明靠近坡面的浸润线随水位变化而发生变化，边坡稳定性在涨水阶段迅速增加，浸泡阶段缓慢降低，退水阶段迅速降低。朱冬林等[3]分析了库水位与滑坡稳定性的一般规律，预测了未来蓄水及潜在的库水位下降情况下滑坡稳定性与库水位的关系。冯创[4]研究了路基工程质量病害及其成因，并提出有效的防治措施。霍廷臣[5]研究了公路路基冻胀与翻浆现象产生的原因、影响因素，且结合工程实际提出了相应的防治措施，一定程度上减少了季节性动土地区车辆行驶的安全隐患，降低了安全风险。魏建军[6]、南竹[7]分析了路基出现弹软、裂缝、冒泥浆等翻浆现象的原因，并提出相应的防治措施和养护办法，以防止或减轻翻浆病害。

本文拟结合已有研究成果，通过实际调研与理论计算相结合的方式，对G10绥满高速公路博克图至牙克石部分淹没区路段进行研究，研判淹没区路基、铁塔等存在的安全风险，以及分析路基边坡、桥涵锥形护坡等病害的安全隐患，提出相应的解决方案，以为同类工程提供参考借鉴。

2 工程概况

G10 绥满高速公路博克图至牙克石段与牙克石市扎敦水利枢纽位于同一走廊带，扎敦河水库是海拉尔河流域规划的重要水利骨干工程，位于海拉尔河二级支流扎敦河下游，距免渡河镇25km，距牙克石市58km，水库控制流域面积2212km2，占扎敦河流域面积的33.5%。扎敦河水库正常蓄水位752.000m，较经库区边缘高速公路路段的最低设计标高754.361m 低2.361m；设计洪水位752.45m，较经库区边缘高速公路路段的最低设计标高低1.91m；校核洪水位753.40m，较经库区边缘高速公路路段的最低设计标高低0.96m。

G10 绥满高速公路博克图至牙克石部分路段位于扎敦水利枢纽工程的淹没区范围内，桩号K1086+000～K1097+469 长度为11.469km，其中1 座中桥、15 道涵洞；隧道电力专线110kV，高压铁塔24座、2根A型水泥线杆位于淹没区内。2020 年9 月3 日扎敦河水库试蓄水至751.95m，当年年底库区泄洪至745.6m，已经对高速公路淹没区范围内的路基边坡、桥涵锥形护坡等造成一定损坏，并存在较大安全风险。

3 分析研判G10绥满高速淹没区存在的安全风险

2020年下半年开始对扎敦河水库淹没区路段进行现场调查，并且对水位高度、路基、锥坡、构造物、A型线杆、输电铁塔等淹没情况进行监测，路基、构造物、铁塔等无异常现象。

扎敦水利枢纽工程附属设施项目电力输出工程将于2022年10月底前完工，届时水库蓄水高度将在正常水位752m 运行。依据现有资料分析研判路基、锥坡、构造物、A型线杆、输电铁塔等仍存在安全风险见表1，并按照式（1）风险等级评估标准公式，判定风险等级。

表1 G10绥满高速公路淹没区作业条件风险评价

表1 G10绥满高速公路淹没区作业条件风险评价（续表）

式中，D 为风险等级的大小；L 为风险事件发生的可能性；C为后果严重程度。

4 分析G10绥满高速淹没区存在的安全隐患

4.1 淹没区存在的安全隐患

基于2020 年下半年至2021 年11 月现场调查及对淹没区安全风险的研判，2020 年扎敦河水库试蓄水期间，最高水位751.95m 至年底库区泄洪至745.6m 时，高速公路淹没区范围内存在路基边坡空洞、桥涵锥形护坡受损、隔离栅倾倒、防撞护栏等级不足等安全隐患。

①空洞现象。

扎敦河水库试蓄水泄洪至最低水位745.6m 时，实地拍摄G10 绥满高速下行K1091+550～K1095+000 段，路基被冲刷严重，桩号为K1093+350 段标识牌混凝土基座出现空洞现象，桩号为K1093+100 浆砌急流槽出现空洞现象。

②桥台锥坡破损现象。

2020 年9 月3 日扎敦河水库蓄水达到最高水位751.95m时，G10绥满高速下行扎敦河水库1号大桥零号台左侧锥坡被水冲刷，锥坡砌体已出现裂缝，局部破损、脱落。

③隔离栅倒塌现象。

G10绥满高速下行K1091+550～K1095+000段、上行K1088+680～K1097+112段，共计10562m，公路隔离栅被水淹没，且出现不同程度隔离栅基础失稳、倾倒现象。

④库区高速公路防护设施等级不足。

经现场调研，高速公路穿越库区段落不满足《公路交通安全设施设计细则》（JTJ/T D81-2017）[8]中防护等级的设计要求，存在较大安全隐患。

4.2 分析已存在安全隐患的原因

选取冲刷较严重段落，理论分析计算，得出部分段落路基最低设计点边缘高程不满足理论计算要求，导致路基存在较大安全隐患；选取具体断面，采取理论与实践相结合的方式论证分析水淹没路基的深度，水库正常蓄水，长期被水浸泡，路基边坡、桥涵锥坡、隔离栅等存在较大安全隐患；分析水库正常蓄水，防撞护栏产生重大安全隐患的原因。

4.2.1 理论计算分析

根据《碾压式土石坝设计规范》（SL 274-2020）[9]，壅水高度按式（2）计算。

式中，e 为壅水高度，m；K 为综合摩阻系数，取3.6×10-6；W为水面以上的风速，m/s；D为风区长度，m；g为重力加速度，取9.8m/s2；Hm为水域的平均水深，m；β为计算风向与坝轴线法线的夹角，1.73°。

