公路工程蓋板涵設計要點探析

樊日輝

(內蒙古交通設計研究院有限責任公司，內蒙古 呼和浩特 010010)

公路在野外山區跨越溝渠、在城鎮平原區跨越水利設施等時，需設置小型構造物；在草原、荒漠等動物集中通行的位置需設置滿足凈空需求的動物通道；供熱管線、供水管線、天然氣管線與公路相交時需考慮設置管線涵洞。高速公路(固定出入口、全封閉、全立交)除了在跨越野外山區溝渠和平原區灌溉渠時必須設置排水構造物外，在車流、人流集中穿越高速公路或普通公路的位置，也應設置汽車通道、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，這種重要性同時也體現在公路工程質量驗收和評定中。公路工程質量驗收和評定采用公路技術狀況指數MQI來評定，當存在5類橋梁(無法正常使用)，危險涵洞的評定單元時，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,橋涵對公路正常發揮使用功能起著至關重要的作用。

1 蓋板涵的特點

涵洞按構造形式分為管涵(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、基礎支撐梁(分離式基礎)共同組成，蓋板涵在當前公路工程涵洞建設過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和分離式基礎兩種形式。和圓管涵相比較蓋板涵的過水斷面顯著增大。蓋板涵對基底承載力要求較高，一般要200 kPa以上，當遇到軟弱地基的時候要進行處理。在孔徑較大和路堤較高時，蓋板涵比拱涵造價高但其施工技術較簡單，且蓋板可以集中制造[1]。蓋板涵綜合了圓管涵、拱涵的優點，整體施工技術和涵體結構相對簡單，且結構自重小，對地質條件要求不高，不會對于原本地基造成其他的影響，而且具有相對較大的排洪能力，后期養護、維修方便。因此，蓋板涵本身的應用相對較為廣泛，在公路工程構造物設計中較為常見，普遍應用于山區排水以及農村灌溉、排水工程中。另外，蓋板涵的蓋板能夠通過集中制造的形式來實現，在一定程度上降低了工程施工周期?？傮w而言，蓋板涵洞的整體結構較為簡單，但是對于工程的施工工藝具有相對較高的要求[2]。

圖2 蓋板涵構造

2 蓋板涵設計要點

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，否則不滿足規范要求。一般路線在橫斷面設計時會設置橫坡，正常直線段的路拱是中間高，兩面低，當路線是圓曲線時會設置超高，在涵洞設計中，最小填土高度受直線橫坡和曲線超高影響很大，同時涵底標高、涵底縱坡、凈空都會影響洞頂最小填土的判斷，如何準確的判斷最小填土在路基的那一側，對于計算最小填土至關重要。在影響最小填土的諸多因素中，涵底標高和涵底軸縱坡一般在外業調查后結合實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高低處處不同。當路線是直線時，路面左右邊緣高程相同，這時最小填土很好判斷，涵底縱坡呈左高右低，最小填土就在左側，左低右高，最小填土就在右側。當路線在涵洞位置是曲線時，情況就復雜了。當圓心在路線前進方向的左側時，路面橫坡為左低右高，此時若涵底縱坡為左高右低，最小填土在路基左側，若涵底縱坡為左低右高，與路面橫坡方向相同，此時還需判斷涵底縱坡與路面橫坡的大小。若涵底縱坡小，則最小填土發生在左側，若涵底縱坡大，左側路面橫坡的延長線和涵底縱坡的延長線則永遠無法相交，反而右側會相交，所以最小填土發生在右側。當圓心在路線前進方向的右側時，情況反之亦然。當然在計算最小填土時，為確保左右兩側都滿足規范要求，也可以同時計算出兩側的填土，從而直觀地看出哪側是最小的。當然通過路面橫坡和涵底縱坡的計算判斷出最小填土對于涵洞設計人員來說可以更好地把握設計要點。

