涵洞作為宣泄地面水流而橫穿路基的小型排水構(gòu)造物,在公路工程中有廣泛應(yīng)用,根據(jù)已建工程統(tǒng)計(jì),每公里公路約3-5處涵洞。其中蓋板涵因其結(jié)構(gòu)簡單、受力明確、施工方便成為主選結(jié)構(gòu)形式,同時(shí)隨著鋼波紋管材料的發(fā)展,鋼波紋管涵被越來越多的應(yīng)用。本文以某公路項(xiàng)目為依托,闡述蓋板涵與鋼波紋管涵的設(shè)計(jì)原理、設(shè)計(jì)方法與流程,比較蓋板涵與鋼波紋管涵的優(yōu)缺點(diǎn),并為類似工程提供借鑒。
1.工程背景及設(shè)計(jì)要點(diǎn)
以公路工程為例,全長約75公里,一級公路,紅線寬18m,共設(shè)置涵洞109道,其中蓋板涵32道,波紋管涵48道。工程地處干旱平坦地區(qū),利于開展鋼波紋管涵的應(yīng)用并在該區(qū)域有相應(yīng)工程經(jīng)驗(yàn),綜合各種因素確定跨徑小于3m處涵洞選用鋼波紋管涵洞形式,跨徑大于3m處涵洞選用蓋板涵或箱涵。
鋼筋混凝土蓋板涵采用裝配式設(shè)計(jì),預(yù)制蓋板按99厘米寬度計(jì)算及設(shè)計(jì),蓋板按兩端簡支板計(jì)算內(nèi)力,不考慮涵臺的水平壓力,按承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)分別進(jìn)行計(jì)算和驗(yàn)算。計(jì)算暗涵蓋板內(nèi)力時(shí),涵洞頂上活載引起的豎向土壓力,按車輪著地面積的邊緣向下作30°角分布計(jì)算,明涵蓋板則按45°角分布計(jì)算,土容重18kN/m3。涵臺的計(jì)算按四鉸框架模式進(jìn)行,涵臺按上、下端簡支的豎梁計(jì)算。蓋板涵具體形式如圖所示。
金屬波紋涵管(鋼波紋管涵)設(shè)計(jì)中假定波紋管和土體均為彈性體,不考慮涵洞頂土柱和周圍填土間的摩擦力,采用角度分布法計(jì)算,半無限彈性體理論核算。對于埋置式波紋管,假定波紋管和土體在界面上沒有滑移,它們之間的相互作用通過共同的節(jié)點(diǎn)位移實(shí)現(xiàn)。當(dāng)波紋管的柔度達(dá)到一定的數(shù)值后,穩(wěn)定問題成為起控制性的因素。因此采用幾何非線性的分析方法,從而能夠考慮第二類穩(wěn)定問題,也就是根據(jù)當(dāng)前坐標(biāo)來建立平衡方程。同樣按土柱重理論計(jì)算,內(nèi)摩擦角φ=30°,波紋管具體形式如圖所示。
2 涵洞設(shè)計(jì)方法
在公路工程中涵洞的設(shè)計(jì)首先要確認(rèn)涵洞的位置,與橋梁設(shè)計(jì)不同,涵洞位置比較靈活,主要考慮兩個(gè)方面:排水需求與橫向深溝。一方面在某段較長距離道路中需要溝通道路兩側(cè)排水滿足排水需求,另一方面道路里程中遇到較深較大溝渠時(shí),防止路基沖刷需要設(shè)置涵洞聯(lián)通兩側(cè),這是涵洞設(shè)置的主要原因,如圖2.1所示。在確定涵洞位置后,需要確定的孔徑及形式。涵洞的孔徑根據(jù)跨越溝渠的大小,另一方面需要進(jìn)行水文計(jì)算,確定涵洞斷面流量以確認(rèn)孔徑大小。本設(shè)計(jì)跨徑小于3m處涵洞選用鋼波紋管涵洞形式,因?yàn)椴y管涵技術(shù)雖然較為成熟但是從安全角度出發(fā)為選取較大跨徑波紋管涵,跨徑大于3m處涵洞選用蓋板涵或箱涵,箱涵一般適用于較大跨徑涵洞,此文不做闡述。確定涵洞跨徑及形式后,開展細(xì)化設(shè)計(jì)。本章即介紹水文計(jì)算方法,并分別介紹蓋板涵及波紋管涵的細(xì)化設(shè)計(jì)。
2.1 涵洞水文計(jì)算及孔徑選取
流量是涵洞設(shè)計(jì)確定其形式和孔徑的一個(gè)主要數(shù)據(jù)。公路沿線跨越的小河溝,其匯水絕大多數(shù)屬于小流域范圍內(nèi),由于流域面積小,洪峰的淹沒范圍也小,且洪水歷時(shí)短,不為人們所注意,沿河溝無水文觀測站,因此大多屬于無觀測資料的情況。目前全國各地公路、鐵路、水利部門根據(jù)歷年實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和理論探討,制定各種小流域流量計(jì)算公式和相應(yīng)的圖表,實(shí)際運(yùn)用時(shí),這些公式和圖表可做參考,并應(yīng)以多種計(jì)算方法予以比較。在涵洞設(shè)計(jì)中主要參考《公路涵洞設(shè)計(jì)細(xì)則》,其中給出暴雨經(jīng)驗(yàn)公式及徑流公式用以計(jì)算涵洞流量。
