七坡隧道出口段排水方案研究

馬 濤

（山西省交通規(guī)劃勘察設(shè)計院，山西 太原 030006）

1 工程概況

七坡隧道出口前沁水方向，應(yīng)業(yè)主要求將分離式路基左、右幅中間分隔帶填平，需要考慮解決路線左側(cè)排水。七坡隧道出口段屬于高平—沁水高速公路的重要組成部分；項目位于山西省晉城市所轄的高平市、沁水縣及陽城縣境內(nèi)。項目區(qū)所在的晉城市位于山西高原的東南部，公路走廊帶內(nèi)的沁水縣位于晉城市西北部，帶內(nèi)山脈縱橫、峰起巒連、溝谷深切、河流發(fā)育、地形復(fù)雜，總體以山地為主，受后期地質(zhì)構(gòu)造和長期堆積及侵蝕作用影響，局部形成帶狀河谷和沖洪積平原，發(fā)育構(gòu)造剝蝕小起伏中山、構(gòu)造剝蝕小起伏低山、黃土覆蓋低山、黃土峁、梁、沖溝、河谷、階地等微地貌單元。該項目采用交通部2003年頒發(fā)的《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（JTG B01—2003）高速公路技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計速度采用80 km/h，整體式路基寬24.5 m，分離式路基寬12.25 m，橋梁凈寬采用11.00 m(整體式)和11.25 m(分離式)，隧道凈寬10.25 m；全線汽車荷載等級為公路—Ⅰ級。

2 工程地質(zhì)

七坡隧道沁水端洞口位于端氏鎮(zhèn)古堆村東南1.8 km處小東溝南岸斜坡上，坡向320°左右，坡角在30°～35°之間。左右線洞口位置所在斜坡在自然條件下均處于基本穩(wěn)定狀態(tài)。根據(jù)隧道洞口地形條件，左右線洞口仰坡高約55～60 m，洞口仰坡及邊坡均由第四系上更新統(tǒng)沖洪積（Q3al+pl）濕陷性黃土（粉質(zhì)黏土）、二疊系上統(tǒng)石千峰組砂巖及泥巖組成。濕陷性黃土孔隙發(fā)育，具垂直節(jié)理，受大氣降水沖蝕及潛蝕作用易產(chǎn)生小范圍內(nèi)坍塌及沿基巖面整體滑塌現(xiàn)象；而砂巖及泥巖產(chǎn)狀為78°∠11°，巖層傾向坡面，呈有利組合，但由于風(fēng)化強烈，節(jié)理裂隙發(fā)育，使得巖體破碎，易發(fā)生掉塊、碎落及崩塌現(xiàn)象，故邊坡穩(wěn)定性稍差。而在施工條件下，由于爆破等開挖手段對巖體的擾動、破壞作用，使得其穩(wěn)定性降低，有可能加劇掉塊、碎落、崩塌及上覆土體沿基巖面整體滑塌等不良地質(zhì)現(xiàn)象產(chǎn)生。

在項目區(qū)范圍內(nèi)共發(fā)現(xiàn)滑坡2處。

路線于K38+100—K38+440之間在該滑坡前緣通過，屬堆積層滑坡，規(guī)模為260 m×100 m×2 m，平面形態(tài)呈馬蹄狀，主軸方向約170°，滑坡表面局部已平整為耕地，植被發(fā)育，主要為灌木，滑坡后壁高約1～3 m，坡度近似垂直，滑坡前緣已被人工修路破壞，特征不明顯，在滑坡前緣路邊陡坎處有泉水出露點，出水狀態(tài)為滴滲水，現(xiàn)處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，對七坡隧道出口邊坡及附近路基邊坡穩(wěn)定性有較大的影響。

路線于K38+320—K38+450之間在該滑坡前緣通過，為黃土滑坡，規(guī)模120 m×90 m×3 m，屬中型滑坡，平面形態(tài)呈馬蹄狀，滑坡主軸方向約0°，滑坡體表面現(xiàn)已平整為耕地，特征不明顯，滑坡后壁高約1～2 m，坡度近似垂直，前沿經(jīng)洪水沖刷已破壞，剪出口特征不明顯，未見地下水出露點，目前該滑坡處于穩(wěn)定狀態(tài)，對七坡隧道出口邊坡及附近路基邊坡的穩(wěn)定性有較大影響。

