路基沖蝕淤埋水毀減災(zāi)原理

截至2014年底，我國(guó)公路總里程達(dá)到450萬(wàn)km，其中約24%位于泥石流災(zāi)害高易發(fā)區(qū)。我國(guó)公路水毀災(zāi)害以路基缺口、路基沖失、路面板懸空、路基沉陷、橋梁墩臺(tái)變形破壞等類型為主，分布范圍廣，出現(xiàn)頻率高，災(zāi)情嚴(yán)重，其防災(zāi)減災(zāi)長(zhǎng)期得到公路管理部門與科技工作者的高度重視但卻從未得到有效解決。尤其是近十年來(lái)，在全球性地質(zhì)活動(dòng)程度加劇、極端氣象條件頻繁出現(xiàn)的宏觀地學(xué)背景下，我國(guó)公路水毀災(zāi)害直接經(jīng)濟(jì)損失每年超過(guò)30億元。如2004年汛期，湖北省十堰市連續(xù)遭遇暴雨襲擊，國(guó)道G209、G316和襄關(guān)路、興界路、鮑竹路、鄖漫路、十兩路等省道水毀損失十分嚴(yán)重，被沖毀擋墻261處計(jì)93415m3，路基沉陷82處，水毀路面16×104m2，公路臨時(shí)中斷交通31條，鄉(xiāng)村公路路基水毀達(dá)2000km；2009年4月至7月，貴州省大部分地區(qū)遭受到強(qiáng)降雨襲擊，造成國(guó)道、省道和縣鄉(xiāng)道近80余條公路交通中斷，山洪泥石流毀損路基、路面、橋梁和涵洞，僅黔東南地區(qū)國(guó)、省干線公路共沖毀路基3.5km、沖毀防護(hù)工程83處計(jì)11505m3、路基塌方133處計(jì)117009m3；2012年四川省涼山彝族自治州喜德縣“8.13”洪災(zāi)，全縣累計(jì)沖毀縣道32.1km、鄉(xiāng)道44km、通村公路272km、橋梁16座，交通基礎(chǔ)設(shè)施損毀估算達(dá)到2.7億元。

從1998年開始，本書作者團(tuán)隊(duì)立足四川、重慶、貴州、新疆、云南、河南、陜西等省市區(qū)的公路交通防災(zāi)減災(zāi)，對(duì)路基水毀災(zāi)害進(jìn)行了深入、系統(tǒng)、持續(xù)研究，本書即是基于系列研究成果整理提煉而成，解決了路基沖蝕淤埋水毀災(zāi)害減災(zāi)系列基礎(chǔ)理論問(wèn)題，構(gòu)建了路基水毀災(zāi)害常態(tài)修復(fù)和應(yīng)急搶修成套技術(shù)，具有較高理論水平和重要工程實(shí)用性。

本書包括6章，第1章由陳洪凱、崔志波和唐紅梅編寫；第2章由陳洪凱、崔志波、李海湛、劉國(guó)禮、楊玉平和唐蘭編寫；第3章由唐紅梅、李海湛、劉國(guó)禮、吳國(guó)勤、王德新和周福川編寫；第4章由梁丹、楊玉平、劉書萍和陳玉紅編寫；第5章由陳洪凱、姜會(huì)玲、張中義

和鐘盈編寫；第6章由陳洪凱、唐紅梅、崔志波、何曉英、李海湛、劉國(guó)禮、吳國(guó)勤、劉燕和李小明編寫。全書由陳洪凱統(tǒng)稿，李小明和梁丹負(fù)責(zé)圖文校對(duì)。

