淺談山區(qū)公路涵洞設(shè)計中的關(guān)鍵問題

趙勇

摘要：結(jié)合山區(qū)公路涵洞建設(shè)的實踐，系統(tǒng)歸納、總結(jié)、介紹了山區(qū)公路涵洞設(shè)計的思路與原則，并就施工中一些需注意的問題作了簡要說明。

關(guān)鍵詞：山區(qū)公路；涵洞；設(shè)計施工；關(guān)鍵問題

涵洞作為公路工程的重要組成部分，是公路排水系統(tǒng)中重要的構(gòu)造物，其作用在于迅速排除公路沿線的地表水，保證路基安全。此外，高等級公路中的涵洞也常廣泛兼作通道或供人、畜、車輛或各種管線通過。山區(qū)公路沿線地形、地質(zhì)、水文情況一般較復(fù)雜，水系豐富發(fā)育，涵洞數(shù)量較多。以陜西省陜南地區(qū)為例，高速、一級公路中平均3～5道/公里，二、三、四級公路中平均4～7道/公里。所以涵洞設(shè)置是否合理，能否滿足排水需要，對降低工程造價，保證使用效果有很大影響。本文結(jié)合多年來在各等級山區(qū)公路勘察、設(shè)計、后續(xù)服務(wù)方面取得的經(jīng)驗，同時結(jié)合近年來工程技術(shù)發(fā)展情況，對山區(qū)公路涵洞設(shè)計、施工中應(yīng)注意的一些關(guān)鍵技術(shù)問題進行了總結(jié)，以便在今后設(shè)計施工中有一定的借鑒作用。

1.設(shè)計流量計算

山區(qū)流域大都坡陡流急，流量計算與實際洪水情況相符的程度將直接關(guān)系到整個線路的安全使用與工程投資，所以在測設(shè)期間必須確定好符合路線通過地區(qū)實際情況的流量計算方法。常用的有實踐經(jīng)驗公式和地方公式，在公式修訂中要充分考慮山區(qū)流域面積小、流域坡度大、流域長度短、流域內(nèi)植被情況等特點。常用的經(jīng)驗公式見涵洞設(shè)計手冊。地方公式一般采用各地方水利部門在多年的觀測與總結(jié)過程中歸納出的一套比較完善的，具有很強針對性的計算方法。在匯水面積大的流域，為了準確確定其流量，除了采用公式計算外，尚需要搜集水利部門的有關(guān)資料加以核對，并現(xiàn)場調(diào)查歷年來發(fā)生較大洪水的水位及年限，實測洪水位處形態(tài)斷面。根據(jù)這些資料可計算每次洪水流量，推算出頻率，然后進一步求出設(shè)計頻率下的洪水流量。

2.總體布置

山區(qū)公路的排水相對比較復(fù)雜，故合理設(shè)置涵洞位置，以達到排水通暢、路基穩(wěn)定、降低造價的意義十分重要。

涵洞布置的總體原則是：1）涵址盡量選擇地質(zhì)條件良好，地基穩(wěn)定的位置；2）要避免因涵洞位置的不當而造成排洪不暢、沖毀路基、積水淹田或正常交通受到影響等不良后果；3）盡量降低工程量及造價，同時應(yīng)便于日后維修養(yǎng)護，降低維護費用。

2.1平面布置

山區(qū)公路涵洞平面布設(shè)時一般要考慮以下原則：

1）山區(qū)公路涵洞設(shè)置間距一般不宜大于300m，跨越明顯的沖溝或排水溝渠時一般應(yīng)一溝一涵。

2）盡量保持原有水流狀態(tài)，尤其對于降雨量大、暴雨集中、植被稀少或水土流失嚴重的地區(qū)，原有溝渠不宜合并。當匯水面積較小、兩溝渠相距很近，且地形上具備將溝渠連通條件時，可以合并設(shè)涵，但應(yīng)注意開挖排水溝或加深加寬邊溝時，要做好溝渠擋水壩及路基的防護工程。

