山區高速公路涵洞選型及設計探析

摘 要：隨著高速公路建設延伸至山區，文章針對山區涵洞從平面布置、涵洞選型、地基處理及附屬排水設施等關鍵性技術方面進行了總結，為類似工程提供了經驗。

關鍵詞：山區高速公路；涵洞；選型設計

隨著高速公路建設逐步延伸至山區，公路線位不可避免將跨越大量沖溝、河谷地形，山區水系發育豐富，水文地質情況復雜，涵洞數量將大量增加，工程比重達到15%～35%，所以涵洞設置是否合理，能否滿足排水需求，對降低工程造價，保證使用效果有很大影響。多年來，山西省修建了幾千公里的高速公路，積累了大量的工程經驗，本文在分析這些經驗的基礎上，同時結合近年來工程技術的進展情況，對山區公路涵洞設計中應注意的關鍵技術問題進行了總結。

1 山區涵洞布置設計

涵洞是為排泄地面水流而設置的橫穿路基的小型排水構造物，作用是迅速排除公路沿線的地表水，保證路基安全，山區由于雨季山洪流量集中、流速大、來勢兇猛，極易造成洞身堵塞，引起排水不暢，有時能將整個涵洞沖垮，危及整個路基安全，給交通運輸造成嚴重隱患。結合山區地形地質、水文特點，涵洞布置應考慮以下原則：

（1）涵洞位置應服從路線走向，涵洞布設時應與路線走向和路基排水系統相結合。

（2）順溝設涵。山區河溝坡陡水急、洪水猛、歷時短，沖刷比較嚴重，涵位布設應盡量符合水流方向，順溝設置；但路線跨越彎曲河溝時，可進行截彎取直，改善水流條件，使水流順暢。

（3）岸坡設涵。當河溝溝底縱坡較大、邊坡穩定、地基承載力較好、而河溝較深時，可考慮將涵位從溝底移至岸坡上，以縮短涵洞長度，減少地基處理費用；但需做好上下游的引水及防護加固工程。

（4）改溝合并。山區涵洞設置一般不合并，但對于匯水面積小，兩溝相距較近，上游水流設計流量小于邊溝宣泄能力，同時又不至于危及路基穩定和產生邊溝淤塞，且具備疏導水流的條件下應予以合并，靈活運用擋土護坡將鄰近的兩個小河溝合并，同時需做好上游開挖排水溝或加深邊溝工程。

（5）路基排水涵。路線縱坡由陡變緩或凹形豎曲線處，內側邊溝水流由急變緩，容易產生水躍和泥沙沉積，為排除內側邊溝水流，應考慮設置邊溝排水涵。

（6）涵洞布設應結合地質勘探資料，布置在地質條件良好、地基穩定地段，盡量避開滑坡、斷層、崩塌和巖溶發育等不良地質地段；當無法避免時，宜選擇設置在巖層破碎較輕、地質穩定或坡積層較薄的地段。

2 涵洞選型

涵洞類型的選擇應符合因地制宜、就地取材、安全經濟、便于施工和養護的原則，結合地形、地質水文和水力條件等因素，綜合考慮。涵洞按構造型式分為：圓管涵、蓋板涵、拱涵和箱涵和鋼波紋管涵，各種型式的涵洞，有各自的適用性和優缺點，應比較而定。

各種構造形式涵洞的適用性和優缺點

3 常用地基處理方法

山區由于地形復雜，地勢高差變化較大，地質條件差異很大，不少涵洞只能建在需處理的雜填土、軟弱土、濕陷性黃土、不均勻土層等復雜的地基上。涵洞地基處理的目的是提高軟地基的承載力；降低軟弱地基的壓縮性、減少基礎的不均勻沉降；消除不良地質土的濕陷性、漲縮性和凍脹性，從而保證地基的穩定，地基處理方案的確定，是地基處理設計的首要問題，應根據涵洞類型、基礎形式及涵位處地質條件等做出適當的地基處理方案。

3.1 軟弱地基處理方法

軟弱地基系指主要由淤泥、淤泥質土、沖填土、雜填土或其他高壓縮性土層構成的地基。這種地基天然含水量過大，承載力低，在荷載作用下易產生滑動或固結沉降。

山區河溝常年長刷淤積，造成地基濕軟，由于施工面的限制，地基處理中對地基處理不到位，造成地基沉降，從而引起涵洞破壞。目前山區常采用的軟弱地基處理方法主要有：換填墊層法、預壓法、擠密法、置換法等。

3.1.1 換填墊層具體可分為換填砂石墊層、素土墊層、灰土墊層、礦碴墊層等方法，目的主要是通過以砂石、素土、灰土和礦渣等強度較高的材料，置換地基表層軟弱土提高持力層的承載力，擴散應力，減少沉降量。

