山区公路桥涵勘察设计综述

杨佳新，王　旭

(1.黑龙江省公路勘察设计院，哈尔滨 150080；2.黑龙江省庆达水利水电工程有限公司,哈尔滨 150080)



山区公路桥涵勘察设计综述

杨佳新1，王旭2

(1.黑龙江省公路勘察设计院，哈尔滨 150080；2.黑龙江省庆达水利水电工程有限公司,哈尔滨 150080)

摘要：在山区修建公路，其特点是地势起伏大，地形破碎，沟壑纵横交错，局部地区还有泥石流，使公路桥涵的勘察设计考虑的要更加周全，勘测设计中要结合地形、地貌、地质、气象及周边的地物植被等因素，通过对山区公路桥涵勘测调查以及正确地进行水文计算，最终合理地确定桥涵位置并进行孔径设计。

关键词：山区；勘察；桥涵；位置选择；供水分析；孔径设计

由于自然灾害等各种因素的影响，黑龙江省主干及次支流洪灾频发，许多不同等级的公路桥梁水毁严重，造成了较大的经济损失，在很大程度上制约了龙江公路建设的发展。有鉴于此，十分有必要在公路建设的前期任务中加强勘察工作，合理确定不同洪水条件下的桥涵孔径，是做好公路桥涵设计的先决条件。

洪灾属季发性灾害，伴之山洪的连锁作用，加剧了滑坡、泥石流、落石、淤积及漂浮物的形成。相关灾害构成了群发性、叠加性的错综反应，这些灾害共同对公路桥梁产生破坏作用，造成了不同程度的破坏。这些遭受水毁破坏的桥涵构造物，很多都是孔径设置选取的不合理，直接影响到工程使用的安全性、可靠性和经济性(造价)，矛盾凸显。

黑龙江省北部山岭重丘区较多，其特点是地势起伏大，地形破碎，沟壑纵横交错，局部地区还有泥石流。正是由于这种复杂的地理条件，使山区公路桥涵的勘察设计困难很大，因此在实际勘察工作中，就应该针对复杂的自然条件进行详细调查、测设并结合水文、地形、地貌、地质、气象以及周边的地物、植被等因素，通过比选、论证最终确定合理的桥涵位置和合适的满足泄洪能力要求的桥涵孔径。

1桥涵位置选择

桥涵位置的选择必须保证在交通正常运行的状态下，顺畅地通过设计洪水和凌汛，特别的满足通航要求，并与附近地区环境保护及引道路基、路面排水、堤防设施等相配合。

1.1勘测前的准备工作

路线线位确定之后，在实地调查勘测之前应对全线所处的自然状况有一个总体的了解。 首先在纸上定好线位的1∶5万军用地形图上勾画汇水面积，计算流域纵坡，并据此计算出设计流量，估算出桥涵孔径以及在地图上初步确定桥涵位置，为下一步工作做好准备。

实际勘测中，桥梁与涵洞的调查内容不尽相同，桥梁实地调查需要施测水文断面、顺桩断面、河床纵坡以及洪水纵坡，涵洞一般仅需测出涵中心及上下游一段沟底标高即可。因此必须做好前期工作，根据计算出的设计流量、纵坡等因素决定设置桥梁还是涵洞，避免将小桥设置成涵洞或反之，从而漏测必要的数据，造成麻烦。对于汇水面积在3 km2左右的小流域，因其流域纵坡和桥涵前允许水深不同，既可以设桥又可设涵，故前期必须依据设计流量，估算出桥涵孔径，为实地调查勘测提供依据。

1.2实地勘测

1.2.1常规勘测

正常情况下，根据勘测规定及指导，沿路线行进方向，对与路线相交的河沟进行调查和施测。

1.2.2山区勘测

对于山区这种地势起伏很大的情况，常常是在很短的距离内就存在一个封闭的汇水区域，而且同一个流域内也常伴有两条甚至更多的河沟，对此是采用每条沟都设置桥涵还是合并后设置桥涵，在山区视野受限的情况下若想沿路线行进一次就能确定合理的桥涵位置是很难的。所以调查时应在一个流域范围内对照定好线位的地形图，沿路线进行往返调查和沿河道进行横向调查，从而调查清楚河道的平面形状、高低趋势以及水流与路线的交角。

1.2.3山区桥位设定

1)山区峡谷河段：桥孔不得压缩水流，尽量一孔跨越；开阔段，桥位应选在河槽稳定，流速较缓的河段上。

2)山前变迁河段：桥位宜选在两岸土质较好或有固定依托的稳定河段；桥孔布设应根据洪水主流总趋势确定。

3)山前冲积漫流河段：桥位宜选在上游狭窄段或下游束窄段上，尽量避开中游扩散段，无法避开时，可采用一河多桥方案，各桥大致在同一等高线上；且桥上游设置固定汊流的设施。

