山区公路小桥涵设计研究

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　　摘 要：山区地形复杂、山势险峻、坡陡沟深，为高速公路建设制造了诸多困难，因此小桥涵的正确布设显得尤其重要。本文研究了山区高速公路设计时，小桥涵的勘察与设计问题，包括设计流量的计算；小桥涵的平面和纵向布设；山区小桥涵的加固和设计等。为山区小桥涵设计提供有益参考。
　　关键词：高速公路；山区；小桥涵；设计
　　中图分类号：U4 文献标志码：A 文章编号：1671-7953(2009)02-0052-03
　　
　　我国自1988年开始建设第一条高速公路-沪嘉高速公路以来，高速公路事业迅速发展，目前我国高速公路总里程以达1.9万公里，居世界第二。十五期间，我国的干线高速公路网将全面连通。目前我国的高速公路平微区干线以基本形成，但是山区高速公路则起步不长。全国第一条山区高速公路-太旧高速公路建成也才六年。多数的山区高速公路正在建设之中，工程量比较大的如大同至运城、福州至宁德等高速公路。正在建设的与建成通车的山区高速公路仅占国家十五规划的山区高速公路建设的1/6。山区高速公路的建设以是以后我国一段时间内的建设重点。
　　在公路勘察与设计中，小桥涵设置恰当与否，是公路排水设计的重要环节，直接关系到路基的稳定及工程的造价。而在山区，因其地形复杂、山势险峻、坡陡沟深的特点，为高速公路建设制造了诸多困难，小桥涵的正确布设就显得更为重要。
　　
　　1 设计流量计算
　　
　　1.1 实践经验公式
　　山区流域大都坡陡流急，流量计算与实际洪水情况相符的程度将直接关系到整个线路的安全使用与工程投资，所以在测设期间必须定出符合路线通过地区实际情况的流量计算方法。在公式修订中要充分考虑山区流域面积小、流域坡度大、流域长度短、流域内植被情况相差悬殊等特点。常用的经验公式可见涵洞设计手册，但在每个地方都要根据当地实际情况加于修订。笔者在高速公路涵洞设计中曾借鉴其它山区高速公路洪峰流量公式根据实际情况修订出如下经验公式：
　　
　　其中：β0、γ0、m0、A4、N0均为与流域内地质情况与植被情况有关的参数，可查阅。经过在襄十高速公路武当山至许家棚段小桥涵的设计中应用，通过与当地水文经验公式计算结果对比验证，证明其是切合实际的。
　　1.2 地方公式采用
　　各个地方的水利部门在多年的观测与总结过程中都会归纳出自己一套比较完善的，具有很强针对性的计算办法。这样的计算方法一般都没有经过严格的理论推导，对于流域内的植被、流域特征等也考虑的较为笼统，但是在通过验证后就具有很强的实用性。
　　1.3 河流流域内的流量计算
　　在汇水面积大的流域，为了正确确定其流量，除了采用公式计算外，尚需要搜集个水利部门的有关资料加以核对。而且必须现场调查历年来发生较大洪水的水位及年限，实测洪水位处形态断面。根据这些资料可计算每次洪水流量，推算出频率，然后进一步求出设计频率下的洪峰流量。
　　
　　2 小桥涵布设
　　
　　2.1 总体布设
　　桥涵选址一般要在地质条件较好、地基稳定的位置，以确保桥涵基础的稳定和减少基础加固的工程量与投资［1］。同时要避免因小桥涵位置的不当而造成排洪不畅、冲毁路基、积水淹田或正常交通受到影响等不良后果。在涵洞形式的选择上要综合考虑地形与填土高度及工程量、工程造价的因素。在山区高速公路设计中，由于地形复杂，相对高差较大，填方大于20m的路基比比皆是。目前为止涵洞设计还是采用现行规范进行，所以造成结构尺寸特别之大、基础设计采用特殊的钢筋混凝土扩大基础甚至桩基础，如果高填方路段又是分离式路基则难度更大。而在涵洞的施工中，高填方属于控制工程，待涵洞施工完毕后将有可能使工期严重滞后，这些问题都是选取合适的涵洞形式中不得不考虑的重点问题。在已建成的山区高速公路中曾采用过一种新的涵洞形式――泄水隧洞，它可以给我们提供一种思路，示意见图1。
　　
　　关于泄水隧洞可以参考其他资料。总之在山区小桥涵设计中要灵活选择方案，多方对比才能找到最优方案。
　　2.2 平面布设
　　在山区高速公路平面布设小桥涵时一般要考虑以下原则［2］：
　　1） 顺沟设置一沟一涵。在地形陡峭山区小桥涵布设一般应顺应河沟水流方向，不宜改沟强求正交且路线与涵洞夹角设置不宜过小。
　　2） 沟合并减少工程量。在较平坦地方，汇水面积不大，在不影响上游河流泄水情况下可将相临河沟间设置排水沟连接。
　　3） 平纵排水结合选择小桥涵址。
　　4） 与实际地形、地质条件相结合。如在连续鸡爪沟地形中，在沿路线总坡方向边沟汇水可行的条件下，可将两沟合设一小桥或涵洞。
　　5）涵位高度的综合考虑
　　6）水塘下游处要注意考虑。当路线从山坡附近经过，山坡上游有开挖较大的水塘时，要设置涵洞以防止暴雨时溃坝淹没路基。
