山区公路桥涵设计及其优化研究

2022-05-25李俊林

四川建材 2022年5期

李俊林

(山西交控集团太旧高速公路分公司，山西太原 030031)

0 前言

目前，山区桥涵设计中还存在很多亟待解决的问题，例如山区桥涵设计理念有待更新、结构体系有待完善、施工和管理人员的水平有待提高、山区桥涵的安全和寿命缺少足够的重视等。在山区桥涵建设中要始终秉持实用性、安全稳定性、可靠性、美观协调性为基本原则，对山区桥涵的建设进行全方位的考察，包括选择合适的桥涵构造、桥涵设置位置，准确计算桥涵道路的承载力和流量，设计科学的结构体系和养护方案等。最后结合工程实例，具体分析了山区公路桥涵优化设计的要点。

1 山区公路桥涵设计中存在的问题

1.1 施工和管理水平

道路桥涵事故的原因主要有：设计不合理、施工不规范、管理不到位。要想保证修建的道路桥涵能够安全长久地保持通行状态，每个环节都需要加大重视，尤其是管理方面，作为桥涵建设项目施工的统筹工作，管理的漏洞会直接为桥涵今后的事故埋下铺垫。设计和施工不达标也会给桥涵留下安全隐患，例如采用不合理的桥涵结构和材料，没有使用最先进的技术和设备，施工过程中以次充好、偷工减料等恶习，这样建成的道路桥涵危害更甚。

1.2 缺乏安全性和耐久性的重视

道路桥涵的设计图纸是桥涵的灵魂，科学合理的设计方案才能建设安全耐久的桥涵，设计图纸对桥涵的建设具有重要的指导作用。而一些人为了追求经济利益，总想着节约开支而设计不合理的图纸、选用不合规的建筑材料，导致桥涵在设计之初存在问题，使道路桥涵缺乏安全性和耐久性，对于山区道路桥涵而言危害更大，不仅是因为山区道路建设要求和成本更高，而且山区道路救援更是比其他地区更为复杂和艰难，一旦出现交通安全事故，很难保证驾驶人员和乘坐人员的生命财产安全。因此，道路桥涵的安全性和耐久性需要得到所有参与设计和建设人员的高度重视。

1.3 设计理念和构造体系的不完善

道路桥涵的设计理念和构造体系是需要道路桥涵设计人员首要关注的重点，在设计之初就要综合考虑道路的各方面因素，仔细分析计划建设的桥涵的结构和构件连接等，通过综合评估选出科学经济合理的建设方案，兼顾桥涵结构构造、体系和材料的选择，尽量减少设计和施工过程中人为因素的干扰。

2 山区公路桥涵结构体系设计

2.1 上部结构设计

山区桥涵在设计时要重点关注桥墩和桥涵跨径之间的上部结构的关系。要计算好桥墩与桥涵跨径之间的逻辑比值，一般情况下是0.618～1，在这一比值范围内的桥墩和桥涵的关系不仅美观，而且能最大限度地节省造价。如果受到山川地形地势、水文水系的影响，则不能依照一般比例来参考桥墩来决定桥涵的跨径，而是要依据实际情况选择合适的跨径，且不会影响到桥涵本身的质量。

山区桥涵经常伴随着建设弯梁桥，在弯梁桥的设计中计算其斜率是弯梁桥设计工作中最重要的一步。在弯梁桥横坡设置的同时，还要考虑驾驶员的舒适度。在设置桥涵结构时一般要求桥面的外侧高出桥面以形成以内侧为基准的横坡。设置坡度时，一般会有以下方案：①使桥涵横坡的结构处于相同高度，将墩梁倾斜，以使支座中的支撑石和楔形砌块作支撑导致支座的承受力达到平衡；②在桥涵设计时可使用一些方法来使桥涵横坡的结构高度不同。典型上部结构见图1。

图1 桥梁上部结构图

2.2 下部结构设计

山区桥涵的桥墩是支撑整个桥面的基础，受山区地势地形的影响，桥涵一般跨径较大，比如横跨河流、沟壑等起伏较大的地带，因此，桥墩的高度也会随着地形地势的变化而变化。桥墩的高度和墩型需要根据当地实际地势地形、水文水系等自然生态和经济发展等人文条件为依据，选择合适的方案。桥墩的高度设计不合理将直接影响山区桥涵的可靠性和稳定性。一般桥墩的墩型有柱形桥墩、变截面T墩和空心薄壁墩等样式，其中最常见的是柱形桥墩，桥涵设计人员会根据当地的实际情况和经济效益综合考虑选择何种桥型和桥墩。柱形桥墩一般分为方形桥墩和圆柱形桥墩，圆柱形桥墩一般会比方形桥墩结构简单，施工更方便，应用范围更广；方形桥墩的结构相对协调，桥涵整体的刚度较大，稳定性更好，但需要配合其他辅助工具，例如将桩帽与桩基连接进行桥涵的施工，一定意义上增加了施工的难度和工程量。桥涵下部结构的设计和建设应基于方形桥墩和圆柱形桥墩(见图2)的优缺点来进行分析，结合当地可施工的具体条件来选择理想的桥墩样式，综合考虑安全性、稳定性、耐久性、美观性、经济性等要求，还要结合桥涵上部结构的具体特点来决定桥涵的下部结构。

