涵洞

浅谈涵洞

12道桥 居政 201230221085

摘要：认真作好涵洞进出口沟床的处理， 对保证行车安全及上下游的农田免遭水害，有着重要意义。

关键词：涵洞 概述 分类 进出口 沟床 处理

一、概述

涵洞主要是为排泄地面水流而设置的横穿路基的小型排水构造物， 是由洞身、洞口和基础组成。洞身在路基填土下面，是路堤下的过水通道，它受涵洞上填土的垂直和侧向土压力以及活载作用；基础把涵洞受到的荷载均匀地传递到地基上，并使水流通过路基以免受到水流的直接冲刷；洞口连接洞身与上下游水道，使水流能顺畅地通过洞身， 并保证洞口周围的路基边坡不受冲刷。洞口是由进水口与出水口组成。进水口构筑物由进水口翼墙、护底和涵前铺砌构成；出水口构造物是由出口翼墙、护底和出水口防冲刷铺砌或消能结构构成。

涵洞结构式公路路基工程中不可缺少的构造物之一，平均每公里3~4座，起排水或交通作用。现有的涵洞以钢筋混凝土结构为主，具有强度高、承载能力好、断面形式多等特点。大量的工程调研结果表明，运营中约63.5%的涵洞出现裂缝，其中70%是纵向开裂，主要表现为：涵顶填土愈高，涵洞凸出地面的高度愈大，涵洞跨度越大，则开裂的比例越大；在实际工程中，对涵洞地基处理越好，涵洞开裂的反而越多，即地基承载力越高，变形越小，开裂的越多；对于在软土上修筑涵洞地基，若用桩基础处理，涵洞几乎均出现裂

缝甚至破坏而导致不能正常使用；对涵洞的侧向填土压实不够，涵洞开裂的比例也较大。这些现象均说明，我国公路涵洞设计和施工技术规范从设计理论到施工工艺均存在一定的局限性。

二、分类

涵洞根据不同的标准，可以分为很多种。按建筑材料可分为砖涵、石涵、混凝土涵、钢筋混凝土涵；按照构造形式，涵洞可分为圆管涵、拱涵、盖板涵、箱涵。按照填土情况不同分类，涵洞可以分为明涵和暗涵;明涵是指洞顶无填土，适用于低路堤及浅沟渠处。暗涵洞顶有填土，且最小的填土厚度应大于50cm，适用于高路堤及深沟渠处。

根据涵洞进出水口是否被下游水面淹没，可分为自由式出流与淹没式出流。实际工程中绝大多数为自由式出流。按涵洞进水口建筑形式不同与涵前水头高低，水流通过涵洞可分为无压力式、半压力式、压力式三种水力计算图示。当涵洞的进水口建筑为普通型（端墙式、八字式、平头式），而涵前水深小于1.2倍涵洞洞身净高，或者进水口建筑为流线型（喇叭形、抬高式），而涵前水深小于104倍涵洞洞身净高时，水流在进水口处受到侧向束窄，水面急剧下降，在洞口不远处形成收缩断面，水流流经全涵洞均保持自由水面，称为无压力式（明渠）水流状态。公路上大多数涵洞，都采用无压力式。当涵洞的进水口建筑为普通型，且水流充满进水口，涵前水深大于1.2倍涵洞洞身净高时（出水口不被淹没），但收缩断面以后再整个涵洞内都具有自由水面，称为半压力式水流状态（闸下出流）；当工程上采用半压力式涵洞时，涵洞纵坡常大于临界坡度，当小于临界坡度时，收缩断面以后出现波状水跃，波动的水面与涵顶断续接触，使收缩断面顶部的压强断续出现真空，水流极不稳定，一般避免使用。当涵洞的进水口建筑为流线型，而涵前水深大于14倍涵洞洞身净高且坡底纵坡小于摩阻坡度，或者下游洞口被淹没式，则整个涵洞的断面都充满流水，称为压力式水流状态。

以下简单介绍几种常见的涵洞形式以及其适用情况。

圆管涵是农村公路路基排水中最常用的涵洞结构类型，它不仅力学性能好，而且构造简单、施工方便、工期短、造价低。主要用于小流量的排水涵洞。圆管涵中最常见的是钢筋混凝土圆管涵。圆管涵由洞身及洞口两部分组成。洞身是过水孔道的主体，主要由管身、基础、接缝组成。洞口是洞身、路基和水流三者的连接部位，主要有八字墙和一字墙两种洞口型式。 由于圆形模板的施工难于平面模板，因此一般很少采用现场浇筑混凝土施工，而是采用水泥制品厂的预制混凝土管定型产品，同时受到定型管孔径的限制，且涵洞如为无压流时，圆形管可利用的有效过水断面相对较小，因此孔径较大的涵洞，多采用其他断面型式。

