山區高速公路小橋涵水文計算的優化設計

秦曉燕，王雪松，王艷軍

（中國市政工程華北設計研究總院有限公司，天津市 300074）

0 引言

目前，我國山區高速公路已經進入了全面建設階段。在山區高速公路設計中，小橋涵作為排水系統中的重要環節，對路基穩定及整條山區高速公路的正常運營及其基本功能的實現都起到了關鍵作用，小橋涵設計已經得到了廣大設計者的重視。而在小橋涵設計中水文計算工作尤為重要，關系到整個小橋涵設計的成敗。山區地形復雜、地質復雜、山勢險峻、溝壑縱橫，對小橋涵水文計算帶來了諸多困難，且山區高速公路中小橋涵的數量眾多，工作量非常大，通過一些工程建設的實踐及不斷研究，對山區高速公路水文計算進行了優化設計，提高了工作效率和水文計算的正確性及合理性。

1 工程概況

廣西荔浦至玉林高速公路是桂林、梧州、貴港、玉林通往北海、湛江等沿海城市最便捷的高速公路通道。起自荔浦縣城東北蒙村，接在建的汕頭至昆明國家高速公路陽朔至鹿寨段，經新圩、文圩、官成、馬皮、社步、大洋、仁厚，止于玉林市福綿區新橋鎮，接已建的呼和浩特至北海國家高速公路玉林至鐵山港段，全長約263 km。

本文中采用廣西荔浦至玉林高速公路第三合同段小橋涵進行設計分析。該合同段小橋涵數量為157處，其中根據水文計算統計設置19座橋梁、138道涵洞。

2 小橋涵水文調查與勘測

水文工作是個細致而煩瑣的工作，涉及的面很廣。既要有理論知識的基礎，還應靠自己從實際工作中摸索和長期積累經驗，水文重在分析。

水文勘察工作一般存在外業調查不夠深入、搜集資料不齊全、進行水文計算時存在缺這少那等現象。針對這些不足，該項目在外業調查之前，對小橋涵外業調查記錄本進行了改進調整，并首先在各級水利部門搜集水文資料。如路線所經之處的1/50 000、1/10 000地形圖（用于勾繪匯水面積），向水利部門了解水利規劃及水文資料。水利部門長期從事這項工作，資料齊全可供利用。

水文調查與勘測應包含以下主要內容：

（1）收集沿線地形圖，在地形圖上勾繪匯水面積及主河溝長度。

（2）外業調查記錄內容有記錄人、記錄日期、地名或橋名、水路交角、水流方向、主河溝坡度、地面特征、河溝土壤類別、歷史最高水位比高、測時水深、匯水區表土種類、匯水區地勢、涵洞用途（灌溉、排污、泄洪、平衡、立交、其他）。其中主河溝坡度的測量尤為重要，實測范圍應以能求得橋涵區段河溝的坡度為準。山區應為水文斷面上游不少于100 m，下游不少于50 m。

（3）勘測現場需擬定的內容包括中心樁號、右偏角、涵底坡度、孔徑-式樣、涵底比高、是否兼過人、左洞口、右洞口、是否設臺階。

（4）勘測現場需繪制涵位處地形平面及結構物位置示意圖，平面圖中應包含各特征點樁號、水路交角、附近原結構物及其尺寸、相對位置、改路改溝方案、地形地貌描述。

（5）勘測現場需選定形態水文斷面。高速公路選線時特大橋或特殊橋梁照顧橋位，選擇較好的河段跨越外，其他一般橋梁及小橋涵需服從于路線走向，因此橋（涵）位斷面往往不具備水文斷面的條件和要求，所以要另選水文斷面計算形態流量。水文斷面根據河床形態可設在橋位附近的上游或下游，盡量選在水流呈均勻流的河段內，一般應符合下列條件：

a.河道順直，灘流和主流的洪水流向一致，無河灣及回流，沙洲、河汊以及其他阻塞水流的現象。河灘較小，河床穩定，河岸較高，洪水不漫溢出堤岸。

b.兩斷面（水文斷面和橋位斷面）間無支流匯入，無分流壅水等現象。

c.靠近橋（涵）位或附近有調查的歷史洪水痕跡之處，并在洪水比降范圍以內，以便于確定水位、計算流量。

在水文調查及勘測階段應詳細、準確地搜集及記錄這些資料，為內業設計提供基礎數據，水文調查及勘測是水文計算工作中的第一步，對水文計算的準確性及小橋涵布設的合理性尤為重要。

