濕陷性黃土地區黃土洞穴對公路的危害研究

李喜安1,2彭建兵1王  軍3

(1．長安大學地質工程與測繪工程學院  710054  西安

2．成都理工大學地質災害防治與地質環境保護國家專業實驗室  610059成都；

3．西北綜合勘察設計院710003西安)

    在濕陷性黃土地區由于自然或生物因素在公路路面、路肩、路基、路基邊坡等部位形成洞穴，由于洞穴的形成、擴大、坍塌會直接或間接地最終導致公路損毀。這種公路災害一直是黃土地區公路建設與使用過程中的一個典型的工程地質問題，它常常可直接引起公路的迅速破壞，導致交通中斷及行車事故閉。尤其在濕陷性黃土地區，長期以來，該問題一直嚴重地困擾著公路界。每年雨季，由于黃土洞穴而導致的公路災害所造成的直接經濟損失數目巨大，其所造成的間接經濟損失更是難以估計。然而，由于洞穴成因的復雜性等原因，給這方面的研究帶來了客觀上的困難，至今為止有關黃土地區公路洞穴災害方面的文章甚少。為了查明公路洞穴的成因及其災害機理，我們在甘肅、寧夏、陜北等地共20000余公里的國道、省道上進行了專門調查，共發現典型的具有代表性的公路洞穴災害l29處；在前人研究的基礎上結合野外資料，對公路洞穴災害機理及其防治措施進行了有益的探索。

1、濕陷性黃土地區黃土洞穴對公路形成危害的條件

    黃土洞穴對公路的危害受黃土疏松結構、滲透性、濕陷性和崩解性等特性、黃土節理(包括原生節理和構造節理)、巖性差異、地形地貌等因素的控制，同時降雨特征對其也有一定的影響。但總而言之可歸結為以下三個方面：

    1.1黃土性質的特殊性

    公路洞穴災害之所以多發生于濕陷性黃土地區，與作為路基的土的性質有很大的關系，因而土性是黃土地區公路洞穴形成的物質基礎。從物質組成上看，易形成洞穴的黃土或黃土狀土，其可溶鹽含量較高(10—20％)，這一特性使黃土遇水易發生溶蝕，同時也對黃土的濕陷性和崩解性有一定貢獻；從微觀結構上看，易形成洞穴的黃土和黃土狀土結構疏松，多具有架空孔隙和支架孔隙，土顆粒之間通常以可溶鹽膠結Ⅲ；首先，這樣的結構使得黃土滲透性增大，有利于水的滲入；其次，可溶鹽膠結物的溶解以及水膜變厚使得土顆粒之間連接力變弱，黃土的微結構在自重作用下發生破壞；再次，架空孔隙和支架孔隙的疏松結構為土顆粒重組提供了空間；總之，黃土的特殊的物質組成及微觀結構使得黃土具有較高的透水性、濕陷性和崩解性，使得黃土在遇水后發生一系列的物理化學過程，從而易于被侵蝕搬運而形成洞穴。可見，土性是黃土產生洞穴的最根本的內在因素。風成的馬蘭黃土具有述土性，這也是為什么黃土洞穴多發生于馬蘭黃土層中的內在的、最根本的原因。

    1.2存在有利于物質侵蝕搬運的各種通道

    雖然土性是洞穴的形成的內在因素，但只具備這樣的土性還不足以形成洞穴。公路洞穴的形成是十分迅速的，往往一場暴雨過后就會形成許多洞穴，而洞穴產生的空間一般遠大于黃土濕陷所能產生的空間，由此可見僅靠土性還不足以產生洞穴，公路洞穴的形成過程中必然發生大量物質的快速搬運，物質快速搬．運必須有相應的通道，而試驗已經表明，黃土滲透系數一般很小(量級一般為10x-5～10x-4cm／s)，降雨入滲的深度也很有限，一般<60cm，所以僅靠滲透和溶濾作用達不到物質快速搬運效果，一般不會形成暗穴。但黃土本身的垂直節理以及構造節理和卸荷裂隙、各種生物活動的洞穴以及各種巖性分界面為地表水的灌入以及土顆粒的搬運提供了良好的通道。

