第十五章--涵洞

新世纪高职高专道路桥梁工程类课程规划类教材新世纪高职高专教材编审委员会组编主编彭彦彬第十五章涵洞本章主要介绍涵洞的分类及适用条件；涵洞的构造；涵洞设计的基本知识；涵洞的施工。涵洞的构造和施工是本章学习的重点。前言圆管涵前言盖板涵前言盖板涵盖板安装前言拱涵前言拱涵前言箱涵前言箱涵前言阶梯涵前言一、涵洞的分类（一）按建筑材料分类•1．石涵：是以石料为主要材料建造的，包括石盖板涵和石拱涵。石涵造价、养护费用低，且可节省钢材和水泥。在产石地区应优先考虑采用石涵。•2．混凝土涵：是以混凝土为主要材料建造的，可现场浇筑或预制成拱涵、圆管涵和小跨径盖板涵。该种涵洞节省钢材，便于预制，但损坏后修理和养护较困难。•3．钢筋混凝土涵：是以钢筋混凝土为主要材料建造的，可用于管涵、盖板涵、拱涵和箱涵。钢筋混凝土涵涵身坚固，经久耐用，养护费用少。管涵、盖板涵安装运输便利，但耗钢量较多，预制工序多，造价较高。•4．其他材料涵洞：有钢波纹管涵、铸铁管涵、陶瓷管涵等。第一节涵洞的类型和构造（二）按构造形式分类•1．管涵：受力性能和对地基的适应性能较好，不需墩台，圬工数量少，造价低。•2．盖板涵：构造简单，易于维修。有利于在低路堤上修建。跨径较小时可用石盖板，跨径较大时可用钢筋混凝土盖板。•3．拱涵：适宜于跨越深沟或高路堤时采用。拱涵承载能力大，砌筑技术容易掌握。•4．箱涵：适宜于软土地基。整体性强，但用钢量多，造价高，施工较困难。（三）按洞顶填土情况分类•1．明涵：洞顶不填土或填土高度小于50cm，通常适用于低路堤，浅沟渠。•2．暗涵：洞顶填土高度大于或等于50cm，适用于高路堤，深沟渠路段采用。一、涵洞的分类（四）按水力性能分类通过涵洞的水流深度不同，直接影响涵洞过水的水力状态，从而产生不同的涵洞水力计算图式。按涵洞过水水力性质不同，涵洞可分为无压力式、半压力式、有压力式和倒虹吸管四种。涵洞宜设计成无压力式的。1．无压力式涵洞：进口水流深度小于洞口高度，水流流经全涵保持自由水面。2．半压力式涵洞：进口水流深度大于洞口高度，但水流仅在进口处充满洞口，在涵洞其他部分都是自由水面。3．有压力式涵洞：涵前壅水较高，全涵内充满水流，无自由水面。一、涵洞的分类•4．倒虹吸管：当路线穿过沟渠，路堤高度很低或在浅挖方地段通过，填、挖高度不足，难以修建明涵时，或因灌溉需要，必须提高渠底高程，但建筑架空渡槽又不能满足路上净空要求时，常修建倒虹吸管。路线两侧水深都大于涵洞进出水口高度，进出水口设置竖井，水流充满全涵身。一、涵洞的分类（五）按洞身形式分类•1．平置式：洞身呈台阶布置形式，基础平置，又叫阶梯涵。•2．斜置式：洞身呈斜坡布置，基础斜置。平置式和斜置式涵洞统称斜坡涵洞。（六）按适用功能分类•按适用功能，涵洞可分为排洪涵、灌溉涵和交通涵三类。（七）按洞身平面布置分类•按洞身平面布置，涵洞分为正交涵洞和斜交涵洞。一、涵洞的分类涵洞是由洞身及洞口建筑组成的排水构造物。洞身的作用：承受荷载压力和土压力并将其传递给地基，保证水流的通过。洞口建筑是洞身、道路、河道三者的连接构造物。洞口建筑的作用：连接着洞身及道路边坡，并与洞身较好地衔接形成良好的泄水条件，确保道路边坡稳定。位于涵洞上游的洞口称为进水口，位于涵洞下游的洞口称为出水口。涵洞的组成如图15-1所示。二、洞身和洞口构造二、洞身和洞口构造图15-1涵洞的组成1.