姬兵亮

（山西省交通科學研究院，山西 太原 030006）

1 研究背景

復雜的水文地質狀況、復雜的地理、地貌特征，加之復雜的氣候天氣特征造成山西省在常年干旱的同時又會出現(xiàn)短期強降雨造成短期洪澇災害頻發(fā)，而近年來世界氣候異常又加劇這一現(xiàn)象的發(fā)生。

洪澇災害對公路設施的損害巨大，洪水沖毀路基、涵洞、橋梁，造成公路阻斷，損失慘重。根據(jù)歷年橋梁檢測統(tǒng)計資料顯示，橋梁水毀已經(jīng)是山西省橋梁損壞的主要原因。為此山西省相關部門立項專門研究，通過對在山西省范圍內(nèi)開展橋涵水毀調(diào)查，總結出橋涵水毀的主要類型、特征及主要影響因素，從設計、施工和管養(yǎng)等方面分析水毀成因，并據(jù)此提出防范對策。

2 山西省橋涵水毀主要原因分析[1]

從2014年3月開始至2016年10月，課題研究人員對山西省近年來的水毀橋涵資料進行收集和整理分析，并多次組織到大規(guī)?，F(xiàn)場調(diào)查，調(diào)查區(qū)域基本覆蓋全省，包括山西省運城市、晉城市、長治市、臨汾市、呂梁市、大同市、晉中市、朔州市和忻州市，調(diào)查線路為縣鄉(xiāng)農(nóng)村道路、國省干線和高速公路。調(diào)查對象包括水毀、水損橋梁涵洞重點調(diào)查和重點路線橋梁現(xiàn)場考察分析。通過查找歷史資料，現(xiàn)場調(diào)查，分析其水毀特征、類型及原因，目的是為了進一步分析總結山西省橋涵水毀原因，進而找到科學合理的防治方法和對策，為橋梁建設及運營維護提供科學決策依據(jù)，保證公路運輸?shù)臅惩ê桶踩\營，減少公路橋涵水毀帶來的各種損失。

2.1 低等級公路橋涵水毀原因分析

調(diào)查組前往古交市、婁煩縣、晉源區(qū)、清徐縣、杏花嶺區(qū)、左權、壽陽、靈石、介休、平遙、垣曲、長治縣、平陸縣、芮城等區(qū)縣進行調(diào)查，通過詢問市縣交通運輸局管理人員及其他相關人員，現(xiàn)場橋梁檢測等方式調(diào)研。通過調(diào)查，發(fā)現(xiàn)低等級公路橋梁存在抗洪災能力不足的問題，歸納總結如下。

2.1.1 橋梁長度及跨徑小

很多縣、鄉(xiāng)、村道橋梁由于歷史、造價控制等原因橋長設計過小，排洪能力不足，引道侵入河灘甚至河槽（圖1），在洪災時洪水會沖毀路基引道（圖2），嚴重的導致橋梁損毀；橋梁孔徑?。▓D3），橋墩占用河道，排洪能力不足，影響輸沙，造成橋孔淤塞、橋前雍水，基礎沖刷，沖毀橋梁墩臺，沖斷橋梁結構（圖4）。

圖1 橋梁引道侵入河槽

圖2 洪水沖毀引道

圖3 橋梁孔徑偏小，影響行洪

圖4 橋孔小導致?lián)p毀

2.1.2 橋梁基礎腐蝕、沖刷、掏空

山西省縣鄉(xiāng)道橋梁大多修建于90年代之前，由于節(jié)省投資的考慮，橋墩基礎很多采用圬工結構。在長期的使用過程中石材風化腐蝕、掉塊脫皮，灰縫脫落，基礎沖刷掏空等，而這些問題很多沒有得到及時的維護修繕，導致橋墩的抗沖刷、抗傾覆能力不足，在洪水作用下，會出現(xiàn)兩種形式的破壞，沖淘導致的橋墩坍塌和水流及漂浮物產(chǎn)生的橫向力導致橋墩傾倒坍塌。見圖5及圖6所示。