本書在編撰過(guò)程中，得到蘭州大學(xué)李吉均院士，重慶大學(xué)鮮學(xué)福院士，中國(guó)科學(xué)院水利部成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所崔鵬院士、韋方強(qiáng)教授、陳寧生教授和王全才教授，解放軍后勤工程學(xué)院鄭穎人院士和劉元雪教授，三峽大學(xué)李建林教授，中山大學(xué)劉希林教授，清華大學(xué)孫其誠(chéng)教授，中南大學(xué)徐林榮教授，重慶師范大學(xué)趙純勇教授，華東交通大學(xué)鄭明新教授，重慶市地質(zhì)礦產(chǎn)開發(fā)局總工程師劉東升教授，重慶交通科研設(shè)計(jì)院柴賀軍教授和鄧衛(wèi)東教授，西南大學(xué)王建力教授，重慶大學(xué)陰可教授，重慶交通大學(xué)唐伯明教授、梁乃興教授、王平義教授、周華君教授、王多垠教授、梁波教授、吳國(guó)雄教授等專家學(xué)者的大力支持和熱忱關(guān)懷，在此一并致以誠(chéng)摯的謝意！

本書的出版得到重慶交通大學(xué)地質(zhì)資源與地質(zhì)工程重點(diǎn)學(xué)科、西部交通地質(zhì)減災(zāi)創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)和重慶市兩江學(xué)者特聘教授專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)資助。

雖然本書團(tuán)隊(duì)竭盡全力編撰本書，但是書中難免錯(cuò)漏，敬請(qǐng)各位同行批評(píng)指正。

2015年12月

第1章泥石流沖磨作用

1.1泥石流流速

1.1.1稀性泥石流流速

1.1.2黏性泥石流流速

1.1.3水石流流速

1.2泥石流沖擊力

1.2.1流體動(dòng)壓法

1.2.2船筏撞擊法

1.2.3地貌形跡法

1.3泥石流磨蝕作用

1.3.1泥石流磨蝕力

1.3.2防治結(jié)構(gòu)磨蝕速度與磨蝕量

第2章路基缺口形成機(jī)制

2.1路基缺口類型

2.2路基缺口力學(xué)機(jī)制

2.2.1滑動(dòng)型路基缺口力學(xué)機(jī)制

2.2.2墜落型路基缺口力學(xué)機(jī)制

2.2.3泥石流沖擊型路基缺口力學(xué)機(jī)制

2.3路基缺口演化模式

2.3.1滑動(dòng)型路基缺口演化模型

2.3.2墜落型路基缺口演化模式

2.3.3泥石流沖擊型路基缺口演化模式

第3章懸空鋼筋混凝土路面板破壞機(jī)制

3.1懸空鋼筋混凝土路面板等效

3.1.1復(fù)合材料方法

3.1.2混凝土彈性模量預(yù)測(cè)模型

3.1.3算例

3.1.4等效彈性模量變化規(guī)律

3.2平行懸空鋼筋混凝土路面板斷裂破壞模型

3.2.1水泥混凝土路面有限元模型

3.2.2平行懸空路面板有限元分析

3.2.3基于斷裂力學(xué)的平行懸空混凝土路面板極限承載力

3.3角部懸空鋼筋混凝土路面板斷裂破壞模型

3.3.1角部懸空鋼筋混凝土路面板數(shù)值分析

3.3.2基于斷裂力學(xué)的角部懸空混凝土路面板極限承載力

第4章路基沉陷形成機(jī)制

4.1路基吸水滲透—浸泡軟化機(jī)理

4.2路基吸水滲透計(jì)算

4.2.1路基簡(jiǎn)化模型

4.2.2基本假設(shè)

4.2.3非飽和路基吸水滲透浸潤(rùn)鋒面

4.3路基穩(wěn)定性計(jì)算

4.4算例分析

第5章泥石流沉積物淤埋固結(jié)作用

5.1泥石流沉積物相變特性研究

5.1.1泥石流沉積物兩相劃分

5.1.2泥石流沉積物固相轉(zhuǎn)變

5.1.3泥石流沉積物液相轉(zhuǎn)變

5.1.4泥石流沉積物相變規(guī)律

5.2泥石流沉積物淤埋試驗(yàn)

5.2.1模型試驗(yàn)相似比

5.2.2橋梁淤埋受荷驗(yàn)算

5.2.3泥石流淤埋橋梁試驗(yàn)?zāi)Ｐ?