2.2 涵底標高和涵底縱坡

涵底標高和涵底縱坡的確定是涵洞設計的關鍵，涵底標高和涵底縱坡直接影響涵長，影響整個涵洞的工程數量。同時合理的確定涵底標高和涵底縱坡也關系到涵洞正常發揮使用功能。對于過水的涵洞，涵底縱坡的大小影響水流在涵洞內的宣泄速度，涵底縱坡過緩，水流進入進水口后低速流出出水口，如果泥沙過大容易導致淤積，涵底縱坡過陡使涵洞基礎容易滑動導致基礎不穩，在施工后難以保證運行質量。一般蓋板涵涵底縱坡最小不少于0.5%，否則過小使水流動不暢，最大不大于5%，否則使基礎不穩，或者增加抗滑構造，或者設置成階梯涵洞來克服陡大縱坡。涵底縱坡設置時應盡量考慮涵底自然地面縱坡，使涵底設計縱坡與自然原始地面坡度盡量一致，此種情況是當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下挖，若是通道涵，則需結合通道引線的縱坡綜合確定，若是水涵則需考慮進出水口與原地面順接問題。涵底標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，結合地勢有利于排水。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，涵底標高低于自然地面高程則需要特殊考慮洞口的處理，當自然地面有利于出水口出水時，則進水口順接原地面，當自然地面有利于進水口進水時，則出水口順接原地面，同時如果必要，需設置集水井或跌水，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施。此外，涵底標高和涵底縱坡的確定還應考慮洞口基礎不要裸露，由于地勢變化特別是山區公路在涵洞范圍內變化大，若是進水口至出水口按同一縱坡設置，非常有可能在洞口處基礎漏出自然地面，這時需要調整涵底標高和涵底縱坡，使洞口基礎覆蓋于土中確保使用功能。

2.3 路線轉彎半徑過小時暗板設計

低等級公路路線在轉彎半徑過小時會設置超高加寬段落，設計速度為40 km/h，不設超高的圓曲線半徑為600 m，半徑低于600 m的圓曲線需在內側設置加寬值以利于行車，例如半徑為150 m時圓曲線內側加寬值為1.5 m(公路等級為二級集散或干線)。當路線超高加寬段落有暗板涵時，正交情況路基寬度可按路線加寬值考慮路基加寬，當涵洞不是正交時涵長計算就不能簡單地用路基圓曲線加寬渠簡單的計算了。同時路線在圓曲線上設置超高加寬也會對涵洞左右兩側標高的計算產生影響，這時需要特殊考慮。路線為直線時，正涵和斜涵在涵長計算時按常規的路基寬度計算即可，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算，但是斜涵還按正常加寬考慮，計算出的涵長就會比實際涵長短了。這是因為斜涵所處的圓曲線的計算應選取的路基寬度不是正常的路基加寬后的值，而是應該在加寬路基后再增加一個玄狐差值作為涵長計算路基寬度值，涵洞斜度越大這種情況越明顯。因此,路線在半徑過小，涵洞斜度過大，在涵長計算時需特別注意，很容易按常規涵洞計算涵長。

2.4 山區公路暗板設計

當公路處于山區地形時，地勢變化大，涵底自然縱坡很可能大于5%，自然縱坡過大很使暗板涵在設計時需要特別考慮抗滑，進出口處理，基底埋深等因素。涵底自然縱坡過大，暗板常規洞身分段設置很容易造成滑動，這時可將涵洞設置成階梯布置，階梯涵可以有效地克服自然縱坡過大的情況，同時也可以兼顧抗滑的功能，而且在工程數量上也不會增加太多，這種情況對于過水的涵洞時一種很好的處理方式，但對于過人或過車的通道涵就不是很理想的解決方式了。對于過水的階梯涵，如果洞口外的自然縱坡也很大，需要在進水口根據地形設置集水井，在出水口設置急流槽，確保水可以順利地進入也可以順暢地排出的同時也不會對進水口和出水口的基礎造成損害。當山區公路在跨越溝渠時，如果填土高度過大時使用波紋管的情況也很多。

3 結束語

對于公路工程而言，蓋板涵的布設要整體服從于路線的平面和縱面，路線的平縱指標很大程度上影響蓋板涵的工程規模，同時蓋板涵的關鍵設計要點(最小填土、涵底縱坡和標高)又影響著路線，也決定著最終的使用功能，無論是蓋板涵或是圓管還是波紋管在設計時同樣需要把握好相同的關鍵點，各種類型的涵洞既有不同點，也有相似的地方，筆者主要以蓋板涵設計為例，探析設計過程中最基本也是最關鍵的要素，對提高涵洞設計質量和計算涵洞工程數量準確度有一定的實用意義和應用價值。