吳 博，吳永芳

（1.江蘇省交通規(guī)劃設(shè)計院股份有限公司昆明分院，云南 昆明 650000；2.昆明市交通運輸局，云南 昆明 650000）

涵洞是公路上最常見的跨越溪澗溝壑、宣泄山洪的小型橫向排水構(gòu)造物，是公路排水系統(tǒng)的重要組成部分。山區(qū)公路受到地形限制，大多依山傍水布線、逢溝布涵，涵洞分布廣，占全線工程比重大［1-2］。每年汛期涵洞水毀、水害頻發(fā)，輕則造成行車不暢，重則切斷交通，損失嚴(yán)重，成為公路建設(shè)、管理及養(yǎng)護的一大難題。

1 云南山區(qū)自然地理

（1）地形起伏、溝谷下切發(fā)育

云南國土面積39.4萬km2，山地高原約占94%，壩子、湖泊僅占6%。地勢西北高而東南低，帚狀南延。600多條江河呈南北向、放射狀分布，地表被切割成“雞爪”狀。山區(qū)地形陡峻，巖石破碎，地質(zhì)侵蝕強烈，溝谷下切發(fā)育。

溝谷上游地形三面環(huán)山，一面出口，平面形態(tài)呈漏斗狀、勺狀、瓢狀、樹葉狀。溝底狹窄，溝坡陡峭，溝床橫斷面呈U形、V形。溝道縱向坡降大，水流和固體雜物（雜草、樹枝、泥沙、石塊等）能夠向下游快速流動。

（2）干濕季分明、山洪陡漲陡落

云南受東亞季風(fēng)、西南季風(fēng)和高原季風(fēng)的綜合影響，形成了冬干夏雨、干濕季分明的季風(fēng)氣候。冬半年11月至次年4月是干季；夏半年5月至10月是雨季，占全年80%~90%雨量。此外，山區(qū)立體氣候普遍，從河谷至山頂隨著海拔升高，降水量不斷增多。

山區(qū)溝谷洪水源主要是降雨，少量來自冰雪融水。降于山坡上的雨水在地表形成薄層狀、細流狀的坡面水流并轉(zhuǎn)變?yōu)榫€狀集流，山高坡陡，迅速向溪澗溝壑匯集，形成了沖刷能力增強的溝流。在暴雨、久雨的雨季，高強度的降雨匯集形成季節(jié)性山洪。溝流流域面積小、 流程短，導(dǎo)致匯流速度快、時間短，水位和流量的變幅大，水能豐富，汛期山洪陡漲陡落。

（3）地質(zhì)災(zāi)害多發(fā)、易發(fā)

云南地處歐亞板塊、印度洋板塊與太平洋板塊的復(fù)合部位，地殼運動活躍，是全國地質(zhì)災(zāi)害危害最嚴(yán)重的省份之一。據(jù)有關(guān)資料，近10年自然災(zāi)害年均發(fā)生1 000多起，全省129個縣（市、區(qū)）都有成災(zāi)記錄。

由于山高坡陡，山頂出現(xiàn)的小部分滑坡會形成“滾雪球”效應(yīng)，導(dǎo)致大規(guī)模的山體滑坡現(xiàn)象。另外，有的工程設(shè)計不符合水土保持要求，如公路棄土場選址不當(dāng)，棄土被山洪沖刷，也易引起滑坡、塌方、泥石流等嚴(yán)重的工程地質(zhì)災(zāi)害，加劇了公路涵洞水毀。

（4）水土流失嚴(yán)重、溝谷排洪又輸沙

山區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)落后，大量坡地被開墾，地表裸露，土質(zhì)疏松，水土流失，以致越開越貧，越貧越墾，生態(tài)系統(tǒng)破壞惡性循環(huán)。溝谷斜坡巖層結(jié)構(gòu)疏松軟弱、風(fēng)化嚴(yán)重，巖塊、卵石、粗沙等沖、洪積物堆積層深厚富集；坡面粗骨性坡積物多，蓄水能力弱，極易被沖刷。

在急流而下的坡面水流和溝谷水流作用下，谷床物質(zhì)運動強烈，山坡、溝床表層坡積物被侵蝕、推移、沉積。部分溝谷在一次洪水后上游谷槽就基本填滿，二次洪水時被迅速搬運到下游?？梢?，山區(qū)溝谷既要排洪又要輸沙，而且輸沙任務(wù)尤為嚴(yán)峻［3］。