5.2.4泥石流淤埋結(jié)構(gòu)物試驗(yàn)結(jié)果分析

5.3泥石流沉積物固結(jié)力學(xué)機(jī)理

5.3.1泥石流兩相流模型

5.3.2泥石流沉積物固結(jié)機(jī)理

5.3.3泥石流沉積物的固結(jié)力學(xué)關(guān)系

5.3.4泥石流沉積物固結(jié)試驗(yàn)驗(yàn)證

5.4泥石流沉積物承載力變化特性

5.4.1泥石流沉積物承載力變化特性試驗(yàn)

5.4.2泥石流沉積物承載力變化特性試驗(yàn)結(jié)果

第6章路基沖蝕淤埋水毀減災(zāi)技術(shù)

6.1曲面路基防護(hù)結(jié)構(gòu)

6.1.1砌塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

6.1.2施工步驟

6.2樁—墻復(fù)合抗滑支擋技術(shù)

6.2.1結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

6.2.2施工步驟

6.2.3適用條件

6.3病損路基拓寬修復(fù)方法

6.3.1結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

6.3.2施工步驟

6.4路基沖失段錨拉框架結(jié)構(gòu)

6.4.1結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

6.4.2施工步驟

6.5路基缺口組合式橋梁

6.5.1結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

6.5.2施工步驟

6.6路基沉陷段組合式聚酯砌筑塊

6.6.1結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

6.6.2施工步驟

6.7鋼筋混凝土路面板懸空段錨拉結(jié)構(gòu)

6.7.1結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

6.7.2施工步驟

6.8泥石流淤埋路段戰(zhàn)備浮橋

6.8.1結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

6.8.2施工步驟

6.9泥石流淤埋路段承載傘通行結(jié)構(gòu)

6.9.1結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

6.9.2施工步驟

6.10泥石流沉積體注氮快速凝固技術(shù)

參考文獻(xiàn)2100433B

本書針對(duì)路基沖失、路基缺口、路基沉陷、鋼筋混凝土路面板懸空、泥石流淤埋道路等路基水毀災(zāi)害的工程治理需求，從泥石流流速、沖擊、磨蝕三方面建立了泥石流沖磨計(jì)算理論。著眼于路基沖蝕槽的形成過(guò)程，給出了路基水毀災(zāi)害的地貌學(xué)描述，構(gòu)建了每種災(zāi)害的力學(xué)模型，研發(fā)了曲面路基防護(hù)結(jié)構(gòu)、病損路基拓寬修復(fù)方法等路基水毀災(zāi)害常態(tài)修復(fù)新技術(shù)。針對(duì)路基沖失段錨拉框架結(jié)構(gòu)、鋼筋混凝土路面板懸空段錨拉結(jié)構(gòu)、泥石流淤埋路段戰(zhàn)備浮橋等路基水毀災(zāi)害應(yīng)急搶修新技術(shù)建立了防治結(jié)構(gòu)的工程計(jì)算方法和設(shè)計(jì)方法，并給出了工程算例。本書是一本具有較高理論水平和重要工程實(shí)用性的公路水毀災(zāi)害治理論著。

本書可作為從事公路水毀災(zāi)害勘察、設(shè)計(jì)、施工、養(yǎng)護(hù)、應(yīng)急救援和管理科技人員的專業(yè)用書，對(duì)從事公路水毀災(zāi)害研究的科技人員具有一定參考借鑒作用。

沿河路基水毀的成因及治理

（1）沿河路基水毀成因

沿河（溪）公路受洪水頂沖和淘刷，路基發(fā)生坍塌或缺斷，影響行車安全，乃至中斷交通，稱為沿河路基水毀。它常發(fā)生在彎曲河岸和半填半挖路段。主要成因有下列幾種：

