發(fā)布時(shí)間：2021-07-21所屬分類：工程師職稱論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要：以承德臨空經(jīng)濟(jì)西區(qū)市政工程為例，對(duì)涵洞設(shè)計(jì)過程中發(fā)現(xiàn)的問題進(jìn)行分析研究。對(duì)比城鄉(xiāng)防護(hù)區(qū)、市政雨水管渠和公路橋涵的防洪標(biāo)準(zhǔn)差異，闡述山區(qū)城市道路涵洞的防洪標(biāo)準(zhǔn)選用原則、涵洞水文的計(jì)算方法、孔徑驗(yàn)算方法以及涵洞構(gòu)造和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本要點(diǎn)。
摘要：以承德臨空經(jīng)濟(jì)西區(qū)市政工程為例，對(duì)涵洞設(shè)計(jì)過程中發(fā)現(xiàn)的問題進(jìn)行分析研究。對(duì)比城鄉(xiāng)防護(hù)區(qū)、市政雨水管渠和公路橋涵的防洪標(biāo)準(zhǔn)差異，闡述山區(qū)城市道路涵洞的防洪標(biāo)準(zhǔn)選用原則、涵洞水文的計(jì)算方法、孔徑驗(yàn)算方法以及涵洞構(gòu)造和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本要點(diǎn)。通過總結(jié)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，提出行業(yè)規(guī)范編制的建議以及涵洞的設(shè)計(jì)要點(diǎn)。
關(guān)鍵詞：山區(qū)城市道路;涵洞;防洪標(biāo)準(zhǔn);水文計(jì)算
隨著國家城鎮(zhèn)化的推進(jìn)，越來越多的山區(qū)城鎮(zhèn)規(guī)劃建設(shè)城市道路，而山洪對(duì)山區(qū)城鎮(zhèn)的破壞能力大，制約國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，威脅人民的生命財(cái)產(chǎn)安全，是不容忽視的重要問題。因此，做好防洪排水規(guī)劃設(shè)計(jì)是山區(qū)城市道路建設(shè)中至關(guān)重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。
排水構(gòu)造物是防洪規(guī)劃中的重要組成部分，包括橋涵、排水管渠、邊溝和截水溝等。
涵洞是公路行業(yè)的術(shù)語，是保證地面流水能夠橫穿公路而設(shè)置的小型構(gòu)造物，一般由基礎(chǔ)、洞身和洞口組成[1]，防洪標(biāo)準(zhǔn)一般按照J(rèn)TGD60—2015《公路橋涵通用設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定選用。常規(guī)城市道路工程排水一般以雨水管線為主，涵洞主要應(yīng)用在公路工程，因山區(qū)地形復(fù)雜、高低起伏、溝壑縱橫，為保證區(qū)域排水順暢，避免路基被損害，故在山區(qū)建設(shè)道路需要設(shè)置涵洞，但城市道路的規(guī)范中未涉及對(duì)涵洞的相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，因而有的參照公路行業(yè)規(guī)范，有的參照市政給排水專業(yè)規(guī)范。
排水管渠是排水設(shè)施的一種，防洪標(biāo)準(zhǔn)一般按照GB50014—2006《室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定選用。不同行業(yè)的防洪標(biāo)準(zhǔn)有較大的差異，當(dāng)有2種以上不同防洪標(biāo)準(zhǔn)的排水構(gòu)造物相接時(shí)，如何選擇合理的標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)設(shè)計(jì)影響較大。