3.1.2 預壓法具體可分為堆載預壓法和真空預壓法，目的是通過在地基中增設豎向排水體，加速地基的固結和強度增長，提高地基的穩定性，加速沉降發展，使地基沉降提前完成。

3.1.3 擠密法具體可分為振沖擠密、灰土擠密樁、砂石樁、石灰樁擠密等方法，目的是通過采用一定的技術措施，通過振動或擠密，使土體的孔隙減少，強度提高，必要時，在振動擠密的過程中，回填砂、礫石、灰土、素土等，與地基土組成復合地基，從而提高地基的承載力，減少沉降量。

3.1.4 置換法具體可分為振沖置換、深層攪拌、高壓噴射注漿、石灰樁等方法，目的是通過采用專門的技術措施，以砂、碎石等置換軟弱土地基中部分軟弱土，或在部分軟弱土地基中摻人水泥、石灰或砂漿等形成增強體，與未處理部分土組成復合地基，從而提高地基的承載力，減少沉降量。

3.2 濕陷性黃土地基處理方法

在上覆土層自重應力作用下，或者在自重應力和附加應力共同作用下，因浸水后土的結構破壞而發生顯著附加變形的土稱為濕陷性土，有些雜填土也具有濕陷性。廣泛分布于我國東北、西北、華中和華東部分地區的黃土多具濕陷性，濕陷性黃土又分為自重濕陷性和非自重濕陷性黃土。濕陷性黃土容易引起建筑物的開裂、突然下陷、突然失穩等危害。

濕陷性黃土地基處理的目的主要是通過消除黃土的濕陷性，提高地基的承載力。目前濕陷性黃土地基常采用的方法主要有：土或灰土墊層法、土或灰土樁法、重（強）夯法等。

3.2.1 土或灰土墊層法主要是通過將基礎下的濕陷性黃土一部分或全部挖除，然后用素土或灰土分層夯實做成墊層，以便消除地基的部分或全部濕陷量，并可減小地基的壓縮變形，從而提高地基承載力。

3.2.2 土或灰土樁法主要是通過通過成孔過程中的橫向擠壓作用，樁孔內的土被擠向周圍，使樁間土得以擠密，再用土或灰土分層夯實形成復合地基，從而消除黃土的濕陷性。值得注意的是不得用粗顆粒的砂、石或其它透水性材料填入樁孔內。

3.2.3 重（強）夯法主要是通過將一定重量的重錘以一定落距給予地基以沖擊和振動，從而達到增大壓實度，改善土的振動液化條件，達到消除黃土濕陷性等目的。

4 附屬排水設施

由于山區河溝縱坡較大，水流流速很大，涵洞縱坡要與地形相適應，縱坡過小水流變緩容易引起涵洞淤積，縱坡過大加大水流對涵洞的沖刷，為了有效地消除涵洞水毀潛在因素，一般要通過設置如急流槽、消力池、消力坎等措施，以減輕水流對涵洞的沖刷。

4.1 當天然河溝縱坡小于5%的涵洞，進出水口水流較緩，只需進行一般的鋪砌加固。

4.2 當天然河溝縱坡在5%～15%之間時，涵洞進出口需設置排導設施，主要包括導流堤、急流槽等，導流堤的主要作用是改善水流流向，急流槽的主要作用是改善流速，一般將導流堤與急流槽組成排導槽，以改善水流的流勢和流向，為保證急流槽的穩定，槽底每隔1.5～2m設防滑墻一道，對溝底及溝槽以及路基邊溝均需鋪砌加固，以改善水流條件。同時涵前應設置一段緩坡，其距離約為涵洞孔徑的1～2倍，以減小水流對涵洞的沖刷。

4.3 對天然河溝溝底縱坡大于15%的涵洞，由于水流來勢兇猛，致使涵洞進出口水毀破壞較多，應根據地形、地質和水力條件采用急流槽、消力池、消力坎等工程技術措施，將急流轉變為緩流，使水流順暢。

4.4 山區涵洞水流較大，流速較快，在洞口經常發生水躍，水流在豎直面內產生漩渦，沖刷力很強，所以直墻式截水墻經過被水流逐漸沖刷而裸露出來，最后將截水墻逐步掏空，造成坍塌，最終使涵洞洞口及洞身遭受破壞，可通過采用斜坡式截水墻或加深截水墻的方式解決。

5 結束語

山區高速公路涵洞設計是一項復雜多變的工作，應根據地形、地質條件，因地制宜、合理規劃、靈活設計，只有這樣，才能使山區涵洞充分發揮其應有作用，確保公路的整體運營安全。

作者簡介：程雷，男，2003年畢業于重慶交通學院，土木工程專業，大學本科，主要從事公路與橋梁設計工作。