圖5 橋梁基礎沖刷掏空、局部沉降

圖6 橋臺沖淘塌陷，橋面板斷裂

2.1.3 防護不足

由于原設計考慮不足或在后期運營中損壞導致很多橋梁涵洞防護不足，在常規(guī)的小洪流下，這些小橋涵尚能應付，但在大及特大洪水中，這些橋梁涵洞可能由于防護不足導致沖刷破壞甚至坍塌。

調(diào)查發(fā)現(xiàn)很多橋涵八字墻、護坡由于水流沖刷，地基沉降等原因開裂、移位、傾斜，甚至出現(xiàn)坍塌。而出現(xiàn)問題后沒有及時得到修繕，存在隱患，在遭遇大洪水時，這些地方會成為薄弱區(qū)，在洪水的沖淘下可能會導致橋頭引道掏空、損毀，甚至導致橋梁坍塌。

部分橋下河道設置有防洪堤等導水設施，同樣由于水流沖刷，地基沉降等原因開裂、移位、傾斜，甚至出現(xiàn)坍塌，而出現(xiàn)問題后沒有及時得到修繕，在遭遇大洪水時，這些地方會成為薄弱區(qū)，會造成河水在沖毀導水設施后直接沖刷橋頭引道，導致橋頭引道掏空、損毀，甚至導致橋梁坍塌。

圖7 防洪堤殘缺

2.1.4 橋下河道淤塞

河道淤積、傾倒垃圾、雜草樹木滋生是山西省河道的典型和普遍問題，而橋下河道由于其位置特殊性尤為突出，這些問題的存在均會大幅降低橋下過水能力，進而導致橋梁水毀，圖8所示。

圖8 橋梁淤積堵塞

大部分橋梁會存在程度不一的河道淤積問題，這是山西省中小河流的特性，短期難以改變。近段時期由于退耕還林等原因山西省內(nèi)植被覆蓋情況好轉，河道淤積問題相比以往有減輕的趨勢。

相當一部分的橋下河道堵塞問題由人為引起，村鎮(zhèn)附近的橋下傾倒垃圾普遍存在，很多橋梁部分橋孔完全被垃圾堵死，喪失過水能力。個別橋梁橋下建設固定建筑物，嚴重影響河道行洪。甚至個別橋梁的堵塞問題是由施工不完善引起，如古交梁莊小橋上部結構采用土牛法施工，施工后沒有將夯土完全清理干凈，僅掏出一小洞供排水使用，留下很大的隱患。

雜草樹木叢生又是山西省河道的典型特點，山西省干旱少雨，絕大部分河流為季節(jié)性河流，很多河流在平時無水流，河道灘地日久雜草樹木滋生瘋長，甚至被開墾為農(nóng)田及林地，遭遇洪水時會阻滯上游漂浮物形成攔水壩效應，雍水加重造成水害。

總之，橋下河道堵塞是影響橋梁行洪的重大問題，山西省大部分地區(qū)干旱少雨，這些問題存在短期沒有對橋梁造成惡劣影響。然而，氣候異常，降雨的分布極不均勻，長期內(nèi)大降雨、大洪水的概率很大，必須對這一問題加以重視，橋下堵塞的清理、疏通，河道的整治，河道農(nóng)田林地、建筑清理，河道功能的回歸復原顯得非常必要。

2.2 高等級公路橋涵水毀原因分析

課題組結合橋梁檢測工作前往霍永高速、太長高速、平榆高速、晉焦高速、河運高速、山平高速、靈山高速、高陵高速、太佳高速、侯馬翼城高速等高速公路開展高等級高速公路橋涵水毀調(diào)查工作。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，由于高速公路橋梁設計標準高，近年來高速公路沒有因洪災坍塌的橋梁，高速公路橋梁存在水毀的主要為基礎的沖刷和錐坡、護坡水毀。