根据《公路桥位勘测设计规范》（JTJ 061-91）[10]，波浪侵袭高度按式（4）计算。

式中，h0为波浪高度，m；K 为与边坡粗糙程度有关的系数；hm为静水位以上的波浪侵袭高度，m；∂为边坡对水平面的倾角；W为计算风速，m/s；L为风区长度，m。

按照上述公式，计算得出壅水高度为0.01m，波浪对路基边坡侵袭高度为1.43m。按照《公路路基设计规范》（JTG D30-2015）[11]，路肩高程≥设计水位+壅水高度+波浪侵袭高度+0.5m 的安全高度，即路基边缘理论设计高程最低应为752.45+0.01+1.43+0.5=754.39m，现路基最低设计点边缘高程为754.01m，不满足路基设计规范，具体段落桩号为K1093+060～K1093+380。

4.2.2 冲刷较严重K1093+250断面情况分析

①冲刷较严重段落断面分析。

2022 年4 月2 日实测K1093+250 断面冰面高程748.98m，冲刷以后边坡坡脚高程750.59m，该断面为路线设计标高最低点，路肩设计高程754.01m，断面填高8.83m，蓄水达到正常水位752.00m时，较该路线设计标高低2.36m，淹没路基6.47m。考虑壅水高度和波浪侵袭高度，水位达到753.44m 时，淹没路基7.91m，该断面路肩高程小于路基理论设计高程最低值754.39m，不符合路基边缘高程理论计算值，具体如图1所示。

图1 K1093+250断面分析图

②冲刷较严重断面实际效果图分析。

海拉尔属于温带大陆性气候，纬度偏高，属于寒冷、半湿润气候，冬季寒冷漫长，夏季温凉短促，春季干燥风大，秋季气温聚降霜冻早。海拉尔多年平均风速为3.3 m/s，多年平均最大风速为18.6 m/s。扎敦河水库2020年试蓄水，当年9月3日达到最高水位751.95m，在风力作用下，考虑壅水高度和波浪侵袭高度时，水位高度将达到753.39m，与路基高度接近，实景如图2所示。

图2 接近正常水位实际效果图

③理论计算与实际效果图结合分析结果。

结合选取断面图理论计算与实际效果图分析，考虑壅水高度和波浪侵袭高度，在风力的作用下，水库正常蓄水时，对淹没区路基边坡冲刷、侵袭严重。通过理论计算得出G10绥满高速公路博克图至牙克石段位于扎敦水利枢纽工程淹没区，水浸泡路基7m 左右，若路基在水中长期浸泡，处于潮湿状态，含水率长期处于饱水状态，抗剪强度和承载力降低，路基结构稳定性、耐久性发生改变，易形成空洞、边坡失稳、锥坡砌体裂缝、破损、脱落等病害及出现隔离栅倒塌的现象，降低高速公路的使用寿命，存在安全风险。

④防撞护栏存在重大安全隐患原因分析。

现场调研穿越库区段落采用A级护栏，低于规范要求设置的护栏等级。设置相应等级护栏的目的是将驶出公路外的事故影响降至最低，消除可能产生致命后果的因素。经统计每年因发生事故更换护栏的费用占养护费用的15%左右。水库正常蓄水期，高速公路车辆行驶速度快，护栏等级设置不足，一旦发生交通事故后果非常严重，极可能造成群死群伤事件，存在重大安全隐患。

5 防治措施

基于以上研究，建议采取以下防护措施，降低安全风险，确保穿越库区高速公路运营安全，延长其使用寿命。

①对危险源进行分级管控，存在一般风险的危险源要长期监测，有效管控，使风险降至最低。

②如淹没区路基土质为粗粒土的段落，建议采用浆砌片石基础石笼坡面防护措施。由于粗粒土含结合水极少，库区水通过石笼缝隙进入路基，基本不会发生冻胀现象。

③如淹没区路基土质为细粒土的段落，建议采用混凝土基础连续墙，坡面加铺防水土工布，边坡采用混凝土护坡，防止水进入路基。细粒土路基浸水，长期作用易发生结构变形、沉降现象，外加呼伦贝尔典型的气候条件，冻融交替期易发生冻胀现象，所以应采取防止水进入路基土体的措施。

④建议采用浆砌片石修复桥台锥坡破损部位，同时增加混凝土锥形护坡，防止水的冲刷，避免桥台跳车现象发生。

⑤淹没区临边临水的护栏按照规范要求更换为SA级防撞护栏，为提高防范等级，在条件允许的情况下，或可采用钢筋混凝土防撞墙。

⑥淹没区隔离栅倒塌段落，建议做特殊设计，增加隔离栅的高度，确保库区泄洪后，冬季水库结冰，冰面与隔离栅的距离在1.5m～1.8m；隔离栅倒塌淹没段落，建议在路肩部位增设隔离网，防止动物穿越，降低发生交通事故的风险。

6 结语

基于对G10绥满高速扎敦河水库淹没区的大量分析研究，研判淹没区正常蓄水存在路基沉降、路基翻浆、边坡塌落、桥梁锥坡失稳、A型线杆和输电铁塔锈蚀倾倒、隔离栅倒塌以及防撞护栏等级不足引发交通事故的安全风险；计算得出壅水高度和波浪侵袭高度分别为0.01m和1.43m，路基最低设计点边缘高程754.01m小于理论设计高程754.39m，不满足路基设计规范；库区冲刷严重段落淹没路基大约为7m左右，且已经存在空洞、锥坡局部破损、隔离栅倒塌、防护设施缺陷的安全隐患；本文虽提出了相应的解决方案，但应用效果需进一步研究。