山区高速公路小桥涵水文计算的优化设计

秦晓燕，王雪松，王艳军

（中国市政工程华北设计研究总院有限公司，天津市 300074）

0 引言

目前，我国山区高速公路已经进入了全面建设阶段。在山区高速公路设计中，小桥涵作为排水系统中的重要环节，对路基稳定及整条山区高速公路的正常运营及其基本功能的实现都起到了关键作用，小桥涵设计已经得到了广大设计者的重视。而在小桥涵设计中水文计算工作尤为重要，关系到整个小桥涵设计的成败。山区地形复杂、地质复杂、山势险峻、沟壑纵横，对小桥涵水文计算带来了诸多困难，且山区高速公路中小桥涵的数量众多，工作量非常大，通过一些工程建设的实践及不断研究，对山区高速公路水文计算进行了优化设计，提高了工作效率和水文计算的正确性及合理性。

1 工程概况

广西荔浦至玉林高速公路是桂林、梧州、贵港、玉林通往北海、湛江等沿海城市最便捷的高速公路通道。起自荔浦县城东北蒙村，接在建的汕头至昆明国家高速公路阳朔至鹿寨段，经新圩、文圩、官成、马皮、社步、大洋、仁厚，止于玉林市福绵区新桥镇，接已建的呼和浩特至北海国家高速公路玉林至铁山港段，全长约263 km。

本文中采用广西荔浦至玉林高速公路第三合同段小桥涵进行设计分析。该合同段小桥涵数量为157处，其中根据水文计算统计设置19座桥梁、138道涵洞。

2 小桥涵水文调查与勘测

水文工作是个细致而烦琐的工作，涉及的面很广。既要有理论知识的基础，还应靠自己从实际工作中摸索和长期积累经验，水文重在分析。

水文勘察工作一般存在外业调查不够深入、搜集资料不齐全、进行水文计算时存在缺这少那等现象。针对这些不足，该项目在外业调查之前，对小桥涵外业调查记录本进行了改进调整，并首先在各级水利部门搜集水文资料。如路线所经之处的1/50 000、1/10 000地形图（用于勾绘汇水面积），向水利部门了解水利规划及水文资料。水利部门长期从事这项工作，资料齐全可供利用。

水文调查与勘测应包含以下主要内容：

（1）收集沿线地形图，在地形图上勾绘汇水面积及主河沟长度。

（2）外业调查记录内容有记录人、记录日期、地名或桥名、水路交角、水流方向、主河沟坡度、地面特征、河沟土壤类别、历史最高水位比高、测时水深、汇水区表土种类、汇水区地势、涵洞用途（灌溉、排污、泄洪、平衡、立交、其他）。其中主河沟坡度的测量尤为重要，实测范围应以能求得桥涵区段河沟的坡度为准。山区应为水文断面上游不少于100 m，下游不少于50 m。

（3）勘测现场需拟定的内容包括中心桩号、右偏角、涵底坡度、孔径-式样、涵底比高、是否兼过人、左洞口、右洞口、是否设台阶。

（4）勘测现场需绘制涵位处地形平面及结构物位置示意图，平面图中应包含各特征点桩号、水路交角、附近原结构物及其尺寸、相对位置、改路改沟方案、地形地貌描述。

（5）勘测现场需选定形态水文断面。高速公路选线时特大桥或特殊桥梁照顾桥位，选择较好的河段跨越外，其他一般桥梁及小桥涵需服从于路线走向，因此桥（涵）位断面往往不具备水文断面的条件和要求，所以要另选水文断面计算形态流量。水文断面根据河床形态可设在桥位附近的上游或下游，尽量选在水流呈均匀流的河段内，一般应符合下列条件：

a.河道顺直，滩流和主流的洪水流向一致，无河湾及回流，沙洲、河汊以及其他阻塞水流的现象。河滩较小，河床稳定，河岸较高，洪水不漫溢出堤岸。

b.两断面（水文断面和桥位断面）间无支流汇入，无分流壅水等现象。

c.靠近桥（涵）位或附近有调查的历史洪水痕迹之处，并在洪水比降范围以内，以便于确定水位、计算流量。

在水文调查及勘测阶段应详细、准确地搜集及记录这些资料，为内业设计提供基础数据，水文调查及勘测是水文计算工作中的第一步，对水文计算的准确性及小桥涵布设的合理性尤为重要。