2.2.1 墩臺基礎沖刷

山西省有大面積的黃土溝壑區(qū)域，土質松軟，植被覆蓋差，坡面陡峭。許多橋梁為跨溝橋，經(jīng)過一段時間的雨水沖刷后，一方面邊坡極易產(chǎn)生滑坡、崩塌等地質災害，在樁周形成較厚的堆積層，對橋墩及樁基不平衡堆載，形成巨大的推力和滑移力，嚴重影響橋梁的安全。另一方面樁基出現(xiàn)了不同程度的沖淘，造成樁基的埋置深度減小，承載力降低，橋梁樁基礎的安全使用存在嚴重隱患。見圖9所示。

圖9 橋梁基礎沖刷

2.2.2 錐坡沖刷

山西省地質條件復雜，加之橋梁設計、施工管理、后期管理養(yǎng)護水平等因素造成部分橋梁錐坡護坡設施存在嚴重的病害，主要存在幾種：嚴重的沉降，整體或部分滑坡，沖刷掏空，砌體破損塌陷等，造成錐護坡對橋梁保護功能部分或全部失效，威脅橋梁安全，見圖10。

圖10 橋梁錐坡沖刷垮塌

2.3 山西省橋涵水毀原因綜合分析

根據(jù)山西省橋涵水毀現(xiàn)狀和調(diào)查結果統(tǒng)計，將山西省水毀原因分析總結如下。

2.3.1 自然原因

a）山西省山區(qū)的地形、地貌及地質條件復雜，很多橋梁因為選址困難設置在不穩(wěn)定河段，容易產(chǎn)生橋涵水毀現(xiàn)象。

b）洪水流量大，很多河流流域面積較大，大雨、暴雨天氣時洪水流量大。如左權縣2016年7月19日水災事件，洪水基本為百年一遇或超越百年一遇，而此次被沖毀橋梁均為低等級公路橋梁，設計洪水頻率低，在本次洪災中出現(xiàn)水毀垮塌也屬正常。

c）洪水出現(xiàn)迂回沖刷，沖毀路堤、引道，進而導致橋臺損毀。

d）暴雨引發(fā)的地質災害如滑坡、泥石流等次生災害造成橋梁的淤塞，漂浮物沖擊橋梁，導致橋梁失效或破壞。

e）生態(tài)環(huán)境破壞惡化，水土流失，植被覆蓋不足，造成流域內(nèi)蓄洪能力不足，河道流量異常增大。

2.3.2 設計原因

a）部分橋梁特別是縣鄉(xiāng)村道橋梁由于歷史原因、造價控制等原因橋長設計過小，排洪能力不足；橋孔設計過小，排洪與輸沙能力不足，長期作用造成橋孔被泥沙淤塞，暴雨洪水時泄水不及造成橋前雍水，基礎嚴重沖刷掏空，橋梁墩臺沖毀，橋梁結構破壞失效，設計標準過低是造成低等級公路橋涵水毀的主要原因之一。

b）橋位設計不合理，對橋址處水文、地質和水力信息缺乏掌握，研究深入不夠，造成洪水時橋梁異常沖刷。

c）橋梁基礎結構型式選擇不當，如大部分老舊橋梁采用擴大基礎，埋置深度不夠，易造成沖刷掏空；很多橋梁沒有設置調(diào)治構造物或設置不當。

d）很多橋梁上、下部結構均采用圬工結構（圬工拱橋），抗側推能力低，洪水攜帶漂浮物撞擊、水流沖擊等產(chǎn)生的巨大推力橋側導致橋梁側翻坍塌。

e）橋臺錐坡或擋墻抗沖刷能力低，發(fā)生坍塌，引道被沖失大量填土，造成橋臺背的引道或橋臺倒塌。

2.3.3 管養(yǎng)原因

a）護坡、錐坡、調(diào)治構造物等防護工程不堅固或防護不到位，甚至部分橋梁沒有有效的防護設施。

b）施工質量差，后期缺乏管理養(yǎng)護。很多橋梁長期得不到養(yǎng)護，墩身存在嚴重的砌縫脫落、剝落、漏筋、破損等病害，基礎存在沖刷、掏空、沉降、傾斜等病害，這些病害的存在均是橋梁水毀的誘因甚至是關鍵因素。

c）山西常年干旱少雨，大部分河流為季節(jié)性河流，很多橋下河灘被人為占用，被開墾為農(nóng)田林地，甚至建造永久性建筑，設置采砂場、垃圾傾倒場，這些存在均會堵塞河道，破壞了河道平衡狀態(tài)，抬高水位。

d）山西省植被覆蓋情況較差，部分區(qū)域河道淤積情況嚴重，河道過洪能力降低。

3 山西省橋涵水毀防治措施[2]