1.2.4泥石流地区

在强烈泥石流地区，桥位应采取避绕方案。对于一般泥石流沟，桥位应选在沟床固定、水流顺直、稳定，宜与主流正交处，不应选在河床纵坡由陡变缓断面扩大和缩小及河湾处；路线通过泥石流堆积扇时，桥位宜避开扇腰、扇顶部位，而宜选在扇缘及其尾部；路线应沿等高线定线，桥梁分散设置；路线通过泥石流堆积扇裙时，宜在各沟山口建桥或切各扇缘设桥。

泥石流多发地区的特点是河沟沟底纵坡大，水流速度快，如对区域内的桥涵不做特殊处理，会对桥涵及路基产生严重危害。从近期看，对所设置的桥涵应加大孔径和净高，并在上游区的沟谷内修筑一系列的拦截坝，使山洪携带的大量物质逐步沉积下来，防止沟谷冲刷下切和坍塌，同时，在桥涵附近的上、下游宜修筑坡度较大的泻流槽，并对槽面抹以光滑的水泥砂浆，从而降低沟底摩擦系数，增加下滑力，加速排除泥石，防止桥涵淤塞。从长远看，対泥石流处理的最简单而有效的办法是在补给区种植树木，从而减少水土流失。

2桥涵孔径设计

2.1水文计算

2.1.1雨力确定

Kp%=1+CvΦ

(1)

式中：变差系数，Cv6；变差系数，Cv24；设计频率，p%；6日平均降雨量，H6日；设计频率雨力S，p%；24日平均降雨量(H24日)；雨量递减系数n。

2.1.2C值确定

对于一个流域而言，公式中i、 Sp、 F是定值 ,C值取值会因人而异，对C值的选取准确与否直接影响到流量的正确与否，所以在实际工作中应力争用已知的流量反求C值，从而使选用的C值更符合实地情况，提高计算结果的准确性，该已知流量可以通过对沿线流域内旧有桥涵的调查求得。在流量计算前，对沿线流域内旧有桥涵进行洪水调查，找出桥涵前的历史洪水位(该水位以在1～2倍桥涵长度范围内为宜，同时对应洪水位的所有流量均在桥涵孔内通过，在调查时应注意这一点)，测出洪水位高程和桥涵下河槽最低点高程，调查到发生该次洪水的日期。据此可求出桥涵前水深(桥涵前水深H=桥涵前洪水位高程-桥涵下河槽最低点高程)，并根据降水资料查出发生当次洪水的日降水量。通常桥涵孔径外形为矩形的小桥涵可以按自由出流的宽顶堰计算。按桥涵前水头高度求算通过的洪峰流量公式为：

(1)

式中：Q为通过的洪峰流量；m为自由溢流的流量系数；n为桥涵孔数；B为每孔净宽，m；g为重力加速度取9.81；H为桥涵前水头高度，m。

(3)

在调查洪水中，桥涵前水头高度难免存在误差，所以在实地调查中应力争调查较多的旧桥涵，以求得较多的C值，通过对一系列C值的统计分析，选出精度较高的C值。

2.1.3确定设计流量

设计流量的确定主要有以下几种方法：

1)对于有流量系列观测资料的大中河流均采用数理统计法计算设计流量：①根据水文站观测的流量资料连续系列推算设计流量；②根据年最大流量的不连续系列推算设计流量；③资料的插补和延长：

a)流域面积比拟法

若上下游两水文站的流域面积之差≤10%，且区间河道平面和纵断面较平顺，无分洪和滞洪时，历年最大洪峰流量可以相互搬运。

若上下游两水文站流域面积之差<20%，且全流域暴雨分布较均匀，区间无特殊调蓄作用时，可按面积比将参证站的设计流量推算到设计断面上，即：

Q1=(F1/F2)nQ2

(4)

式中：Q1、F1为水文断面的洪水流量，m3/s和汇水面积：km2；Q2、F2为水文站实测的洪水流量，m3/s和汇水面积： km2；n1为面积指数。

b)相关分析法

c)水位流量关系曲线法

d)过程线叠加法

2)缺乏流量观测资料时设计流量的确定：①根据历史洪水调查资料和少量观测资料推算设计流量；②采用地区经验公式；③根据水利部门编写的地区性《水文手册》等文献推算设计流量；④根据特殊河段地形和建筑物的洪水位推算设计流量。

3)利用暴雨资料推算设计洪水流量

对于有条件的河流可采用形态调查法和直接类比法计算设计流量，并将计算结果与经验公式的计算结果相比较，以相互验证。

黑龙江省的地区经验公式为：①当汇水区面积F<1000 km2时:Qp=Ci0.25SpF0.7；②当汇水区面积F>1000 km2时:Qp=Ci0.2H3日,1%F0.55。

2.1.4桥前壅水

山区河流河床多为基岩或巨石，致使桥梁上游壅水很高，在河床比降很大时，洪水暴涨，河床又无法冲刷下切的情况下，桥前最大壅水可达1～2m，与常用壅水公式计算出来的零点几米大相径庭，但向上游影响的距离相对于平原区较短。因此，山区桥梁壅水高度的正确预计，对设计而言十分重要。山区河流上的桥梁设计必须考虑在设计洪水(特大洪水)通过的情况下，桥梁不应阻碍洪水或尽量少地干扰洪水顺利通过。

