公路水毁防护工程结构型式研究简介

完成单位： 凉山州公路管理局

主研人员： 张运辉、马永泰、李兴平、金发均、杨冕、董建平

获奖情况： 2000年～2001年凉山州科技进步二等奖

一、项目简介

1.任务来源: 四川省交通厅公路局1999年下达的科技项目。

2. 项目所属科学技 术领域

项目是公路水毁机理及防御对策研究，是公路路基水毁防治措施减灾系统分析、总结，充分利用现代科学技术，加强防灾减灾研究工作的针对性和有效性，全面总结成功的治灾经验，推广防灾新技术，形成规范化、程序化的公路防灾减灾学科体系。

3. 项目的主要内容

（ 1 ）本项目基于对凉山易发灾害的典型路段泸盐公路大金河至盐源的工程治理为原型，深入调查分析山区道路水毁机理以及路堤典型水毁破坏过程。探索公路水毁防护工程结构型式的科学性。

（ 2 ）根据地形、地质水文情况，研究合理的水毁防护工程结构型式提高公路的抗洪能力。

（ 3 ）根据沿河公路路基水毁的特性，以及河道演变的差异研究合理的调治构造等防护措施。

4. 项目特点及运用推广情况

（ 1 ）避开形成山洪的复杂原因着重考虑山洪在防护结构前表现的水力物理学特性，把洪水对结构产生破坏的作用力称为破坏力，把防护结构自身维持平衡稳定抵御破坏的能力称为结抗力，总体的构思原则是：结构抗力大于或等于破坏力。

（ 2 ）破坏力包括水平冲击力，向上浮托力以及碰撞力，通过大量调研资料分析解决。

（ 3 ）结构抗力通过结构本身的机理分析解决它与结构自重，构件联结力，摩阻力，材料粘结力以及结构的空间受力变形与稳定等因素，有密切的关系。

项目在科学研究的基础上，结合水毁修复工程在大金河至平川修建七种形式的防护结构共5565米，计9.5万立方米，经洪水考验证明方案是成功的，科研成果已在凉山州及全省推广运用。

二、立项背景

沿河、沿溪公路由于受地形限制，大多依山傍水顺着河谷行进，路基边坡经常或周期性地受到水流作用，因此采取冲刷防护措施，采用修建挡墙、护坡等道路支挡结构，要求有足够抵御洪水的能力，为此必须通过充分调查研究，查明水毁的主导原因，对症下药，通过科学水文计算，作好结构设计。

凉山州位于康藏高原的横断山区，地处四川西南边陲，北起大渡河，南至金沙江，东邻云南昭通，西接甘孜州；州内山川纵横，气候、地质、地貌巨变，每当雨季到来，山洪暴发，伴之地质环境灾害，构成群发性、叠加性的错综反应，这些灾害共同对公路与桥梁（涵洞）造成威胁，水毁损失严重，四处断道，危及交通生命线， 1996 年 —1998 年， 3 年内水毁路基 106.9 公里，水毁砂石路面 295.9 万平方米，水毁油路 19.93 万平方米 , 全毁公路桥梁 28 座 543.6 延米，局毁挡土墙 14181 米， 117702.5 立方米，经济损失 3869 万元，以凉山州主要的经济干线西（昌）木（里）公路为例， 1998 年水毁断道阻车 3 个月，影响盐源、木里两县的经济建设，危及人民的生活。为了确保西木公路的通车， 1999 年安排水毁恢复资金达 3500 万，由此可见，洪灾是导致公路桥梁毁坏的主要原因之一，面对凉山“线路长，等级低，抗灾力弱，服务水平低“的状况 , 如何提高水恢复工程的质量引起各级政府和科技人员的广泛关注。

凉山州公路大多自然条件恶劣，地质情况复杂，高山深谷纵横，沿河公路、傍山越岭公路的地形、地质条件致使公路水毁严重，而经费严重不足，公路水毁工程显得举步维艰。如何确保水毁恢复工程修复一处，成功一处是领导和养路职工十分关注的问题。我们从凉山的公路建设实际出发，开展了山区公路水毁防护工程结构形式的研究。

三、详细科学技术内容

道路支档结构、驳岸、浸水挡墙及护坡等结构要求有足够的抵御洪水破坏的能力为此必须进行结构抗力的分析计算。

（ 一）破坏力与抗力分析

对于道路永久性防护措施受到山洪水流的推移力 P T ，对流对阻流面的冲击力Ｐ C ，对护面的上举力 P S 以及波浪自斜坡上滚退时的上举力 Ps ＇等破坏力的作用。其次永久性防护结构物基础还受到水流的冲刷作用，只有当基础的埋置深度 hm 大于冲刷深度 hc 时，基础才不会产生位移变形，不致造成结构物水毁破坏。

当 h m ≥ h c

P k （ P z 、 P jm 、 P w …）≥ P p （ P T 、 P C 、 P S 、 P S ＇…）则浸水挡墙，驳岸等永久性防护工程就不会被水毁，反之在山洪爆发时防护结构物就会被冲刷毁坏而造成路基水毁。