　　7）山区路段山泉的可能情况要加于考虑。
　　8）尽量发挥山区石料丰富的特点，在技术可行的情况下，优先采用石砌拱涵及片石筑砌桥台。
　　以上只是平面小桥涵布设的一般原则，由于山区高速公路设计中有很多不可预见因素，这就要求我们在设计中要灵活运用。
　　2.3 立面布设
　　小桥涵立面布设要结合地形、水文地质、路线要求来确定，还要做到进口要顺、基础要稳、出口不落空，同时要满足设计流量，做到水流顺畅。其中的关键是进、出口的处理。
　　2.3.1 缓坡小桥涵布设
　　当天然河谷、冲沟的坡度较缓时，小桥涵依实际地形设置，按较小缓坡（≤0.30%）向上游延伸设置桥涵底铺砌，要注意上游与原来沟底坡率一致。如果从地质条件来看容易产生较大冲刷，则将小桥涵底面铺砌标高比原沟底标高降低20cm左右，以保证原沟冲刷后小桥涵底面不高于河床。
　　当天然河谷、冲沟的坡度较陡（≥5%），而小桥涵基础通过缓坡方式设置时，常用的方式有将涵底砌石处理、涵底台阶式布设、调整涵洞方向、进口处开挖护砌、洞口悬空并加以处理等［3］。下面分别叙述。
　　1） 涵底砌石处理、涵底台阶式布设方式时，需要大量的石方，而且要求地质条件较好，不但保证基底有足够的承载力，而且纵横向要均匀。另外还要注意砌石方式尽量少采用紧密干砌法，地下水丰富或冲刷严重时要谨慎采用。在襄十高速公路涵洞设计中曾多处采用台阶式石拱涵。
　　2） 调整涵洞方向：在等高线较密的地方，若涵洞方向与等高线夹角偏大则有可能形成陡涵形式，此时可考虑减小涵洞与等高线夹角从而降低涵底坡度。但是这时要注意妥善选择设计汇水、引水沟、导流构造物、护坡加固等工程，而且洞口形式选择要多加考虑。
　　3） 进口处开挖护砌：以出水口处涵底标高为基准，按坡度顺延至进水口处，将进水口处开挖。这时要防止进水口的积水，防止进水口处路基因急流顶冲冲毁或因掏刷基础造成水毁。一般可在进水口处设置竖井，陡坡上设置急流槽以减少冲毁几率。
　　4） 洞口悬空处理：若出口处有挡墙则只需要将落水点进行防冲刷处理，在一般情况下要将出口处砌以片石混凝土，从铺砌底面直至地面，将整个悬空部分砌实后再配以跌水设计，减小水流噪声。
　　2.3.2 陡坡小桥涵布设
　　根据现场条件必须设置陡坡涵时，要充分利用地形与地质条件，做到经济合理，结构稳定。对于涵底纵坡≤10%的土质地基河沟、或涵底纵坡≤30%的弱风化地基河沟可采用斜置式陡坡设置，基础底做成齿状或者采用扶壁式出口形式。当涵底坡度大于上述两种情况时，一般采用平阶式陡坡涵。当然在地势很陡的地方设置涵洞不一定要一定拘泥于形式，要根据实际情况灵活运用，也可以将陡坡与缓坡涵底形式联合应用，中间连接段设置跌水过度。
　　
　　3 养护及加固设计
　　
　　小桥涵养护以预防为主。由于山区地形条件的影响，山区小桥涵比其它地区小桥涵更容易出现积水、淤泥、冰塞、冻涨等破坏。这就要求养护部门加大抽查频率，注意小桥涵铺砌裂缝的产生。如果发现了问题及时加固。
　　小桥涵病害一般的原因有：地基承载力不足，填土压实不够，涵洞砌筑质量差等。加固设计一般以填土土压力与一个最不利演算荷载进行计算，加固材料一般是钢筋混凝土材料，根据计算结果进行加固配筋。常用的加固方式有注浆加固与衬砌加固，一般先对有病害涵洞进行灌浆补强然后在进行衬砌加固施工。对于高填土石拱涵处了拱顶、侧墙做一般加固外，涵底的衬砌加固要特别做成仰拱形式，其作用是： ①仰拱可以使涵洞承载力得到提高；②仰拱可以减小涵洞周围的位移；③仰拱可以使涵洞偏心受压向轴心受压转变；④仰拱可以改善涵洞整体受力。在涵洞加固完成后可按照箱涵设计理论进行验算。关于其它小桥涵的加固设计可以参照专门文献进行，这里从略。
　　
　　4 结语
　　
　　山区高速公路小桥涵的设计是一项复杂多变的工作，由于受地形、地质等条件的影响，在实地调查时给我们带来了一定的难度，这就要求我们在设计时要反复对比方案，多与实地相联系。在水流计算时要以临界水流状态为参考选择合理的桥孔或涵洞断面，在小桥涵位置的选取上要注意平面的整体协调、纵面的进出口形式选取与涵底铺砌纵坡的调整，还要注意以地形、地质条件的联系。为了更有效的消除小桥涵的水毁潜在因素一般要设置其它的设施，如急流槽、消力池、消力槛等。小桥涵运营后期的养护与加固也是其重要的部分，这些也是小桥涵布设时的考虑因素。只有全面综合考虑了各因素，才能确保路线的安全、舒适与经济。
　　
　　参考文献
　　［1］ 顾克明.公路桥涵设计手册/涵洞［M］.北京：人民交通出版社，1993.
　　［2］ 孙家驷.公路小桥涵勘察设计［M］.北京：人民交通出版社，1990.
　　［3］ 薛来生.泄水隧洞在山区高速公路中的应用［J］.中国公路勘察设计，2001（8）.

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