1.受洪水頂沖、淘刷的路段，路基缺少必要的防護(hù)構(gòu)造物；

2.路基防護(hù)構(gòu)造物基礎(chǔ)處理不當(dāng)或埋置深度不足而破壞，引起路基水毀；

3.半填半挖路基地面排水不良，路面、邊溝嚴(yán)重滲水，路基下邊坡坡面滲流普遍出露，局部管涌引起路基坍垮；

4.風(fēng)浪襲擊路基邊坡，邊坡過(guò)量水蝕而坍垮。

（2）防治沿河路基水毀的措施

防治沿河路基水毀的措施，可以采用設(shè)置不漫水丁壩、漫水丁壩和浸水擋土墻等。

橋梁水毀的成因及治理

（1）橋梁水毀的成因

橋梁受洪水沖擊，墩臺(tái)基礎(chǔ)沖空危及安全或產(chǎn)生橋頭引道缺、斷，乃至橋梁倒坍，稱為橋梁水毀。其主要原因有下列兩種：

1.橋梁壓縮河床，水流不順，橋孔偏置時(shí)，缺少必要的水流調(diào)治構(gòu)造物；

2.基礎(chǔ)埋置深度淺又無(wú)防護(hù)措施。

（2）防治橋梁水毀的措施

防治橋梁水毀的措施，可根據(jù)情況采取增建各種水流調(diào)治構(gòu)造物和墩臺(tái)基礎(chǔ)防護(hù)構(gòu)造物，具體如下。

1.增建水流調(diào)治構(gòu)造物防治橋梁水毀。

①穩(wěn)定、次穩(wěn)定河段上橋梁水毀防治。

穩(wěn)定、次穩(wěn)定河段上橋梁水毀防治措施，可根據(jù)調(diào)整橋下灘流、河床沖淤分布的實(shí)際需要及水流流向等情況分別加以選擇。

·正交橋位，兩側(cè)有灘且對(duì)稱分布時(shí)，兩側(cè)橋頭布置對(duì)稱的曲線形導(dǎo)流堤。

·正交橋位，兩側(cè)有灘但不對(duì)稱分布時(shí)，兩側(cè)導(dǎo)流堤一般布置成口朝上游的喇叭形。大灘側(cè)為曲線形導(dǎo)流堤，小灘側(cè)為兩端帶曲線的直線形導(dǎo)流堤。

·橋位在河流彎道上，凹岸布置直線形導(dǎo)流堤，凸岸布置曲線形導(dǎo)流堤。

·橋位與河槽正交，一側(cè)引道向上游與灘地斜交，另一側(cè)引道與灘地正交時(shí)，斜交側(cè)橋頭布置梨形堤，引道上游側(cè)設(shè)置短丁壩群。當(dāng)水深小于1m，流速小于1m/s時(shí)，可以邊坡加固代替短丁壩群；正交側(cè)橋頭設(shè)置直線形導(dǎo)流堤。

·橋位與河槽正交，一側(cè)引道伸向下游與灘地斜交形成“水袋”，另一側(cè)引道與灘地正交時(shí)，斜交側(cè)橋頭設(shè)置曲線形導(dǎo)流堤，引道上游進(jìn)行邊坡加固，并在適當(dāng)位置設(shè)置小型排水構(gòu)造物，以排除“水袋”積水；正交側(cè)橋頭設(shè)置直線形導(dǎo)流堤。若斜交側(cè)灘地不寬，可設(shè)封閉導(dǎo)流堤消除“水袋”。

·斜交橋位，兩側(cè)有灘地對(duì)稱分布時(shí)，根據(jù)河槽流向，銳角側(cè)設(shè)梨形堤，另一側(cè)設(shè)兩端帶曲線的直線形導(dǎo)流堤。

②不穩(wěn)定河段上橋梁水毀防治。

在不穩(wěn)定河段上橋梁水毀防治，可根據(jù)河岸條件、河床地貌及橋孔位置等情況分別采取下列措施。

·橋梁位于出山口附近的喇叭形河段上，封閉地形良好，宜對(duì)稱布置封閉式導(dǎo)流堤。

·引道阻斷支岔，上游可能形成“水袋”。為控制洪水?dāng)[動(dòng)，防止支岔水流沖毀橋頭引道，視單側(cè)或雙側(cè)有岔及地形情況，可對(duì)稱或不對(duì)稱設(shè)置封閉式導(dǎo)流堤。

