凌新鵬，葉 偉

(新疆交通科學(xué)研究院，烏魯木齊 830000)

“三山夾兩盆”是新疆地區(qū)的特殊地理形態(tài)，因此該地區(qū)主要通道包含許多山區(qū)公路。由于山區(qū)氣候變化無常，夏季雨水多，水毀病害多發(fā)生在夏季。新疆北部為溫帶大陸性半干旱氣候，每年3月至6月氣溫升高，高山積聚的冰雪消融，季節(jié)性洪水時(shí)常發(fā)生；對(duì)于中低山區(qū)，高溫、暴雨、洪水頻發(fā)?；谛陆辈可絽^(qū)的氣候特點(diǎn)，路基水毀病害在山區(qū)路段較為顯著[1]。

多年來，由于資金限制，新疆地區(qū)對(duì)山區(qū)公路多采用過水路面的防洪處理手段，然而其效果并不理想，水毀災(zāi)害也愈發(fā)嚴(yán)重。對(duì)低等級(jí)及干線公路的水毀研究已有路基路面水毀評(píng)價(jià)、路基沖刷理論分析以及雪山融水對(duì)洪水的影響分析等，然而對(duì)高速公路的水毀防治分析研究較少。基于此，本文針對(duì)北疆山區(qū)高速公路水毀狀況，對(duì)G30線賽里木湖-果子溝段(K4177-K4197)水毀問題進(jìn)行具體調(diào)查，以探究相關(guān)成因和對(duì)策。

1 工程概況

本項(xiàng)目研究段落位于伊犁霍城縣境內(nèi)，自然區(qū)劃為Ⅵ4b伊犁河谷副區(qū)，地貌屬科古琴山脈中、低山區(qū)，公路走向沿果子溝河布設(shè)，研究段落相對(duì)高差約100 m。地層巖性為天山-興安嶺地層區(qū)(Ⅰ)，大部分地表被第四紀(jì)地層覆蓋，并由洪積、沖積、風(fēng)積形成的礫石、砂礫及亞砂土組成，地震動(dòng)峰值加速度為0.20 g，地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期為0.45 s；項(xiàng)目區(qū)域內(nèi)共有17條山溝水，均發(fā)源于伊犁河谷的北山溝，多年平均流量為34.23 m3/s，年徑流總量為8.44億m3，較大的山溝水有薩爾布拉克、果子溝、小西溝、大西溝、切得克蘇、格干溝等6條，河源高程海拔多在1 500～3 000 m之間。

2 水毀病害分布與誘因分析

根據(jù)實(shí)地調(diào)查，2016年在G30線K4177-K4197(賽里木湖-果子溝溝口)段連霍高速公路中，連續(xù)多日的暴雨造成G30線果子溝路段35處公路水毀，如表1所示，為其中17處主要水毀段落災(zāi)害狀況及誘因分析[2]。

根據(jù)上述水毀類型及原因分析，本研究段段落水毀類別主要為三類。第一類為路基擋墻損壞，第二類為路基沖刷水毀與路基邊坡沖刷水毀，第三類為橋涵結(jié)構(gòu)物沖毀。本文主要以第一、二類水毀形式為主要研究對(duì)象，對(duì)其進(jìn)一步分析。

3 數(shù)據(jù)分析與計(jì)算

3.1 水毀段落概況

本文以路基水毀和擋墻水毀類別為例，選用4處典型河床斷面進(jìn)行分析，如圖1所示為現(xiàn)場(chǎng)圖，其中河槽泥沙平均粒徑d=0.15 mm，E=0.66，河槽形態(tài)斷面見圖2。根據(jù)河床高程對(duì)河床坡度進(jìn)行擬合，如表2所示。

(a) K4177+200處河床斷面

(c) K4191+700處河床斷面

(d) K4195+850處河床斷面

(a) K4177+200處河槽形態(tài)斷面

(b) K4188+200處河槽形態(tài)斷面

(c) K4191+700處河槽形態(tài)斷面

(d) K4195+850處河槽形態(tài)斷面

表2 河床坡度擬合

3.2 參照歷史洪水位設(shè)計(jì)流量的推算

利用歷史洪痕調(diào)查法[5]，計(jì)算河流的歷史洪水設(shè)計(jì)流量。本研究在計(jì)算G30沿線洪水設(shè)計(jì)流量時(shí)，采用如下公式，計(jì)算結(jié)果如表3所示。

Q=AcVc+AtVt

(1)

(2)

(3)

式中，Q為歷史洪水流量(m3/s)；AC和At分別為河槽、河灘過水面積；Vc和Vt分別為河槽、河灘平均流速(m/s)；nc和nt分別為河槽、河灘糙率；RC和Rt分別為河槽、河灘水力半徑(m)，當(dāng)寬深比大于10時(shí)，可用平均水深代替；I為水面比降(%)。

