公路工程蓋板涵設(shè)計(jì)要點(diǎn)探析

樊日輝

(內(nèi)蒙古交通設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010010)

公路在野外山區(qū)跨越溝渠、在城鎮(zhèn)平原區(qū)跨越水利設(shè)施等時(shí)，需設(shè)置小型構(gòu)造物；在草原、荒漠等動(dòng)物集中通行的位置需設(shè)置滿足凈空需求的動(dòng)物通道；供熱管線、供水管線、天然氣管線與公路相交時(shí)需考慮設(shè)置管線涵洞。高速公路(固定出入口、全封閉、全立交)除了在跨越野外山區(qū)溝渠和平原區(qū)灌溉渠時(shí)必須設(shè)置排水構(gòu)造物外，在車流、人流集中穿越高速公路或普通公路的位置，也應(yīng)設(shè)置汽車通道、人行通道。每條公路的小橋涵在滿足公路排水和通行方面都起到了顯著的作用，這種重要性同時(shí)也體現(xiàn)在公路工程質(zhì)量驗(yàn)收和評(píng)定中。公路工程質(zhì)量驗(yàn)收和評(píng)定采用公路技術(shù)狀況指數(shù)MQI來(lái)評(píng)定，當(dāng)存在5類橋梁(無(wú)法正常使用)，危險(xiǎn)涵洞的評(píng)定單元時(shí)，MQI直接取值為0，意味著橋梁涵洞失去使用功能且存在安全隱患，整條道路都判定為不合格，由此可見(jiàn),橋涵對(duì)公路正常發(fā)揮使用功能起著至關(guān)重要的作用。

1 蓋板涵的特點(diǎn)

涵洞按構(gòu)造形式分為管涵(包括鋼筋混凝土圓管涵和波紋管涵)，蓋板涵(按洞頂有無(wú)填土分為暗板涵和明板涵)，拱涵和箱涵。蓋板涵主要由蓋板、涵臺(tái)、基礎(chǔ)支撐梁(分離式基礎(chǔ))共同組成，蓋板涵在當(dāng)前公路工程涵洞建設(shè)過(guò)程中占有十分重要的地位。

圖1 蓋板涵

目前，蓋板涵分為整體式基礎(chǔ)和分離式基礎(chǔ)兩種形式。和圓管涵相比較蓋板涵的過(guò)水?dāng)嗝骘@著增大。蓋板涵對(duì)基底承載力要求較高，一般要200 kPa以上，當(dāng)遇到軟弱地基的時(shí)候要進(jìn)行處理。在孔徑較大和路堤較高時(shí)，蓋板涵比拱涵造價(jià)高但其施工技術(shù)較簡(jiǎn)單，且蓋板可以集中制造[1]。蓋板涵綜合了圓管涵、拱涵的優(yōu)點(diǎn)，整體施工技術(shù)和涵體結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，且結(jié)構(gòu)自重小，對(duì)地質(zhì)條件要求不高，不會(huì)對(duì)于原本地基造成其他的影響，而且具有相對(duì)較大的排洪能力，后期養(yǎng)護(hù)、維修方便。因此，蓋板涵本身的應(yīng)用相對(duì)較為廣泛，在公路工程構(gòu)造物設(shè)計(jì)中較為常見(jiàn)，普遍應(yīng)用于山區(qū)排水以及農(nóng)村灌溉、排水工程中。另外，蓋板涵的蓋板能夠通過(guò)集中制造的形式來(lái)實(shí)現(xiàn)，在一定程度上降低了工程施工周期。總體而言，蓋板涵洞的整體結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，但是對(duì)于工程的施工工藝具有相對(duì)較高的要求[2]。

圖2 蓋板涵構(gòu)造

2 蓋板涵設(shè)計(jì)要點(diǎn)