案例位于承德市中心城區(qū)東北部，緊鄰承德市普寧機(jī)場(chǎng)，位于承德縣西北部，總用地面積約20km2，效果圖見圖1。以各種排水系統(tǒng)防洪標(biāo)準(zhǔn)的確定為出發(fā)點(diǎn)，通過水文、水力計(jì)算，分析和確定涵洞的設(shè)計(jì)。
1排水系統(tǒng)劃分
案例用地依山而建，基本呈東西向布置，用地北側(cè)為山，南側(cè)為河道，河道流向由東向西。依據(jù)地形地貌結(jié)合原有山體匯水廊道，用地范圍內(nèi)規(guī)劃3條南北向雨洪通道穿過地塊，接入南側(cè)河道，其中2條明渠，1條暗渠。排水系統(tǒng)分為山洪或河道排水、地塊排水(雨水)、路基排水和路面排水。河道系統(tǒng)規(guī)劃見圖2。
4個(gè)排水系統(tǒng)應(yīng)統(tǒng)籌考慮，山洪或河道排水是山區(qū)城市道路防洪排水系統(tǒng)中主要的排水系統(tǒng)，其他3個(gè)排水系統(tǒng)應(yīng)與山洪或河道的排水緊密聯(lián)系。其中，山洪排水的設(shè)計(jì)應(yīng)充分考慮泥石流、滑坡等自然災(zāi)害的發(fā)生;地塊排水、路面排水應(yīng)充分考慮水源保護(hù)區(qū)的影響，尤其是路面初期雨水是否排入河道，需慎重考慮。
地塊雨水和路面雨水系統(tǒng)以管網(wǎng)排水為主，依據(jù)相關(guān)雨水排除規(guī)劃，并與城市防洪、河道水系、道路交通、園林綠地、環(huán)境保護(hù)、環(huán)境衛(wèi)生等專項(xiàng)規(guī)劃和設(shè)計(jì)相協(xié)調(diào)。
路基排水遵循總體規(guī)劃，合理布局，防、排、疏相結(jié)合，少占用地，保護(hù)環(huán)境的原則，根據(jù)沿線氣象、水文、地形、地質(zhì)以及橋涵設(shè)置情況，設(shè)計(jì)、通暢的防排水系統(tǒng)。同時(shí)，做好路基防排水與地基處理、路基防護(hù)等綜合設(shè)計(jì)，并與路面、橋梁和涵洞等防排水系統(tǒng)相協(xié)調(diào)。
案例經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查以及地質(zhì)勘探，無泥石流、滑坡等自然災(zāi)害產(chǎn)生，地塊雨水和路面雨水可以直接排入河道。
2防洪標(biāo)準(zhǔn)確定
城市防護(hù)區(qū)根據(jù)政治和經(jīng)濟(jì)地位的重要性、常住人口或當(dāng)量經(jīng)濟(jì)規(guī)模指標(biāo)分為4個(gè)防護(hù)等級(jí)[2]，具體見表1。
通過上述設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的選擇，合理確定防洪標(biāo)準(zhǔn)，兼顧統(tǒng)籌道路排水構(gòu)造物的防洪標(biāo)準(zhǔn)與區(qū)域的防洪標(biāo)準(zhǔn)。
案例的規(guī)劃人口規(guī)模小于10萬人，區(qū)域的防洪標(biāo)準(zhǔn)為10a一遇，河道和雨洪通道的防洪標(biāo)準(zhǔn)為10a一遇，雨水管線的設(shè)計(jì)重現(xiàn)期為3a一遇，道路涵洞的防洪標(biāo)準(zhǔn)為50a一遇，橋梁的防洪標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)道路等級(jí)和橋梁規(guī)模采用相應(yīng)的防洪標(biāo)準(zhǔn)。
3涵洞勘測(cè)
3.1外業(yè)調(diào)查