·一河多橋時(shí)，為防止水流直沖兩橋間引道路基，可結(jié)合水流和地形條件，在各橋間設(shè)置分水堤。

·橋梁位于沖積漫流河段的擴(kuò)散淤積區(qū)，一河多橋而流水溝槽又不明顯時(shí)，宜設(shè)置漫水隔壩，并加強(qiáng)橋問(wèn)路堤防護(hù)。

③增建各種調(diào)治構(gòu)造物具體布置與設(shè)計(jì)，參照現(xiàn)行《公路橋位勘測(cè)規(guī)程》有關(guān)章節(jié)的規(guī)定。

2.增設(shè)沖刷防護(hù)構(gòu)造物防治橋梁墩臺(tái)水毀。

橋梁墩臺(tái)明挖（淺埋）基礎(chǔ)，應(yīng)根據(jù)跨徑大小、橋位河段穩(wěn)定類型，分別增建基礎(chǔ)防護(hù)構(gòu)造物。當(dāng)河床較穩(wěn)定，沖刷范圍小時(shí)，宜采用立面防護(hù)措施；當(dāng)河床穩(wěn)定，沖刷范鬧較大時(shí)，宜采剛平面防護(hù)措施。 2100433B

在雨季和汛期，公路管理機(jī)構(gòu)應(yīng)組織人員對(duì)所轄公路進(jìn)行晝夜巡視檢查，對(duì)易毀的路段和構(gòu)造物應(yīng)設(shè)專門的搶護(hù)隊(duì)伍守護(hù)，以便隨時(shí)發(fā)現(xiàn)險(xiǎn)情及時(shí)采取措施。當(dāng)洪水對(duì)公路發(fā)生破壞時(shí)，應(yīng)進(jìn)行緊急搶護(hù)，并做到以下幾個(gè)方面要求：

（1）保證重點(diǎn)，照顧全面；

（2）先干線，后支線；

（3）先修通，后恢復(fù)，搶修與恢復(fù)相結(jié)合；

（4）先路基、橋涵，后路面工程；

（5）干線公路應(yīng)隨毀隨修，力爭(zhēng)水退路通，待雨季過(guò)后再進(jìn)行恢復(fù)；

（6）鄉(xiāng)級(jí)公路，應(yīng)由沿線鄉(xiāng)鎮(zhèn)積極搶修，盡快恢復(fù)通車，公路管理部門給予適當(dāng)經(jīng)費(fèi)補(bǔ)助和必要的技術(shù)指導(dǎo)。

路基水毀搶修措施

對(duì)于因養(yǎng)護(hù)不夠而發(fā)生的路基水毀，可以分析水毀原因，按照有關(guān)養(yǎng)護(hù)修理的要求進(jìn)行修復(fù)。如路基發(fā)生坍陷，應(yīng)迅速使用已經(jīng)備好的土料進(jìn)行修補(bǔ)，如路基行車部分已泥濘難行，應(yīng)將稀泥挖出，撒鋪砂粒料維持通車。

對(duì)靠近河流、湖塘及洼地的路基，因洪水猛漲并不斷沖刷路基，使路基發(fā)生塌陷時(shí)，可以根據(jù)具體情況，適當(dāng)采用下面幾種方法進(jìn)行搶修：

（1）在受水沖刷的部分拋石塊、砂袋、土袋等；

（2）洪水沖刷，并有波浪沖向路基時(shí)，可在受水浪沖擊的部分，用繩索掛滿蘆葦編成的蘆排或帶樹頭的柳樹，以防水浪沖打；

（3）如果路基邊坡已大部分塌陷，可以在毀壞部分，順路方向每米打木樁一根，樁里面鋪設(shè)秸料或樹枝，并填土擋水，或用草袋裝上砂石、黏土等材料填筑；

（4）當(dāng)路堤有被洪水淹沒(méi)危險(xiǎn)時(shí)，可在臨河一面的路肩上，用草袋或黏土筑成土埂臨時(shí)擋水。

對(duì)于因漫水造成的路基水毀，可根據(jù)漫水的深度，路基寬窄，材料取運(yùn)難易，采用下面幾種方法進(jìn)行搶修。

（1）填土趕水法。路基漫水長(zhǎng)度不大，漫水深度在0.3m以下時(shí)，可以直接從兩頭填土把水趕出，填土厚度要比現(xiàn)有水面再高出0.3~0.5m。填土后先將表層夯實(shí)維持通車，或填砂礫、碎磚、爐渣等礦料，提高路基以維持通車。

