山區(qū)高速公路小橋涵水文計(jì)算的優(yōu)化設(shè)計(jì)

秦曉燕，王雪松，王艷軍

（中國市政工程華北設(shè)計(jì)研究總院有限公司，天津市 300074）

0 引言

目前，我國山區(qū)高速公路已經(jīng)進(jìn)入了全面建設(shè)階段。在山區(qū)高速公路設(shè)計(jì)中，小橋涵作為排水系統(tǒng)中的重要環(huán)節(jié)，對(duì)路基穩(wěn)定及整條山區(qū)高速公路的正常運(yùn)營及其基本功能的實(shí)現(xiàn)都起到了關(guān)鍵作用，小橋涵設(shè)計(jì)已經(jīng)得到了廣大設(shè)計(jì)者的重視。而在小橋涵設(shè)計(jì)中水文計(jì)算工作尤為重要，關(guān)系到整個(gè)小橋涵設(shè)計(jì)的成敗。山區(qū)地形復(fù)雜、地質(zhì)復(fù)雜、山勢險(xiǎn)峻、溝壑縱橫，對(duì)小橋涵水文計(jì)算帶來了諸多困難，且山區(qū)高速公路中小橋涵的數(shù)量眾多，工作量非常大，通過一些工程建設(shè)的實(shí)踐及不斷研究，對(duì)山區(qū)高速公路水文計(jì)算進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高了工作效率和水文計(jì)算的正確性及合理性。

1 工程概況

廣西荔浦至玉林高速公路是桂林、梧州、貴港、玉林通往北海、湛江等沿海城市最便捷的高速公路通道。起自荔浦縣城東北蒙村，接在建的汕頭至昆明國家高速公路陽朔至鹿寨段，經(jīng)新圩、文圩、官成、馬皮、社步、大洋、仁厚，止于玉林市福綿區(qū)新橋鎮(zhèn)，接已建的呼和浩特至北海國家高速公路玉林至鐵山港段，全長約263 km。

本文中采用廣西荔浦至玉林高速公路第三合同段小橋涵進(jìn)行設(shè)計(jì)分析。該合同段小橋涵數(shù)量為157處，其中根據(jù)水文計(jì)算統(tǒng)計(jì)設(shè)置19座橋梁、138道涵洞。

2 小橋涵水文調(diào)查與勘測

水文工作是個(gè)細(xì)致而煩瑣的工作，涉及的面很廣。既要有理論知識(shí)的基礎(chǔ)，還應(yīng)靠自己從實(shí)際工作中摸索和長期積累經(jīng)驗(yàn)，水文重在分析。

水文勘察工作一般存在外業(yè)調(diào)查不夠深入、搜集資料不齊全、進(jìn)行水文計(jì)算時(shí)存在缺這少那等現(xiàn)象。針對(duì)這些不足，該項(xiàng)目在外業(yè)調(diào)查之前，對(duì)小橋涵外業(yè)調(diào)查記錄本進(jìn)行了改進(jìn)調(diào)整，并首先在各級(jí)水利部門搜集水文資料。如路線所經(jīng)之處的1/50 000、1/10 000地形圖（用于勾繪匯水面積），向水利部門了解水利規(guī)劃及水文資料。水利部門長期從事這項(xiàng)工作，資料齊全可供利用。

水文調(diào)查與勘測應(yīng)包含以下主要內(nèi)容：

（1）收集沿線地形圖，在地形圖上勾繪匯水面積及主河溝長度。

（2）外業(yè)調(diào)查記錄內(nèi)容有記錄人、記錄日期、地名或橋名、水路交角、水流方向、主河溝坡度、地面特征、河溝土壤類別、歷史最高水位比高、測時(shí)水深、匯水區(qū)表土種類、匯水區(qū)地勢、涵洞用途（灌溉、排污、泄洪、平衡、立交、其他）。其中主河溝坡度的測量尤為重要，實(shí)測范圍應(yīng)以能求得橋涵區(qū)段河溝的坡度為準(zhǔn)。山區(qū)應(yīng)為水文斷面上游不少于100 m，下游不少于50 m。

（3）勘測現(xiàn)場需擬定的內(nèi)容包括中心樁號(hào)、右偏角、涵底坡度、孔徑-式樣、涵底比高、是否兼過人、左洞口、右洞口、是否設(shè)臺(tái)階。

