杨一凡
中交二公局第三工程有限公司，陕西省
摘要：山区高速桥下排水系统是高速桥梁设计的一个重要组成部分，因为它直接关系到高速养护的经济合理性及运行的安全可靠性。由于黄土山区桥梁多为跨沟壑且桥底多为耕地而不是河流，在持续性降雨或短时强雨水情况下，若路面汇水无法及时经由桥下排水系统排出，便会严重影响结构物稳定性以及危害桥下农作物及排水沟渠，亦对桥墩基础存在较大安全隐患及经济不利性。随着高速交通事业的发展，山区桥下排水作为高速公路排水的新课题而备受关注。本文以黄土山区某桥下排水施工中遇到的问题为例，简要介绍山区某高速桥梁桥下排水系统的事前设计优化思路，以供相关类似工程设计及施工人员参考。
关键词：山区；高速；桥下排水；设计；施工；理念
引言
众所周知，“水”是诸多公路病害的直接和间接诱发原因。特别是高等级山区高速公路路基、桥梁工程，水带来的危害就更加不容忽视。桥下排水作为高速公路排水系统的一个重要组成部分，它的设计合理性及施工优劣性直接关系到桥梁主体结构的稳定性和运维经济性。桥下排水可以说解决了“水”的问题，也就找到了有效地防治公路桥梁病害的途径。因此，排水设计在公路桥梁设计特别是山区公路桥梁设计中是不容忽视的一个重要环节。
1 工程概况
某桥位于青兰高速山西段境内，桥梁全长688m，上部结构采用17孔40米先简支后连续预应力混凝土T梁，下部采用矩形墩、薄壁空心墩、柱式台和钻孔灌注桩基础。桥梁段平均纵坡1.6%，坡长1335m。其中0号台（桩号为K103+376）位于纵坡小桩号方向，17号台（桩号为K104+060）位于纵坡大桩号方向，为路基桥梁汇水部位。17号台与路线前进方向下一排水涵洞（桩号为K105+219）间距为1159m，路线前进方向左侧坡面散排，雨水自然排走，不进入高速。右侧为坡面汇流区，汇流面积约为44000平方米，左右侧双向排水，单侧汇流面积为22000平方米。两个桥台均为挖方桥台，桥台未设计桥台锥坡及桥后台背处理。桥下为季节性耕作区，主要作物为玉米。
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2 山区高速此段落排水系统的总体设计
2.1 路线前进方向路基排水系统
因K105+219处为一排水涵洞，大桩号方向雨水汇流至此处时，均通过涵洞横向排水系统向路基两侧排出高速公路。故在此仅对K105+219至小桩号方向排水系统进行说明。K105+219至K104+060为挖方段路基，设计排水结构为路基左右两侧设置C20混凝土边沟，边沟流水断面尺寸为60cm*60cm，边沟至桥头后通过设置桥下排水沟及急流槽将雨水汇流至16号墩后散排。
2.2 坡面排水结构设置
K105+219至K104+060为挖方段路基，挖深从1m至28m不等，前进方向左侧为散流坡面，1级坡段不设置坡面排水系统，2级及以上段落坡面在平台处设置预制混凝土块平台排水沟，排水沟流水断面尺寸为60cm*60cm，通过边坡急流槽竖向与边沟连接，最后经由边沟将雨水排出。前进方向右侧为汇流坡面，坡顶设置浆砌片石截水沟，流水断面尺寸为60cm*60cm，通过边坡急流槽竖向与边沟连接，其他平台排水沟设置同左侧坡面，汇水在桥头通过桥下急流槽及排水沟排出高速。
2.3 桥面排水设置
桥面为双向纵坡，均在外侧每隔5m设置一道桥面泄水槽，桥面雨水通过泄水槽散排。
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3 自然气候情况
桥梁坐落地属温带大陆性气候，四季分明，春季干旱多风，气温回升快，夏季高温多雨，秋季凉爽湿润，冬季寒冷干燥。年平均气温11.8℃。一月份最冷，月平均气温-3.6℃，七月份最热，月平均气温24.9℃。年均降水量558.5毫米，降水季节间分布极不均衡，60%集中在7、8、9三个月内。
