山區公路小橋涵設計研究

摘 要：山區地形復雜、山勢險峻、坡陡溝深，為高速公路建設制造了諸多困難，因此小橋涵的正確布設顯得尤其重要。本文研究了山區高速公路設計時，小橋涵的勘察與設計問題，包括設計流量的計算；小橋涵的平面和縱向布設；山區小橋涵的加固和設計等。為山區小橋涵設計提供有益參考。

關鍵詞：高速公路；山區；小橋涵；設計

中圖分類號：U4 文獻標志碼：A 文章編號：1671-7953(2009)02-0052-03

我國自1988年開始建設第一條高速公路-滬嘉高速公路以來，高速公路事業迅速發展，目前我國高速公路總里程以達1.9萬公里，居世界第二。十五期間，我國的干線高速公路網將全面連通。目前我國的高速公路平微區干線以基本形成，但是山區高速公路則起步不長。全國第一條山區高速公路-太舊高速公路建成也才六年。多數的山區高速公路正在建設之中，工程量比較大的如大同至運城、福州至寧德等高速公路。正在建設的與建成通車的山區高速公路僅占國家十五規劃的山區高速公路建設的1/6。山區高速公路的建設以是以后我國一段時間內的建設重點。

在公路勘察與設計中，小橋涵設置恰當與否，是公路排水設計的重要環節，直接關系到路基的穩定及工程的造價。而在山區，因其地形復雜、山勢險峻、坡陡溝深的特點，為高速公路建設制造了諸多困難，小橋涵的正確布設就顯得更為重要。

1 設計流量計算

1.1 實踐經驗公式

山區流域大都坡陡流急，流量計算與實際洪水情況相符的程度將直接關系到整個線路的安全使用與工程投資，所以在測設期間必須定出符合路線通過地區實際情況的流量計算方法。在公式修訂中要充分考慮山區流域面積小、流域坡度大、流域長度短、流域內植被情況相差懸殊等特點。常用的經驗公式可見涵洞設計手冊，但在每個地方都要根據當地實際情況加于修訂。筆者在高速公路涵洞設計中曾借鑒其它山區高速公路洪峰流量公式根據實際情況修訂出如下經驗公式：

其中：β0、γ0、m0、A4、N0均為與流域內地質情況與植被情況有關的參數，可查閱。經過在襄十高速公路武當山至許家棚段小橋涵的設計中應用，通過與當地水文經驗公式計算結果對比驗證，證明其是切合實際的。

1.2 地方公式采用

各個地方的水利部門在多年的觀測與總結過程中都會歸納出自己一套比較完善的，具有很強針對性的計算辦法。這樣的計算方法一般都沒有經過嚴格的理論推導，對于流域內的植被、流域特征等也考慮的較為籠統，但是在通過驗證后就具有很強的實用性。

1.3 河流流域內的流量計算

在匯水面積大的流域，為了正確確定其流量，除了采用公式計算外，尚需要搜集個水利部門的有關資料加以核對。而且必須現場調查歷年來發生較大洪水的水位及年限，實測洪水位處形態斷面。根據這些資料可計算每次洪水流量，推算出頻率，然后進一步求出設計頻率下的洪峰流量。

2 小橋涵布設

2.1 總體布設

橋涵選址一般要在地質條件較好、地基穩定的位置，以確保橋涵基礎的穩定和減少基礎加固的工程量與投資［1］。同時要避免因小橋涵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。在涵洞形式的選擇上要綜合考慮地形與填土高度及工程量、工程造價的因素。在山區高速公路設計中，由于地形復雜，相對高差較大，填方大于20m的路基比比皆是。目前為止涵洞設計還是采用現行規范進行，所以造成結構尺寸特別之大、基礎設計采用特殊的鋼筋混凝土擴大基礎甚至樁基礎，如果高填方路段又是分離式路基則難度更大。而在涵洞的施工中，高填方屬于控制工程，待涵洞施工完畢后將有可能使工期嚴重滯后，這些問題都是選取合適的涵洞形式中不得不考慮的重點問題。在已建成的山區高速公路中曾采用過一種新的涵洞形式——泄水隧洞，它可以給我們提供一種思路，示意見圖1。

關于泄水隧洞可以參考其他資料。總之在山區小橋涵設計中要靈活選擇方案，多方對比才能找到最優方案。

2.2 平面布設

在山區高速公路平面布設小橋涵時一般要考慮以下原則［2］：

1） 順溝設置一溝一涵。在地形陡峭山區小橋涵布設一般應順應河溝水流方向，不宜改溝強求正交且路線與涵洞夾角設置不宜過小。

2） 溝合并減少工程量。在較平坦地方，匯水面積不大，在不影響上游河流泄水情況下可將相臨河溝間設置排水溝連接。

3） 平縱排水結合選擇小橋涵址。

4） 與實際地形、地質條件相結合。如在連續雞爪溝地形中，在沿路線總坡方向邊溝匯水可行的條件下，可將兩溝合設一小橋或涵洞。

5）涵位高度的綜合考慮

6）水塘下游處要注意考慮。當路線從山坡附近經過，山坡上游有開挖較大的水塘時，要設置涵洞以防止暴雨時潰壩淹沒路基。

7）山區路段山泉的可能情況要加于考慮。

8）盡量發揮山區石料豐富的特點，在技術可行的情況下，優先采用石砌拱涵及片石筑砌橋臺。

以上只是平面小橋涵布設的一般原則，由于山區高速公路設計中有很多不可預見因素，這就要求我們在設計中要靈活運用。

2.3 立面布設

小橋涵立面布設要結合地形、水文地質、路線要求來確定，還要做到進口要順、基礎要穩、出口不落空，同時要滿足設計流量，做到水流順暢。其中的關鍵是進、出口的處理。

2.3.1 緩坡小橋涵布設

當天然河谷、沖溝的坡度較緩時，小橋涵依實際地形設置，按較小緩坡（≤0.30%）向上游延伸設置橋涵底鋪砌，要注意上游與原來溝底坡率一致。如果從地質條件來看容易產生較大沖刷，則將小橋涵底面鋪砌標高比原溝底標高降低20cm左右，以保證原溝沖刷后小橋涵底面不高于河床。