2 山區(qū)涵洞現(xiàn)狀

由于涵洞相對的“小”，其設(shè)計往往被忽視，導(dǎo)致施工中的變更設(shè)計多。水文計算形式化，照搬公式，未準(zhǔn)確把握溝谷水文特性，對設(shè)計無控制作用。洞口設(shè)計“模式化、標(biāo)準(zhǔn)化、傳統(tǒng)化”，機械地套用，缺乏因地制宜和靈活設(shè)計的理念。洞口構(gòu)造物形式選擇未能緊密結(jié)合涵洞進出口實地條件，而且洞口形式單一化，多數(shù)采用“跌水井+八字式”固定組合。

山區(qū)公路涵洞一般采用鋼筋混凝土圓管涵、蓋板涵，為節(jié)省投資，涵洞跨徑一般偏小，縱坡平緩，排水、輸沙能力嚴(yán)重不足。設(shè)計靈活性差、洞口布設(shè)不當(dāng)造成排水不暢、沖毀農(nóng)田、工程浪費等現(xiàn)象，已成為影響工程質(zhì)量的突出問題［4］。

3 涵洞水毀成因

（1）“上淤”水毀

山區(qū)溝谷設(shè)置涵洞后，水流在上游進水段處受側(cè)向束窄，水面急劇上升，在進水口形成壓縮的流水?dāng)嗝?。山洪裹挾帶來的固體雜物自身的滾動力（以重力為主）超過了水流的沖力時，就堆積、堵塞在涵洞進水段及跌水井處，削弱涵洞排水輸沙能力，不斷堆積而不能及時流過洞身排至下游時，就出現(xiàn)“上淤”水毀現(xiàn)象。

跨越邊溝的涵洞更容易發(fā)生“上淤”水毀，開挖后的路塹邊坡失去了原來的自然、整體穩(wěn)定狀態(tài)，巖土表面長期暴露在大氣之中，坡面土壤干燥疏松，巖土被風(fēng)化、碎裂、剝蝕，導(dǎo)致邊坡產(chǎn)生碎落、剝落、缺口、溜方、沖溝甚至滑坡。此外，受建設(shè)資金所困，邊坡坡面防護措施有限，抗沖刷能力弱。經(jīng)暴雨和地表水流侵蝕、沖刷后，固體雜物沿著邊溝快速匯集于跌水井，也加劇了進水段的淤積。

（2）“下沖”水毀

下游出水段沖刷破壞是另一種常見的涵洞水毀現(xiàn)象。設(shè)置涵洞后溝谷泄流寬度比原有天然寬度縮窄，單寬流量增加，抬高了上游水位，造成顯著的水位差。因而，上游水流經(jīng)洞身后集中向下游宣泄，因地形陡變，勢能轉(zhuǎn)換為巨大的泄流動能。水流及固體雜物流出鋪砌末端進入下游天然谷床時，就開始緊貼谷床向前流動，由于蓄含極大動能使谷床發(fā)生急劇變形，當(dāng)實際流速大于土壤允許不沖刷流速時，靠近鋪砌末端的谷床就被沖刷，形成沖刷坑、深潭等，導(dǎo)致垂裙下沉、坍塌，甚至引起洞身崩塌、路基損壞，在出水段就出現(xiàn)了“下沖”水毀現(xiàn)象。

按二元水流理論，縱向上，在旋滾水流沖刷、掏蝕作用下，沖刷坑深度逐漸增大，坑底也不斷向下游推移。在橫向上，由于涵洞出口水流斷面寬度突然增大而形成了兩側(cè)回旋水流，對沖刷坑兩側(cè)旁蝕加劇，其直徑不斷增大。若是出口水流方向與溝谷形成交角，對溝谷產(chǎn)生淘刷水毀作用更明顯［2］。

4 防治措施

4.1 進水段束流

（1）修筑壩系。在涵洞上游進水段修建攔沙壩、谷坊等擋攔構(gòu)筑物，約束、攔蓄山洪及固體雜物。壩系工程提高了壩址處的侵蝕基準(zhǔn)面，減緩壩上游淤積段溝床比降；加寬溝床，淤積物淤埋在上游溝谷兩岸坡腳；穩(wěn)定坡腳，使坡面沖刷作用和岸坡崩塌減弱；降低流速和徑流深度，使重力勢能與動能在較小的范圍內(nèi)轉(zhuǎn)化。

壩址應(yīng)依據(jù)地形地質(zhì)條件、坡面大小、溝谷發(fā)育狀況、建筑材料以及施工條件來確定。壩高的選擇要綜合考慮攔沙效益、消能設(shè)施、工程量以及工期等因素。為了施工方便，最好在冬春季節(jié)修建壩系，到次年雨季之前完工。

（2）設(shè)置束流槽。束流槽收集并引導(dǎo)散流狀態(tài)的水流、固體雜物歸槽，改變山洪流向、流速，使其順暢通過進水段，避免溝谷橫向侵蝕、沖刷谷床，保護涵洞、路基以及下游城鎮(zhèn)設(shè)施。束水導(dǎo)流，防止山洪亂流、偏流，朝著預(yù)定方向運動；束水攻沙，束流后升高水位，加快流速，增大水流的沖刷力，集中沖刷固體雜物。

