高温多雨地区公路水文地质特征及水害防治技术

第1章 绪论 1.1 概述 我国地域辽阔，山地和丘陵地带约占陆地国土面积的43%。在高温多雨地区，台风、强降雨等异常天气频繁出现，地震频发，受山区地形复杂、构造发育等因素的综合作用，地质灾害频发且隐患分布广泛。根据国家自然资源部数据，2008～2017年全国累计发生地质灾害149442起(图1.1.1)，其中仅2010年，我国南方高温多雨地区就先后出现11次大范围强降雨过程，强降雨引发的滑坡、崩塌、泥石流等地质灾害频发(图1.1.2)，造成公路交通基础设施严重损毁，有11条高速公路、17条国道、上百条省道发生过水毁交通中断事故，造成公路水毁损失118亿元，且主要发生在江西、广东、福建、浙江、湖南、湖北、广西、重庆、贵州、四川这10个省区市。 图1.1.1 2008～2017年地质灾害数量及造成的直接经济损失 我国经济发展决定了公路交通网必须逐渐向崇山峻岭延伸，但受山区复杂的工程地质条件、公路设计、施工及后期维护等因素的影响，公路水害频发，已成为公路营运期的主要病害和危险源之一。 公路工程设计往往更加注重主体结构的质量与安全，对配套的防排水设施重 图1.1.2 2010年地质灾害类型构成 视程度则相对不够，未充分考虑工程所处的水文地质环境对主体结构的影响，加 上道路施工对附属设施的质量控制不严等，导致防排水工程的长期功能无法得到有效保障。此外，营运公路水害问题往往只考虑单一或者局部区域水文地质特征指标，未综合考虑水害的产生、发展与公路建设造成的周边水文地质变化之间的内在联系，往往治标不治本，造成水害问题经常性复发。因此，解决高温多雨地区公路水害难题是公路交通发展的重大需求。 1.2 公路工程水文地质研究现状 公路是一种线型构造物，具有与大自然接触面广的特点，其使用性能在很大程度上由当地自然条件决定[1]。地下水作为主要的自然条件之一，若处理不当，往往会诱发一系列病害。地下水对公路工程危害的直接因素有地下水埋藏深度、地下水矿化度、地下水富水程度、渗流量等，对公路工程危害的间接影响因素有气候条件、地貌、含水介质和含水层性质及降水等。 公路水文区划是公路自然区划的重要组成部分，它是在分析研究区域的流域特点、河流的补给类型、水情阶段等的基础上，根据公路建设的特点并结合实际情况，将研究区域划分为不同等级的单元，为公路建设及营运提供科学依据[2]。 国外水文区划研究起步较早，苏联达维多夫首先按海洋流域和大河流域将苏联分为10大流域，然后分为15个水文地理地区[3]。1983年，德国学者Czaya按照河流的集水面积是否位于同一气候区，将河流分为6类。 我国水文区划研究始于20世纪50年代，但真正的发展还是在改革开放以后[4-6]。我国水文区划可以分为一般性水文区划和以河流为主的水文区划，以流域、水量(径流深)、气候带等为主要划分依据，适用于水资源估算和评价，为流域规划、治理及各用水部门经济用水提供科学依据，具有综合水文区划的特征。不同的分区方法各有其优势和不足，采用的分区原则也不相同，研究人员应从应用的角度来选择适合自身研究目的的方法。在水文区划分区指标的研究过程中，早期的区划由于理论、技术和各类实测资料有限，定性指标相对较多，定量和综合性指标较少。随着区划研究不断深入，理论不断完善，技术不断进步，研究层次不断扩展，指标及指标体系也向综合化、定量化、多元化方向发展。利用地理信息系统(geographic information system， GIS)技术平台，通过空间数据分析、叠加运算等进行指标数值计算，进行公路水文区划图的编制，使公路水文区划的研究跨上一个新台阶。