（2）打堤排水法。如路基漫水較長(zhǎng)，漫水深度在0.5m以下時(shí)，可在漫水路段的兩側(cè)路肩上，用草袋裝土填起兩道土堤，先把路基上面的水圍起來(lái)，然后將土堤里面的水排除，露出原路面后有的可以直接維持通車，如土壤濕軟時(shí)可以撒鋪一層砂或碎磚、爐渣后冉維持通車。

（3）打樁筑堤排水法。如果路基浸水深度在1m左右時(shí)，可采取打樁筑堤，每道堤必須先打兩行木樁，間距和行距都是1m左右，木樁直徑一般為10~15cm，打好木樁后，在樁里面鋪秸料，然后在中間填土踏實(shí)，達(dá)到堤不漏水以后，再把圍起來(lái)的水從路上排出，并在原路上鋪一層砂料、碎磚等維持通車。

橋涵等構(gòu)造物水毀搶修

汛期對(duì)抗洪能力不足的橋梁，應(yīng)有專人負(fù)責(zé)查看，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)險(xiǎn)情進(jìn)行搶護(hù)，分不同情況可采取下列措施。

（1）監(jiān)視漂浮物在橋下通過(guò)的情況，必要時(shí)川竹竿、鉤桿等引導(dǎo)其順利通過(guò)橋孔，防止其聚集在橋墩附近。堵塞在橋下的漂浮物，必須隨時(shí)移開或撈起。

（2）洪水時(shí)，如橋涵墩臺(tái)、引道、護(hù)坡、錐坡或河床發(fā)生沖刷，危及整個(gè)構(gòu)造物時(shí)，應(yīng)采取拋塊石、沉放沙袋或柴排等緊急措施進(jìn)行搶護(hù)。但拋填不能過(guò)多，以免減少泄水面積而增大沖刷。拋填塊石時(shí)，可沿臨時(shí)設(shè)置的術(shù)槽滑下，以控制拋填位置。

（3）遇有特大洪水，采用搶護(hù)措施仍不能保全的重要橋梁，在緊急情況下，經(jīng)上級(jí)主管部門批準(zhǔn)，可用炸藥炸開橋頭引道，以增加泄水面積，保護(hù)主橋安全度汛。

橋涵錐坡、路堤和導(dǎo)流壩等邊坡被水浪沖擊和水流沖刷時(shí)，應(yīng)按不同情況，因地制宜采用下列防浪措施進(jìn)行搶護(hù)。

（1）土袋、石袋防浪。用草袋裝入砂石料、黏土等（每袋只裝其容量2/3），鋪置于迎水坡上，袋口向里互相疊壓。

（2）蘆排防浪。用蘆葦編成蘆排，鋪置于迎水坡上，用竹條或繩索壓住，并用小樁固定，用石袋壓穩(wěn)。

（3）草席防浪。用普通草席鋪于邊坡上，下端墜系砂石袋，上端用繩索固定在堤頂?shù)哪緲渡稀?

（4）鉛絲石籠防浪。用8號(hào)或10號(hào)鉛絲編成鉛絲籠，內(nèi)裝石塊，置于迎水邊坡上。

沖毀的路基、橋涵，須立即搶修便道便橋，便道便橋是維持通車的臨時(shí)措施，能夠保證在使用期間的行車安全即可。便橋可用打樁或石籠做橋墩，并不宜過(guò)高，應(yīng)盡量省工省錢，以免增加施工閑難和拖延時(shí)間。