3）應(yīng)平、縱排水結(jié)合選擇涵址。在地形陡峭山區(qū)，涵洞布設(shè)一般應(yīng)順應(yīng)河溝水流方向，不宜改溝強求正交，且路線與涵洞夾角設(shè)置不宜過小。

4）部分匯水面積較小的排水涵和流量較小的灌溉涵可與人行通道合并設(shè)置。

5）位于斜坡路段半填半挖斷面上的涵洞，則以護坡、跌水井、豎井、急流槽等型式與路基填挖邊坡和邊溝相銜接，并在填挖分界處設(shè)置沉降縫。

6）路線跨越?jīng)_溝時，若沖溝較深或填土較高，宜適當前后移動涵位。其優(yōu)點在于：縮短涵長，減小工程數(shù)量；降低涵頂填土高度，減小結(jié)構(gòu)尺寸；移涵后沖溝可用于廢方堆砌。

7）常年淤積的山谷處，涵洞設(shè)在溝谷一側(cè)的山坡上，避免設(shè)在沖溝、地基承載力小以及基礎(chǔ)處理工程量大的位置處。涵洞進出口高程必須現(xiàn)場逐一核實，確保涵洞排水順暢。

8）高速公路設(shè)計中為減小對路基的危害，應(yīng)少設(shè)倒虹吸。必須設(shè)置時，可采用箱涵套壓力管設(shè)計，倒虹吸進、出接口段應(yīng)盡量落入地面，防止外露。

9）與實際地形、地質(zhì)條件相結(jié)合。如在連續(xù)雞爪形溝地形中，在沿路線總縱坡方向邊溝匯水可行的條件下，可將兩溝合并設(shè)一道涵洞。

10）當溝渠與路線方向斜交，且溝渠較緩時，可改移溝渠使水流與路線正交以減短涵長，減低造價。但應(yīng)做好上下游溝渠的防護工程，保證路基安全。當路線在較短里程范圍內(nèi)幾次跨越彎曲溝渠時，可采取局部改移溝渠的方式來減少涵洞數(shù)量，如下圖：

11）挖方路基凹形豎曲線底部是局部的最低點，地表水在此處匯集，一般應(yīng)設(shè)置涵洞排除。對于填方路基凹形豎曲線底部，不一定是匯水點，應(yīng)視周圍地形情況靈活考慮涵洞的設(shè)置位置。

以上只是涵洞平面布設(shè)的一般原則，由于山區(qū)公路設(shè)計中有很多不可預(yù)見因素，這就要求在設(shè)計中要靈活運用。

2.2立面布置

山區(qū)河溝往往具有縱坡陡峻、旱季干涸無水、雨季水流暴漲、流速大、沖刷大的特點，因此涵洞立面布設(shè)要結(jié)合地形、地質(zhì)、水文、路線要求來確定，做到進口順暢、基礎(chǔ)穩(wěn)定、出口不落空、滿足設(shè)計流量等要求。

河溝縱坡<5%時，涵洞立面可沿天然河溝地面進行布置。據(jù)陜南地區(qū)經(jīng)驗，以縱坡<4%為宜，因為該地區(qū)年平均降雨量大、暴雨相對集中，適當提高坡度要求有利于避免過大沖刷，保證構(gòu)造物安全，尤其對于高速公路因路基較寬導(dǎo)致洞身較長時這種改善尤為明顯。