3 小橋涵水文計算

小橋涵水文計算的主要工作是設計流量的確定。小橋涵設計流量計算的方法目前主要有暴雨推理法、徑流形成法、形態調查法、直接類比法等。

（1）暴雨推理法。暴雨推理法主要是一種半理論半經驗的計算方法，通過損失系數和匯流時間，體現地區差異性。其推理公式適用于匯水面積小于100 km2的河溝。

暴雨推理公式：

（2）徑流形成法。徑流形成法是目前公路部門普遍使用的一種計算方法，其徑流成因簡化公式適用于匯水面積F≤30 km2的小流域。

徑流成因簡化公式：

（3）形態調查法。結合形態斷面進行洪水調查，確定流量的形態調查法，是目前公路部門應用較為普遍的一種方法。當有可靠的歷史洪水位調查資料時，其適用范圍不受限制。

（4）直接類比法。直接類比法是當公路所跨同一河溝上、下游附近存在已建小橋涵，且能調查到可靠的涵前洪水積水高度及相應的洪水頻率時，用已有小橋涵作為形態斷面，可采用類似形態調查法推求擬建小橋涵的設計流量，其適用范圍不受限制。

山區高速公路地形、地質復雜，溝壑縱橫，大部分小橋涵均缺乏可靠的洪水資料，故該工程中小橋涵設計流量采用暴雨推理法、徑流形成法進行計算。

通過對暴雨推理法、徑流形成法計算所得流量進行比較和校對，兩種方法計算結果較接近，比較合理可靠，最終確定了小橋涵設計流量，見表1。

表1 小橋涵設計流量計算

4 小橋涵孔徑設計

小橋涵孔徑設計必須保證設計洪水、漂浮物等的安全通過，滿足排灌需要，避免對上、下游農田房舍的不利影響，并考慮工程造價的經濟合理。

小橋涵宜設計為非自由出流狀態，涵洞應設計為無壓力式。該工程在初步計算時小橋涵均采用無壓力式涵洞進行孔徑驗算。根據河溝斷面形態初擬孔徑后，驗算涵內流速、水深和涵前壅水位。

均采用臨界流狀態進行孔徑驗算：

（1）當Hs＞Hcd+1.3hk+Id（Lh-Lc）時，應改按淹沒流狀態驗算。該工程均采用臨界流狀態進行孔徑驗算，遇到此狀態調整孔徑。

（2）當涵洞內鋪砌面允許流速Vy＜Vqs時，應改變鋪砌類型，使Vy≥Vqs。

（3）當Hy超過涵前允許淹沒水位時，應增大孔徑。

根據小橋涵設計流量及河溝斷面形態初擬橋涵孔徑后，確定涵洞結構型式、涵底及進出口鋪砌、允許流速、涵底縱坡、粗糙系數等，進行小橋涵孔徑驗算，確定小橋涵最終設計孔徑，見表2和表3。

表2 小橋涵孔徑計算（一）

表3 小橋涵孔徑計算（二）

5 小橋涵水文計算中Excel的應用

山區高速公路設計中，小橋涵數量眾多，且山區地形復雜，水文計算工作量巨大，通過一些工程建設的實踐及不斷研究，對山區高速公路小橋涵水文計算進行了統計分析，利用Excel強大的數據統計及計算能力進行水文計算工作，大大提高了工作效率、水文計算的正確性及合理性。具體包含以下幾部分內容：

（1）在接到設計任務時，即可根據項目所在區域對水文計算所需數據進行整理，利用Excel編輯公式及各項數據。可大大減少整個項目中小橋涵的設計周期。

（2）對小橋涵外業勘測記錄進行整理匯總。

（3）根據搜集數據，進行設計流量計算，初擬孔徑，進行孔徑驗算，確定最終孔徑。在Excel中可清晰無誤地對各種方法計算的流量進行對比，最終確定合理的設計流量。通過快速的試算確定合理的孔徑。同時結果非常明了，立即篩選出不滿足小橋涵設計要求的部分結構物，再按大中橋水文計算方法進行計算。

6 結語

隨著國內外先進理念的不斷引入，小橋涵勘測設計在山區公路工程建設中尤為重要，水文計算更是重中之重，水文計算的正確性對整體規模及其后期運營有重大的影響，因此應積極進行小橋涵水文計算優化設計，并且在不斷的建設實踐中研究新的思路和方法，使水文計算工作更準確、更快速、更合理、更簡便，對山區高速公路的發展有重大意義。

[1]JTG C30-2002，公路工程水文勘測設計規范[S].

[2]JTG/T D65-04-2007，公路涵洞設計細則[S].

[3]顧克明.公路橋涵設計手冊：涵洞[M].北京：人民交通出版社，1997.