    1.3水是物質侵蝕搬運的主要動力

    無水無以成洞穴，充足的攜能水是公路洞穴形成的必要條件。形成黃土地區公路洞穴的水來自于降雨。7-9月份是黃土區的多雨期，因此，公路洞穴多在該期形成。公路洞穴的形成不但與降雨量有關，而且與降雨特征也有一定關系，一次性大暴雨也可在一些地區形成大量的公路洞穴。另外，大量負地形的存在為水的匯集提供了便利條件，通道的起伏又使得水具備一定的水頭差，使其具有足夠的能量以迅速地搬運土顆粒。

2、黃土洞穴對公路的危害機理分析

    由于公路經過的黃土地區地形地貌變化較大，而且公路的設計和施工方法各異，使得公路洞穴的成災模式也多種多樣。我們根據本次野外調查所獲得資料，初步總結了公路洞穴成災的總體特點，發現除受地形地貌因素的控制外，同等級的公路其洞穴災害的形式主要因公路路基種類的不同而異。因而可按公路路基種類的不同將公路洞穴分為路塹段、路提段公路以及填挖結合路基段公路三大類對其成災機理來進行研究。而各大類又可根據洞穴發生的不同部位進一步加以細分。

    2.1路塹段公路洞穴致災機理

    在路塹段，由于路基是全部在天然地面開挖而成，因而路塹段公路洞穴的形成與一般黃土地區的洞-穴的形成過程相似。但又因為土方開挖改變了原始地形，土體的原始應力場發生了改變，故路塹段公路洞穴的形成又與一般黃土地區洞穴的形成具有不同之處。

    路塹以上邊坡部分在設計和施工時多采取斬坡或削坡，視土的工程地質性質的優劣及設計的具體要求而定。經過斬坡的路塹邊坡在坡腳處形成陡坎，而陡坎上部的邊坡仍為原始邊坡。由于陡坎上水流的垂直沖刷而在陡坎上易形成水涮窩或沖穴，有時還會在坡腳及碎落臺上形成沖穴，這種現象在309過道蘭州至西吉段表現得尤為突出；若斬坡切穿了原始邊坡上發育的潛蝕暗道，還會因潛蝕過程中物質搬運距離的縮短而加劇潛蝕過程，從而加劇邊坡上洞穴的發展。除此之外在斬坡所形成的陡坎處也易發生崩塌。經過削坡的路塹邊坡由于其上的植被遭到破壞，增加了面蝕強度，而在邊坡上常形成沖穴，所以在削坡施工過程中要采取合理的施工技術來改良坡面水流流速及方向，以抵消由于植被破壞所可能帶來的坡面侵蝕。

    路塹以上邊坡洞穴的侵蝕結果改變了邊坡的排水條件，使得水流更容易匯集，而且由于洞穴發展的結果常使得地形坡度變大，因此在豐水期暴雨季節，水在流動的過程中因水力坡度增大而獲得強大的動能，輕則在碎落臺、邊溝、路肩等處形成小規模的沖穴，重則形成沖坑或沖斷公路，致使交通中斷，如303過道志丹至延安段的公路洞穴災害大都屬于此類。

