涵洞作為宣泄地面水流而橫穿路基的小型排水構(gòu)造物，在公路工程中有廣泛應用，根據(jù)已建工程統(tǒng)計，每公里公路約3-5處涵洞。其中蓋板涵因其結(jié)構(gòu)簡單、受力明確、施工方便成為主選結(jié)構(gòu)形式，同時隨著鋼波紋管材料的發(fā)展，鋼波紋管涵被越來越多的應用。本文以某公路項目為依托，闡述蓋板涵與鋼波紋管涵的設計原理、設計方法與流程，比較蓋板涵與鋼波紋管涵的優(yōu)缺點，并為類似工程提供借鑒。

1.工程背景及設計要點

       以公路工程為例，全長約75公里，一級公路，紅線寬18m，共設置涵洞109道，其中蓋板涵32道，波紋管涵48道。工程地處干旱平坦地區(qū)，利于開展鋼波紋管涵的應用并在該區(qū)域有相應工程經(jīng)驗，綜合各種因素確定跨徑小于3m處涵洞選用鋼波紋管涵洞形式，跨徑大于3m處涵洞選用蓋板涵或箱涵。

       鋼筋混凝土蓋板涵采用裝配式設計，預制蓋板按99厘米寬度計算及設計，蓋板按兩端簡支板計算內(nèi)力，不考慮涵臺的水平壓力，按承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)分別進行計算和驗算。計算暗涵蓋板內(nèi)力時，涵洞頂上活載引起的豎向土壓力，按車輪著地面積的邊緣向下作30°角分布計算，明涵蓋板則按45°角分布計算，土容重18kN/m3。涵臺的計算按四鉸框架模式進行，涵臺按上、下端簡支的豎梁計算。蓋板涵具體形式如圖所示。

   金屬波紋涵管（鋼波紋管涵）設計中假定波紋管和土體均為彈性體，不考慮涵洞頂土柱和周圍填土間的摩擦力，采用角度分布法計算，半無限彈性體理論核算。對于埋置式波紋管，假定波紋管和土體在界面上沒有滑移，它們之間的相互作用通過共同的節(jié)點位移實現(xiàn)。當波紋管的柔度達到一定的數(shù)值后，穩(wěn)定問題成為起控制性的因素。因此采用幾何非線性的分析方法，從而能夠考慮第二類穩(wěn)定問題，也就是根據(jù)當前坐標來建立平衡方程。同樣按土柱重理論計算，內(nèi)摩擦角φ＝30°，波紋管具體形式如圖所示。

2 涵洞設計方法

       在公路工程中涵洞的設計首先要確認涵洞的位置，與橋梁設計不同，涵洞位置比較靈活，主要考慮兩個方面：排水需求與橫向深溝。一方面在某段較長距離道路中需要溝通道路兩側(cè)排水滿足排水需求，另一方面道路里程中遇到較深較大溝渠時，防止路基沖刷需要設置涵洞聯(lián)通兩側(cè)，這是涵洞設置的主要原因，如圖2.1所示。在確定涵洞位置后，需要確定的孔徑及形式。涵洞的孔徑根據(jù)跨越溝渠的大小，另一方面需要進行水文計算，確定涵洞斷面流量以確認孔徑大小。本設計跨徑小于3m處涵洞選用鋼波紋管涵洞形式，因為波紋管涵技術(shù)雖然較為成熟但是從安全角度出發(fā)為選取較大跨徑波紋管涵，跨徑大于3m處涵洞選用蓋板涵或箱涵，箱涵一般適用于較大跨徑涵洞，此文不做闡述。確定涵洞跨徑及形式后，開展細化設計。本章即介紹水文計算方法，并分別介紹蓋板涵及波紋管涵的細化設計。

2.1 涵洞水文計算及孔徑選取

       流量是涵洞設計確定其形式和孔徑的一個主要數(shù)據(jù)。公路沿線跨越的小河溝，其匯水絕大多數(shù)屬于小流域范圍內(nèi)，由于流域面積小，洪峰的淹沒范圍也小，且洪水歷時短，不為人們所注意，沿河溝無水文觀測站，因此大多屬于無觀測資料的情況。目前全國各地公路、鐵路、水利部門根據(jù)歷年實踐經(jīng)驗和理論探討，制定各種小流域流量計算公式和相應的圖表，實際運用時，這些公式和圖表可做參考，并應以多種計算方法予以比較。在涵洞設計中主要參考《公路涵洞設計細則》，其中給出暴雨經(jīng)驗公式及徑流公式用以計算涵洞流量。