表3 G30沿線洪水設(shè)計(jì)流量

3.3 洪水沖刷計(jì)算

全國(guó)匯總64-1式適用于平原的次穩(wěn)定河段、游蕩性河段、半山區(qū)及山前區(qū)的變遷性河段和山區(qū)的穩(wěn)定性河段的洪水沖刷計(jì)算[5]。

(4)

式中，hp為河道斷面(即設(shè)計(jì)斷面)一般沖刷后的最大水深(m)；qmax為沖刷停止時(shí)斷面上最大單寬流量(m3/s)；Vx為沖止流速，即沖刷停止時(shí)的垂線平均流速(m/s)。

根據(jù)我國(guó)實(shí)測(cè)資料，沖刷停止時(shí)斷面上最大單寬流量和沖止流速如式(5)和式(6)所示。

(5)

(6)

因此，式(4)基本形式為：

(7)

式中，b為修建防護(hù)構(gòu)造物后，在設(shè)計(jì)洪水位時(shí)的水面寬度(m)；Qs為在b寬度范圍內(nèi)的流量(m3/s)，當(dāng)壓縮河道時(shí)不是設(shè)計(jì)流量；hmax為設(shè)計(jì)斷面沖刷前的最大水深(m)；hj為設(shè)計(jì)斷面沖刷前的平均水深(m)；dj為河床土的平均粒徑(mm)；E為與含沙量ρ有關(guān)的系數(shù)，當(dāng)ρ<1.0 kg/m3，E=0.46；1 kg/m3<ρ<10 kg/m3，E=0.66；ρ>10 kg/m3，E=0.86；含沙量ρ采用汛期月中最大含沙量的平均值，或者采用實(shí)際測(cè)定值；A為單寬流量集中系數(shù)。

式(7)中A由式(8)計(jì)算確定。

(8)

式中，B為造床流量時(shí)河段平均水面寬(m)；H為造床流量時(shí)的平均水深(m)。

G30高速公路用式(7)和式(8)計(jì)算洪水沖刷，對(duì)于單寬流量集中系數(shù)公式中的B和H采用調(diào)查時(shí)的河床斷面寬度與洪水位最大深度進(jìn)行計(jì)算，對(duì)于設(shè)計(jì)斷面沖刷前平均水深hj，采用3～4處水深做算數(shù)平均計(jì)算；設(shè)計(jì)斷面沖刷前的最大水深hmax采用現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查的方法取得，最終計(jì)算結(jié)果如表4所示。

表4 本次洪水沖刷計(jì)算

3.4 百年一遇設(shè)計(jì)流量

對(duì)于百年一遇設(shè)計(jì)流量，本文采用推算系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，但對(duì)洪峰流量的選值采用兩種計(jì)算方法進(jìn)行比較，一種是根據(jù)實(shí)際洪水流量進(jìn)行推算，即采用84.5 m3/s作為十年一遇的洪水流量進(jìn)行推算；另一種是根據(jù)伊犁水文局歷年記載洪峰流量，采用140 m3/s的十年一遇洪峰流量進(jìn)行推算，相關(guān)資料如表5所示。對(duì)于洪水沖刷計(jì)算，用兩種方式進(jìn)行對(duì)比，最終采用最不利影響下的計(jì)算結(jié)果作為本次設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)沖刷深度參考值。

表5 伊犁水文勘察局果子溝流域預(yù)估洪峰流量

(1) 百年一遇設(shè)計(jì)流量計(jì)算

根據(jù)水文局提供的數(shù)據(jù)，以84.5 m3/s作為十年一遇的洪水流量進(jìn)行推算，得出百年一遇洪水推算系數(shù)為：

n=251/84.5=2.970

通過試算法求出百年一遇洪水各個(gè)斷面的最大洪水深度，結(jié)果如表6所示。

根據(jù)水文局提供的數(shù)據(jù)，以140 m3/s作為十年一遇的洪水流量進(jìn)行推算，得出百年一遇洪水推算系數(shù)為：

n1=水文局百年一遇流量/水文局十年一遇流量=251/140=1.793

通過試算法求出百年一遇洪水時(shí)各個(gè)斷面的最大洪水深度，結(jié)果如表7所示。

表6 百年一遇流量最大洪水位深度值1

表7 百年一遇流量最大洪水位深度值2

(2) 百年一遇洪水沖刷計(jì)算

① 沖刷計(jì)算公式一：

(9)

② 沖刷計(jì)算公式二：

包爾達(dá)柯夫一般沖刷公式[6]

(10)

式中，hp為一般沖刷停止后的垂線水深(m)；h為河道壓縮前的護(hù)坡腳附近處的天然水深(m)；p為沖刷系數(shù)；Ω為未壓縮的河道過水面積(m2)；Ω′為壓縮后沖刷前的河道過水面積(m2)。