    路面洞穴多發育于路面與路肩的結合部或靠近路肩處，其原因有二：一是路肩處地勢相對較低而有利于水的匯集，當路肩處有沖穴形成時更容易聚水；二是路面與路肩的結合部存在巖性分界面。在車輛動荷載等外動力的作用下，分界面裂隙或黃土節理(主要包括黃土垂直節理和構造節理)不斷擴張而逐漸貫通形成地下通道，而路塹邊坡又存在很大的自由臨空面，為侵蝕的物質搬運提供了充足的靜空間，這些都為陷穴和暗穴的產生創造了有利的條件。在地下逕流的潛蝕作用下，地下通道迅速擴容形成暗穴，暗穴在上部自重以及車輛動荷載等外動力作用下塌陷即形成陷穴或陷坑，致使公路損壞成災。如甘肅省環縣西南的慶陽至西峰的老公路上kl3+900處，公路內側有一易聚水的相對低凹地形，路基中馬蘭黃土中的構造節理貫通并橫穿公路，在雨水形成的地下逕流的侵蝕作用下，地下通道不斷擴大并塌陷，最終在公路兩側的路肩分別形成一葫蘆狀陷穴(地表直徑

    2.1米，穴底直徑約5米，深5米)與豎井狀陷穴(直徑2.1米，深6.5米)，導致路面下沉、公路損毀。(圖1)。

    路塹以下的邊坡部分的原始邊坡未受改變，路面的建成一定程度上減緩了邊坡坡面逕流的坡向流速，但卻更有利于地表逕流匯集，路面的集中排水往往在其下的邊坡形成洞穴侵蝕。另一方面，在坡面上常殘留有斬坡或削坡時留下的挖方棄土。由于棄土結構非常疏松，和其下的原始邊坡上的土性差異很大，其上的陷穴、暗穴、沖穴等黃土洞穴均十分發育(圖2)。雖然原始邊坡土并未受到擾動，但棄土中發育的洞穴改變了原始坡面的匯水條件，使得地表地表逕流集中灌入地下；這樣，在洞穴潛蝕過程中土性相對較好的原始坡面充當了隔水層的作用，所以使得原始坡面受到地下逕流的集中沖刷；基于以上原因，路塹邊坡在筑路后更容易形成洞穴侵蝕而遭到破壞，從而引發公路災害。

    2.2路堤段公路洞穴致災機理

    在全部由填筑土填筑而成的路堤段，公路洞穴發育程度普遍較一般黃土地區高，其中橫跨黃土沖溝尤其靠近溝頭部位的路堤段公路洞穴災害最為普遍和嚴重。這主要是由于以下四方面的原因：黃土沖溝尤其靠近溝頭部位處本身是黃土洞穴的多發區；施工質量不高的填筑土結構更為疏松，具有很大的崩解性和濕陷性，其土性比原狀土差；橫跨黃土沖溝或溝頭部位的路堤，常在朝溝頭方向一側形成較大的蓄水空間，十分有利于水的匯集。路堤邊坡具有雙臨空面，為地基土的侵蝕提供了充足的物質搬運空間。

    路堤段公路的洞穴災害多發生于路堤邊坡和路肩。由于車輛動荷的反復作用，路堤發生不均勻沉陷，地形相對較低部位的積水沿裂縫下滲到一定深度，當在路堤邊坡形成出水口時，就會形成地下通道而加劇侵蝕最終形成陷穴或陷坑，致使公路破壞。由于在路面上形成的逕流的沖刷，在路堤邊坡上經常形成跌穴、沖穴；高填路堤的底部有地下通道貫通時，常在路面、路堤邊坡形成破壞性很強的陷穴及陷坑。如211國道k217+600——k217+700的八里鋪村巷子組大溝路堤段公路，路面下約20米深處存在橫穿路堤邊坡的黃土暗穴，8月4日一場暴雨中，由于暗穴塌陷，在路面麗邊形成兩個長半軸為l0米、短半軸分別為6米和5米，深度分別為8米和6米的橢圓形大陷坑，30余米長度范圍內的路面嚴重塌陷，造成交通中斷，經搶修后于14日的一場暴雨中又二次塌陷，造成交通再次中斷，嚴重地妨礙了公路交通運輸。

    2.3填挖結合路基段公路洞穴致災機理

    填挖結合路基因其形式較多，洞穴成災模式較為復雜，具體因地形、地質、水文等自然條件不同而異，但總的來說，這種路基的填方部分與挖方部分的巖性差異較大，處理不得當會引起路基的差異沉降(圖3)，也易在結合部位形成陷穴而導致公路洞穴災害，所以在設計和施工時應慎重加以考慮。