一般情况下桥前壅水计算主要有以下几种方法：

1)采用《桥规》(JTJ062-91)8.4.1-1公式计算：

△z= KNKv(vm2-vom2/2g

(5)

可靠性较强,但大多数情况下较洪峰时刻偏小。

2)公式：

△Z=η(Vq2-V2)

(6)

主观影响很大，无法计算基岩河床的壅水高度。

3)按桥孔整体水力计算理论计算△Z

(7)

避免了人为主观影响，可以计算基岩河床无冲刷条件下，洪峰通过时的极限最大壅水高度。

2.1.5桥下冲刷

1)一般冲刷

一般冲刷64-2简化公式为：

(8)

一般冲刷64-1修正公式为：

(9)

黏土河槽一般冲刷公式为：

(10)

2)局部冲刷

桥墩局部冲刷65-2计算公式为：

(11)

式中：冲刷层内泥沙平均粒径d，m；墩型系数K；墩前行进水流深度hp，m；桥墩计算宽度B1，m；床沙起动流速v0，m/s；河床颗粒影响系数k，η2；桥墩局部冲刷深度hb，m。

桥墩局部冲刷65-2修正公式：

(12)

式中：冲刷层内泥沙平均粒径d，m；墩型系数K；桥墩计算宽度B1，m；墩前行进水流深度hp，m；床沙起动流速v0，m/s；桥墩局部冲刷深度[回归]hb1，m；最低冲刷线高程[回归]Hmin1，m。

桥墩局部冲刷65-1修正公式(清水冲刷)：

(13)

式中：桥墩局部冲刷65-1[清水冲刷]；墩型系数K；桥墩计算宽度B1，m；墩前行进流速v，m/s；河床颗粒影响系数K，η；桥墩局部冲刷深度hb，m。

3)河滩冲刷

清水冲刷公式：

(13)

黏性土河滩一般冲刷公式：

(14)

2.2大中桥孔径确定

大中桥桥孔长度是采用《水文勘测规程》中桥长计算公式和综合分析方法进行计算。所谓综合分析法就是计算出不同桥长下的桥前壅水和一般冲刷，并在坐标图的第一象限内点绘出桥前壅水与净桥长关系曲线△Z=f(L)，在第四象限内点绘出一般冲刷与净桥长关系曲线hp=f(L),在两条曲线对应某一桥长时会同时出现一对明显的拐点，该拐点所对应的桥长即为经济桥长。一般来说，经济桥长可做为设计桥长，但当桥位处于村屯附近时，桥前壅水以不对村屯产生危害为标准，所以位于村屯附近的桥梁应以壅水高度控制桥长。

2.3小桥涵孔径确定

小桥涵孔径是采用宽顶堰公式进行计算的。在采用宽顶堰公式计算桥长时，应使算得的桥前水深和桥下设计流速小于桥前允许水深和桥下允许(不冲刷)流速。由于相同的设计洪水流量，在桥涵前允许水深不同时，所需的桥涵孔径亦不相同，例如：当设计洪水流量同为20时，若桥前允许水深为1.5m，需设置1孔8m的小桥，若桥前允许水深为2.2m时，仅需净跨径为4m的涵洞即可满足泄洪要求。一般而言，当桥涵前水深小于允许水深时，桥下流速亦能满足设计要求，所以在桥涵调查时应根据实地情况确定出小桥涵前的允许水深，以便为桥涵孔径的确定提供依据。如在桥位附近有旧桥涵，尚应对原有桥涵进行调查，以便为新设桥涵孔径的确定提供参考依据。对原有桥涵调查的主要内容是桥涵下河床及墩台基础旁的冲淤情况以及桥涵在使用期内是否发生过较大洪水，如发生较大洪水应推出洪水发生的频率。在发生一般洪水时，原有桥涵下的河床及墩台基础就产生较大冲刷，说明原有桥涵的孔径偏小，则新设桥涵的孔径须大于原有桥涵孔径。在发生和新设桥涵的设计洪水频率相当的洪水时，原有桥涵未发生破坏性冲刷，表明原有桥涵具有足够的泄洪能力，则新设置的桥涵孔径取用原有的桥涵孔径即可满足设计要求。所以在确定桥涵孔径时，不能仅以计算出的桥涵孔径为准，在有条件时应进行多方比较、论证，从中选出经济、合理的桥涵孔径。山区公路桥涵的野外勘察设计是一项艰苦复杂的工作，在调查时应力争搜集一切有用的资料，通过对所搜集资料的分析、处理，选择出经济合理的方案，做到桥涵位置选择合理，孔径设计合适。

参考文献：

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[10]中华人民共和国交通部.公路工程水文勘测设计规范TTGC30-2015.人民交通出版社，2015.

文章编号：1007-7596(2016)04-0181-04

[收稿日期]2016-03-28

[作者简介]杨佳新(1966-)，男，黑龙江肇东人，高级工程师；王旭(1988-)，男，吉林公主岭人，助理工程师。

中图分类号：U412.36

文献标识码：B