七坡隧道出口段排水方案研究

馬 濤

（山西省交通規劃勘察設計院，山西 太原 030006）

1 工程概況

七坡隧道出口前沁水方向，應業主要求將分離式路基左、右幅中間分隔帶填平，需要考慮解決路線左側排水。七坡隧道出口段屬于高平—沁水高速公路的重要組成部分；項目位于山西省晉城市所轄的高平市、沁水縣及陽城縣境內。項目區所在的晉城市位于山西高原的東南部，公路走廊帶內的沁水縣位于晉城市西北部，帶內山脈縱橫、峰起巒連、溝谷深切、河流發育、地形復雜，總體以山地為主，受后期地質構造和長期堆積及侵蝕作用影響，局部形成帶狀河谷和沖洪積平原，發育構造剝蝕小起伏中山、構造剝蝕小起伏低山、黃土覆蓋低山、黃土峁、梁、沖溝、河谷、階地等微地貌單元。該項目采用交通部2003年頒發的《公路工程技術標準》（JTG B01—2003）高速公路技術標準，設計速度采用80 km/h，整體式路基寬24.5 m，分離式路基寬12.25 m，橋梁凈寬采用11.00 m(整體式)和11.25 m(分離式)，隧道凈寬10.25 m；全線汽車荷載等級為公路—Ⅰ級。

2 工程地質

七坡隧道沁水端洞口位于端氏鎮古堆村東南1.8 km處小東溝南岸斜坡上，坡向320°左右，坡角在30°～35°之間。左右線洞口位置所在斜坡在自然條件下均處于基本穩定狀態。根據隧道洞口地形條件，左右線洞口仰坡高約55～60 m，洞口仰坡及邊坡均由第四系上更新統沖洪積（Q3al+pl）濕陷性黃土（粉質黏土）、二疊系上統石千峰組砂巖及泥巖組成。濕陷性黃土孔隙發育，具垂直節理，受大氣降水沖蝕及潛蝕作用易產生小范圍內坍塌及沿基巖面整體滑塌現象；而砂巖及泥巖產狀為78°∠11°，巖層傾向坡面，呈有利組合，但由于風化強烈，節理裂隙發育，使得巖體破碎，易發生掉塊、碎落及崩塌現象，故邊坡穩定性稍差。而在施工條件下，由于爆破等開挖手段對巖體的擾動、破壞作用，使得其穩定性降低，有可能加劇掉塊、碎落、崩塌及上覆土體沿基巖面整體滑塌等不良地質現象產生。

在項目區范圍內共發現滑坡2處。

路線于K38+100—K38+440之間在該滑坡前緣通過，屬堆積層滑坡，規模為260 m×100 m×2 m，平面形態呈馬蹄狀，主軸方向約170°，滑坡表面局部已平整為耕地，植被發育，主要為灌木，滑坡后壁高約1～3 m，坡度近似垂直，滑坡前緣已被人工修路破壞，特征不明顯，在滑坡前緣路邊陡坎處有泉水出露點，出水狀態為滴滲水，現處于基本穩定狀態，對七坡隧道出口邊坡及附近路基邊坡穩定性有較大的影響。

路線于K38+320—K38+450之間在該滑坡前緣通過，為黃土滑坡，規模120 m×90 m×3 m，屬中型滑坡，平面形態呈馬蹄狀，滑坡主軸方向約0°，滑坡體表面現已平整為耕地，特征不明顯，滑坡后壁高約1～2 m，坡度近似垂直，前沿經洪水沖刷已破壞，剪出口特征不明顯，未見地下水出露點，目前該滑坡處于穩定狀態，對七坡隧道出口邊坡及附近路基邊坡的穩定性有較大影響。

3 方案準備

排水設計在選擇溝管類型并布置成系統之前，要確定各種排水渠的斷面形狀和尺寸，以保證排水設施有足夠的排泄能力及經濟性和效率。在確定各種排水渠的斷面形狀和尺寸之前，要進行水文計算來確定流量。由于本處匯水面積為1.94 km2，可以采用徑流厚度法進行計算。

a)所在地的水文屬區，及各項特征值：本涵屬暴雨Ⅳ-2區（查暴雨分區表）;土壤屬Ⅳ類土(查土壤分類表);匯水面積F=1.94 km2;主河溝平均坡度為33‰。所以，從表查得:

匯水地形為：山地。

地貌系數φ=0.10。

流域植差為灌木叢。

從表查得:

攔蓄厚度Z=10 mm。

b)確定設計頻率為:1/100。

c)根據匯水面積大小，確定匯流時間t。

由于 F＜10 km2，所以:

匯流時間 t=30 min。

d)根據暴雨分區、匯流時間、設計頻率、土壤類別，查得:徑流厚度 h=44 mm。

e)確定洪水塌平折減系數。

由于匯水地形為:山地。

匯水面積的重心至構造物的距離 Lo=1 km，查表，得:洪水塌平折減系數 β=1.0。

f)確定降雨不均勻折減系數。

由于匯水面積的長度為:30 km;又根據匯水時間 t=30 min,所以，查表，得:降雨不均勻折減系數γ=1.0。

g)確定湖泊折減系數和小水庫群的調節系數。

考慮在小流域上沒有小水庫群，所以,小水庫群的調節系數 Ku=1；因而,湖泊折減系數 δ=1 h。采用計算公式：

計算結果計算流量:Q=33.7 m3/s.