3、濕陷性黃土地區公路洞穴災害的防治措施

    根據上述對濕陷性黃土地區公路洞穴災害機理的分析，濕陷性黃土地區公路洞穴災害的防治應采取以下措施：

    3.1排水措施

    得力的排水措施是預防濕陷性黃土地區公路洞穴災害的靈魂。黃土塬畔、梁峁邊緣、沖溝、溝頭等部位最有利于水流的集中而形成洞穴，應特別加以注意。對于通過黃土塬畔、梁峁邊緣的公路路基邊坡的排水，應主要著眼于對坡面逕流的控制，可采取封溝埂、護溝護塬林草、設置截水溝等綜合措施來攔蓄或分散水流，降低坡面逕流流速，也可根據實際情況采取其它必要的固坡措施。對于通過黃土塬畔的公路路基邊坡排水時，盡量將逕流攔截于距黃土塬邊50米范圍以內，這樣一方面可以防止地表逕流“下坡”而形成沖穴，另一方面也防止地下逕流而發生陷穴。對于已經形成洞穴的路基邊坡，應特別嚴加防范，必要時可增加一到兩道截水溝。公路路面排水可修筑邊溝，在路塹邊坡易于風化時應增設碎落臺以免造成邊溝堵塞和減緩跌水對邊溝的沖擊。特別是對于通過沖溝、溝頭的公路排水時，要采取排水涵洞或其它導流措施，以防止水在公路一側滯留而浸泡路基土。

    3.4養護措施

    加強對公路洞穴災害多發段的檢查，尤其在雨季來臨之前，要對路面、路基邊坡上的各種構造節理、裂縫、生物巢穴、各種孑L洞等加以及時、徹底的處理。路塹邊坡上發育暗穴出口時，要及時采取封堵或引流措施。公路洞穴一般起始于路堤路塹銜接處或路堤的基底、填土與建筑構件的結合部位，如路緣兩側的裂縫處、公路橋基與填土的結合部位的裂縫處、公路邊溝和排水涵洞的側部或底部的裂縫處、甚至于公路歷程樁的周圍的細小裂縫處，這些裂縫受水沖蝕后發展擴大，充當了土粒快速搬運的通道。所以，對這些部位要嚴加防范，切實做到防微杜漸。對于已經形成的公路洞穴，應及時采取堵塞填充、深挖深填，逐層夯填等措施，確保洞穴不會進一步發展成災。

    3.5重視設計和施工兩個關鍵環節

    濕陷性黃土地區公路災害的防治應以預防為主，重點應放在設計和施工這兩個環節。在設計階段，應充分把握住公路洞穴災害的成災機理的特點，盡量避開黃土塬畔、梁峁邊緣、沖溝、溝頭等有利于洞穴發育的地形地貌，做到有的放矢；如果不能避開這些地段，則應在設計中充分考慮到這些地形地貌的特殊性，增設相應的補救防范措施。

    許多公路洞穴災害的發生都是因為施工質量不過關而直接導致的。所以在施工階段，一定要嚴格按照規范施工，嚴把質量關；另一方面也要因地制宜，根據施工中發現的新情況及時合理地提出設計變更建議，以達到徹底消除公路洞穴災害隱患之目的。

參考文獻：

[1]李喜安《黃土暗穴的成因及其公路工程災害效應研究[D]》，2004，5，1_168

[2]王景明，張駿《論黃土節理[J]》，西安地質學院學報，l985，7(2)，p26—28

[3]劉東生等著《中國的黃土堆積[M]》，科學出版社，1965，p55—95

[4]王斌科《引起洞穴侵蝕的主要因素的探索[J]》

(本文來源：陜西省土木建筑學會  文徑網絡：文徑 尹維維 編輯  劉真 審核)