浅谈山区公路涵洞设计中的关键问题

赵勇

摘要：结合山区公路涵洞建设的实践，系统归纳、总结、介绍了山区公路涵洞设计的思路与原则，并就施工中一些需注意的问题作了简要说明。

关键词：山区公路；涵洞；设计施工；关键问题

涵洞作为公路工程的重要组成部分，是公路排水系统中重要的构造物，其作用在于迅速排除公路沿线的地表水，保证路基安全。此外，高等级公路中的涵洞也常广泛兼作通道或供人、畜、车辆或各种管线通过。山区公路沿线地形、地质、水文情况一般较复杂，水系丰富发育，涵洞数量较多。以陕西省陕南地区为例，高速、一级公路中平均3～5道/公里，二、三、四级公路中平均4～7道/公里。所以涵洞设置是否合理，能否满足排水需要，对降低工程造价，保证使用效果有很大影响。本文结合多年来在各等级山区公路勘察、设计、后续服务方面取得的经验，同时结合近年来工程技术发展情况，对山区公路涵洞设计、施工中应注意的一些关键技术问题进行了总结，以便在今后设计施工中有一定的借鉴作用。

1.设计流量计算

山区流域大都坡陡流急，流量计算与实际洪水情况相符的程度将直接关系到整个线路的安全使用与工程投资，所以在测设期间必须确定好符合路线通过地区实际情况的流量计算方法。常用的有实践经验公式和地方公式，在公式修订中要充分考虑山区流域面积小、流域坡度大、流域长度短、流域内植被情况等特点。常用的经验公式见涵洞设计手册。地方公式一般采用各地方水利部门在多年的观测与总结过程中归纳出的一套比较完善的，具有很强针对性的计算方法。在汇水面积大的流域，为了准确确定其流量，除了采用公式计算外，尚需要搜集水利部门的有关资料加以核对，并现场调查历年来发生较大洪水的水位及年限，实测洪水位处形态断面。根据这些资料可计算每次洪水流量，推算出频率，然后进一步求出设计频率下的洪水流量。

2.总体布置

山区公路的排水相對比较复杂，故合理设置涵洞位置，以达到排水通畅、路基稳定、降低造价的意义十分重要。

涵洞布置的总体原则是：1）涵址尽量选择地质条件良好，地基稳定的位置；2）要避免因涵洞位置的不当而造成排洪不畅、冲毁路基、积水淹田或正常交通受到影响等不良后果；3）尽量降低工程量及造价，同时应便于日后维修养护，降低维护费用。

2.1平面布置

山区公路涵洞平面布设时一般要考虑以下原则：

1）山区公路涵洞设置间距一般不宜大于300m，跨越明显的冲沟或排水沟渠时一般应一沟一涵。

2）尽量保持原有水流状态，尤其对于降雨量大、暴雨集中、植被稀少或水土流失严重的地区，原有沟渠不宜合并。当汇水面积较小、两沟渠相距很近，且地形上具备将沟渠连通条件时，可以合并设涵，但应注意开挖排水沟或加深加宽边沟时，要做好沟渠挡水坝及路基的防护工程。