4 方案設計

排水設施的布設應充分利用地形和天然水系，形成完善的排水系統，并做好進出口位置的選擇和處理，使水流順暢，不出現堵塞、溢流、滲漏、淤積、沖刷、凍結等，造成對路基、毗鄰地帶的危害。排水設施主要由各種溝、管和涵組成，它們分別承擔一定匯水面積范圍內地表水的匯集和排泄功能。排水設計的內容為：按排水功能要求選擇溝、管和涵的類型，布置在合適的位置上，并將各項設施組合成一個將地表水順暢地匯集、攔截和排引到路基外的系統。地表水被匯集或攔截后集中排放，流量和流速都增大，這就增加了對溝渠和泄水口周圍地面沖刷和侵蝕的可能性。因而，排水系統的設計，要考慮采用有效的設施，使之不會對路界內外各項設施造成各種危害。

路界地表排水應采取防、排、截相結合的綜合措施，并應做好與橋涵、隧道等排水系統的銜接。路界地表水不宜流入橋面、隧道內。不宜利用隧道內部排水系統排除路界地表水。路界地表排水設計應與坡面防護工程設計綜合考慮。應采取有效措施防止坡面巖土由于沖刷導致失穩[1]。

公路排水設施是按公路的特點和要求設計的，與其他部門（如農業、水利等）的引水、排水設施的功能要求有很多不同之處，在使用、管理、收益和開支等方面不易協調一致，合用往往利少弊多。因而，地表排水設施不應兼作其他流水用途。當路基占用灌溉溝渠或其他排水設施，應按原有系統進行恢復和調整改善，不得任意取消或合并。

4.1 方案1

從ZK38+315—K38+490段，沿路基分隔帶設置S型3 m鋼波紋管涵。接改渠K38+490—K38+826段，連接自MZK38+826處1-4.0 m波紋管涵。取消K38+290處1-1.5管涵（7.9萬），取消ZK38+315處1-3×2.5 m板涵（29.6萬），取消K38+490處1-3×3 m板涵（45萬），取消MZK38+800處1-1.0 m鋼筋混凝土圓管涵（3.7萬），新增ZK38+315—K38+490段1-3 m鋼波紋管涵（345.3萬），增加瀝青路面（237.1萬），增加填土方（25.5萬）。總計增加521.7萬。

4.2 方案2

沿ZK38+315沖溝處，順路線前進方向左側改渠至ZK38+490處，改渠斷面3 m×3 m2，M7.5漿砌片石。連接新建K38+490處1-3×3 m鋼筋混凝土蓋板涵（半幅涵洞改為整幅涵洞），接改渠K38+490—K38+826段，連接自MK38+820處1-4.0 m波紋管涵。取消K38+290處1-1.5管涵（7.9萬），取消ZK38+315處1-3×2.5 m鋼筋混凝土蓋板涵（29.6萬），取消K38+490處1-3×3 m板涵（45萬），取消MZK38+800處1-1.0 m鋼筋混凝土圓管涵（3.7萬），新建K38+490處1-3×3 m板涵（73.6萬），新 建 改 渠 ZK38+315—ZK38+500（189.493m，216.5萬），增加瀝青路面（237.1萬），增加填土方（25.5萬）。總計增加466.5萬。

4.3 方案3

沿ZK38+315處沖溝，順路線前進方向左側改渠至MZK38+826處，改渠斷面梯形4×2 m2，M7.5漿砌片石。取消K38+290處1-1.5 m管涵（7.9萬），取消ZK38+315處1-3×2.5 m鋼筋混凝土蓋板涵（29.6萬），取消K38+490處1-3×3 m鋼筋混凝土蓋板涵（45萬），取消MZK38+800處1-1.0 m鋼筋混凝土圓管涵（3.7萬），取消原設計改渠K38+490—K38+826（21.4萬），新增改渠 ZK38+315—ZK38+826（638.73 m，69.4萬），K38+270—K38+820段邊溝由0.5×0.6 m2變為1×1.6 m2（14萬），增加瀝青路面（237.1萬），增加填土方（25.5萬）。總計增加238.4萬。

圖1 七坡隧道出口排水方案設計段地形情況

5 方案比選

從工程造價角度來看，方案3是首選，方案2是次選，方案1是末選，但是由于本段有滑坡段，但本方案很有可能擾動滑坡體，故方案3舍棄。方案1優于方案2在避免對滑坡體的擾動方面，但方案1和方案2都基本避免了對滑坡體的擾動，從經濟角度舍棄了方案1。最終從工程地質及工程造價等因素進行綜合分析選擇了方案2。

6 結論

排水方案選擇是多種因素綜合考慮、平衡的結果。做好公路排水方案設計時要根據路網規劃、周圍地形地物、工程地質及工程造價等因素進行綜合分析，通過深入研究、多方案比選論證，最終確定經濟、功能完備的排水方案。通過對七坡隧道出口段排水方案的分析和總結，該文結合山區地形條件、工程地質及工程造價，對典型路段的排水方案進行比選分析，可供類似工程設計人員參考。