以上两式中：

h m 、 h z ——基础埋置深度和冲刷深度

P K ——防护结构的抗力包括防护结构物自重产生的稳定力（或力矩） P z 基础地基之间抗滑阻力和基础反力产生的稳定力矩 Pjm 以及通过锚索或锚杆等技术措施施加到结构的外力 P m 等。

P p ——山洪对防护结构物产生的破坏力，主要包括水流的推移力 P T ，水流对阻流面的冲击力 P C 上举力 P S 和 P S ＇等。

（ 二）计算模式

1 、冲刷深度计算

（ 1 ）一般冲刷

由于建筑物（驳岸、浸水挡墙）侵占了河床，压缩了水流断面，引起流速增大，水流的挟沙能力增强，因而能发生对河床或建筑物基础的冲刷。

对于平原或山区的稳定性河段，一般冲刷深度、 h pm 可用下式计算：

h pm =( λ－ 1)h (2 － 5)

式中： h pm ——一般冲刷深度（m）；

λ——冲刷系数，由水文资料提供；

h ——冲刷前建筑物前面的水深（ m ）。

2 、当驳岸、浸水挡土墙没有压缩河床或很少地压缩了河道的水流断面，但水流流向冲击驳岸、浸水挡土墙时，仅需考虑局部冲刷。基础局部冲刷的大小与防护地段的流速及地质因素有关（即与基础前缘地层颗粒直径 d 的大小及紧密程度有关），亦与水流方向和建筑物轴线的交角 a 的大小有关，交角越大，冲刷越深。

•  对于非粘性土河床

h Pj ＝ [23V 2 tg （ a ／ 2 ）／ g √（ 1 ＋ m 2 ） ]-30d

•  对于粘性土河床

h Pj ＝ [23V 2 tg （ a ／ 2 ）／ g √（ 1 ＋ m 2 ） ]-6V b 2 g

上两式中： h pj ——驳岸、浸水挡土墙前局部冲刷深度（ m ）

u---- ——行进行水流的平均流速（ m/s ）；

g ——重力加速度（ 9.8 m/s2 ）；

V b ——河床上的允许不冲刷流速（ m/s ）；

m ——浸水挡土墙的边坡坡率；

d ——冲刷过程中，裸露出来的河床表层土颗粒筛分达到 15% 以上质量的粗颗粒直径（ m ）；

a ——水流方向与浸水墙等防护建筑物迎水面切线的交角。

当浸水挡墙等结构物较多的压缩了河道水流断面，且水流流向又冲击结构物时，则应同时考虑局部冲刷和一般冲刷。此时基础的埋置深度应大于 h pm +h pj ，并应再加 1.0 m 的安全深度值。

（三）山洪对防护结构物的破坏力

1 、水流对阻流面的冲击力

此力作用在每米宽的阻流面上，其方向垂直于此面，其作用点可假设在阻流面高度的一半处。其计算公式为：

PC＝K S γ O HV 2 ／g× [（ 1－Cosa）／Sina ]

式中： p C ——水流对阻流面的冲击力（ kN/m ）；

K S ——绕流系数，一般取 ks=1 ；

γ O ——水的容重（ 9.81 kN/m 3 ）；

H ——阻流面高度（ m ），对于不漫水的浸水挡土墙等结构物为结构物前行进的水深，对于漫水结构物为结构的高度；

v ——进行水流的平均流速（ m/s ）；

a ——水流方向与阻流面的夹角。

２、水流对护面的上举力

水流对护面的上举力 p S 有两种。第一种上举力 p S 是由于水流绕过凹凸不平的护面时，引起护面表面和底层的压力不平衡而形成的上举力。第二种脉动压力约与流速的平方成正比，并与结构物的阻流性质有关。

P S = η 1 μγ 0 V 2 /（2g）

P S ＇＝ 0.25P m V 2

式中： p S ——第一种上举力（ kpa ）；

p S ——第二种上举力（ kpa ）；

γ 0 ——水的容重（ 9.81kN/m 3 ） ;

