山區(qū)公路橋涵勘察設計綜述

楊佳新，王　旭

(1.黑龍江省公路勘察設計院，哈爾濱 150080；2.黑龍江省慶達水利水電工程有限公司,哈爾濱 150080)

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山區(qū)公路橋涵勘察設計綜述

楊佳新1，王旭2

(1.黑龍江省公路勘察設計院，哈爾濱 150080；2.黑龍江省慶達水利水電工程有限公司,哈爾濱 150080)

摘要：在山區(qū)修建公路，其特點是地勢起伏大，地形破碎，溝壑縱橫交錯，局部地區(qū)還有泥石流，使公路橋涵的勘察設計考慮的要更加周全，勘測設計中要結(jié)合地形、地貌、地質(zhì)、氣象及周邊的地物植被等因素，通過對山區(qū)公路橋涵勘測調(diào)查以及正確地進行水文計算，最終合理地確定橋涵位置并進行孔徑設計。

關(guān)鍵詞：山區(qū)；勘察；橋涵；位置選擇；供水分析；孔徑設計

由于自然災害等各種因素的影響，黑龍江省主干及次支流洪災頻發(fā)，許多不同等級的公路橋梁水毀嚴重，造成了較大的經(jīng)濟損失，在很大程度上制約了龍江公路建設的發(fā)展。有鑒于此，十分有必要在公路建設的前期任務中加強勘察工作，合理確定不同洪水條件下的橋涵孔徑，是做好公路橋涵設計的先決條件。

洪災屬季發(fā)性災害，伴之山洪的連鎖作用，加劇了滑坡、泥石流、落石、淤積及漂浮物的形成。相關(guān)災害構(gòu)成了群發(fā)性、疊加性的錯綜反應，這些災害共同對公路橋梁產(chǎn)生破壞作用，造成了不同程度的破壞。這些遭受水毀破壞的橋涵構(gòu)造物，很多都是孔徑設置選取的不合理，直接影響到工程使用的安全性、可靠性和經(jīng)濟性(造價)，矛盾凸顯。

黑龍江省北部山嶺重丘區(qū)較多，其特點是地勢起伏大，地形破碎，溝壑縱橫交錯，局部地區(qū)還有泥石流。正是由于這種復雜的地理條件，使山區(qū)公路橋涵的勘察設計困難很大，因此在實際勘察工作中，就應該針對復雜的自然條件進行詳細調(diào)查、測設并結(jié)合水文、地形、地貌、地質(zhì)、氣象以及周邊的地物、植被等因素，通過比選、論證最終確定合理的橋涵位置和合適的滿足泄洪能力要求的橋涵孔徑。

1橋涵位置選擇

橋涵位置的選擇必須保證在交通正常運行的狀態(tài)下，順暢地通過設計洪水和凌汛，特別的滿足通航要求，并與附近地區(qū)環(huán)境保護及引道路基、路面排水、堤防設施等相配合。

1.1勘測前的準備工作

路線線位確定之后，在實地調(diào)查勘測之前應對全線所處的自然狀況有一個總體的了解。 首先在紙上定好線位的1∶5萬軍用地形圖上勾畫匯水面積，計算流域縱坡，并據(jù)此計算出設計流量，估算出橋涵孔徑以及在地圖上初步確定橋涵位置，為下一步工作做好準備。

實際勘測中，橋梁與涵洞的調(diào)查內(nèi)容不盡相同，橋梁實地調(diào)查需要施測水文斷面、順樁斷面、河床縱坡以及洪水縱坡，涵洞一般僅需測出涵中心及上下游一段溝底標高即可。因此必須做好前期工作，根據(jù)計算出的設計流量、縱坡等因素決定設置橋梁還是涵洞，避免將小橋設置成涵洞或反之，從而漏測必要的數(shù)據(jù)，造成麻煩。對于匯水面積在3 km2左右的小流域，因其流域縱坡和橋涵前允許水深不同，既可以設橋又可設涵，故前期必須依據(jù)設計流量，估算出橋涵孔徑，為實地調(diào)查勘測提供依據(jù)。