當天然河谷、沖溝的坡度較陡（≥5%），而小橋涵基礎通過緩坡方式設置時，常用的方式有將涵底砌石處理、涵底臺階式布設、調整涵洞方向、進口處開挖護砌、洞口懸空并加以處理等［3］。下面分別敘述。

1） 涵底砌石處理、涵底臺階式布設方式時，需要大量的石方，而且要求地質條件較好，不但保證基底有足夠的承載力，而且縱橫向要均勻。另外還要注意砌石方式盡量少采用緊密干砌法，地下水豐富或沖刷嚴重時要謹慎采用。在襄十高速公路涵洞設計中曾多處采用臺階式石拱涵。

2） 調整涵洞方向：在等高線較密的地方，若涵洞方向與等高線夾角偏大則有可能形成陡涵形式，此時可考慮減小涵洞與等高線夾角從而降低涵底坡度。但是這時要注意妥善選擇設計匯水、引水溝、導流構造物、護坡加固等工程，而且洞口形式選擇要多加考慮。

3） 進口處開挖護砌：以出水口處涵底標高為基準，按坡度順延至進水口處，將進水口處開挖。這時要防止進水口的積水，防止進水口處路基因急流頂沖沖毀或因掏刷基礎造成水毀。一般可在進水口處設置豎井，陡坡上設置急流槽以減少沖毀幾率。

4） 洞口懸空處理：若出口處有擋墻則只需要將落水點進行防沖刷處理，在一般情況下要將出口處砌以片石混凝土，從鋪砌底面直至地面，將整個懸空部分砌實后再配以跌水設計，減小水流噪聲。

2.3.2 陡坡小橋涵布設

根據現場條件必須設置陡坡涵時，要充分利用地形與地質條件，做到經濟合理，結構穩定。對于涵底縱坡≤10%的土質地基河溝、或涵底縱坡≤30%的弱風化地基河溝可采用斜置式陡坡設置，基礎底做成齒狀或者采用扶壁式出口形式。當涵底坡度大于上述兩種情況時，一般采用平階式陡坡涵。當然在地勢很陡的地方設置涵洞不一定要一定拘泥于形式，要根據實際情況靈活運用，也可以將陡坡與緩坡涵底形式聯合應用，中間連接段設置跌水過度。

3 養護及加固設計

小橋涵養護以預防為主。由于山區地形條件的影響，山區小橋涵比其它地區小橋涵更容易出現積水、淤泥、冰塞、凍漲等破壞。這就要求養護部門加大抽查頻率，注意小橋涵鋪砌裂縫的產生。如果發現了問題及時加固。

小橋涵病害一般的原因有：地基承載力不足，填土壓實不夠，涵洞砌筑質量差等。加固設計一般以填土土壓力與一個最不利演算荷載進行計算，加固材料一般是鋼筋混凝土材料，根據計算結果進行加固配筋。常用的加固方式有注漿加固與襯砌加固，一般先對有病害涵洞進行灌漿補強然后在進行襯砌加固施工。對于高填土石拱涵處了拱頂、側墻做一般加固外，涵底的襯砌加固要特別做成仰拱形式，其作用是： ①仰拱可以使涵洞承載力得到提高；②仰拱可以減小涵洞周圍的位移；③仰拱可以使涵洞偏心受壓向軸心受壓轉變；④仰拱可以改善涵洞整體受力。在涵洞加固完成后可按照箱涵設計理論進行驗算。關于其它小橋涵的加固設計可以參照專門文獻進行，這里從略。

4 結語

山區高速公路小橋涵的設計是一項復雜多變的工作，由于受地形、地質等條件的影響，在實地調查時給我們帶來了一定的難度，這就要求我們在設計時要反復對比方案，多與實地相聯系。在水流計算時要以臨界水流狀態為參考選擇合理的橋孔或涵洞斷面，在小橋涵位置的選取上要注意平面的整體協調、縱面的進出口形式選取與涵底鋪砌縱坡的調整，還要注意以地形、地質條件的聯系。為了更有效的消除小橋涵的水毀潛在因素一般要設置其它的設施，如急流槽、消力池、消力檻等。小橋涵運營后期的養護與加固也是其重要的部分，這些也是小橋涵布設時的考慮因素。只有全面綜合考慮了各因素，才能確保路線的安全、舒適與經濟。

參考文獻

［1］ 顧克明.公路橋涵設計手冊/涵洞［M］.北京：人民交通出版社，1993.

［2］ 孫家駟.公路小橋涵勘察設計［M］.北京：人民交通出版社，1990.

［3］ 薛來生.泄水隧洞在山區高速公路中的應用［J］.中國公路勘察設計，2001（8）.