通過兩種公式對(duì)沖刷深度進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如表8、表9所示。通過采用參照歷史洪水位設(shè)計(jì)流量的推算方法，得出上述4處水毀洪水設(shè)計(jì)流量，根據(jù)果子溝水文站提供的百年、五十年及十年歷史洪水?dāng)?shù)據(jù)，以此次84.5 m3/s作為十年一遇洪水，推算出百年一遇洪水推算系數(shù)，從而計(jì)算出百年一遇洪水流量及最大洪水位深度值，得到百年一遇洪水沖刷最大深度。另外根據(jù)果子溝水文站十年一遇洪水流量140 m3/s進(jìn)行第二組數(shù)據(jù)推算，數(shù)據(jù)二(140 m3/s)和數(shù)據(jù)一(84.5 m3/s)對(duì)比結(jié)果如下：百年一遇洪水流量計(jì)算結(jié)果相對(duì)較小，對(duì)應(yīng)4處流量差值在60～90 m3/s之間；一般沖刷深度淺了0.4～0.52 m之間，沖刷下刷增加量小0.4～0.5 m之間。因此根據(jù)實(shí)際情況，采用數(shù)據(jù)一的計(jì)算結(jié)果，最終確定路基防護(hù)基礎(chǔ)的埋置深度=2.39+1.02=3.41 m，考慮一定的安全系數(shù)建議設(shè)計(jì)基礎(chǔ)埋深采用 3.6 m。

表8 百年一遇洪水沖刷計(jì)算1

注：河床一般沖刷下刷增量h100-10是指百年一遇洪水沖刷深度減去十年一遇洪水沖刷深度的差值。

表9 百年一遇洪水沖刷計(jì)算2

注：河床一般沖刷下刷增量h100-10是指百年一遇洪水沖刷深度減去十年一遇洪水沖刷深度的差值。

4 工程防治措施

4.1 擋土墻工程防護(hù)恢復(fù)

對(duì)于原擋土墻水毀或路基邊坡沖毀嚴(yán)重路段，對(duì)擋墻進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，根據(jù)水文計(jì)算，對(duì)原擋墻基礎(chǔ)埋深不足導(dǎo)致的沖毀進(jìn)行修復(fù)；對(duì)于新建擋墻，此次采用擋土墻+鋼筋籠於壩方案，如圖3、圖4所示。擋墻墻體及基礎(chǔ)均采用C30塊石混凝土，在河道底面鋪外輪廓10 m×5.2 m鋼筋籠，鋼筋骨架長(zhǎng)寬各1 m，內(nèi)填筑C30塊石混凝土，防止流水沖刷，達(dá)到穩(wěn)定的作用。

圖3 擋墻設(shè)計(jì)

圖4 鋼筋籠填筑

4.2 路基邊坡恢復(fù)

對(duì)于窄河道路肩墻倒塌不利回填的邊坡較陡段落，只壓鉛絲籠，防止沖刷，如圖5所示。

圖5 高路基修復(fù)

對(duì)塌方斷面分層填筑礫類土，最底層鉛絲籠中插入直徑22 mm、高度1.5 m的鋼筋，增加底層鉛絲籠抗滑能力，鉛絲籠尺寸采用1 m×1 m規(guī)格正方體；對(duì)于邊坡坡腳沖毀的部分，沿坡腳壓一至二層鉛絲籠，并在河道邊設(shè)置鉛絲籠丁壩進(jìn)行導(dǎo)流，方案設(shè)計(jì)見圖6，路基坡腳底層鉛絲籠設(shè)置寬度不小于3 m，每層鉛絲籠之間插入直徑22 mm鋼筋，并保證鋼筋分布在不同層內(nèi)，增加整體穩(wěn)定性，鉛絲籠丁壩沿路基外側(cè)設(shè)置長(zhǎng)度15至20 m范圍，高度為1 m，起到導(dǎo)流排水，防止沖刷的作用。

圖6 低路基修復(fù)

5 結(jié)論

(1) 通過本段水毀調(diào)查可知，該段落路基防護(hù)水毀來自于水文計(jì)算的不完善，導(dǎo)致對(duì)基礎(chǔ)沖刷深度的確定不夠準(zhǔn)確。通過水文計(jì)算確定路基防護(hù)，基礎(chǔ)埋置深度采用3.6 m。

(2) 對(duì)于百年一遇設(shè)計(jì)流量的推算，采用實(shí)際洪水流量與歷史資料記載流量進(jìn)行推算，對(duì)于沖刷的計(jì)算也采用兩種方法，通過對(duì)比，采用最不利影響下的沖刷計(jì)算結(jié)果，作為本次設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)沖刷深度的參考依據(jù)。

(3) 對(duì)路基防護(hù)水毀類提出擋土墻+鋼筋籠於壩方案，對(duì)于路基邊坡水毀修復(fù)類提出本段范圍內(nèi)水毀提鉛絲籠+鉛絲籠鋼筋丁壩方案。