涵洞勘測(cè)的目的是通過外業(yè)勘測(cè)和調(diào)查，收集和整理涵洞設(shè)計(jì)所需的資料，包括涵洞所在區(qū)域的排水系統(tǒng)、地形、地質(zhì)、水文、農(nóng)田灌溉等自然條件，結(jié)合路基排水系統(tǒng)合理擬定涵洞的位置、交角、結(jié)構(gòu)類型、孔徑、涵底高程、地基土壤類別、基礎(chǔ)形式、洞口布置及附屬工程等。
以承德臨空經(jīng)濟(jì)西區(qū)市政工程項(xiàng)目為例，本項(xiàng)目外業(yè)調(diào)查主要包括以下幾方面。
1)沿線地形圖的收集，以獲得匯水區(qū)流域面積、主河溝縱橫坡度等資料。
2)地質(zhì)特征資料和區(qū)域地質(zhì)圖及土壤資料收集。
3)多年平均降雨量，與設(shè)計(jì)洪水頻率相對(duì)應(yīng)的24h降雨量及雨力等。
4)地區(qū)性洪水計(jì)算方法、歷史洪水資料、各河溝已有洪水計(jì)算成果。
5)現(xiàn)有排洪系統(tǒng)及規(guī)劃方案圖，各排洪渠的設(shè)計(jì)斷面、流量和水位等。
利用地形圖勾繪匯水面積(見圖3)，通過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查校核，根據(jù)收集的資料及外業(yè)調(diào)查確定水文計(jì)算參數(shù)。
在外業(yè)勘察設(shè)計(jì)階段，加強(qiáng)對(duì)周邊上、下游既有道路上涵洞構(gòu)造物的調(diào)查，查明既有涵洞的位置、角度、結(jié)構(gòu)類型、孔徑、涵底標(biāo)高、基礎(chǔ)類型、洞口布置及附屬工程等，為涵洞設(shè)計(jì)提供類比參考。本案例在調(diào)查中得知上游高速公路項(xiàng)目涵洞設(shè)置的孔徑后，本著下游涵洞孔徑不小于上游既有涵洞的原則，再結(jié)合水文計(jì)算，最終確定涵洞孔徑。
3.2平面布置
應(yīng)根據(jù)沿線地形、地質(zhì)和水文等條件，結(jié)合路線排水系統(tǒng)，適應(yīng)農(nóng)田排灌，經(jīng)濟(jì)合理地布設(shè)涵洞。
本案例涵洞布設(shè)主要考慮在滿足排水、排洪要求基礎(chǔ)上，涵洞位置選擇在地形有利、地質(zhì)條件良好、地基承載力較高、溝床穩(wěn)定的河(溝)段上。涵洞位置和方向的布設(shè)與水流方向一致，避免因涵洞布設(shè)不當(dāng)，引起上游水位壅高，淹沒農(nóng)田、村莊和路基，引起下游流速過大，加劇沖蝕溝岸及路基。
3.3立面布置
根據(jù)實(shí)際地形、地質(zhì)及水文等條件進(jìn)行涵洞立面布設(shè)，確保涵洞基礎(chǔ)穩(wěn)定，涵底不沖不淤。
本案例區(qū)域河溝縱坡較平緩，水流流速較小，設(shè)置在天然溝渠上的涵洞，其鋪砌頂面高程和坡度與天然溝底高程及溝底縱坡基本保持一致。
4涵洞水文計(jì)算
本案例水文計(jì)算采用文獻(xiàn)[1]和《公路橋涵設(shè)計(jì)手冊(cè)》中的計(jì)算方法，分別按暴雨推理法、徑流形成法及其相關(guān)經(jīng)驗(yàn)公式等進(jìn)行設(shè)計(jì)流量的計(jì)算;通過形態(tài)調(diào)查法、直接類比法進(jìn)行設(shè)計(jì)流量的反算;最終對(duì)不同方法計(jì)算出來的設(shè)計(jì)流量進(jìn)行比對(duì)校核，以確定合理的設(shè)計(jì)流量。
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4.1暴雨推理法
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，適用于匯水面積小于100km2的河溝。
4.3形態(tài)調(diào)查法