我国水文区划体系及公路自然区划体系已有较丰富的研究成果，这为公路建设特别是公路桥涵构造物等的建设提供了科学依据，也为进一步开展水文区划的研究提供了理论依据。然而，公路水文地质研究未与公路工程防排水系统设置、水害防治技术进行有机的结合，目前缺乏基于水文地质条件和特征对水害的形成、发展和防治系统的研究。 1.3 公路防排水技术研究现状 国内外公路工程防排水系统设计主要包括路面路基结构排水、边坡排水、隧道防排水三个方面。 路面内部排水系统的设置有利于及时排出路面结构中的水分，保持路面干燥，从而增强公路整体结构的稳定性。国内公路排水系统设计主要体现在材料选用方面的研究，还没有涉及公路排水系统的结构设计，在结构设计方面，前期基本上是借鉴国外的设计方案。路基排水设计则必须考虑路基土的非饱和特性及非饱和渗流，基层和路基的湿度(含水量)与路面的回弹模量存在直接关系，随着含水量的增大，其回弹模量减小。 我国的边坡失稳大多与水有关，边坡内部深层水的作用大大降低了边坡的稳定性，进而导致边坡发生水毁和滑坡等灾害。边坡排水目前除采用坡顶设置截水沟和坡面设置截排水沟截排地表水外，边坡内部水分能否正常排出对保持边坡整体稳定具有重要影响。仰斜排水孔是公路边坡工程应用非常广泛的一种截排水措施。 当前隧道排水系统包含洞外排水和洞内排水。洞内排水通过设置纵向、环向管将衬砌背后水引排至排水边沟或中央排水沟。洞外排水一般采用洞口边仰坡，以及洞顶地表根据地形条件设置截排水沟，防止洞口及边坡受地表水冲刷，避免洞外地表水流入洞内。早期的防水系统是在隧道内设置内贴或外贴式防水层，目前已开始采用以防水混凝土为主的防水措施[7]。此外，可以通过在初期支护基面上喷涂一层防水层以达到防水的目的，但这种方法在国内仍处于试验研究阶段。 目前，我国防排水技术还存在几类问题：①缺乏指导性的规范。美国、日本、德国等发达国家在20世纪80年代就制定了关于公路排水设计及养护的规范；我国在1997年颁布了《公路排水设计规范(附条文说明)》，2012年修订后，该规范缺乏考虑公路修筑后周边水文地质条件及气候环境变化对公路工程长期性能的影响，而且我国还没有公路内部排水系统养护的规定。②对防排水系统重视程度不够。施工过程中较难控制隐蔽工程的质量等问题，导致工程防排水系统的功效、质量和长期使用性能难以得到有效保障。③缺乏可养护型排水结构，后期养护不到位。设计时没有考虑隐蔽排水系统的养护可操作性，公路大部分隐蔽排水系统无法进行维修和养护。 1.4 公路水害现状及水害防治技术发展现状 地下水的补给、径流及对工程的影响是工程水文地质学研究的内容。我国关于水文地质对构筑物和建筑物影响的研究主要集中于坝区渗漏、水库渗漏、水库浸没、渠道渗漏、隧洞涌(突)水、工民建地区的渗流等问题，对公路工程水灾害的防治研究较少且比较分散。 1.4.1 公路水害现状 我国地域非常辽阔，存在非常多的山地丘陵地带，山区公路的修建难度增大。受经济条件的影响，在设计维护、施工维护和后期维护方面都存在一定的问题。尤其在高温多雨地区，非常严重的水害问题引发了路基软化坍塌、路面开裂、滑坡、隧道涌水等工程地质问题，从而直接影响公路工程的使用寿命和安全，如图1.4.1所示。 (a) 路基路堤边坡局部坍塌 (b) 板底脱空引发的路面开裂 (c) 边坡滑坡 (d) 隧道涌水 图1.4.1 公路水害类型 1.路基路面水害 公路和路基结构直接暴露于地表，受自然因素的影响较大，其中水对路基路面破坏的影响*大。公路路基水害主要为路基沉陷和边坡滑塌，路面水害的主要表现形式包括松散、网裂变形、坑洞、唧浆、开裂与板底脱空等。