山區公路鋼波紋管涵抗滑移設計研究

尹惠　種鵬云

摘 要：山區公路存在地形起伏較大、地質情況復雜、施工工期緊等問題，而鋼波紋管涵因其結構性能的優越性，能良好地適用于山嶺重丘區，但在設計時往往存在涵底縱坡較大的問題，本文從鋼波紋管涵的受力分析入手，根據工程實例，提出了以防滑墩的形式解決問題的方法，為山區公路鋼波紋管涵的推廣應用提供了借鑒。

關鍵詞：山區公路 鋼波紋管涵 抗滑移 設計研究

中圖分類號：U449 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2018）09（b）-0049-03

鋼波紋管涵具有對地基承載力要求低、施工方便快捷、經濟性好、低碳環保等優點，所以近年來在公路橋涵設計中的應用越來越廣泛。但在山區，往往存在地勢陡峭、地形復雜的特點，進而產生涵洞涵底縱坡較大的問題，但目前關于這一問題的研究較少。

鋼波紋管涵在國外的公路、鐵路和房屋建工程中早已被方泛采用，美國、加拿大等國家從20世紀80、90年代開始制定相應的技術規范。中國于20世紀90年代才逐步開展鋼波紋管的研究、生產及應用，目前在中國東北、華北、西北及華東地區公路工程中已開始大規模應用。

1 鋼波紋管涵受力計算

1.1 鋼波紋管力學性能

鋼波紋管的力學性能是由鋼波紋管的材料決定的，本文采用Q235A熱軋鋼板制作，鋼板屈服強度不應小于235MPa，抗拉強度不應小于375MPa。鋼波紋管是一種柔性結構，它建成后與周圍土體形成一種組合結構，共同受力。當波紋管的柔度達到一定的數值后，穩定問題成為起控制性的因素?？梢圆捎萌鏏NSYS等大型通用有限元程序建立數值模型進行分析[1]。

1.2 鋼波紋管涵受力分析

一般來說，斜坡上的涵洞涵底縱坡不宜大于5%，圓管涵的縱坡不宜大于3%[2]?；谝陨弦幎ㄔO計的鋼波紋管涵投入使用后，會受到兩種垂直壓力及一種水平力，垂直壓力分別為填土對鋼波紋管涵的垂直壓力，以及車輛荷載對鋼波紋管涵的垂直壓力；水平力一般由車輛荷載引起，可忽略不計[3]。

即涵洞受力為：

F=F1+F2 （1）

式中：F為垂直壓力；

F1為土壓力；

F2為車輛荷載壓力。

但在山區，很多沖溝或涵洞布設位置斷面橫坡遠大于5%。這就導致涵洞“下滑力”——F'隨著坡度的增加而增大，當坡度增加到一定值時，F'大于涵體本身重力G與垂直壓力F所形成的摩擦力，涵洞就會向下滑移。所以一般規定：當涵底縱坡大于5%時，涵底宜采用齒狀基礎，或者出口設置為扶壁式。當涵底縱坡大于10%時，洞身及基礎應分段做成階梯形[2]。但鋼波紋管涵由于其結構形式及材料的特殊性，涵底不能采用齒裝基礎，那么，如何解決山區涵底大縱坡情況下的涵洞防滑問題呢？

涵洞下滑受力分析：

所以，根據以上公式就可以算出鋼波紋管涵在不同管徑、波形及不同地質情況下產生滑移的臨界坡度i0 。

2 鋼波紋管涵防滑移方案設計

2.1 減小涵底縱坡i

計算出鋼波紋管涵產生滑移的臨界縱坡后，如果根據實際地形設計的涵底縱坡大于，可以通過調整使之小于即可，但這樣會造成鋼波紋管涵埋深增加、涵長增加及進出水口填挖方增加，進而造成鋼波紋管涵施工及后期維護成本增加較多。