3 小桥涵水文计算

小桥涵水文计算的主要工作是设计流量的确定。小桥涵设计流量计算的方法目前主要有暴雨推理法、径流形成法、形态调查法、直接类比法等。

（1）暴雨推理法。暴雨推理法主要是一种半理论半经验的计算方法，通过损失系数和汇流时间，体现地区差异性。其推理公式适用于汇水面积小于100 km2的河沟。

暴雨推理公式：

（2）径流形成法。径流形成法是目前公路部门普遍使用的一种计算方法，其径流成因简化公式适用于汇水面积F≤30 km2的小流域。

径流成因简化公式：

（3）形态调查法。结合形态断面进行洪水调查，确定流量的形态调查法，是目前公路部门应用较为普遍的一种方法。当有可靠的历史洪水位调查资料时，其适用范围不受限制。

（4）直接类比法。直接类比法是当公路所跨同一河沟上、下游附近存在已建小桥涵，且能调查到可靠的涵前洪水积水高度及相应的洪水频率时，用已有小桥涵作为形态断面，可采用类似形态调查法推求拟建小桥涵的设计流量，其适用范围不受限制。

山区高速公路地形、地质复杂，沟壑纵横，大部分小桥涵均缺乏可靠的洪水资料，故该工程中小桥涵设计流量采用暴雨推理法、径流形成法进行计算。

通过对暴雨推理法、径流形成法计算所得流量进行比较和校对，两种方法计算结果较接近，比较合理可靠，最终确定了小桥涵设计流量，见表1。

表1 小桥涵设计流量计算

4 小桥涵孔径设计

小桥涵孔径设计必须保证设计洪水、漂浮物等的安全通过，满足排灌需要，避免对上、下游农田房舍的不利影响，并考虑工程造价的经济合理。

小桥涵宜设计为非自由出流状态，涵洞应设计为无压力式。该工程在初步计算时小桥涵均采用无压力式涵洞进行孔径验算。根据河沟断面形态初拟孔径后，验算涵内流速、水深和涵前壅水位。

均采用临界流状态进行孔径验算：

（1）当Hs＞Hcd+1.3hk+Id（Lh-Lc）时，应改按淹没流状态验算。该工程均采用临界流状态进行孔径验算，遇到此状态调整孔径。

（2）当涵洞内铺砌面允许流速Vy＜Vqs时，应改变铺砌类型，使Vy≥Vqs。

（3）当Hy超过涵前允许淹没水位时，应增大孔径。

根据小桥涵设计流量及河沟断面形态初拟桥涵孔径后，确定涵洞结构型式、涵底及进出口铺砌、允许流速、涵底纵坡、粗糙系数等，进行小桥涵孔径验算，确定小桥涵最终设计孔径，见表2和表3。

表2 小桥涵孔径计算（一）

表3 小桥涵孔径计算（二）

5 小桥涵水文计算中Excel的应用

山区高速公路设计中，小桥涵数量众多，且山区地形复杂，水文计算工作量巨大，通过一些工程建设的实践及不断研究，对山区高速公路小桥涵水文计算进行了统计分析，利用Excel强大的数据统计及计算能力进行水文计算工作，大大提高了工作效率、水文计算的正确性及合理性。具体包含以下几部分内容：

（1）在接到设计任务时，即可根据项目所在区域对水文计算所需数据进行整理，利用Excel编辑公式及各项数据。可大大减少整个项目中小桥涵的设计周期。

（2）对小桥涵外业勘测记录进行整理汇总。

（3）根据搜集数据，进行设计流量计算，初拟孔径，进行孔径验算，确定最终孔径。在Excel中可清晰无误地对各种方法计算的流量进行对比，最终确定合理的设计流量。通过快速的试算确定合理的孔径。同时结果非常明了，立即筛选出不满足小桥涵设计要求的部分结构物，再按大中桥水文计算方法进行计算。

6 结语

随着国内外先进理念的不断引入，小桥涵勘测设计在山区公路工程建设中尤为重要，水文计算更是重中之重，水文计算的正确性对整体规模及其后期运营有重大的影响，因此应积极进行小桥涵水文计算优化设计，并且在不断的建设实践中研究新的思路和方法，使水文计算工作更准确、更快速、更合理、更简便，对山区高速公路的发展有重大意义。

[1]JTG C30-2002，公路工程水文勘测设计规范[S].

[2]JTG/T D65-04-2007，公路涵洞设计细则[S].

[3]顾克明.公路桥涵设计手册：涵洞[M].北京：人民交通出版社，1997.