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(jiǎn)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(lái)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(zhǎng)約75公里，一級(jí)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(kāi)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(jiǎn)支板計(jì)算內(nèi)力，不考慮涵臺(tái)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(chē)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(tái)的計(jì)算按四鉸框架模式進(jìn)行，涵臺(tái)按上、下端簡(jiǎn)支的豎梁計(jì)算。蓋板涵具體形式如圖1.1所示。
        
 

圖1.1 蓋板涵圖示
       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?chē)钔灵g的摩擦力，采用角度分布法計(jì)算，半無(wú)限彈性體理論核算。對(duì)于埋置式波紋管，假定波紋管和土體在界面上沒(méi)有滑移，它們之間的相互作用通過(guò)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(wèn)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(wèn)題，也就是根據(jù)當(dāng)前坐標(biāo)來(lái)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1.2所示。

     （a）波紋管涵平面圖                       
                
                  （b）波紋管涵橫斷面圖
                    圖1.2 波紋管涵圖示
 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(zhǎng)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(kāi)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)。
        
                      圖2.1 地形圖
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(méi)范圍也小，且洪水歷時(shí)短，不為人們所注意，沿河溝無(wú)水文觀測(cè)站，因此大多屬于無(wú)觀測(cè)資料的情況。目前全國(guó)各地公路、鐵路、水利部門(mén)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(guò)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(guò)其中的兩個(gè)因子，即損失參數(shù)μ和匯流時(shí)間τ來(lái)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(jiǎn)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(guò)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(mén)普遍采用的一種計(jì)算方法，其徑流成因簡(jiǎn)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(guò)產(chǎn)瘤與匯流兩過(guò)程而形成的。為了是公式簡(jiǎn)單實(shí)用，在某些過(guò)程作了適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化。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(wú)壓力式涵洞進(jìn)行水力計(jì)算確定涵洞孔徑。按照無(wú)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(jiàn)表2.1。
                      表2.1 涵洞水利計(jì)算表  
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(zhǎng)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(jí)為C30，主拉鋼筋等級(jí)為HRB400，主筋直徑為18mm，蓋板結(jié)構(gòu)圖如圖2.2。
                    
                       
              圖2.2 蓋板結(jié)構(gòu)圖
                
 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(duì)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。基礎(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(wú)太大差別，汽車(chē)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(duì)涵洞受力影響較大。不過(guò)在通過(guò)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(jí)別的填土加活載對(duì)其應(yīng)力影響很小。
                  
                               圖 2.5 活載加載圖示
 
 圖2.6 荷載隨填土高度變化圖示

  本設(shè)計(jì)分別試用Q235及Q345鋼材進(jìn)行計(jì)算，軸向壓應(yīng)力均為11.4MPa，屈曲應(yīng)力分別為122.8MPa及138.3MPa，均滿足計(jì)算要求。
3.蓋板涵與波紋管涵對(duì)比分析
       蓋板涵作為目前最為常用的涵洞形式有其明顯的優(yōu)勢(shì)，但隨著材料及工藝發(fā)展，鋼波紋管涵亦逐漸顯現(xiàn)其優(yōu)勢(shì)：鋼波紋管涵造價(jià)低，材料費(fèi)用減小10%~30%；強(qiáng)度高且自重輕，鋼材抗拉、抗壓、抗剪強(qiáng)度高；施工周期短：工廠化生產(chǎn)，現(xiàn)場(chǎng)拼裝；變形適應(yīng)性強(qiáng)：對(duì)基礎(chǔ)要求低，能有效減少施工開(kāi)挖工作量；能夠較好解決多年凍土等地基不良地區(qū)地基不均勻沉降導(dǎo)致的涵洞開(kāi)裂破壞問(wèn)題，變形適應(yīng)能力強(qiáng)。關(guān)于蓋板涵及波紋管涵的對(duì)比分析見(jiàn)表3.1。
 
               
          

4. 鋼波紋管涵與蓋板涵洞施工工藝框圖對(duì)比

 
 
 
5.鋼波紋管涵與蓋板涵施工難易對(duì)比分析

 

6.鋼波紋管涵與蓋板涵造價(jià)對(duì)比

 
 
 
7.1外觀質(zhì)量要求
波紋鋼管的外觀質(zhì)量應(yīng)符合表9的規(guī)定
表9 波紋鋼管的外觀質(zhì)量
 
 
 
7.2防腐
7.2.1 采用連續(xù)熱鍍鋅鋼板加工波紋鋼管，其加工后的有效鍍鋅層厚度和質(zhì)量不應(yīng)低于表10的規(guī)定。  
 
結(jié)論
本文針對(duì)蓋板涵及鋼波紋管涵的設(shè)計(jì)分析，得到以下結(jié)論：
（1）蓋板涵與鋼波紋管涵的設(shè)計(jì)可以通過(guò)暴雨推理公式及徑流公式進(jìn)行水文計(jì)算，用以確定涵洞的孔徑及形式，這是涵洞設(shè)計(jì)中的主要部分。
 （2）本工程中涉及到的蓋板涵及鋼波紋管涵各設(shè)計(jì)參數(shù)能夠滿足各自受力需求，可為類似工程提供借鑒。
（3）金屬波紋涵管（鋼波紋管涵）較之與蓋板涵有造價(jià)低、不需墩臺(tái)、施工簡(jiǎn)單、運(yùn)輸方便、安裝快捷等特點(diǎn)，值得更加深入研究與推廣。
（4）本文著作權(quán)最終歸衡水匯德所有，嚴(yán)禁轉(zhuǎn)發(fā)，如有發(fā)現(xiàn)，必追究法律責(zé)任