地面縱坡≥5%時，可采用如下三種布置型式：型式一，涵頂、底縱坡相同，洞身截面尺寸一致，此時由于地面縱坡大，為保證涵洞的穩(wěn)定性，一般需將基礎(chǔ)做成齒狀或臺階式。同時由于涵頂縱坡大，頂填土不易穩(wěn)定，填土與涵頂之間存在滑動面，較低端帽石處剪力集中；型式二，洞身為變截面型式，除把涵頂置平改善了涵頂填土不穩(wěn)定狀態(tài)外，其余缺點較型式一仍然存在；型式三，為目前山區(qū)公路涵洞建設(shè)中廣泛采用的型式，基底與涵頂均采用臺階式布置，克服了前兩種型式存在的缺點，保證了洞身結(jié)構(gòu)及填土的穩(wěn)定，臺階式涵底鋪砌降低了流速，消減了水頭，但由于洞內(nèi)有跌水，設(shè)計施工相對復(fù)雜一些，且應(yīng)注意以下兩點構(gòu)造要求：1）每級臺階最短不宜小于2.0m，相鄰涵節(jié)蓋板或拱圈的搭接高度不應(yīng)小于其厚度的1/4；2）躍水段長度須大于水流跌落的射流長度，并且應(yīng)大于涵洞孔徑。

對于型式三尚須注意，當?shù)孛鏅M坡較陡且路基較寬時，必然會導(dǎo)致板頂填土厚度差異過大，極端情況是：對于一端能滿足明涵的最低要求，而另一端早已超過容許的填土高度，此時應(yīng)根據(jù)上部荷載情況對蓋板及涵臺進行加厚設(shè)計，同時采取相應(yīng)措施確保基底應(yīng)力小于地基承載力。

3.結(jié)構(gòu)型式選擇

涵洞有多種分類方法，隨分類方法的不同，涵洞可分為多種型式，如按材料可分為石涵、混凝土涵、鋼筋混凝土涵、磚涵、鑄鐵管涵、波紋管涵等；按水力性質(zhì)可分為無壓力式、半壓力式、有壓力式、倒虹吸式；按涵頂填土可分為明涵和暗涵；按孔數(shù)可分為單孔、雙孔、多孔；按構(gòu)造型式可分為管涵、蓋板涵、拱涵和箱涵。

不同的涵洞型式具有不同的適用情況及優(yōu)缺點（見下表），涵洞型式選擇應(yīng)充分考慮地形、地質(zhì)、水文和水力條件、經(jīng)濟造價、材料情況、施工條件、養(yǎng)護維修條件等綜合因素，遵循因地制宜、就地取材、便于施工養(yǎng)護的原則，根據(jù)所在公路的任務(wù)、性質(zhì)、等級及將來發(fā)展需要，按照安全、適用、經(jīng)濟、美觀和有利環(huán)保的要求進行建設(shè)。

蓋板涵：是山區(qū)各級公路中使用最廣泛的一種型式，具有地形適應(yīng)性好，構(gòu)造形式

靈活，水力消減效果好，施工快速等優(yōu)點。山區(qū)石料豐富，涵臺、基礎(chǔ)及進出口構(gòu)造物一般為圬工結(jié)構(gòu)，蓋板采用鋼筋混凝土預(yù)制。石蓋板由于厚度較大，對石料要求高且加工時間長，僅在低等級公路小跨徑涵洞中有零星使用。蓋板涵常用孔徑為1.0～4.0m，設(shè)計流量一般大于20m3/s，涵頂填土高度隨跨徑不同，變化較大，交通部頒標準圖限于0.1～6.0m之間，突破此限時，一般可采取加厚蓋板或提高地基承載力等方法來滿足工程要求。

圓管涵：具有對基礎(chǔ)的適應(yīng)性及受力性能較好，構(gòu)造簡單，不需墩臺，圬工數(shù)量小，造價低，且便于工廠預(yù)制，利于裝配運輸?shù)忍攸c。但是，也存在過水能力小等問題。而且施工過程中接縫的處理和防水層的設(shè)置不易保證其質(zhì)量，會因為漏水問題而影響路基的穩(wěn)定。一般主要用于地勢平緩地段的農(nóng)田灌溉及作為護管之用，山區(qū)公路由于縱坡陡峻使用不多。洞身一般為鋼筋混凝土圓管，常用孔徑為0.75～2.0m，設(shè)計流量一般小于10m3/s，涵頂填土高度一般在0.50～10.0m，低于此限時一般采用蓋板涵或倒虹吸，高于此限時一般采用拱涵或其他型式。排瀉同樣的設(shè)計流量，單孔比多孔經(jīng)濟，多孔時不宜超過3孔。