1.2實地勘測

1.2.1常規(guī)勘測

正常情況下，根據(jù)勘測規(guī)定及指導，沿路線行進方向，對與路線相交的河溝進行調(diào)查和施測。

1.2.2山區(qū)勘測

對于山區(qū)這種地勢起伏很大的情況，常常是在很短的距離內(nèi)就存在一個封閉的匯水區(qū)域，而且同一個流域內(nèi)也常伴有兩條甚至更多的河溝，對此是采用每條溝都設置橋涵還是合并后設置橋涵，在山區(qū)視野受限的情況下若想沿路線行進一次就能確定合理的橋涵位置是很難的。所以調(diào)查時應在一個流域范圍內(nèi)對照定好線位的地形圖，沿路線進行往返調(diào)查和沿河道進行橫向調(diào)查，從而調(diào)查清楚河道的平面形狀、高低趨勢以及水流與路線的交角。

1.2.3山區(qū)橋位設定

1)山區(qū)峽谷河段：橋孔不得壓縮水流，盡量一孔跨越；開闊段，橋位應選在河槽穩(wěn)定，流速較緩的河段上。

2)山前變遷河段：橋位宜選在兩岸土質(zhì)較好或有固定依托的穩(wěn)定河段；橋孔布設應根據(jù)洪水主流總趨勢確定。

3)山前沖積漫流河段：橋位宜選在上游狹窄段或下游束窄段上，盡量避開中游擴散段，無法避開時，可采用一河多橋方案，各橋大致在同一等高線上；且橋上游設置固定汊流的設施。

1.2.4泥石流地區(qū)

在強烈泥石流地區(qū)，橋位應采取避繞方案。對于一般泥石流溝，橋位應選在溝床固定、水流順直、穩(wěn)定，宜與主流正交處，不應選在河床縱坡由陡變緩斷面擴大和縮小及河灣處；路線通過泥石流堆積扇時，橋位宜避開扇腰、扇頂部位，而宜選在扇緣及其尾部；路線應沿等高線定線，橋梁分散設置；路線通過泥石流堆積扇裙時，宜在各溝山口建橋或切各扇緣設橋。

泥石流多發(fā)地區(qū)的特點是河溝溝底縱坡大，水流速度快，如對區(qū)域內(nèi)的橋涵不做特殊處理，會對橋涵及路基產(chǎn)生嚴重危害。從近期看，對所設置的橋涵應加大孔徑和凈高，并在上游區(qū)的溝谷內(nèi)修筑一系列的攔截壩，使山洪攜帶的大量物質(zhì)逐步沉積下來，防止溝谷沖刷下切和坍塌，同時，在橋涵附近的上、下游宜修筑坡度較大的瀉流槽，并對槽面抹以光滑的水泥砂漿，從而降低溝底摩擦系數(shù)，增加下滑力，加速排除泥石，防止橋涵淤塞。從長遠看，対泥石流處理的最簡單而有效的辦法是在補給區(qū)種植樹木，從而減少水土流失。

2橋涵孔徑設計

2.1水文計算

2.1.1雨力確定

Kp%=1+CvΦ

(1)

式中：變差系數(shù)，Cv6；變差系數(shù)，Cv24；設計頻率，p%；6日平均降雨量，H6日；設計頻率雨力S，p%；24日平均降雨量(H24日)；雨量遞減系數(shù)n。

2.1.2C值確定

對于一個流域而言，公式中i、 Sp、 F是定值 ,C值取值會因人而異，對C值的選取準確與否直接影響到流量的正確與否，所以在實際工作中應力爭用已知的流量反求C值，從而使選用的C值更符合實地情況，提高計算結(jié)果的準確性，該已知流量可以通過對沿線流域內(nèi)舊有橋涵的調(diào)查求得。在流量計算前，對沿線流域內(nèi)舊有橋涵進行洪水調(diào)查，找出橋涵前的歷史洪水位(該水位以在1～2倍橋涵長度范圍內(nèi)為宜，同時對應洪水位的所有流量均在橋涵孔內(nèi)通過，在調(diào)查時應注意這一點)，測出洪水位高程和橋涵下河槽最低點高程，調(diào)查到發(fā)生該次洪水的日期。據(jù)此可求出橋涵前水深(橋涵前水深H=橋涵前洪水位高程-橋涵下河槽最低點高程)，并根據(jù)降水資料查出發(fā)生當次洪水的日降水量。通常橋涵孔徑外形為矩形的小橋涵可以按自由出流的寬頂堰計算。按橋涵前水頭高度求算通過的洪峰流量公式為：

(1)