2.2 采用防滑墩措施

根據地下埋置式管道固定墩的方式，并結合鋼波紋管涵的特點，在涵洞有滑移趨勢的情況下設置防滑墩以平衡“下滑力”。

2.3 設計要點

小跨徑波紋管為圓形整體管，采用整管節拼裝、法蘭螺栓連接；大跨徑波紋管為分片拼裝。但無論跨徑多大，其外形構造均為“波形”，可利用其凹曲線位置作為“卡槽”，輔以環形設施將涵身安裝在固定墩上，這樣就能夠有效防止涵洞滑移，如圖1所示。

根據以上設計理念，防滑墩形式如圖2所示。

如圖2所示，以混凝土墩為固定措施，再以地腳螺栓和φ20鋼筋將涵身固定在混凝土墩上，防滑墩墻體長度為鋼波紋管直徑D+2×0.5m，墻體寬度為1.5m，鋼筋每隔200mm設置一道。防滑墩的數量根據實際坡度 的值確定，間距一般為沿鋼波紋管涵縱向30～50m設置一道。

3 實例應用

云南省建水（個舊）至原元陽高速公路項目地處山嶺地區，大部分涵洞所處位置為高填方路段，涵長較長，根據測量及地勘資料，地形自然坡度大，陡坡涵洞較多，且山區天然水系復雜，應避免大體積開挖山體或地基處理，涵洞布設宜明挖天然淺基。且項目所在地地震動峰值加速度值為0.30g，根據《公路工程抗震規范》（JTG B02-2013）規定中對涵洞的相關規定：設計基本地震峰值加速度大于或等于0.20g地區的高速公路和一級、二級公路上的涵洞，應選用外形封閉的圓管涵或箱涵。而本項大跨徑涵洞較多，且涵長較長，同時存在工期緊的問題，經過對鋼筋混凝土圓管涵、鋼波紋管涵和箱涵設計、施工方案比選，本項目推薦采用鋼波紋管涵（見表1）。

確定采用鋼波紋管涵后，根據每道涵洞的地勘資料及填土高度、涵洞直徑及涵長等參數確定鋼波紋管涵產生滑移的臨界縱坡。

以其中一道涵洞為例：涵洞直徑為2m，根據以上參數計算出當涵底縱坡大于5%時需設置防滑墩。由于涵洞所處沖溝原地面線較陡，且涵洞位于高填路基路段，分別分析涵洞降低涵底縱坡和增加防滑墩兩種情況。

（1）降低涵底縱坡至3%。

降低涵底縱坡為3%，鋼波紋管設計涵長為82m，涵頂填土高度16.5m，填方240.85m3，挖方4117m3，如圖3所示。

（2）增加防滑墩。

增加防滑墩，涵底縱坡根據實際地形為15%，鋼波紋管設計涵長為71.8m，涵頂填土高度13m，填方208.54m3，挖方428.47m3，防滑墩2個，如圖4所示。

通過對工程實例的分析，可以得出：當地面縱坡較大時，適當增加涵洞涵底縱坡，增加防滑墩措施，能夠縮短涵長、降低填土高度及涵洞施工的填挖工程量，進而能夠有效降低涵洞工程造價（見表2）。

4 結語

本文研究了山嶺重丘區鋼波紋管涵設計施工過程中面臨地面縱坡較大的問題時，鋼波紋管涵的受力分析，提出了以“防滑墩”的形式解決涵底縱坡較大的問題，并根據工程實例分析了降低涵底縱坡及增加防滑措施兩種方案的各項指標。

參考文獻

[1] 蔣雪梅，雷俊卿，王全錄，等.波紋鋼管涵洞的力學機理分析與試驗研究[J].北京交通大學學報， 2006，30（11）：289-293.

[2] JTG/T D65-04-2007，公路涵洞設計細則[S].

[3] 李祝龍.公路鋼波紋管涵洞設計與施工技術[M].北京：人民交通出版社，2007.