2.1.1 暴雨推理公式

       暴雨推理法是一種半理論半經(jīng)驗的計算方法，通過損失參數(shù)和匯流時間，體現(xiàn)地區(qū)差異性，公式適用于匯水面積F<100km2的流域：

 式中：QP——規(guī)定頻率為P%的設計流量（m3/s）

 SP——頻率為P%的雨力（mm/h）

 F——匯流面積（km2）

  推理公式本身具有統(tǒng)一的模式，通過其中的兩個因子，即損失參數(shù)μ和匯流時間τ來充分體現(xiàn)各地區(qū)的差異性。按超滲產(chǎn)流概念，假定把地面點的損失概況簡化為產(chǎn)流歷時內(nèi)損失等于常數(shù)，影響損失主要考慮土壤種類、植被、降雨、匯水面積及地形情況等幾項。并將匯水區(qū)內(nèi)降水概化為平均凈雨過程，假定同一時段的匯水區(qū)內(nèi)凈雨相同，主要考慮匯水區(qū)特種、降雨量和地形等因素。

 2.1.2 徑流公式

       徑流形成法是目前公路部門普遍采用的一種計算方法，其徑流成因簡化公式適用于匯水面積F<30km2的小流域。交通部公路科學研究所暴雨推理公式為：

  式中：φ——地貌系數(shù)，根據(jù)地形、匯水面積F、主河溝平均坡度決定

     z——被植被或坑洼滯留的徑流厚度（mm）

       徑流形成法以暴雨資料為主推算小流域洪水流量。它是依據(jù)洪峰流量與主要影響因素之間的關系而建立的，認為出口斷面的最大洪峰流量是一定的暴雨在流域內(nèi)經(jīng)過產(chǎn)瘤與匯流兩過程而形成的。為了是公式簡單實用，在某些過程作了適當?shù)暮喕�。公式中認為影響流量的主要因素取決于匯水區(qū)幾何參數(shù)、降雨情況、土壤種類及吸水情況，徑流及徑流厚度以及主河溝粗糙系數(shù)等。

2.1.3 涵洞孔徑選取

       在確定涵洞斷面流量后，按照無壓力式涵洞進行水力計算確定涵洞孔徑。按照無壓力涵洞計算確定涵洞最小孔徑，計算得到蓋板涵一般選用的孔徑的水利計算表見表2.1。

                      表2.1 涵洞水利計算表  

涵洞跨徑

（m） 涵洞凈高

（m） 適用流量

（m3/s） 臨界水深

（m/s） 臨界流速

（m/s）

1 1 2 0.74 2.7

2 2 17.2 1.4 3.8

3 3 30.7 2.2 4.6

4 4 63.1 3.67 6.9

2.2 蓋板設計

         本工程蓋板涵跨徑以2m蓋板涵為例：計算跨徑L0=2m，單側(cè)擱置長度0.25m，蓋板板端厚d1=22cm，蓋板板中厚d2=27cm，蓋板寬b=2.5m，混凝土強度等級為C30，主拉鋼筋等級為HRB400，主筋直徑為18mm，蓋板結(jié)構(gòu)圖如圖2.2。

 2.3 波紋管涵設計

  2.3.1 波紋管涵構(gòu)造設計

       本工程鋼波紋管涵以2m直徑為例，填土高度最小為0.6m，選擇整體式環(huán)形波紋管以適用于小孔徑和淺埋深環(huán)境。管壁厚度根據(jù)規(guī)范可以在2-5mm之間選擇，出于安全考慮選擇偏大的4mm，相對可行。地基處理方式參考地方規(guī)范一般要求，地基選取砂礫墊層，本次設計采用80cm砂礫墊層回填地基�；�礎埋深因存在季節(jié)性凍土存在，計算埋深1.9m。

  2.3.2 波紋管涵結(jié)構(gòu)驗算

  根據(jù)規(guī)范確定波紋管的參數(shù)之后，需要進行應力的驗算。先要確定荷載，波紋管涵上荷載與其他類型涵洞并無太大差別，汽車荷載考慮了30度的擴散，如圖2.5所示。土的重力考慮土拱系數(shù)，荷載+恒載的大小隨覆土高度并非線性變化，如圖2.6所示，在覆土高度小的時候活載比例較大，而當覆土高度大于兩米甚至又可以忽略活載，本次設計填土高度為0.6m，活載所占比例較大，對涵洞受力影響較大。不過在通過規(guī)范所列公式計算波紋管應力時，結(jié)果表明波紋管的承載能力很大，0.6m級別的填土加活載對其應力影響很小。