路基内部水的分布对路面水损害有着重要的影响，无论是沥青路面还是混凝土路面，路基作为路面结构的基础，它的强度、刚度和稳定性对路面结构的整体强度、刚度和稳定性起着决定性的作用。影响路基强度、刚度和稳定性的因素主要有地理条件、地质条件、气候条件、水文和水文地质与土的类别等，对具体的土类和施工水平而言，含水量和压实度是*主要的影响因素[8]。 2.边坡水害 湿热多雨气候条件是亚热带地区公路边坡病害的重要诱发因素之一。公路边坡水害的空间分布规律受地形地貌、岩土类型、地质构造、地震、降雨及人类活动等因素控制[9]。高温多雨地区公路边坡水害形式主要包括滑坡、泥石流、错落、坍塌及坡面病害等。 3.隧道水害 水害是目前隧道普遍存在的问题，隧道水害主要表现为结构破损、涌水涌泥、渗漏水和地表塌陷等。日本曾在1996年对隧道渗漏水情况做过统计，发现总长4870km的隧道，58%的隧道出现渗漏，其中49%出现在拱部，23%出现在边墙，28%的施工缝及变形缝出现渗漏水。随着我国长大公路隧道里程的不断增加，50%的隧道在施工和运营过程中曾发生较大规模的岩溶突涌水害[10]。广东省作为典型的湿热地区，粤北和粤西岩溶较为发育，如京港澳高速公路韶关至广州段大宝山隧道、曲江至南雄高速公路白山隧道、S51罗阳高速公路阳阳段鹅步岭隧道、云梧高速公路茶树顶隧道等在运营期出现了衬砌破坏、涌水涌泥、渗漏水等不同程度的水害。 1.4.2 公路水害防治技术发展现状 我国学术界和工程界对水害给予了高度的重视，也取得了显著的成绩，但是面对灾害发生机理的复杂性及过程的突发性，以往更多地侧重于机理研究，对策研究较少，反映出对灾害与交通的相互影响及成灾过程的研究不够深入，尚没有形成一套成熟的灾害防治对策理论体系[11]。随着我国公路建设飞速发展，由公路引起的或涉及公路的灾害日趋增多。 1.公路路基路面水害防治技术现状 路面积水、积水下渗和地下水上升是引发公路路基路面水害的主要原因之一。为了有效防治公路路基路面水害，国内外学者从设计、施工、养护等多个环节入手，进行了相关的研究。 (1) 设计阶段预防措施。为了保证路面水能够及时排出，应采用更加合理的路基路面排水系统，如横坡设计应在确保安全和排水能力的前提下适当加大[12]，避免因路基下沉和施工等原因而出现平坡甚至反坡现象。此外，通过设置中央分隔带、纵向排水盲沟，使裂隙水、路面渗水、路基地下水顺利排出，从而有效避免水害。 (2) 施工阶段质量控制。施工中宜选用防水性能较好的混合料，严格控制混合料的空隙率，确保混合料具备良好的高温性能及水稳定性，提高路基路面的密实度，避免雨水下渗，损害路面基层，从而提高路基路面结构的可靠性、稳定性。对于沥青路面，还应提高沥青与集料的黏附性。 (3) 养护阶段处治措施。对于早期出现的裂缝、唧浆等病害，在路面整体强度较好路段，单纯性的裂缝、唧浆一般采取高聚物注浆与焊缝技术处理。对于发现的裂缝，要及时采用灌缝工艺进行灌缝，防止雨水渗入路面。对于已经产生网裂、唧浆等病害的路面，一般采用挖除病害位置路面面层和松散的水稳基层，以及填料填筑的方式进行处治。对接缝密封材料要加强养护，如果接缝中的密封材料出现流失或老化，应及时补充或更换密封材料，以使其保持良好的弹性和防水性能。 2.公路边坡水害防治技术现状 在防治公路边坡降水型滑坡、泥石流方面，目前国内根据滑坡的性质、成因、规模、滑体厚度及对工程的危害程度提出了相应的工程治理措施。其中，主要的工程治理措施有10个：①绕避；②加载反压；③削坡减载；④抗滑挡墙；⑤抗滑明洞；