3）应平、纵排水结合选择涵址。在地形陡峭山区，涵洞布设一般应顺应河沟水流方向，不宜改沟强求正交，且路线与涵洞夹角设置不宜过小。

4）部分汇水面积较小的排水涵和流量较小的灌溉涵可与人行通道合并设置。

5）位于斜坡路段半填半挖断面上的涵洞，则以护坡、跌水井、竖井、急流槽等型式与路基填挖边坡和边沟相衔接，并在填挖分界处设置沉降缝。

6）路线跨越冲沟时，若冲沟较深或填土较高，宜适当前后移动涵位。其优点在于：缩短涵长，减小工程数量；降低涵顶填土高度，减小结构尺寸；移涵后冲沟可用于废方堆砌。

7）常年淤积的山谷处，涵洞设在沟谷一侧的山坡上，避免设在冲沟、地基承载力小以及基础处理工程量大的位置处。涵洞进出口高程必须现场逐一核实，确保涵洞排水顺畅。

8）高速公路设计中为减小对路基的危害，应少设倒虹吸。必须设置时，可采用箱涵套压力管设计，倒虹吸进、出接口段应尽量落入地面，防止外露。

9）与实际地形、地质条件相结合。如在连续鸡爪形沟地形中，在沿路线总纵坡方向边沟汇水可行的条件下，可将两沟合并设一道涵洞。

10）当沟渠与路线方向斜交，且沟渠较缓时，可改移沟渠使水流与路线正交以减短涵长，减低造价。但应做好上下游沟渠的防护工程，保证路基安全。当路线在较短里程范围内几次跨越弯曲沟渠时，可采取局部改移沟渠的方式来减少涵洞数量，如下图：

11）挖方路基凹形竖曲线底部是局部的最低点，地表水在此处汇集，一般应设置涵洞排除。对于填方路基凹形竖曲线底部，不一定是汇水点，应视周围地形情况灵活考虑涵洞的设置位置。

以上只是涵洞平面布设的一般原则，由于山区公路设计中有很多不可预见因素，这就要求在设计中要灵活运用。

2.2立面布置

山区河沟往往具有纵坡陡峻、旱季干涸无水、雨季水流暴涨、流速大、冲刷大的特点，因此涵洞立面布设要结合地形、地质、水文、路线要求来确定，做到进口顺畅、基础稳定、出口不落空、满足设计流量等要求。

河沟纵坡<5%时，涵洞立面可沿天然河沟地面进行布置。据陕南地区经验，以纵坡<4%为宜，因为该地区年平均降雨量大、暴雨相对集中，适当提高坡度要求有利于避免过大冲刷，保证构造物安全，尤其对于高速公路因路基较宽导致洞身较长时这种改善尤为明显。

地面纵坡≥5%时，可采用如下三种布置型式：型式一，涵顶、底纵坡相同，洞身截面尺寸一致，此时由于地面纵坡大，为保证涵洞的稳定性，一般需将基础做成齿状或台阶式。同时由于涵顶纵坡大，顶填土不易稳定，填土与涵顶之间存在滑动面，较低端帽石处剪力集中；型式二，洞身为变截面型式，除把涵顶置平改善了涵顶填土不稳定状态外，其余缺点较型式一仍然存在；型式三，为目前山区公路涵洞建设中广泛采用的型式，基底与涵顶均采用台阶式布置，克服了前两种型式存在的缺点，保证了洞身结构及填土的稳定，台阶式涵底铺砌降低了流速，消减了水头，但由于洞内有跌水，设计施工相对复杂一些，且应注意以下两点构造要求：1）每级台阶最短不宜小于2.0m，相邻涵节盖板或拱圈的搭接高度不应小于其厚度的1/4；2）跃水段长度须大于水流跌落的射流长度，并且应大于涵洞孔径。

对于型式三尚须注意，当地面横坡较陡且路基较宽时，必然会导致板顶填土厚度差异过大，极端情况是：对于一端能满足明涵的最低要求，而另一端早已超过容许的填土高度，此时应根据上部荷载情况对盖板及涵台进行加厚设计，同时采取相应措施确保基底应力小于地基承载力。

3.结构型式选择

涵洞有多种分类方法，随分类方法的不同，涵洞可分为多种型式，如按材料可分为石涵、混凝土涵、钢筋混凝土涵、砖涵、铸铁管涵、波纹管涵等；按水力性质可分为无压力式、半压力式、有压力式、倒虹吸式；按涵顶填土可分为明涵和暗涵；按孔数可分为单孔、双孔、多孔；按构造型式可分为管涵、盖板涵、拱涵和箱涵。