4、工程建设情况
项目排水系统于2017年年底整体完成建设，在经历了2018年春季及夏季雨水季节后，桥下排水系统产生大面积的水害，具体建成情况及水毁情况如下。
4.1 桥下排水系统建成情况
根据原施工图设计要求，K105+219至K104+060段路基排水经过边沟汇流至该桥17号墩处，再由桥下急流槽及排水沟引至桥底自然沟渠处。在实际施工时，经由业主方技术部门、设计代表、施工单位技术部门现场共同察看确定，在桥头处采用急流槽将桥梁左右侧边沟雨水汇流，后通过桥下排水沟，将雨水引流至桥侧自然沟渠。桥下急流槽与排水沟尺寸为矩形断面，流水断面仍为60*60cm。
桥面排水同按照设计施工，在护栏侧面每隔5m设置一道泄水槽，将桥面雨水进行散排。
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5、水毁原因分析
5.1 直接原因
根据水毁实地考察情况看，根据示例一至示例四典型水毁情况分析，水毁直接原因是在雨水的冲刷下，桥下排水沟两侧土地两侧水土流失，后雨水对结构物基底进行掏空，进而导致排水沟渠的垮塌，最终导致整个排水系统的失效
5.2间接原因
5.2.1 桥下排水沟尺寸设计不合理
根据前文对原设计的描述，K105+219至K104+060段路基边沟设计流水断面已经为60cm*60cm，在桥头汇流时设计流水断面尺寸及形状均保持不变。这就造成了一方面在短时强降雨情况下，雨水难以及时排出，易于出现雨水外溢情况，同时黄土在雨水冲刷下容易流失，最终造成基底脱空，结构物损毁的情况。
5.2.2 桥墩处桥面排水系统散排设计不合理
一般而言，针对先简支后连续类桥梁，桥梁第一、二跨及桥尾倒数第一、第二跨净高一般比较低，且两侧多采用开挖方式形成基坑或作业平台。当桥面排水设计为散排时，在桥梁第一、二跨及倒数第一、二跨部分，桥面雨水通过护栏两侧泄水孔大都直接进入桥梁投影面内，在暴雨或持续降水情况下，就会出现漫流散水不及时，造成集中冲刷，渐渐地就出现冲刷渠，进而如河流改道一般，影响原来的排水结构，造成桥下排水系统的瘫痪。如桥下水毁示例五所示，即为此种情况，由桥梁两侧散水汇流冲刷桥底造成水毁。
5.2.3 桥梁伸缩缝处排水未进行处理
桥梁伸缩缝除保证桥梁结构的位移外，兼具隔离排水的作用，一方面防止路基上游雨水进入桥面，导致桥面湿滑，带来行车安全隐患；另一方面，也阻止桥面雨水进入下游路基。在设计时一般考虑在桥梁上游处，路基方向汇水在伸缩缝处经过伸缩缝的隔断，横向进入桥下排水系统；下游处，桥梁汇水在伸缩缝处经过伸缩缝的隔断，横向进入桥下排水系统。但本桥梁桥台均为挖方段桥台，无桥台锥坡设计及桥后台背处理。伸缩缝处桥梁横向排水在桥台处散排。经过现场查看，伸缩缝未能完全隔离上下游汇水，导致汇水从伸缩缝处经过桥台直接散排流向桥底，当流量形成议定规模时就导致桥下散排不及时，形成集中排水。出现如水毁图二、图三所示情况。
5.2.4 施工便道影响
通常为节约施工建设成本以及保证国家耕地红线，不论是业主方还是地方政府以及施工单位自身都不希望施工单位过多的占用临时用地进行施工建设。故在桥梁施工便道的设置上，通常是在桥梁投影范围内即征地红线范围内，延路线走向顺桥向布置。这样就不可避免地会对桥下原地面进行开挖回填等工作处理。此后在施工完成后，还需对桥下土地进行原地面复原工作，不可避免的会回填虚土，同时施工便道的拆除以及施工的结束，桥下回填土一般仅能用使用挖机进行自重压实。而经由这种工序压实的土壤，无法达到原地面的压实程度，抗雨水冲刷能力及其有限。水毁示例图一即为典型此种情况，排水结构基础坐落于挖机压实后土基上，遇雨水冲刷，基础部分水土流失，进而造成结构物垮塌。