V—— 行进水的平均流速（ m/s ）；

g—— 重力加速度 (9.81m/s 2 ) ；

η ——与结构物结构有关的试验系数，当为光滑连续护面时，η =1.1~1.2 ；当为单个构件组成的护面时，η =1.5~1.6 ；

μ ——与护面透水性有关的试验系数，当为透水的护面时，μ =0.1 ；当为不透水的护面时，μ =0.3 ；

P m ——当 V=2m/s 时，脉动压力的实测平均值，可参照下列方式取值：

大致顺水流方向的防护结构物，水流匀顺绕过， Pm=0~0.5kpa ；

与水流方向斜交的导流结构物，近水面水流分离， Pm=0~.5kpa~0.8 kpa ；

与水流方向接近垂直的导流结构物，水流急剧分离， Pm ＜ 3.0kpa 。

如果计算所得的上举力大于防护石块对护面的正压力N，即P S ＞N，或P S +P S ＇＞N 时，则这些石块将被推托或浮托出来，使护坡遭受水毁。

3 、波浪作用力

　　波浪的冲击高度以及波浪滚退时的动力作用，常是路基和防护结构破坏的重要因素。

　　当波浪冲击斜坡并沿斜坡卷爬时，作用于护坡表面上的波浪压力不是立即传到护坡底层上，而是稍迟才传到护坡底层，由此而产生的护坡表面与其底层的瞬时压力差，使护面构件紧压在斜坡上。当波浪自斜坡上滚退时则相反，护坡表面的压力比其底层的压力减退较快，即形成一种上举力（或称退波浮托力），如果护坡的尺寸太小，就会被浮托上来并被水冲走，造成波浪对护坡的破坏。此单位上举力可按下列经验公式计算：

P b =1.59K m γ 0 Ah B /（m+2）

式中： P b ——波浪滚退时的单位上举力（ kpa ）；

γ 0 ——水的容重（ 9.81kN/m 3 ）；

h B ——设计考虑的波浪高度（ m ）；

Km ——与边坡率（ m ）有关的系数，当 m=2 ， Km=1.2 ；当 m=2.5 时， Km=1.3 ；

A ——试验系数，对于砌石或混凝土护面， A=0.64 ；对于抛石（或推石）护面， A=0.80 。

4 、水流推移力

河床具有纵坡，水受重力作用向低处运动，产生推移力，其大小按下式计算：

S= γ 0 HI （ 2-12 ）

式中： S ——水流推移力（ kpa ）

γ 0 ——水的容重（ 9.81kN/m 3 ）；

I ——水流比降；

H ——水深（ m ）。

选用路基冲刷防护结构物的护面材料时，应使其抵抗水流推移的能力大于水流推移力，这样才能使结构物不致被冲毁。水流推移力S顺水流方向作用于水流底部河床或防护结构物上。草皮护坡的临界推移力

Sm=0.01kPa~0.02kPa ；单层干砌片石护面 Sm=0.08kPa~0.16kPa （厚度 25cm~30cm ） ; 双层干砌片石护面 Sm=0.24kPa （厚度 50cm~55cm ）。

四、发现发明及创新点

公路防护结构在山洪复杂多变因素的制约下，完全用分析计算模型将结构抗御各指标精确而全面地反映出来是有困难的，因为很多因素相互制约，相互影响，互为因果，因素的不确定反映了客观实际的模糊性和随机性，因此有必要在实际测算和理论分析的基础上用模糊学的分析方法对防护结构抗御破坏的可靠度进行分析，从而解决难以定量描述的不确定性问题，使研究的成果更符合实际更趋于精确可靠。

道路支挡结构、驳岸、浸水挡墙及护坡等结构要求有足够抗御洪水破坏的能力，为此必须进行结构抗力分析计算本项目研究成果借鉴给出了相应的计算模式，并总结了防护工程常用类型的适用条件经工程实践证明计算模式可靠，优化的防护工程类型在公路水毁防治措施研究中有很高的推广运用价值。

五、与国内国外同类研究同类技术的综合比较

我国桥涵水文水力科技工作者，取得了桥墩冲刷计算，工程河段粗率，公路大中桥桥孔设计方法、大中桥设计流量计算等多项科研成果为编制我国桥位勘测设计规程（大中桥）提供了科学依据，在公路桥梁建设中发挥了巨大的作用，但是对面广、量大的山区公路防护工程受山洪破坏缺乏大量研究，加之水毁问题影响因素很多，地域性强的特点，开展系列配套研究难度大，因此，除少量进行水文研究外，几乎没有涉及水文与防护结构破坏因果关系的研究，因此本项目的研究属于填空补缺，加强了公路防灾减灾研究工作的针对性和有效性，为公路水毁防护工程治理，提供行之有效的措施，按省厅局项目验收意见，“水毁防护工程结构型式经实践验证是可行的， 利在全州及全省公路部门水毁修复工程因地制宜，推广运用“，研究成果达到全省行业先进水平。

六、应用情况

1 、一九九八年泸盐公路西昌至木里遭受百年一遇的特大洪灾，道路中断，交通严重受阻，影响盐木两县的经济建设，危及人民的生活。为了有效保证提高公路抗洪能力，依靠技术，走科技治灾之路，运用科研成果，在大金河至平川修建七种结构形式的防护工程，全长 5565 米，共 9.5 万立方米，经 99 年至此 2001 年洪水考验，防护工程方案成功，提高公路通行能力，为盐木两县经济的发展起到极其重要的作用，得省州县的好评。

2 、科研成果 99 年至此 2001 年在西木路移民路段，盐佐公路，美俄公路、泸盐公路西昌至昭觉等公路大量推广运用，有效提高了公路抗洪能力

3、科研论文：《水毁防护结构形式研究》获四川省公路学会优秀论文奖，国际优秀论文奖，并列入《中国科教兴国战略文库》、《世纪专家论文集》。