轨底；2—路肩；3—路堤；4—洞身；5—基础；6—沉降缝；7—翼墙；8—端墙；9—一字墙；10—碎石垫层；11—垂裙；12—沟床铺砌；13—锥体护坡；14—流向（一）洞身构造1．管涵圆管涵洞身主要由各分段圆管节和支承管节的基础垫层组成(见图15-2)。当整节钢筋混凝土圆管涵无铰时，称为刚性管涵。刚性管涵在横断面上是一个刚性圆环。管壁内钢筋有内外两层，钢筋可加工成单个的环状钢筋或螺旋筋。圆管涵常用孔径d0为0.75m、l.0m、1.25m、1.5m、2.0m，一般不大于2.5m，对应的管壁厚度分别为8cm、l0cm、12cm、14cm、15cm。二、洞身和洞口构造基础垫层厚度t根据基底土质确定，当为卵石、砾石、粗中砂及整体岩石地基时，t=0；当为亚砂土、粘土及破碎岩层地基时，t=15cm；当为干燥地区的粘土、亚粘土、亚砂土及细砂的地基时，t=30cm。二、洞身和洞口构造2．盖板涵盖板涵洞身由涵台（墩）、基础和盖板组成。盖板有石盖板和钢筋混凝土盖板等。钢筋混凝土盖板涵跨径为1.5m、2.0m、2.5m、3.0m、4.0m，相应的盖板厚度d为15～22cm。3．拱涵拱涵洞身主要由拱圈和涵台(墩)组成(图15-3)。拱圈一般采用等截面圆弧拱，跨径为1.0m、1.5m、2.0m、2.5m、3.0m、4.0m、5.0m，相应拱圈厚度d为25～35cm。涵台(墩)临水面为竖直面，背面为斜坡，以适应拱脚较大水平推力的要求。基础有整体式和分离式两种。二、洞身和洞口构造二、洞身和洞口构造4．箱涵箱涵为整体闭合式钢筋混凝土框架结构（图15-4），具有良好的整体性和抗震性能。由于箱涵施工较困难，造价高，仅在软基上采用。箱涵主要由钢筋混凝土涵身、翼墙、基础、变形缝等部分组成。箱涵涵身断面一般为长方形或正方形，常用跨径为2.0m、2.5m、3.0m、4.0m、5.0m。箱涵壁厚一般为22cm～35cm，内壁面四个折角处往往做成45°的斜面，以增大转角处的刚度，其尺寸为5cm×5cm。翼墙在涵身靠洞口侧的两端，与洞身联成整体，为钢筋混凝土薄壁结构。壁厚一般为31cm～41cm。翼墙主要用于洞身与进出口锥坡的连接，支挡路基填土。二、洞身和洞口构造二、洞身和洞口构造（二）洞身分段及接头处理洞身较长的涵洞沿纵向应分成数段，分段长度一般为3～6m（铁路2~5m），每段之间用沉降缝分开，缝宽3cm，基础也同时分开。涵洞分段可以防止由于荷载分布不均及基底土壤性质不同引起的不均匀沉降，避免涵洞开裂。沉降缝的设置是在缝隙间填塞浸涂沥青的木板或浸以沥青的麻絮。（三）山坡涵洞洞身构造山坡涵洞的洞底坡度大，一般为10％～20％或更大一些。洞底纵坡主要由进水口和出水口处的标高决定。洞身的布置视底坡大小有以下几种形式。1．跌水式底槽(适用于底坡小于12.5％)二、洞身和洞口构造底槽的总坡度等于河槽或山坡的总坡度。洞身由垂直缝分开的管节组成，后一管节比前一管节垂直降低一定高度，使涵洞得到稳定，每节管节有独立的基础，基础顶面做成水平(图15-5)。为了防止因管节错台在拱圈或盖板间产生缝隙，错台厚度不得大于拱圈或盖板厚度的3/4(图15-5a)。当相邻两节的高差大于涵顶厚度时，需加砌挡墙(图15-5b)，但两节间高差也不应大于0.7m或1/3涵洞净高，以保证泄水断面不受过大的压缩。2．急流坡式底槽(适用于坡度大于12.5％)当跌水式底槽每一管节的跌水高度太大，不能适应台阶长度的要求，可建造急流坡式底槽。急流坡式底槽坡度应等于或接近于天然坡度。