2.1 最小填土

最小覆土厚度是指蓋板頂至路面頂之間最小的填土高度，規(guī)范要求暗板涵最小填土高度為0.5 m，一條公路中所有蓋板涵最小填土高度必須夠0.5 m，否則不滿足規(guī)范要求。一般路線在橫斷面設(shè)計(jì)時(shí)會(huì)設(shè)置橫坡，正常直線段的路拱是中間高，兩面低，當(dāng)路線是圓曲線時(shí)會(huì)設(shè)置超高，在涵洞設(shè)計(jì)中，最小填土高度受直線橫坡和曲線超高影響很大，同時(shí)涵底標(biāo)高、涵底縱坡、凈空都會(huì)影響洞頂最小填土的判斷，如何準(zhǔn)確的判斷最小填土在路基的那一側(cè)，對(duì)于計(jì)算最小填土至關(guān)重要。在影響最小填土的諸多因素中，涵底標(biāo)高和涵底軸縱坡一般在外業(yè)調(diào)查后結(jié)合實(shí)際地形就可以確定了，但橫坡和涵底縱坡卻隨著路線平面要素和地勢(shì)高低處處不同。當(dāng)路線是直線時(shí)，路面左右邊緣高程相同，這時(shí)最小填土很好判斷，涵底縱坡呈左高右低，最小填土就在左側(cè)，左低右高，最小填土就在右側(cè)。當(dāng)路線在涵洞位置是曲線時(shí)，情況就復(fù)雜了。當(dāng)圓心在路線前進(jìn)方向的左側(cè)時(shí)，路面橫坡為左低右高，此時(shí)若涵底縱坡為左高右低，最小填土在路基左側(cè)，若涵底縱坡為左低右高，與路面橫坡方向相同，此時(shí)還需判斷涵底縱坡與路面橫坡的大小。若涵底縱坡小，則最小填土發(fā)生在左側(cè)，若涵底縱坡大，左側(cè)路面橫坡的延長(zhǎng)線和涵底縱坡的延長(zhǎng)線則永遠(yuǎn)無(wú)法相交，反而右側(cè)會(huì)相交，所以最小填土發(fā)生在右側(cè)。當(dāng)圓心在路線前進(jìn)方向的右側(cè)時(shí)，情況反之亦然。當(dāng)然在計(jì)算最小填土?xí)r，為確保左右兩側(cè)都滿足規(guī)范要求，也可以同時(shí)計(jì)算出兩側(cè)的填土，從而直觀地看出哪側(cè)是最小的。當(dāng)然通過(guò)路面橫坡和涵底縱坡的計(jì)算判斷出最小填土對(duì)于涵洞設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō)可以更好地把握設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

2.2 涵底標(biāo)高和涵底縱坡

涵底標(biāo)高和涵底縱坡的確定是涵洞設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，涵底標(biāo)高和涵底縱坡直接影響涵長(zhǎng)，影響整個(gè)涵洞的工程數(shù)量。同時(shí)合理的確定涵底標(biāo)高和涵底縱坡也關(guān)系到涵洞正常發(fā)揮使用功能。對(duì)于過(guò)水的涵洞，涵底縱坡的大小影響水流在涵洞內(nèi)的宣泄速度，涵底縱坡過(guò)緩，水流進(jìn)入進(jìn)水口后低速流出出水口，如果泥沙過(guò)大容易導(dǎo)致淤積，涵底縱坡過(guò)陡使涵洞基礎(chǔ)容易滑動(dòng)導(dǎo)致基礎(chǔ)不穩(wěn)，在施工后難以保證運(yùn)行質(zhì)量。一般蓋板涵涵底縱坡最小不少于0.5%，否則過(guò)小使水流動(dòng)不暢，最大不大于5%，否則使基礎(chǔ)不穩(wěn)，或者增加抗滑構(gòu)造，或者設(shè)置成階梯涵洞來(lái)克服陡大縱坡。涵底縱坡設(shè)置時(shí)應(yīng)盡量考慮涵底自然地面縱坡，使涵底設(shè)計(jì)縱坡與自然原始地面坡度盡量一致，此種情況是當(dāng)滿足最小填土的涵底比自然地面高程高，如果滿足最小填土的涵底比自然地面高程還低，此種情況就需要考慮涵底是否會(huì)下挖，若是通道涵，則需結(jié)合通道引線的縱坡綜合確定，若是水涵則需考慮進(jìn)出水口與原地面順接問(wèn)題。涵底標(biāo)高的確定一般以滿足排水需求、凈空需求、填土需求為主。若是路線縱斷高程高，則盡量以自然地面的高程為準(zhǔn)，結(jié)合地勢(shì)有利于排水。若是路線縱斷高程受其他因素制約受限，在滿足填土要求、凈空要求后，涵底標(biāo)高低于自然地面高程則需要特殊考慮洞口的處理，當(dāng)自然地面有利于出水口出水時(shí)，則進(jìn)水口順接原地面，當(dāng)自然地面有利于進(jìn)水口進(jìn)水時(shí)，則出水口順接原地面，同時(shí)如果必要，需設(shè)置集水井或跌水，保證水流順利集聚順暢排出，不影響宣泄能力，或者增加引水渠或排水渠等附屬設(shè)施。此外，涵底標(biāo)高和涵底縱坡的確定還應(yīng)考慮洞口基礎(chǔ)不要裸露，由于地勢(shì)變化特別是山區(qū)公路在涵洞范圍內(nèi)變化大，若是進(jìn)水口至出水口按同一縱坡設(shè)置，非常有可能在洞口處基礎(chǔ)漏出自然地面，這時(shí)需要調(diào)整涵底標(biāo)高和涵底縱坡，使洞口基礎(chǔ)覆蓋于土中確保使用功能。