不同的涵洞型式具有不同的适用情况及优缺点（见下表），涵洞型式选择应充分考虑地形、地质、水文和水力条件、经济造价、材料情况、施工条件、养护维修条件等综合因素，遵循因地制宜、就地取材、便于施工養护的原则，根据所在公路的任务、性质、等级及将来发展需要，按照安全、适用、经济、美观和有利环保的要求进行建设。

盖板涵：是山区各级公路中使用最广泛的一种型式，具有地形适应性好，构造形式

灵活，水力消减效果好，施工快速等优点。山区石料丰富，涵台、基础及进出口构造物一般为圬工结构，盖板采用钢筋混凝土预制。石盖板由于厚度较大，对石料要求高且加工时间长，仅在低等级公路小跨径涵洞中有零星使用。盖板涵常用孔径为1.0～4.0m，设计流量一般大于20m3/s，涵顶填土高度随跨径不同，变化较大，交通部颁标准图限于0.1～6.0m之间，突破此限时，一般可采取加厚盖板或提高地基承载力等方法来满足工程要求。

圆管涵：具有对基础的适应性及受力性能较好，构造简单，不需墩台，圬工数量小，造价低，且便于工厂预制，利于装配运输等特点。但是，也存在过水能力小等问题。而且施工过程中接缝的处理和防水层的设置不易保证其质量，会因为漏水问题而影响路基的稳定。一般主要用于地势平缓地段的农田灌溉及作为护管之用，山区公路由于纵坡陡峻使用不多。洞身一般为钢筋混凝土圆管，常用孔径为0.75～2.0m，设计流量一般小于10m3/s，涵顶填土高度一般在0.50～10.0m，低于此限时一般采用盖板涵或倒虹吸，高于此限时一般采用拱涵或其他型式。排泻同样的设计流量，单孔比多孔经济，多孔时不宜超过3孔。

拱涵：是我国多年来长期使用的一种结构型式，特别适用于石料丰富的地区，涵台、拱圈均可用石料砌筑，不用或少用钢材，而且结构坚固。但拱涵地基承载能力要求较高，施工工序繁多，工期长，遭受破坏后修复困难、费用高。如我国贵州、广西等地应用较多，陕西总体由于地表土厚，基岩深，地基条件不理想，使用范围较小。常用孔径为1.0～4.0m，填土高度0.5～12m。只要在恒载条件下不变形，拱涵超载潜力一般较大，但整体性差，施工工序多，工艺要求严格，施工事故及后期问题较多，大量调查发现，同等条件下，拱涵比管涵和盖板涵容易出现问题。

箱涵：箱涵是伴随我国高速公路发展起来的一种新的结构型式，多用于我国东南沿海软土地区，一般为钢筋混凝土封闭薄壁结构，整体性好，对地基承载力要求不高。常用孔径为2.0～6.0m，由于钢筋用量大、施工难度较大、造价高，所以比较适合于软弱地基或高填土路基，山区公路中较少采用。

旧涵接长：接长涵洞的结构型式一般应与旧涵保持一致，若地形条件不允许时，也可改为其他型式，但必须保持或改善原有的水流条件，保证旧涵的排泄能力不受损失。接长方式有单侧接长、双侧接长两种情况，识路基拼宽方式而定，接长边较短时，接长部分与旧涵洞身连接为整段；接长边较长时（4m以上），接长部分单独成段，与旧涵接头处设置沉降缝。

4.洞口沟床加固处理

洞口沟床加固处理是指涵洞洞口（八字墙、一字墙、跌井等）外，对两侧河沟进行浆砌片石加固的圬工工程，这是设计中往往容易忽视或不够重视的地方。其作用有：防止涵洞淤积；防止上下游过度冲刷掏空涵洞基础，影响结构稳定；消减水头，渠化水流等。做好洞口沟床加固处理对于涵洞保持整体稳定有重要作用，多年来，涵洞水毁统计资料表明，山区涵洞洞口由于受水流冲刷引起的病害较多。