3 方案準(zhǔn)備

排水設(shè)計在選擇溝管類型并布置成系統(tǒng)之前，要確定各種排水渠的斷面形狀和尺寸，以保證排水設(shè)施有足夠的排泄能力及經(jīng)濟性和效率。在確定各種排水渠的斷面形狀和尺寸之前，要進行水文計算來確定流量。由于本處匯水面積為1.94 km2，可以采用徑流厚度法進行計算。

a)所在地的水文屬區(qū)，及各項特征值：本涵屬暴雨Ⅳ-2區(qū)（查暴雨分區(qū)表）;土壤屬Ⅳ類土(查土壤分類表);匯水面積F=1.94 km2;主河溝平均坡度為33‰。所以，從表查得:

匯水地形為：山地。

地貌系數(shù)φ=0.10。

流域植差為灌木叢。

從表查得:

攔蓄厚度Z=10 mm。

b)確定設(shè)計頻率為:1/100。

c)根據(jù)匯水面積大小，確定匯流時間t。

由于 F＜10 km2，所以:

匯流時間 t=30 min。

d)根據(jù)暴雨分區(qū)、匯流時間、設(shè)計頻率、土壤類別，查得:徑流厚度 h=44 mm。

e)確定洪水塌平折減系數(shù)。

由于匯水地形為:山地。

匯水面積的重心至構(gòu)造物的距離 Lo=1 km，查表，得:洪水塌平折減系數(shù) β=1.0。

f)確定降雨不均勻折減系數(shù)。

由于匯水面積的長度為:30 km;又根據(jù)匯水時間 t=30 min,所以，查表，得:降雨不均勻折減系數(shù)γ=1.0。

g)確定湖泊折減系數(shù)和小水庫群的調(diào)節(jié)系數(shù)。

考慮在小流域上沒有小水庫群，所以,小水庫群的調(diào)節(jié)系數(shù) Ku=1；因而,湖泊折減系數(shù) δ=1 h。采用計算公式：

計算結(jié)果計算流量:Q=33.7 m3/s.

4 方案設(shè)計

排水設(shè)施的布設(shè)應(yīng)充分利用地形和天然水系，形成完善的排水系統(tǒng)，并做好進出口位置的選擇和處理，使水流順暢，不出現(xiàn)堵塞、溢流、滲漏、淤積、沖刷、凍結(jié)等，造成對路基、毗鄰地帶的危害。排水設(shè)施主要由各種溝、管和涵組成，它們分別承擔(dān)一定匯水面積范圍內(nèi)地表水的匯集和排泄功能。排水設(shè)計的內(nèi)容為：按排水功能要求選擇溝、管和涵的類型，布置在合適的位置上，并將各項設(shè)施組合成一個將地表水順暢地匯集、攔截和排引到路基外的系統(tǒng)。地表水被匯集或攔截后集中排放，流量和流速都增大，這就增加了對溝渠和泄水口周圍地面沖刷和侵蝕的可能性。因而，排水系統(tǒng)的設(shè)計，要考慮采用有效的設(shè)施，使之不會對路界內(nèi)外各項設(shè)施造成各種危害。

路界地表排水應(yīng)采取防、排、截相結(jié)合的綜合措施，并應(yīng)做好與橋涵、隧道等排水系統(tǒng)的銜接。路界地表水不宜流入橋面、隧道內(nèi)。不宜利用隧道內(nèi)部排水系統(tǒng)排除路界地表水。路界地表排水設(shè)計應(yīng)與坡面防護工程設(shè)計綜合考慮。應(yīng)采取有效措施防止坡面巖土由于沖刷導(dǎo)致失穩(wěn)[1]。