此外在修建便道时，一般会在挖方段桥台一侧形成局部填方区域，而在这些区域，又没有锥坡设计，属于降水易冲刷区域，同时也易造成桥台雨水汇流，对桥下土壤进行冲刷，水毁示例图二及图五均有此种特征。
6、水毁造成的不利影响
6.1 维修养护成本的增加
桥下排水系统一般在施工的后期阶段进行，此时桥梁主体结构已经完成，施工便道基本复耕，施工原材料的进出较困难，施工成本较高。而进入运营期后，非质量原因的桥下排水系统水毁维修成本更加高昂，几乎3至5倍于施工成本。故因非质量原因造成的缺陷，将极大的增加业主单位及养护单位的养护成本。而若是施工质量原因造成的，则将极大的增加施工单位的养护成本。
6.2 对主体结构物造成安全隐患
根据水毁图示例三及示例四所示，此种情况排水结构物基本未出现损坏，而是由于桥台渗水及桥侧桥面散排水造成的桥底雨水冲刷，后造成原排水系统失效或对原排水系统基底造成破坏，造成雨水慎入土基中，造成桥梁基础部位原地面土体水土流失，已严重威胁到桥梁主体结构安全，不利于桥梁运营安全。
6.3 对地方村民的不利影响
根据水毁图示例五所示，桥下排水冲刷形成泥土淤积，淹没了桥梁红线范围外毗邻耕地，农作物基本颗粒无收。这种情形对工程本身未造成不利影响，但对地方经济及对企业形象产生了不利影响。
7、解决方案建议
前文中所有水毁及不利影响均在事后得到妥善处理，但对施工单位及养护单位而言，花费的成本均极大。故针对文中论述的造成桥下水毁的不利影响，笔者在此将从事前预防的角度，给出几点建议供广大同行业工作者参考。
7.1 强化动态设计
桥下排水施工，一般在施工的后期阶段，此时地面与施工图设计时相比已出现变化，故在施工桥下排水系统前，应会同业主方、设计代表、施工单位共同到现场实地勘察，后结合本地区施工过程中降雨排水情况，对桥下排水系统的结构形式、断面尺寸、走向等重新进行规划设计。贯彻用施工过程小成本的增加去避免养护过程缺陷维修大成本的理念。
7.2 重视挖方段桥台设计工作
在挖方段桥台处，设计单位从节省成本的角度出发一般会尽量少设计或者不设计桥台锥坡及台背处理。但实际过程中，确实遇到了这样或那样的雨水冲刷问题，故此建议挖方段桥台锥坡及台背回填设计，也应该采用动态设计原则，根据现场实际情况，进行优化设计。
7.3 优化桥面散排及伸缩缝排水
建议将挖方段桥梁的第一、二跨及倒数第一、二跨或根据现场实际需要的桥面排水进行引流，采用泄水孔接泄水管的方式将桥面排水集中排出，防止雨水冲刷桥下天然地基的情况发生。同时针对挖方段桥梁的伸缩缝排水，进行集中排水引导设计，避免散排。
7.3 合理规划施工便道
施工单位在进行施工便道设计及复耕时，有意识的结合现场动态排水设计规划，进行便道设计及复耕工作，确保不因自身施工工序问题造成质量隐患。
7.4严格控制施工质量
百年工程质量为先，所有工程建设项目均绕不开质量控制话题，尤其是桥下排水在施工便道已拆除，各种原材料及机械设备人员均难以进入现场时，对施工质量的把控提出了更加严格的要求，故要求项目管理人员在施工的后期，心理上不能放松，唯有严要求，才能出精品。
8、结束语
本文从一个具体的施工案例出发，阐述了桥下排水系统水毁的原因并给出了事前预防方案。桥下排水系统的水毁研究做为一个老生长谈的问题，不论是从成本控制还是精品工程的打造，都值得笔者去研究。同时高质量低成本养护的施工及设计理念是今后山区高速公路桥梁排水设计的发展方向。希望本文起到抛砖引玉的作用，在今后的公路建设中不断涌现新的设计、施工思路与形式。
参考文献
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