2.3 路線轉(zhuǎn)彎半徑過(guò)小時(shí)暗板設(shè)計(jì)

低等級(jí)公路路線在轉(zhuǎn)彎半徑過(guò)小時(shí)會(huì)設(shè)置超高加寬段落，設(shè)計(jì)速度為40 km/h，不設(shè)超高的圓曲線半徑為600 m，半徑低于600 m的圓曲線需在內(nèi)側(cè)設(shè)置加寬值以利于行車，例如半徑為150 m時(shí)圓曲線內(nèi)側(cè)加寬值為1.5 m(公路等級(jí)為二級(jí)集散或干線)。當(dāng)路線超高加寬段落有暗板涵時(shí)，正交情況路基寬度可按路線加寬值考慮路基加寬，當(dāng)涵洞不是正交時(shí)涵長(zhǎng)計(jì)算就不能簡(jiǎn)單地用路基圓曲線加寬渠簡(jiǎn)單的計(jì)算了。同時(shí)路線在圓曲線上設(shè)置超高加寬也會(huì)對(duì)涵洞左右兩側(cè)標(biāo)高的計(jì)算產(chǎn)生影響，這時(shí)需要特殊考慮。路線為直線時(shí)，正涵和斜涵在涵長(zhǎng)計(jì)算時(shí)按常規(guī)的路基寬度計(jì)算即可，如果暗板涵處于路線的圓曲線段落并且有路基加寬的情況，正涵也可按正常路基寬度計(jì)算，但是斜涵還按正常加寬考慮，計(jì)算出的涵長(zhǎng)就會(huì)比實(shí)際涵長(zhǎng)短了。這是因?yàn)樾焙幍膱A曲線的計(jì)算應(yīng)選取的路基寬度不是正常的路基加寬后的值，而是應(yīng)該在加寬路基后再增加一個(gè)玄狐差值作為涵長(zhǎng)計(jì)算路基寬度值，涵洞斜度越大這種情況越明顯。因此,路線在半徑過(guò)小，涵洞斜度過(guò)大，在涵長(zhǎng)計(jì)算時(shí)需特別注意，很容易按常規(guī)涵洞計(jì)算涵長(zhǎng)。

2.4 山區(qū)公路暗板設(shè)計(jì)

當(dāng)公路處于山區(qū)地形時(shí)，地勢(shì)變化大，涵底自然縱坡很可能大于5%，自然縱坡過(guò)大很使暗板涵在設(shè)計(jì)時(shí)需要特別考慮抗滑，進(jìn)出口處理，基底埋深等因素。涵底自然縱坡過(guò)大，暗板常規(guī)洞身分段設(shè)置很容易造成滑動(dòng)，這時(shí)可將涵洞設(shè)置成階梯布置，階梯涵可以有效地克服自然縱坡過(guò)大的情況，同時(shí)也可以兼顧抗滑的功能，而且在工程數(shù)量上也不會(huì)增加太多，這種情況對(duì)于過(guò)水的涵洞時(shí)一種很好的處理方式，但對(duì)于過(guò)人或過(guò)車的通道涵就不是很理想的解決方式了。對(duì)于過(guò)水的階梯涵，如果洞口外的自然縱坡也很大，需要在進(jìn)水口根據(jù)地形設(shè)置集水井，在出水口設(shè)置急流槽，確保水可以順利地進(jìn)入也可以順暢地排出的同時(shí)也不會(huì)對(duì)進(jìn)水口和出水口的基礎(chǔ)造成損害。當(dāng)山區(qū)公路在跨越溝渠時(shí)，如果填土高度過(guò)大時(shí)使用波紋管的情況也很多。

3 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)于公路工程而言，蓋板涵的布設(shè)要整體服從于路線的平面和縱面，路線的平縱指標(biāo)很大程度上影響蓋板涵的工程規(guī)模，同時(shí)蓋板涵的關(guān)鍵設(shè)計(jì)要點(diǎn)(最小填土、涵底縱坡和標(biāo)高)又影響著路線，也決定著最終的使用功能，無(wú)論是蓋板涵或是圓管還是波紋管在設(shè)計(jì)時(shí)同樣需要把握好相同的關(guān)鍵點(diǎn)，各種類型的涵洞既有不同點(diǎn)，也有相似的地方，筆者主要以蓋板涵設(shè)計(jì)為例，探析設(shè)計(jì)過(guò)程中最基本也是最關(guān)鍵的要素，對(duì)提高涵洞設(shè)計(jì)質(zhì)量和計(jì)算涵洞工程數(shù)量準(zhǔn)確度有一定的實(shí)用意義和應(yīng)用價(jià)值。