公路排水設(shè)施是按公路的特點和要求設(shè)計的，與其他部門（如農(nóng)業(yè)、水利等）的引水、排水設(shè)施的功能要求有很多不同之處，在使用、管理、收益和開支等方面不易協(xié)調(diào)一致，合用往往利少弊多。因而，地表排水設(shè)施不應(yīng)兼作其他流水用途。當(dāng)路基占用灌溉溝渠或其他排水設(shè)施，應(yīng)按原有系統(tǒng)進行恢復(fù)和調(diào)整改善，不得任意取消或合并。

4.1 方案1

從ZK38+315—K38+490段，沿路基分隔帶設(shè)置S型3 m鋼波紋管涵。接改渠K38+490—K38+826段，連接自MZK38+826處1-4.0 m波紋管涵。取消K38+290處1-1.5管涵（7.9萬），取消ZK38+315處1-3×2.5 m板涵（29.6萬），取消K38+490處1-3×3 m板涵（45萬），取消MZK38+800處1-1.0 m鋼筋混凝土圓管涵（3.7萬），新增ZK38+315—K38+490段1-3 m鋼波紋管涵（345.3萬），增加瀝青路面（237.1萬），增加填土方（25.5萬）。總計增加521.7萬。

4.2 方案2

沿ZK38+315沖溝處，順路線前進方向左側(cè)改渠至ZK38+490處，改渠斷面3 m×3 m2，M7.5漿砌片石。連接新建K38+490處1-3×3 m鋼筋混凝土蓋板涵（半幅涵洞改為整幅涵洞），接改渠K38+490—K38+826段，連接自MK38+820處1-4.0 m波紋管涵。取消K38+290處1-1.5管涵（7.9萬），取消ZK38+315處1-3×2.5 m鋼筋混凝土蓋板涵（29.6萬），取消K38+490處1-3×3 m板涵（45萬），取消MZK38+800處1-1.0 m鋼筋混凝土圓管涵（3.7萬），新建K38+490處1-3×3 m板涵（73.6萬），新 建 改 渠 ZK38+315—ZK38+500（189.493m，216.5萬），增加瀝青路面（237.1萬），增加填土方（25.5萬）?？傆嬙黾?66.5萬。

4.3 方案3

沿ZK38+315處沖溝，順路線前進方向左側(cè)改渠至MZK38+826處，改渠斷面梯形4×2 m2，M7.5漿砌片石。取消K38+290處1-1.5 m管涵（7.9萬），取消ZK38+315處1-3×2.5 m鋼筋混凝土蓋板涵（29.6萬），取消K38+490處1-3×3 m鋼筋混凝土蓋板涵（45萬），取消MZK38+800處1-1.0 m鋼筋混凝土圓管涵（3.7萬），取消原設(shè)計改渠K38+490—K38+826（21.4萬），新增改渠 ZK38+315—ZK38+826（638.73 m，69.4萬），K38+270—K38+820段邊溝由0.5×0.6 m2變?yōu)?×1.6 m2（14萬），增加瀝青路面（237.1萬），增加填土方（25.5萬）。總計增加238.4萬。

圖1 七坡隧道出口排水方案設(shè)計段地形情況

5 方案比選

從工程造價角度來看，方案3是首選，方案2是次選，方案1是末選，但是由于本段有滑坡段，但本方案很有可能擾動滑坡體，故方案3舍棄。方案1優(yōu)于方案2在避免對滑坡體的擾動方面，但方案1和方案2都基本避免了對滑坡體的擾動，從經(jīng)濟角度舍棄了方案1。最終從工程地質(zhì)及工程造價等因素進行綜合分析選擇了方案2。

6 結(jié)論

排水方案選擇是多種因素綜合考慮、平衡的結(jié)果。做好公路排水方案設(shè)計時要根據(jù)路網(wǎng)規(guī)劃、周圍地形地物、工程地質(zhì)及工程造價等因素進行綜合分析，通過深入研究、多方案比選論證，最終確定經(jīng)濟、功能完備的排水方案。通過對七坡隧道出口段排水方案的分析和總結(jié)，該文結(jié)合山區(qū)地形條件、工程地質(zhì)及工程造價，對典型路段的排水方案進行比選分析，可供類似工程設(shè)計人員參考。