洞口沟床加固处理有多种形式，应根据不同地形、地质条件、不同水力条件，遵循因地制宜、因势利导、经济节约的原则灵活设置。山区公路由于河沟陡峻，洞口沟床加固处理工程量相对较大，长度往往较长，一般情况下（河沟纵坡<10%）的铺砌长度应不小于3～4倍孔径（上游）和4～5倍孔径（下游）；河沟纵坡>10%时，则应根据地形情况加长，直至水流被安全送出，不对路基稳定构成威胁为止。陡坡涵洞出水口视地形、地质和水力条件，可采用急流槽、跌水、消力池、消力坎、人工加糙等消能设施。山区公路中由于河沟落差较大，多采用急流槽；落差较小的，多采用跌水。消力池、消力坎能在较短的距离内集中消耗能量和减缓流速。人工加糙沿程设置在一段距离内，以增加水流阻力，达到逐渐减耗能量和降低流速的目的。

此外，为了避免水流下渗至涵底，进出水口铺砌端部通常需设置0.6～1.0m的截水墙。

5.软弱地基处理

软弱地基系指主要由淤泥、淤泥质土、冲填土、杂填土或其他高压缩性土层构成的地基，其主要工程特性是天然含水量高、孔隙比大、压缩性高和强度低。在陕西省主要表现为水田、池塘、湿地、山体背阴面、河沟冲积下游堆积物及湿陷性黄土等特殊性岩土，涵洞建造在这些地区时须进行处治以满足承载力要求。

软基处理原理可分为垫层置换法、挤密法、注浆法三大类。第一类属浅层处理，处理深度一般在3m以内，第二、三类属深层处理，处理深度为3m以上。原则上三类方法均可用于涵洞地基处理，但山区涵洞施工条件有限，且从工程造价考虑大多采用垫层置换法进行浅层处理。

6.施工注意事项

1）施工前应仔细阅读施工图纸，了解设计意图，同时对实际地形、地质、涵洞孔径、长度、工程数量、高程等要素进行核对，若发现设计图纸与现场情况有较大出入时，应及时通知设计调整变更，方可放样施工。

2）基坑开挖后，若发现地基承载力达不到设计要求，则需及时进行加固处理，同时做好基坑排水工作，不得长期暴露，避免暴晒或雨水浸泡而降低地基承载力。

3）涵洞洞身两侧填土应对称均衡分层夯实，其每侧长度不应小于洞身两侧填土高度的一倍，压实度不应小于96%。

4）除设置在岩石地基上的涵洞外，根据涵洞的涵底纵坡和地基土情况，应每隔4～6米设一道沉降缝；洞口与洞身，地基土变化较大，基础埋深不一以及基础填挖交界处，新旧涵接头处均应设沉降缝。沉降缝必须贯穿整个断面，并用沥青麻絮或其他具有弹性且不透水的材料填塞。

5）当采用机械填土时，须待涵洞圬工达到容许强度后，洞身两侧应用人工或小型机具对称夯填，待填方高出涵顶不小于1.0m时，再用机械填筑。

7.结束语

由于受地形、地质、水文等条件的影响，山区公路涵洞的设计是一项复杂的工作，在设计时要反复对比方案，多与实地相联系。重视作好设计前期的外业勘测工作，包括涵址断面测量、水文气象资料收集、工程地质调查、材料来源调查等；施工阶段则应首先做好施工组织计划，加强各阶段工程质量的监督管理，确保各工序均按规范规程要求进行，严格控制材料质量、施工工艺、工期流程等关键环节。此外，应加强涵洞后期的养护工作，除日常养护工作外一年中至少应做好雨季前后的两次养护，即雨季前的清理疏通和雨季后的维修加固工作。

参考文献：

[1]顾克明，等.公路桥涵设计手册（涵洞）[M].北京：人民交通出版社，1997.

[2]河北省交通规划设计院.公路小桥涵手册[M].北京：人民交通出版社，2005.

[3]JTG/T D65-04-2007，公路涵洞设计细则[S].