式中：Q為通過的洪峰流量；m為自由溢流的流量系數(shù)；n為橋涵孔數(shù)；B為每孔凈寬，m；g為重力加速度取9.81；H為橋涵前水頭高度，m。

(3)

在調(diào)查洪水中，橋涵前水頭高度難免存在誤差，所以在實地調(diào)查中應力爭調(diào)查較多的舊橋涵，以求得較多的C值，通過對一系列C值的統(tǒng)計分析，選出精度較高的C值。

2.1.3確定設計流量

設計流量的確定主要有以下幾種方法：

1)對于有流量系列觀測資料的大中河流均采用數(shù)理統(tǒng)計法計算設計流量：①根據(jù)水文站觀測的流量資料連續(xù)系列推算設計流量；②根據(jù)年最大流量的不連續(xù)系列推算設計流量；③資料的插補和延長：

a)流域面積比擬法

若上下游兩水文站的流域面積之差≤10%，且區(qū)間河道平面和縱斷面較平順，無分洪和滯洪時，歷年最大洪峰流量可以相互搬運。

若上下游兩水文站流域面積之差<20%，且全流域暴雨分布較均勻，區(qū)間無特殊調(diào)蓄作用時，可按面積比將參證站的設計流量推算到設計斷面上，即：

Q1=(F1/F2)nQ2

(4)

式中：Q1、F1為水文斷面的洪水流量，m3/s和匯水面積：km2；Q2、F2為水文站實測的洪水流量，m3/s和匯水面積： km2；n1為面積指數(shù)。

b)相關(guān)分析法

c)水位流量關(guān)系曲線法

d)過程線疊加法

2)缺乏流量觀測資料時設計流量的確定：①根據(jù)歷史洪水調(diào)查資料和少量觀測資料推算設計流量；②采用地區(qū)經(jīng)驗公式；③根據(jù)水利部門編寫的地區(qū)性《水文手冊》等文獻推算設計流量；④根據(jù)特殊河段地形和建筑物的洪水位推算設計流量。

3)利用暴雨資料推算設計洪水流量

對于有條件的河流可采用形態(tài)調(diào)查法和直接類比法計算設計流量，并將計算結(jié)果與經(jīng)驗公式的計算結(jié)果相比較，以相互驗證。

黑龍江省的地區(qū)經(jīng)驗公式為：①當匯水區(qū)面積F<1000 km2時:Qp=Ci0.25SpF0.7；②當匯水區(qū)面積F>1000 km2時:Qp=Ci0.2H3日,1%F0.55。

2.1.4橋前壅水

山區(qū)河流河床多為基巖或巨石，致使橋梁上游壅水很高，在河床比降很大時，洪水暴漲，河床又無法沖刷下切的情況下，橋前最大壅水可達1～2m，與常用壅水公式計算出來的零點幾米大相徑庭，但向上游影響的距離相對于平原區(qū)較短。因此，山區(qū)橋梁壅水高度的正確預計，對設計而言十分重要。山區(qū)河流上的橋梁設計必須考慮在設計洪水(特大洪水)通過的情況下，橋梁不應阻礙洪水或盡量少地干擾洪水順利通過。

一般情況下橋前壅水計算主要有以下幾種方法：

1)采用《橋規(guī)》(JTJ062-91)8.4.1-1公式計算：

△z= KNKv(vm2-vom2/2g

(5)

可靠性較強,但大多數(shù)情況下較洪峰時刻偏小。

2)公式：

△Z=η(Vq2-V2)

(6)

主觀影響很大，無法計算基巖河床的壅水高度。

3)按橋孔整體水力計算理論計算△Z

(7)

避免了人為主觀影響，可以計算基巖河床無沖刷條件下，洪峰通過時的極限最大壅水高度。

2.1.5橋下沖刷

1)一般沖刷

一般沖刷64-2簡化公式為：

(8)

一般沖刷64-1修正公式為：

(9)

黏土河槽一般沖刷公式為：

(10)

2)局部沖刷

橋墩局部沖刷65-2計算公式為：

(11)

式中：沖刷層內(nèi)泥沙平均粒徑d，m；墩型系數(shù)K；墩前行進水流深度hp，m；橋墩計算寬度B1，m；床沙起動流速v0，m/s；河床顆粒影響系數(shù)k，η2；橋墩局部沖刷深度hb，m。

橋墩局部沖刷65-2修正公式：

(12)