形態(tài)調(diào)查法是用調(diào)查河槽形態(tài)與歷史洪水位的方法，取得河槽某一過水?dāng)嗝娼Y(jié)合形態(tài)斷面進(jìn)行洪水調(diào)查。流量的形態(tài)調(diào)查法是目前公路部門應(yīng)用較為普遍的一種方法。
4.4直接類比法
直接類比法是當(dāng)公路所跨同一河溝上、下游附近存在已建涵洞，且能調(diào)查到可靠的涵前洪水積水高度及相應(yīng)的洪水頻率時(shí)，用已有涵洞作為形態(tài)斷面，采用類似形態(tài)調(diào)查法推算擬建涵洞的設(shè)計(jì)流量。
4.5設(shè)計(jì)流量的確定
設(shè)計(jì)洪峰流量采用多種方法計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比對(duì)校核，通常在排除異常計(jì)算結(jié)果后，采用加權(quán)平均法或者當(dāng)?shù)亟?jīng)驗(yàn)公式計(jì)算。本案例最終采用的設(shè)計(jì)洪峰流量見表5。
5涵洞水力計(jì)算
根據(jù)計(jì)算的設(shè)計(jì)流量，初擬涵洞的類型、洞口式樣和孔徑后，應(yīng)進(jìn)行水力計(jì)算;驗(yàn)算涵內(nèi)流速、水深和涵前壅水位。
涵洞水力計(jì)算應(yīng)采用無壓力式，僅在特殊情況下，有充分的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較依據(jù)時(shí)，方可采用半壓力式或壓力式涵洞。涵洞孔徑應(yīng)采用標(biāo)準(zhǔn)跨徑，當(dāng)采用多孔時(shí)應(yīng)注意流量分配的不均勻性。
根據(jù)河溝斷面形態(tài)初擬孔徑后，應(yīng)按上述公式驗(yàn)算涵內(nèi)流速、水深和涵前窒水位。
經(jīng)孔徑驗(yàn)算，本案例緯三路樁號(hào)K0+650.880涵洞采用一孔寬5m、高4m的鋼筋混凝土箱涵,涵內(nèi)流速滿足規(guī)范要求。
6結(jié)語
山區(qū)城市道路主河道一定要結(jié)合地形地貌進(jìn)行規(guī)劃。規(guī)劃主河道原則上不改變天然形成的主河道位置及流向，應(yīng)以水系規(guī)劃引導(dǎo)用地規(guī)劃，反之則容易造成建設(shè)用地遭遇水毀。
城市道路的涵洞防洪標(biāo)準(zhǔn)，目前一直沿用公路行業(yè)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)準(zhǔn)偏高。建議市政行業(yè)規(guī)范編制部門，按照城市道路的功能和重要性進(jìn)行防洪標(biāo)準(zhǔn)分級(jí)。“生命線”工程宜采用高標(biāo)準(zhǔn)與公路行業(yè)相同，其他一般類似工程宜與城鎮(zhèn)防護(hù)區(qū)的防洪標(biāo)準(zhǔn)保持一致。
文獻(xiàn)[1]中雨力值等參數(shù)對(duì)水文計(jì)算結(jié)果影響較大;暴雨推理法計(jì)算結(jié)果與其他方法計(jì)算結(jié)果差異較大。當(dāng)個(gè)別計(jì)算結(jié)果出現(xiàn)異常時(shí)應(yīng)多方面綜合判斷，選用合理的水文計(jì)算結(jié)果。由于文獻(xiàn)[1]是2007年發(fā)布的，各地歷史降雨量和洪水資料等情況較當(dāng)時(shí)都發(fā)生變化，所以建議規(guī)范編制部門應(yīng)收集各地水文數(shù)據(jù)，更新規(guī)范的相關(guān)計(jì)算數(shù)據(jù)。
山區(qū)城市道路的涵洞設(shè)計(jì)，應(yīng)重點(diǎn)調(diào)查分析大、中型泥石流對(duì)構(gòu)造物的沖毀和淤埋破壞情況，結(jié)合地形地貌和勘察資料，合理選用涵洞孔徑。為便于后期檢修作業(yè)，涵洞內(nèi)徑不宜小于1.5m。——論文作者：李尚，王文紅，牛晨亮