拱涵，采用拱形顶板，一般而言，是利用拱结构良好的抗压性能，适合涵洞上部填土路堤较高拱、跨越深沟或高路堤的情况。分为石拱涵、钢筋混凝土拱涵等。拱涵主要由涵身和洞口构成，拱涵涵身主要由拱圈、护拱、侧墙、涵台、基础和伸缩缝等构成；拱涵常用的洞口形式为八字墙或一字墙。

盖板涵是涵洞的一种形式，它受力明确，构造简单，施工方便。盖板涵主要由盖板、涵台及基础等部分组成。盖板涵与单跨简支板梁桥的结构形式基本相同，只是盖板涵的跨径较小。填土高度为1～8米，甚至可达12米。在孔径较大和路堤较高时，盖板涵比拱涵造价高，但施工技术较简单，排洪能力较大，盖板可以集中制造。

钢波纹管涵洞也称波纹钢管涵，是将一定厚度的钢板板面压成波纹后，卷制焊接成用螺栓拼装成管节，以增加管节的刚度和对管轴压力的承载力，用此种管节修成的涵洞。钢波纹管材料特有的波纹结构特性，使其同时具有刚性和柔性的特点，力学性能远优于平板材料。钢波纹管涵洞结构除满足一般涵洞的使用功能外，还具有以下特点：采用柔性管涵，

结构受力合理，荷载分布均匀，具有一定的适应变形的能力；采用标准化设计，工厂规模化生产，结构工程质量易于控制；现场施工速度快、工期短，经济、社会效益显著；用于临时工程和抢险工程中优势明显；一年四季均可施工，不受季节和环境的影响，特别是北方干旱、寒冷地区工程适用性更强；后期养护工作量小，养护成本低。钢波纹管涵洞具有较强的试用性，已逐渐应用于公路工程、铁路工程、地下工程、水电工程等行业，其结构上的诸多特点，在替代传统结构形式上具有很大的优势，工程应用前景十分广阔。钢波纹管涵洞适用于地基承载力较低地区，钢波纹管涵洞是一种柔性结构，具有横向补偿位移的优良特性，可以充分发挥钢材抗拉性能强、变形性能优良的特点，具有较好的适应变形的能力，特别适合于软土、膨胀土、湿陷性黄土等地基承载力较低地区和地震多发地区；钢波纹管涵适用于高填方路段，埋设与高填方路段下的涵洞，对其强度和变形能力要求较高，钢波纹管涵洞既能满足要求，又能充分保证涵洞结构的使用功能；钢波纹管适用于特殊环境地区，在高寒常年冻土地区、干旱地区，使用钢波纹管涵洞，可减少由于路基开挖引起的诸多问题，确保工程建设质量；钢波纹管涵洞适用于涵洞快修、临时便道及抢险工程。由于自然灾害等原因引起的公路桥涵损害、中断现象时有发生，在抢通及临时工程中采用钢波纹管涵洞，施工工期短，工艺简单，且能重复使用，可快速恢复道路通行能力。

箱涵是一种广泛应用于市政给排水工程和道路工程的结构形式 。按其使用功能可分为输水箱涵、公路桥涵、保护性箱涵 3 种,按结构形式可分为整体浇注式和顶板分离式, 按箱涵有无内水压力又可分为无内压箱涵和有内压箱涵, 按施工方式分有开挖法和顶推法 2 种。中国一般设计的箱涵最常用的跨径大都是 １～４ｍ，在５ｍ 以上的大跨径箱涵很少采用。随着中国高等级公路的快速发展， 在高等级公路的设计中， 经常会遇到设置单孔小跨径的桥梁， 若地基承载力较低，不能满足设明挖基础的要求时，通常都采用加大跨径、增加桥孔或把桥台基础做成桩基础的做法，造成工程量成倍增加，造价很高。箱涵由于对地基的承载力要求较低、 整体性好且结构受力合理， 因此可以采用施加预应力增大箱涵的孔径， 对于特殊地质条件下， 采用变桥为涵的思想来减少工程造价。

倒虹吸管涵是公路工程中较为特殊的构造物 , 它一般设置在低填方或挖方路段 , 为有效降底填土高度 , 在高速公路中也常采用。 倒虹吸管涵适用于路堑挖方高度不能满足设置渡槽的净空要求时的灌溉渠道，不适用于排洪河沟。当水渠穿越道路等障碍时，利用连通器的原理，让水流在道路下面的封闭管道利用高差流过，这便是倒虹吸管涵的原理。由于倒虹吸管涵要承受较大水压力 ,使其在设计、施工、 质量控制各方面与一般涵洞相比具有明 显不同之处 , 尤其是防渗漏更是重点、难点 ,一旦处理不好 , 将会对路基、 路面造成严重危害。倒虹吸施工工序较为复杂 , 大致有如下步骤:测量放样、编绘施工图、基坑开挖、管基、混凝土浇筑、管节装运、安装、企口处理、竖井立模浇混凝土、灌水试压、涵侧填土。