3.1 設計及施工方面

a）適當提高橋涵抗洪設計洪水頻率。公路工程技術標準對于不同等級的公路橋梁涵洞給出了設計洪水頻率。對于高等級公路來講，是基本合適的。然而，對于低等級公路來講，橋涵的設計洪水頻率過低，水毀損失是極為慘重的，道路恢復時間漫長，需要的經(jīng)費巨大，由于養(yǎng)護經(jīng)費的短缺，道路的恢復存在極大困難。因此，可適當提高低等級公路橋涵的設計洪水頻率，可提高低等級公路保通能力，另外可節(jié)省運營期間養(yǎng)護成本，更可節(jié)省水毀后的重建成本。

b）認真考慮地質、地貌、水文和水力因素，選擇最優(yōu)橋位和橋涵方案。

c）合理選擇下部結構形式，建于河道沖刷范圍內(nèi)、地質條件較差的小橋涵應逐步棄用圬工形式的下部結構形式，優(yōu)先采用樁基礎等深基礎和鋼筋混凝土墩柱；條件合適選擇圬工結構時應保證足夠的埋置深度和抗洪水沖擊傾覆性。

d）根據(jù)河流漂浮物的特點結合下部結構形式設計可靠的的防護設施如調(diào)治構造物、護墩體、錐護坡等，根據(jù)實際需要齊全設置，不得壓縮項目和工程規(guī)模。

e）小橋涵選位、孔徑、進出口形式以及加固消能措施等方面是防治小橋涵水毀的關鍵，應進行合理設計。

f）開展黃土地區(qū)橋涵沖刷及水毀機理研究，對該地區(qū)橋梁防護系統(tǒng)深入研究，為橋涵建設提供科學而有效的依據(jù)，提高公路橋涵設計水平，提高橋梁抗災性。

g）施工時嚴格按照設計及相關要求進行施工，并根據(jù)現(xiàn)場地質地貌、水文等實際情況聯(lián)合各部門進行適當調(diào)整，做到橋涵、引道及其附屬防護工程均滿足相關要求。

3.2 橋梁養(yǎng)護管理方面

公路橋涵養(yǎng)護管理工作必須貫徹“預防為主，防治結合，防重于搶”的方針。按照要求進行橋梁檢查工作，及時對存在抗洪能力不足的橋涵進行整治和修復，清理疏通河道確保通暢排洪，對橋涵墩臺基礎進行必要的養(yǎng)護和加固，對防護設施和調(diào)制構造物進行修復和改建優(yōu)化，恢復橋梁各項功能，達到控制降低水毀損失、減少橋涵水毀的目的。

3.3 非工程措施

非工程防治措施則體現(xiàn)了橋涵水害防治的哲學性和主動性，對防治橋涵水害同樣意義重大。

a）實施綜合治理?？赏ㄟ^多部門協(xié)作，進行農(nóng)、林、水等流域綜合治理。例如通過植樹造林種草等措施培育植被，提高植被覆蓋率，減少水土流失，增大地表糙率，增加雨水入滲，提高地表攔蓄能力，減小洪水流量，提高小橋涵的防洪標準。

b）建立先進的監(jiān)測預警系統(tǒng)。各級道路管理部門要加大投入，逐步建立和完善橋涵水毀災害預警系統(tǒng)，對水毀危險性、易損性比較高的重點水毀段、點開展監(jiān)測工作，進行預防性養(yǎng)護，達到以預防為主、防治結合的目的。