（4）勘測現(xiàn)場需繪制涵位處地形平面及結(jié)構(gòu)物位置示意圖，平面圖中應(yīng)包含各特征點(diǎn)樁號(hào)、水路交角、附近原結(jié)構(gòu)物及其尺寸、相對(duì)位置、改路改溝方案、地形地貌描述。

（5）勘測現(xiàn)場需選定形態(tài)水文斷面。高速公路選線時(shí)特大橋或特殊橋梁照顧橋位，選擇較好的河段跨越外，其他一般橋梁及小橋涵需服從于路線走向，因此橋（涵）位斷面往往不具備水文斷面的條件和要求，所以要另選水文斷面計(jì)算形態(tài)流量。水文斷面根據(jù)河床形態(tài)可設(shè)在橋位附近的上游或下游，盡量選在水流呈均勻流的河段內(nèi)，一般應(yīng)符合下列條件：

a.河道順直，灘流和主流的洪水流向一致，無河灣及回流，沙洲、河汊以及其他阻塞水流的現(xiàn)象。河灘較小，河床穩(wěn)定，河岸較高，洪水不漫溢出堤岸。

b.兩斷面（水文斷面和橋位斷面）間無支流匯入，無分流壅水等現(xiàn)象。

c.靠近橋（涵）位或附近有調(diào)查的歷史洪水痕跡之處，并在洪水比降范圍以內(nèi)，以便于確定水位、計(jì)算流量。

在水文調(diào)查及勘測階段應(yīng)詳細(xì)、準(zhǔn)確地搜集及記錄這些資料，為內(nèi)業(yè)設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，水文調(diào)查及勘測是水文計(jì)算工作中的第一步，對(duì)水文計(jì)算的準(zhǔn)確性及小橋涵布設(shè)的合理性尤為重要。

3 小橋涵水文計(jì)算

小橋涵水文計(jì)算的主要工作是設(shè)計(jì)流量的確定。小橋涵設(shè)計(jì)流量計(jì)算的方法目前主要有暴雨推理法、徑流形成法、形態(tài)調(diào)查法、直接類比法等。

（1）暴雨推理法。暴雨推理法主要是一種半理論半經(jīng)驗(yàn)的計(jì)算方法，通過損失系數(shù)和匯流時(shí)間，體現(xiàn)地區(qū)差異性。其推理公式適用于匯水面積小于100 km2的河溝。

暴雨推理公式：

（2）徑流形成法。徑流形成法是目前公路部門普遍使用的一種計(jì)算方法，其徑流成因簡化公式適用于匯水面積F≤30 km2的小流域。

徑流成因簡化公式：

（3）形態(tài)調(diào)查法。結(jié)合形態(tài)斷面進(jìn)行洪水調(diào)查，確定流量的形態(tài)調(diào)查法，是目前公路部門應(yīng)用較為普遍的一種方法。當(dāng)有可靠的歷史洪水位調(diào)查資料時(shí)，其適用范圍不受限制。

（4）直接類比法。直接類比法是當(dāng)公路所跨同一河溝上、下游附近存在已建小橋涵，且能調(diào)查到可靠的涵前洪水積水高度及相應(yīng)的洪水頻率時(shí)，用已有小橋涵作為形態(tài)斷面，可采用類似形態(tài)調(diào)查法推求擬建小橋涵的設(shè)計(jì)流量，其適用范圍不受限制。

山區(qū)高速公路地形、地質(zhì)復(fù)雜，溝壑縱橫，大部分小橋涵均缺乏可靠的洪水資料，故該工程中小橋涵設(shè)計(jì)流量采用暴雨推理法、徑流形成法進(jìn)行計(jì)算。

通過對(duì)暴雨推理法、徑流形成法計(jì)算所得流量進(jìn)行比較和校對(duì)，兩種方法計(jì)算結(jié)果較接近，比較合理可靠，最終確定了小橋涵設(shè)計(jì)流量，見表1。

表1 小橋涵設(shè)計(jì)流量計(jì)算

4 小橋涵孔徑設(shè)計(jì)

小橋涵孔徑設(shè)計(jì)必須保證設(shè)計(jì)洪水、漂浮物等的安全通過，滿足排灌需要，避免對(duì)上、下游農(nóng)田房舍的不利影響，并考慮工程造價(jià)的經(jīng)濟(jì)合理。