2.3 桥台和基础设计

2.3.1 桥台设计

山区桥涵桥台的选择除了受山地地形地势的影响，在设计上还需要考虑其他影响因素，比如山体两侧的施工条件、山体的倾斜程度、山体动土和台前填土的可操作性等都会影响桥涵桥台的选择方案。常见的桥台类型有柱形桥台、T型桥台、U型桥台等，要基于山区的具体特征选择合适的桥台类型，以保障山区桥涵的稳定性和安全性，同时还要计算桥台施工的可行性。例如，遇到施工山体的倾斜度较大，此时需要设计人员考虑是否采用T型桥台或者U型桥台，因为这类桥台可以减少山体的开挖，减轻施工的难度和复杂度，也可以减少工程造价，同时这类桥台也可以很好地减轻桥台在山区施工的复杂度，提高桥涵的安全性和可靠性，而一般不会选择使用锥坡式桥台来进行斜坡山体的施工。

2.3.2 基础设计

山区桥涵的基础一般用得最多的还是桩基础和扩大基础，对于地质条件好的山区大多数情况下还是会选择扩大基础，有时会选择扩大基础中的分离式扩基础。分离式扩基础能够满足横坡地势地形，并且拥有很好的承载力。对于斜坡山体的基础选择而言，需要考量覆盖层的厚度和基础扩散角对施工过程中产生的影响。桩基础分为摩擦桩基础、柱状基础和嵌岩基础，其中摩擦桩基础主要用在地质条件较差的山体路段。桩基础的施工方式分为钻孔式施工和挖孔式施工，其中挖孔式施工程序较复杂，需要根据当地地质条件来具体分析是否可采用挖孔式方案，例如桩基础的桩长相对较长时可采用挖孔式，流沙层多、漂流石多的地质条件也适用于这种方式，挖孔式造桩造价成本比较低，但是要结合当地的具体条件，保障桥涵的安全可靠是首要要求。

2.4 山区公路涵洞设计

2.4.1 涵洞结构形式的选择

涵洞的设计应因地制宜，根据当地及桥涵发展需要，基于经济、安全、适用、美观的原则进行涵洞的设计和建设。涵洞的建设还需要参照实际施工地周边的地质条件以及施工场地的限制，做到实用与观赏相结合的理想状态。涵洞结构常见的有管涵、石拱涵、钢筋混凝土盖板涵、箱涵等。

常见的管涵结构有混凝土结构和波纹钢片结构。其中混凝土结构的钢筋用量不大，制作方便，施工速度快，但混凝土结构由于自身的特性，容易出现开裂渗水的问题，且不易维护和修理，不利于桥涵的稳定性。而波纹钢片结构使用钢片拼接，施工速度与混凝土相当，但波纹钢片结构可接受一定的变形量，可以应对路基的不均匀下沉。但波纹钢片结构建设强度大，成本高，且管内易产生泥沙堆积，影响排水的流畅。

石拱涵可采用就近取材的方案，成本低、施工简单易操作，且石材使用寿命长，耐磨性比较好，维护成本也比较低，但是石材重量比较大，且山区不便于机械设备的运作，需要人工砌筑，施工速度慢、强度大，对于地基要求相对较高。

相较于其他材料，钢筋混凝土盖板涵结构简单，重量轻，对地基要求不高，方便养护和维修，制作和施工都比较方便快捷。

箱涵一般拥有较好的整体性，对地基也有较强的适应能力，但是这类结构的涵洞一般采用钢材制造，成本较高，制造和施工难度较大。

涵洞结构的选择需要结合山区桥涵整体的结构特点、山区地势地形的走向以及水文水系对沿线居民的影响大小来决定采取何种结构的涵洞。

2.4.2 涵洞立面布置

山区涵洞的立面布置需要综合考虑各方面的因素，比如进出水口标高、路基横断面形式、自然沟底纵坡等。河沟纵坡≤3%，涵长≤15 m时，可以将涵洞的基础水平布置，涵底铺设的纵坡可以1%～3%，如果纵坡介于3%～6%，涵底可以铺设与河沟平行的纵坡。

2.4.3 洞口构筑物的选择

洞口构筑物的设计需要设计人员根据涵洞的实际情况有针对性地进行设计。洞口的设计比较复杂，一般会结合当地的地形地势和水文水系特点设计洞口的结构，常见的洞口类型有八字墙、一字墙、直墙式和跌水井等。八字墙形式的洞口一般周围地势较为平坦，河沟比较宽。如果河沟还有一定的沟渠，涵洞也可进行排水，则可以将八字墙升级成直墙式洞口。