2.1.1 暴雨推理公式
暴雨推理法是一種半理論半經(jīng)驗(yàn)的計(jì)算方法,通過損失參數(shù)和匯流時(shí)間,體現(xiàn)地區(qū)差異性,公式適用于匯水面積F<100km2的流域:
式中:QP——規(guī)定頻率為P%的設(shè)計(jì)流量(m3/s)
SP——頻率為P%的雨力(mm/h)
F——匯流面積(km2)
推理公式本身具有統(tǒng)一的模式,通過其中的兩個(gè)因子,即損失參數(shù)μ和匯流時(shí)間τ來充分體現(xiàn)各地區(qū)的差異性。按超滲產(chǎn)流概念,假定把地面點(diǎn)的損失概況簡化為產(chǎn)流歷時(shí)內(nèi)損失等于常數(shù),影響損失主要考慮土壤種類、植被、降雨、匯水面積及地形情況等幾項(xiàng)。并將匯水區(qū)內(nèi)降水概化為平均凈雨過程,假定同一時(shí)段的匯水區(qū)內(nèi)凈雨相同,主要考慮匯水區(qū)特種、降雨量和地形等因素。
2.1.2 徑流公式
徑流形成法是目前公路部門普遍采用的一種計(jì)算方法,其徑流成因簡化公式適用于匯水面積F<30km2的小流域。交通部公路科學(xué)研究所暴雨推理公式為:
式中:φ——地貌系數(shù),根據(jù)地形、匯水面積F、主河溝平均坡度決定
z——被植被或坑洼滯留的徑流厚度(mm)
徑流形成法以暴雨資料為主推算小流域洪水流量。它是依據(jù)洪峰流量與主要影響因素之間的關(guān)系而建立的,認(rèn)為出口斷面的最大洪峰流量是一定的暴雨在流域內(nèi)經(jīng)過產(chǎn)瘤與匯流兩過程而形成的。為了是公式簡單實(shí)用,在某些過程作了適當(dāng)?shù)暮喕。公式中認(rèn)為影響流量的主要因素取決于匯水區(qū)幾何參數(shù)、降雨情況、土壤種類及吸水情況,徑流及徑流厚度以及主河溝粗糙系數(shù)等。
2.1.3 涵洞孔徑選取
在確定涵洞斷面流量后,按照無壓力式涵洞進(jìn)行水力計(jì)算確定涵洞孔徑。按照無壓力涵洞計(jì)算確定涵洞最小孔徑,計(jì)算得到蓋板涵一般選用的孔徑的水利計(jì)算表見表2.1。
表2.1 涵洞水利計(jì)算表
涵洞跨徑
(m) 涵洞凈高
(m) 適用流量
(m3/s) 臨界水深
(m/s) 臨界流速
(m/s)
1 1 2 0.74 2.7
2 2 17.2 1.4 3.8
3 3 30.7 2.2 4.6
4 4 63.1 3.67 6.9
2.2 蓋板設(shè)計(jì)
本工程蓋板涵跨徑以2m蓋板涵為例:計(jì)算跨徑L0=2m,單側(cè)擱置長度0.25m,蓋板板端厚d1=22cm,蓋板板中厚d2=27cm,蓋板寬b=2.5m,混凝土強(qiáng)度等級為C30,主拉鋼筋等級為HRB400,主筋直徑為18mm,蓋板結(jié)構(gòu)圖如圖2.2。
2.3 波紋管涵設(shè)計(jì)
2.3.1 波紋管涵構(gòu)造設(shè)計(jì)
本工程鋼波紋管涵以2m直徑為例,填土高度最小為0.6m,選擇整體式環(huán)形波紋管以適用于小孔徑和淺埋深環(huán)境。管壁厚度根據(jù)規(guī)范可以在2-5mm之間選擇,出于安全考慮選擇偏大的4mm,相對可行。地基處理方式參考地方規(guī)范一般要求,地基選取砂礫墊層,本次設(shè)計(jì)采用80cm砂礫墊層回填地基;A(chǔ)埋深因存在季節(jié)性凍土存在,計(jì)算埋深1.9m。
2.3.2 波紋管涵結(jié)構(gòu)驗(yàn)算
根據(jù)規(guī)范確定波紋管的參數(shù)之后,需要進(jìn)行應(yīng)力的驗(yàn)算。先要確定荷載,波紋管涵上荷載與其他類型涵洞并無太大差別,汽車荷載考慮了30度的擴(kuò)散,如圖2.5所示。土的重力考慮土拱系數(shù),荷載+恒載的大小隨覆土高度并非線性變化,如圖2.6所示,在覆土高度小的時(shí)候活載比例較大,而當(dāng)覆土高度大于兩米甚至又可以忽略活載,本次設(shè)計(jì)填土高度為0.6m,活載所占比例較大,對涵洞受力影響較大。不過在通過規(guī)范所列公式計(jì)算波紋管應(yīng)力時(shí),結(jié)果表明波紋管的承載能力很大,0.6m級別的填土加活載對其應(yīng)力影響很小。
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