小橋涵宜設(shè)計(jì)為非自由出流狀態(tài)，涵洞應(yīng)設(shè)計(jì)為無壓力式。該工程在初步計(jì)算時(shí)小橋涵均采用無壓力式涵洞進(jìn)行孔徑驗(yàn)算。根據(jù)河溝斷面形態(tài)初擬孔徑后，驗(yàn)算涵內(nèi)流速、水深和涵前壅水位。

均采用臨界流狀態(tài)進(jìn)行孔徑驗(yàn)算：

（1）當(dāng)Hs＞Hcd+1.3hk+Id（Lh-Lc）時(shí)，應(yīng)改按淹沒流狀態(tài)驗(yàn)算。該工程均采用臨界流狀態(tài)進(jìn)行孔徑驗(yàn)算，遇到此狀態(tài)調(diào)整孔徑。

（2）當(dāng)涵洞內(nèi)鋪砌面允許流速Vy＜Vqs時(shí)，應(yīng)改變鋪砌類型，使Vy≥Vqs。

（3）當(dāng)Hy超過涵前允許淹沒水位時(shí)，應(yīng)增大孔徑。

根據(jù)小橋涵設(shè)計(jì)流量及河溝斷面形態(tài)初擬橋涵孔徑后，確定涵洞結(jié)構(gòu)型式、涵底及進(jìn)出口鋪砌、允許流速、涵底縱坡、粗糙系數(shù)等，進(jìn)行小橋涵孔徑驗(yàn)算，確定小橋涵最終設(shè)計(jì)孔徑，見表2和表3。

表2 小橋涵孔徑計(jì)算（一）

表3 小橋涵孔徑計(jì)算（二）

5 小橋涵水文計(jì)算中Excel的應(yīng)用

山區(qū)高速公路設(shè)計(jì)中，小橋涵數(shù)量眾多，且山區(qū)地形復(fù)雜，水文計(jì)算工作量巨大，通過一些工程建設(shè)的實(shí)踐及不斷研究，對(duì)山區(qū)高速公路小橋涵水文計(jì)算進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，利用Excel強(qiáng)大的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)及計(jì)算能力進(jìn)行水文計(jì)算工作，大大提高了工作效率、水文計(jì)算的正確性及合理性。具體包含以下幾部分內(nèi)容：

（1）在接到設(shè)計(jì)任務(wù)時(shí)，即可根據(jù)項(xiàng)目所在區(qū)域?qū)λ挠?jì)算所需數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，利用Excel編輯公式及各項(xiàng)數(shù)據(jù)。可大大減少整個(gè)項(xiàng)目中小橋涵的設(shè)計(jì)周期。

（2）對(duì)小橋涵外業(yè)勘測記錄進(jìn)行整理匯總。

（3）根據(jù)搜集數(shù)據(jù)，進(jìn)行設(shè)計(jì)流量計(jì)算，初擬孔徑，進(jìn)行孔徑驗(yàn)算，確定最終孔徑。在Excel中可清晰無誤地對(duì)各種方法計(jì)算的流量進(jìn)行對(duì)比，最終確定合理的設(shè)計(jì)流量。通過快速的試算確定合理的孔徑。同時(shí)結(jié)果非常明了，立即篩選出不滿足小橋涵設(shè)計(jì)要求的部分結(jié)構(gòu)物，再按大中橋水文計(jì)算方法進(jìn)行計(jì)算。

6 結(jié)語

隨著國內(nèi)外先進(jìn)理念的不斷引入，小橋涵勘測設(shè)計(jì)在山區(qū)公路工程建設(shè)中尤為重要，水文計(jì)算更是重中之重，水文計(jì)算的正確性對(duì)整體規(guī)模及其后期運(yùn)營有重大的影響，因此應(yīng)積極進(jìn)行小橋涵水文計(jì)算優(yōu)化設(shè)計(jì)，并且在不斷的建設(shè)實(shí)踐中研究新的思路和方法，使水文計(jì)算工作更準(zhǔn)確、更快速、更合理、更簡便，對(duì)山區(qū)高速公路的發(fā)展有重大意義。

[1]JTG C30-2002，公路工程水文勘測設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2]JTG/T D65-04-2007，公路涵洞設(shè)計(jì)細(xì)則[S].

[3]顧克明.公路橋涵設(shè)計(jì)手冊(cè)：涵洞[M].北京：人民交通出版社，1997.