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浅谈山区高速公路涵洞的勘察设计

发布时间:2008-09-23

刘文进 山西省交通规划勘察设计院
摘要：针对山区高速公路涵洞设计的特点，结合设计实践提出了具体的布设方法，供各位同行参考。
关键词：山区；高速公路；涵洞；设计
山区高速公路，由于路线线形标准要求高，深挖高填路段多，涵洞设计也出现了新的特点，怎样搞好涵洞的设计，关系到整条公路的使用性能，对工程造价也有一定的影响。
涵洞是公路跨越沟渠及排除路基内侧边沟水流的主要构造物之一,也是沟通公路沿线原有农田排灌体系的重要手段。涵洞具有造价低,设计、施工相对简单的特点。就单个而言,涵洞工程数量小,但对整条公路来说,尤其是山区高速公路,涵洞布置数量较多(一般情况下每隔200～300 m设置一道)时,其工程量占整个工程的比重就比较大。在实际工作中经常出现由于设计重视不够，涵洞在施工时经常出现修改变更，影响了施工进度，影响了设计单位的声誉，也给公路的使用留下了不少的隐患。因此,涵洞位置及型式选择是否合理,是否能满足排灌要求,对保证公路路基稳定及节省工程投资起着重要的作用。笔者结合多条高速公路的设计实践，对山区高速公路涵洞的勘察设计提出自己的一些粗浅的看法。
涵洞的总体布置是涵洞设计的关键。涵洞的总体布置主要可分为涵洞的平面布置、涵洞的立面布置及涵洞进出口形式的采用3个方面。
1 涵洞的平面布置
涵洞轴线一般为直线，平面布置主要任务是确定其中心桩号以及斜交角度。在较长涵洞的布置中，由于地形所限，也可布成曲线涵洞，实际中较少使用，以下主要讨论直线涵洞。平原地区涵洞中心桩号及斜交角度容易确定，且有一定的自由度，而山区则不同，布设自由度较小。
当高速公路填土较高，且涵位处沟形弯曲时，涵洞中心桩号不一定是路线与沟心的交点，涵洞斜交角度也不一定是路线附近的沟心线与路线的交角。而应根据路基坡脚处沟心的位置及沟形的弯曲程度综合确定。一般可取路基坡脚处沟心的连线作为涵洞设计中心线，涵洞中心桩号及交角可由此线与路线设计线相交得出。此时的涵洞的中心桩可能落在沟岸的山坡上，涵洞的实测地面线则是中间高两头低的驼峰式。此类涵洞的平面布置应首先结合路线资料在地形图上定出，在实地加以放样校核，然后实测地面线，确定进出口形式。如果只在实地调查时确定，则有可能由于通视条件所限，难以全面了解地形，继而难以合理的定出涵位。此种涵位的平面布置实际上是对沟谷进行裁弯取直的过程。
对于河沟纵坡较大，沟谷下游填方较高，上游填方较小，过水流量不大的情况下，涵位则不一定要沿沟心布置。虽然沿沟心布置，排水顺畅，但如果涵洞沿沟心顺地面坡势布设，则会使涵长加大，立面处理困难，造价升高。如果涵洞做成缓坡涵洞，一方面基础未落到实处，另一方面下游急流槽工程量亦较大。此种情况可考虑将涵位移到较缓的沟岸，涵洞进口改沟拦水，出口可利用填挖分界处的边沟将其尺寸加大，结构加固，将水引向下游，工程量较小，设计施工均大大简化。在笔者参与设计的忻州至保德高速公路中有多道涵洞采用此种方法处理，其中K151+658.5处涵洞最高填土高度由原来的20多m降为6 m，涵长缩短为原来的1／3.对于高填土涵洞地基承载力较低时，这种处理效果更为显著。此类涵洞在外业详细调查前应在地形图上初步定出位置，外业勘测时，必要时应测量涵位处的横断面地面线，以防涵洞基础落空。
山区高速公路，由于与隧道接线的需要，在隧道前后路段通常设成分离式路基。对于相距较近的分离式路基穿越沟谷的涵位布设应综合考虑，尽可能使涵洞位于一条直线上，必须设置两个独立的涵洞时，在满足各自路基排水顺畅的情况下，避免上下游两座涵洞进出口错位太多，交角太大，并应在上下游两座涵洞之间做好必要的引导防护。
2 涵洞立面布置
涵洞立面布置的任务主要确定涵底纵坡及与纵坡适应的涵身布置形式，其应根据沟底纵坡，涵位处地面线的具体特征进行多次比选后才能做到经济合理。
根据涵底纵坡的不同，涵洞可分为缓坡涵洞和陡坡涵洞。缓坡涵洞应用在沟底纵坡较大的山区或阶梯地势的黄土沟壑区时，势必会造成部分涵身基础落不到实处，通常的做法是对悬空部分做填石处理，工程施工麻烦，且不均匀沉降容易使涵身发生断裂。缓坡涵洞一般出口顺边坡做成急流槽，流量较大时，容易冲毁路基。工程中采用陡坡式较多，保证流水顺畅，基础落到实处