式中：沖刷層內(nèi)泥沙平均粒徑d，m；墩型系數(shù)K；橋墩計算寬度B1，m；墩前行進水流深度hp，m；床沙起動流速v0，m/s；橋墩局部沖刷深度[回歸]hb1，m；最低沖刷線高程[回歸]Hmin1，m。

橋墩局部沖刷65-1修正公式(清水沖刷)：

(13)

式中：橋墩局部沖刷65-1[清水沖刷]；墩型系數(shù)K；橋墩計算寬度B1，m；墩前行進流速v，m/s；河床顆粒影響系數(shù)K，η；橋墩局部沖刷深度hb，m。

3)河灘沖刷

清水沖刷公式：

(13)

黏性土河灘一般沖刷公式：

(14)

2.2大中橋孔徑確定

大中橋橋孔長度是采用《水文勘測規(guī)程》中橋長計算公式和綜合分析方法進行計算。所謂綜合分析法就是計算出不同橋長下的橋前壅水和一般沖刷，并在坐標圖的第一象限內(nèi)點繪出橋前壅水與凈橋長關(guān)系曲線△Z=f(L)，在第四象限內(nèi)點繪出一般沖刷與凈橋長關(guān)系曲線hp=f(L),在兩條曲線對應某一橋長時會同時出現(xiàn)一對明顯的拐點，該拐點所對應的橋長即為經(jīng)濟橋長。一般來說，經(jīng)濟橋長可做為設計橋長，但當橋位處于村屯附近時，橋前壅水以不對村屯產(chǎn)生危害為標準，所以位于村屯附近的橋梁應以壅水高度控制橋長。

2.3小橋涵孔徑確定

小橋涵孔徑是采用寬頂堰公式進行計算的。在采用寬頂堰公式計算橋長時，應使算得的橋前水深和橋下設計流速小于橋前允許水深和橋下允許(不沖刷)流速。由于相同的設計洪水流量，在橋涵前允許水深不同時，所需的橋涵孔徑亦不相同，例如：當設計洪水流量同為20時，若橋前允許水深為1.5m，需設置1孔8m的小橋，若橋前允許水深為2.2m時，僅需凈跨徑為4m的涵洞即可滿足泄洪要求。一般而言，當橋涵前水深小于允許水深時，橋下流速亦能滿足設計要求，所以在橋涵調(diào)查時應根據(jù)實地情況確定出小橋涵前的允許水深，以便為橋涵孔徑的確定提供依據(jù)。如在橋位附近有舊橋涵，尚應對原有橋涵進行調(diào)查，以便為新設橋涵孔徑的確定提供參考依據(jù)。對原有橋涵調(diào)查的主要內(nèi)容是橋涵下河床及墩臺基礎旁的沖淤情況以及橋涵在使用期內(nèi)是否發(fā)生過較大洪水，如發(fā)生較大洪水應推出洪水發(fā)生的頻率。在發(fā)生一般洪水時，原有橋涵下的河床及墩臺基礎就產(chǎn)生較大沖刷，說明原有橋涵的孔徑偏小，則新設橋涵的孔徑須大于原有橋涵孔徑。在發(fā)生和新設橋涵的設計洪水頻率相當?shù)暮樗畷r，原有橋涵未發(fā)生破壞性沖刷，表明原有橋涵具有足夠的泄洪能力，則新設置的橋涵孔徑取用原有的橋涵孔徑即可滿足設計要求。所以在確定橋涵孔徑時，不能僅以計算出的橋涵孔徑為準，在有條件時應進行多方比較、論證，從中選出經(jīng)濟、合理的橋涵孔徑。山區(qū)公路橋涵的野外勘察設計是一項艱苦復雜的工作，在調(diào)查時應力爭搜集一切有用的資料，通過對所搜集資料的分析、處理，選擇出經(jīng)濟合理的方案，做到橋涵位置選擇合理，孔徑設計合適。

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[10]中華人民共和國交通部.公路工程水文勘測設計規(guī)范TTGC30-2015.人民交通出版社，2015.

文章編號：1007-7596(2016)04-0181-04

[收稿日期]2016-03-28

[作者簡介]楊佳新(1966-)，男，黑龍江肇東人，高級工程師；王旭(1988-)，男，吉林公主嶺人，助理工程師。

中圖分類號：U412.36

文獻標識碼：B