三、涵洞的进出口沟床为什么要进行加固处理

涵洞水流形态选择，要保证上游农田、村庄、道路等不受淹没，路面或堤顶无积水。要考虑下游沟床土质情况、 抗冲能力及出口沟床水位变化情况， 且多用无压涵洞 。涵洞受水流冲刷而引起的破坏大部分是由于涵洞进出口设置不当所致。 并且出水口引起的涵洞病害又较进水口为多。因此，认真作好涵洞进出口沟床的处理， 对保证行车安全及上下游的农田免遭水害，有着重要意义。涵洞进出口沟床的处理方法可根据河沟与涵洞的纵坡以及地质情况和水力条件而定。加固的涵洞类型，主要根据地质条件和水的流速而定 。

四、涵洞进水口沟床的处理方法。

对于缓坡涵洞的进水口沟床，在纵坡小于10%的顺直河沟上，涵洞常顺河沟纵坡设置，进水口涵洞一般在翼墙间采用干砌片石铺砌加固，对于流速较小、孔径较大的多孔涵洞，可采用U型铺砌；当涵前天然河沟纵坡为10%~40%时，进口处开挖沟槽的纵坡可取1:4~1:10，除岩石地质外，新开挖的沟底、河槽侧向边坡以及路基边沟均需要铺砌加固。

由于沟前纵坡较大，水流在进口处产生水跃，应在进口前设置一段缓坡，其长度约为1~2倍涵洞孔径。当水流携带泥沙较多时，可在进口处设深约为0.5m的沉沙地，既能沉淀泥沙，又可以起到消能的作用。

对于陡坡涵洞进水口沟床，当涵前河沟纵坡大于50%，且水流流速很大时，涵洞进口处需设置急流槽或跌水等消能设施。上游河槽位非岩石土基时，开挖纵坡一般可取1:1~1:2，以确保沟床稳定。同时，当上游沟槽做成梯形断面时，应对沟壑进行铺砌加固；当上游沟槽做成矩形断面的急流槽时，两侧边墙厚度一般采用40cm，槽宽等于涵洞孔径。为了保证急流槽的稳定，槽底宜没隔150~200cm设置防滑墙一道。当涵洞及涵前均位于良好的岩石地基上，并且水流流量不大、涵前纵坡很陡是，上游开挖坡度可取1:1~1:0.2的陡坡，采用水流直接沿陡坡直泻入涵的形式。

涵洞出水口沟床的处理方法。

涵洞出水口处的流速一般都大于河沟的天然流速。常使出水口处的沟底，路基边坡和下游的农田遭受冲刷，因此，应根据不同情况对出水洞口的沟床作适当处理。

当河沟的纵坡小于15 ％，涵洞的底坡小于5%(设置缓坡涵洞)时。出水洞口常采用延长铺砌，加深截水墙的处理方法。铺砌加固的长度，应根据河床土质及洞 口建筑端点的单宽流量确定，铺砌的厚度根据铺砌的类型、材料、及出口流速来选定； 加厚段的厚度，应考虑涵洞出口的水深(一般采用临界水深)与加固段的水深；加厚段的长度约为全部加固长度的3O %， 通常不小于1． 5 m ，截水墙埋入的深度， 一般应等于或大于涵洞及翼墙基础底面的深度。近年来， 我国公路部门的有关生产和科研单位，总结出了在涵洞出水洞口采用八字翼墙配以 3 级挑坎的经验，实践效果较好。3 级挑坎一般在八字翼墙铺砌长度达 4 m 以上时采用 ；铺砌长度为 2～4 m 时 ， 可采用不设平台的 2 级挑坎； 铺

砌长较短， 历经松花江几次较大洪水后 ， 护岸本身受到了较严重的破坏， 尤其是工程的上游段坍塌严重，沉排断裂； 上游未防护段也因作弯加剧， 顶冲点上移而继续坍塌； 原护岸出口段约 150 m 范围内因水流的折冲破坏作用，护岸末端坍塌进入江道，滩地坍塌严重。以上的破坏日趋严重，如不及时采取措施维修加固并续建工程，势必造成严重后果。

参考文献：

浅析盖板涵质量控制 李晓梅

倒虹吸管涵预应力施工流程 闰书合 王力彬

浅析路堤涵洞进出口沟床的处理 蔡云霞 蔡沿革 李永田

浅析高速公路涵洞进出口加固处理方法 要海亮

公路涵洞新技术——波纹管涵洞工程特性及应用 冯忠居 乌延玲 王彦志 袁洪涛 邵景干