拱涵：是我國多年來長期使用的一種結(jié)構(gòu)型式，特別適用于石料豐富的地區(qū)，涵臺、拱圈均可用石料砌筑，不用或少用鋼材，而且結(jié)構(gòu)堅固。但拱涵地基承載能力要求較高，施工工序繁多，工期長，遭受破壞后修復(fù)困難、費用高。如我國貴州、廣西等地應(yīng)用較多，陜西總體由于地表土厚，基巖深，地基條件不理想，使用范圍較小。常用孔徑為1.0～4.0m，填土高度0.5～12m。只要在恒載條件下不變形，拱涵超載潛力一般較大，但整體性差，施工工序多，工藝要求嚴格，施工事故及后期問題較多，大量調(diào)查發(fā)現(xiàn)，同等條件下，拱涵比管涵和蓋板涵容易出現(xiàn)問題。

箱涵：箱涵是伴隨我國高速公路發(fā)展起來的一種新的結(jié)構(gòu)型式，多用于我國東南沿海軟土地區(qū)，一般為鋼筋混凝土封閉薄壁結(jié)構(gòu)，整體性好，對地基承載力要求不高。常用孔徑為2.0～6.0m，由于鋼筋用量大、施工難度較大、造價高，所以比較適合于軟弱地基或高填土路基，山區(qū)公路中較少采用。

舊涵接長：接長涵洞的結(jié)構(gòu)型式一般應(yīng)與舊涵保持一致，若地形條件不允許時，也可改為其他型式，但必須保持或改善原有的水流條件，保證舊涵的排泄能力不受損失。接長方式有單側(cè)接長、雙側(cè)接長兩種情況，識路基拼寬方式而定，接長邊較短時，接長部分與舊涵洞身連接為整段；接長邊較長時（4m以上），接長部分單獨成段，與舊涵接頭處設(shè)置沉降縫。

4.洞口溝床加固處理

洞口溝床加固處理是指涵洞洞口（八字墻、一字墻、跌井等）外，對兩側(cè)河溝進行漿砌片石加固的圬工工程，這是設(shè)計中往往容易忽視或不夠重視的地方。其作用有：防止涵洞淤積；防止上下游過度沖刷掏空涵洞基礎(chǔ)，影響結(jié)構(gòu)穩(wěn)定；消減水頭，渠化水流等。做好洞口溝床加固處理對于涵洞保持整體穩(wěn)定有重要作用，多年來，涵洞水毀統(tǒng)計資料表明，山區(qū)涵洞洞口由于受水流沖刷引起的病害較多。

洞口溝床加固處理有多種形式，應(yīng)根據(jù)不同地形、地質(zhì)條件、不同水力條件，遵循因地制宜、因勢利導(dǎo)、經(jīng)濟節(jié)約的原則靈活設(shè)置。山區(qū)公路由于河溝陡峻，洞口溝床加固處理工程量相對較大，長度往往較長，一般情況下（河溝縱坡<10%）的鋪砌長度應(yīng)不小于3～4倍孔徑（上游）和4～5倍孔徑（下游）；河溝縱坡>10%時，則應(yīng)根據(jù)地形情況加長，直至水流被安全送出，不對路基穩(wěn)定構(gòu)成威脅為止。陡坡涵洞出水口視地形、地質(zhì)和水力條件，可采用急流槽、跌水、消力池、消力坎、人工加糙等消能設(shè)施。山區(qū)公路中由于河溝落差較大，多采用急流槽；落差較小的，多采用跌水。消力池、消力坎能在較短的距離內(nèi)集中消耗能量和減緩流速。人工加糙沿程設(shè)置在一段距離內(nèi)，以增加水流阻力，達到逐漸減耗能量和降低流速的目的。