束流槽的設(shè)計高度應(yīng)保證山洪不致漫過槽壁，還應(yīng)考慮溝坡有無崩塌的可能。此外，若經(jīng)濟條件容許，槽底基礎(chǔ)要深挖，同時采用高強混凝土槽底、間隔設(shè)置肋檻或鋼軌混凝土槽床，減輕對槽底的磨蝕，防止掏空和揭底破壞。束流槽結(jié)構(gòu)簡單、縱坡使用范圍大、斷面優(yōu)化程度高，施工方便，經(jīng)濟適用，對防治“上淤”有立竿見影的效果。

4.2 洞身段速流

（1）適當(dāng)增大涵底縱坡。在涵洞設(shè)計過程中，縱坡取值一般相對平緩，多為緩坡涵洞，不利于水流、固體雜物排泄。為了使洞身段不堵塞，除了加大涵洞跨徑，增加涵高之外，只有適當(dāng)增大涵底縱坡才能提高過流速度。涵底縱坡應(yīng)該控制在10%~15%，涵洞兩端與地面線自然過渡，平順銜接，既不產(chǎn)生水躍也不產(chǎn)生壅水，使水流和固體雜物快速地流過洞身。

（2）采用U形基底。U形斷面涵底基礎(chǔ)，形狀為半圓（弓形或弧形），上部為垂直線段的斷面形式，使進入涵洞基底的水流、固體雜物密度保持不變，在U形面上處于不穩(wěn)定狀態(tài)，合力指向下游溝心最低點，兩側(cè)水流向U 形底中間匯集，增大了水深，重組水動力，減小了阻力，加大了流速。在橫斷面上形成一個水流和固體雜物集中點最大流速點，成為固定的動力束流和集流沖沙中心。改善了防滲襯砌涵底膨脹變形分布的不均勻性，且涵底有一定的反拱作用，可以減輕凍害，減少裂縫和錯臺現(xiàn)象，具有良好的水力學(xué)性能、防滲性能和抗凍性能。與矩形斷面涵底相比，具有流速分布均勻，近似最佳水力斷面，流速快，兩側(cè)不淤積固體雜物，排泄更有效等特點。

4.3 出水段緩流

（1）設(shè)置跌水井。急流而下的山洪和裹挾的固體雜物蓄含著極大的破壞力，即使對出水口末端鋪砌加固，甚至設(shè)置挑坎，都未必能充分消能，有必要增強出水段與地表的銜接。傳統(tǒng)的跌水井設(shè)置在涵洞進水口處，給上游進水段淤積創(chuàng)造了溫床，本文首次提出把跌水井位置由進水段調(diào)整到出水段，在幾乎不增加造價的情況下，最大程度地發(fā)揮跌水井的作用，使水流和固體雜物盡可能消能。

跌水井由具有足夠強度抵抗沖刷的底板、跌水壁和側(cè)壁組成，跌水壁要預(yù)留泄水口。跌水井接納和擴散洞身高速水流，促使在出水段的限定范圍內(nèi)產(chǎn)生底流式水躍，通過水流、固體雜物的內(nèi)部摩擦和撞擊，利用池中的水墊緩沖，使其迅速變?yōu)樯⑺?、緩流，充分消能，一般可將下泄水流的動能消?0%~70%。跌水井具有消能效率高，對地質(zhì)條件和尾水變幅適應(yīng)性強，縮短鋪砌長度，降低造價，應(yīng)用廣泛等優(yōu)點，是一種有效而經(jīng)濟的消能設(shè)施。

5 結(jié)語

山區(qū)地形地貌、地質(zhì)、氣候、水文條件復(fù)雜，要提高公路涵洞水毀的防治能力，保證進水段束流、洞身段速流、出水段緩流是關(guān)鍵所在。本文通過對云南山區(qū)公路涵洞進行大量現(xiàn)場調(diào)研和成因分析，從工程角度出發(fā)，探討了涵洞水毀主要原因及防治措施，以期為山區(qū)公路涵洞建設(shè)提供參考。

［1］ JTG/TD65-04—2007公路涵洞設(shè)計細則［S］.

［2］ 蔣煥章.公路水文勘測設(shè)計與水毀防治［M］.北京：人民交通出版社，2002.

［3］ 嚴(yán)欽尚，曾昭璇.地貌學(xué)［M］.北京.高等教育出版社，1985.

［4］ 孫家駟.公路小橋涵勘測設(shè)計［M］.北京：人民交通出版社，2009.