陡坡涵洞立面布置一般有平置台阶式和斜置式。土质地基河沟纵坡小于10%，弱风化岩石河沟纵坡小于30%可采用斜置式。当涵底纵坡大于5%时斜置式基础应设置齿状基础，以保证涵洞的整体稳定。对于纵坡大于10%的土质河沟，纵坡大于30%的弱风化岩石河沟应采用平置台阶式。平置台阶式分段长度不应太小，高差不宜太大。对于涵底纵坡一定时，台阶分段长度长，高差必然大，台阶分段长度小，高差相应小，此时应根据涵底地面线特征和涵底的总体坡度及施工的难易程度，综合考虑，不应生搬硬套，一概而论。一般来说，分段长度L应大于等于2 m，相邻两节高差H小于等于0.7 m，或H小于等于Hd（涵洞净高）。对于山区高填土涵洞，涵身较长，地面线陡缓不一，常出现一道涵洞，陡缓相接的情况，此时应注意结构上下一致，分段大致相等，以免给施工造成麻烦。在笔者参与设计的忻州至保德山区高速公路中，采用平置台阶式布置的涵洞占涵洞总数的70%以上，每道涵洞分段长度及高差均以适应沟谷地面纵坡，保证基础落到实处为原则，力求做到设计趋于经济合理。
3 进出口设计
对于涵洞而言，进出口设计是否合理，直接影响到涵洞排水功能的发挥。不考虑水力性能，不因地制宜教条化地选用进出口形式，重者可能会使涵洞损毁，路基塌陷，而且修复困难。对山区高速公路涵洞进出口的设计应予以高度重视，应把它放到比涵身设计更重要的位置来加以考虑。
山区涵洞虽然因地形变化多样，进出口类型较多，但大致可分为几类，进口一般以急流坡，跌水井居多，出口多为八字墙或接挡墙。八字墙为进出口最普通的做法，其张角一般为30°，水力条件较好。但对于平时不流水，只有雨季才有水流通过的涵洞，八字墙张角应根据沟形的宽窄程度，由0°～30°灵活选用，以配合沟形宽窄和使工程量最省为主要原则。关于斜交涵洞洞口的做法，对于低填土涵洞，洞口斜交斜做，外形美观，排水顺畅，对于高填土涵洞，洞口可斜交正做，此时涵身正做，施工简单，易于保证质量，对于高填土涵洞中使用较多的石拱涵更是如此。此外由于涵洞埋置较深也不影响道路景观。笔者认为，在涵洞的设计中不应该仅仅把进出口做为涵洞的附属部分来加以考虑，而应将其放在自然排水断面和人工排水断面相衔接的大系统中加以设计，才能使其起到应有的作用，才能做到水流顺畅，结构稳定，养护简单。
4 高填土涵洞形式的选择
对于高填土涵洞的准确定义，并无明确描述，笔者认为将其定为12 m填土高度较为适合，理由有三：a）填土高12 m时，活载对涵洞结构的影响基本可以忽略，只计土柱恒重；b）在各类涵洞的标准设计中，最高填土多以12 m为限，大于12 m则需另行进行结构计算；c）对于一般平原微丘区涵洞设计，12 m填土已属少见。
对于山区高速公路，由于线型标准高，路线横跨深沟并不鲜见。12 m以上填土的涵洞较多，因而比选的余地大，笔者谓之高填土涵洞的选型，对于石拱涵，盖板涵圆管涵等均可用于比选。石拱涵承载潜力大，造价低，施工简单，但对地基要求高，结构对不均匀沉降产生的裂缝较敏感，当地基为基岩或其它承载力较高的土质时，应优先选用，是山区高速公路使用较多的一种类型。圆管涵承载潜力亦较大，对地基承载力要求也不高，但只适用于过水涵洞且流量不大时，加之圆管涵一般是预制吊装施工，对于沟谷狭窄且施工便道不畅的的工地并不适合，对于高速公路通过黄土沟壑区，沟底平坦且交通方便，涵洞无通行需要时，可选用。在笔者设计端氏至阳城二级公路涵洞时，填土高度20 m，地基承载力160 kPa，无通行行人的需要，曾采用了D=2.0 m的圆管涵。钢筋砼盖板涵，施工简单，盖板可预制亦可现浇，结构对基础沉降不敏感，适用于涵洞兼通道的情况，也适用于高填土路基地基有沉降时，但其钢筋水泥消耗量较大，造价较高，对地基承载力的要求介于圆管涵和石拱涵之间。在灵丘至山阴高速公路设计的K72+293处盖板涵，跨径2.0 m，填土15 m，基础为柔性整体式，要求地基承载力为200 kPa.以上3种涵洞各有优缺点，实际使用中，应根据地质状况，使用功能，水力水文条件，地形实际，施工要求综合加以比选、考虑，方能做到经济合理。
在实际施工中，应对高填土涵洞两侧一定宽度范围的路基进行重点压实，以起到对涵洞的减载作用。
5 结束语
公路涵洞的选型及定位虽然是公路设计小问题,但却牵涉到经济、线形、行车安全、道路稳定性等方方面面。笔者探讨这个问题的出发点就是为了引起相关设计者的重视,并在实际的工作中结合勘察资料予以综合考虑,以免因小失大。