此外，為了避免水流下滲至涵底，進出水口鋪砌端部通常需設(shè)置0.6～1.0m的截水墻。

5.軟弱地基處理

軟弱地基系指主要由淤泥、淤泥質(zhì)土、沖填土、雜填土或其他高壓縮性土層構(gòu)成的地基，其主要工程特性是天然含水量高、孔隙比大、壓縮性高和強度低。在陜西省主要表現(xiàn)為水田、池塘、濕地、山體背陰面、河溝沖積下游堆積物及濕陷性黃土等特殊性巖土，涵洞建造在這些地區(qū)時須進行處治以滿足承載力要求。

軟基處理原理可分為墊層置換法、擠密法、注漿法三大類。第一類屬淺層處理，處理深度一般在3m以內(nèi)，第二、三類屬深層處理，處理深度為3m以上。原則上三類方法均可用于涵洞地基處理，但山區(qū)涵洞施工條件有限，且從工程造價考慮大多采用墊層置換法進行淺層處理。

6.施工注意事項

1）施工前應(yīng)仔細閱讀施工圖紙，了解設(shè)計意圖，同時對實際地形、地質(zhì)、涵洞孔徑、長度、工程數(shù)量、高程等要素進行核對，若發(fā)現(xiàn)設(shè)計圖紙與現(xiàn)場情況有較大出入時，應(yīng)及時通知設(shè)計調(diào)整變更，方可放樣施工。

2）基坑開挖后，若發(fā)現(xiàn)地基承載力達不到設(shè)計要求，則需及時進行加固處理，同時做好基坑排水工作，不得長期暴露，避免暴曬或雨水浸泡而降低地基承載力。

3）涵洞洞身兩側(cè)填土應(yīng)對稱均衡分層夯實，其每側(cè)長度不應(yīng)小于洞身兩側(cè)填土高度的一倍，壓實度不應(yīng)小于96%。

4）除設(shè)置在巖石地基上的涵洞外，根據(jù)涵洞的涵底縱坡和地基土情況，應(yīng)每隔4～6米設(shè)一道沉降縫；洞口與洞身，地基土變化較大，基礎(chǔ)埋深不一以及基礎(chǔ)填挖交界處，新舊涵接頭處均應(yīng)設(shè)沉降縫。沉降縫必須貫穿整個斷面，并用瀝青麻絮或其他具有彈性且不透水的材料填塞。

5）當采用機械填土?xí)r，須待涵洞圬工達到容許強度后，洞身兩側(cè)應(yīng)用人工或小型機具對稱夯填，待填方高出涵頂不小于1.0m時，再用機械填筑。

7.結(jié)束語

由于受地形、地質(zhì)、水文等條件的影響，山區(qū)公路涵洞的設(shè)計是一項復(fù)雜的工作，在設(shè)計時要反復(fù)對比方案，多與實地相聯(lián)系。重視作好設(shè)計前期的外業(yè)勘測工作，包括涵址斷面測量、水文氣象資料收集、工程地質(zhì)調(diào)查、材料來源調(diào)查等；施工階段則應(yīng)首先做好施工組織計劃，加強各階段工程質(zhì)量的監(jiān)督管理，確保各工序均按規(guī)范規(guī)程要求進行，嚴格控制材料質(zhì)量、施工工藝、工期流程等關(guān)鍵環(huán)節(jié)。此外，應(yīng)加強涵洞后期的養(yǎng)護工作，除日常養(yǎng)護工作外一年中至少應(yīng)做好雨季前后的兩次養(yǎng)護，即雨季前的清理疏通和雨季后的維修加固工作。

參考文獻：

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