涵洞的稳定性主要靠加深管节基础深度来保证，其形式一般为齿形或台阶形。二、洞身和洞口构造3．小坡度底槽如果地质情况不好，不允许修建坡度较大的涵洞时，应改为小坡度底槽，在进出水口设置有消能设备的涵洞(图15-6)。二、洞身和洞口构造（四）洞口建筑洞口建筑是由进水口和出水口两部分组成。洞口应与洞身、路基衔接平顺，并起到调节水流和形成良好流线的作用，同时使洞身、洞口(包括基础)、两侧路基以及上下游附近河床免受冲刷。常用的洞口形式有端墙式、八字式、走廊式和平头式四种。1．正交涵洞的洞口建筑•(1)端墙式：端墙式洞口由一道垂直于涵洞轴线的竖直端墙以及盖于其上的帽石和设在其下的基础组成（图15-7a)。这种洞口构造简单，但泄水能力小，适用于流速较小的人工渠道或不易受冲刷影响的岩石河沟上。•(2)八字式：在洞口两侧设张开成八字形的翼墙（图15-7b)。这种洞口工程数量小，水力性能好，施工简单，造价较低，因而是最常用的洞口形式。铁路涵洞八字式（翼墙式）洞口形式如图15-1。二、洞身和洞口构造•(3)走廊式：走廊式洞口建筑是由两道平行的翼墙在前端展开成八字形或成曲线形构成的（图15-7c)。这种洞口使涵前壅水水位在洞口部分提前收缩跌落，可以降低涵洞的设计高度，提高了涵洞的宣泄能力。•(4)平头式：又称领圈式。常用于混凝土圆管涵（图15-7d)。因为需要制作特殊的洞口管节，所以模板耗用较多。2．斜交涵洞的洞口建筑•(1)斜交斜做：当涵洞洞口帽石方向与路线方向平行时，此种做法称斜交斜做。此法费工较多，但外形美观且适应水流，较常采用。•(2)斜交正做：涵洞洞口帽石方向与涵轴线方向垂直，即与正交时完全相同。此做法构造简单。二、洞身和洞口构造二、洞身和洞口构造（五）进出水口河床加固处理方法与涵洞本身设置的坡度和涵洞上下游河沟的纵向坡度有关，涵洞设置坡度小于临界坡度，上下游河沟纵向坡度也较小时，称为缓坡涵洞；反之，称为陡坡涵洞。1．缓坡涵洞进水口沟床加固河沟纵坡小于10％且河沟顺直时，涵洞顺河沟纵向设置。涵前天然河沟纵坡为10％～40％时，涵洞仍按缓坡设置，除岩石地基外，新开挖的沟底和沟槽侧向边坡均须采取人工加固，加固类型主要根据水流流速确定。二、洞身和洞口构造•2．陡坡涵洞进水口沟床加固涵前河沟纵坡大于50％，且水流流速很高时，进口处须设置跌水或消力池、消力槛等，以减缓水流，削弱水能。•3．缓坡涵洞出水口处理洞底坡度小于5％，出水口流速不大，下游洞口河床可采用一般铺砌形式，在铺砌末端设置截水墙。•4．陡坡涵洞出水口处理当天然沟槽纵坡大于15％时，出水口一般可采用八字翼墙，同时视地形、地质和水力条件，采用急流槽、跌水、消力池、消力槛、人工加糙等消能设施。二、洞身和洞口构造一、涵洞设计(一)涵洞设计的一般原则1．宜就地取材，尽量节约钢材。2．尽量套用标准设计，加快设计、施工进度。3．在同一段线路范围内尽量减少涵洞类型，以便大量集中制造，简化施工。4．充分考虑日后维修养护的方便。5．同一段线路的涵洞应作合理布局，使全线桥涵能形成畅通无阻的、良好的排水系统。第二节涵洞的设计与计算(二)涵洞设计的主要内容和步骤1．根据线路的走向和溪、沟、河、渠、路等的位置，确定涵洞的位置。2．计算汇水面积，根据汇水面积、汇水区形状、当地植被情况和有关水文、气象等资料，计算涵洞的设计流量。3．根据设计流量和路基填土高度及地形、地质情况选择涵洞类型。4．根据流量大小、沟床坡度计算涵洞孔径。对于灌溉涵和交通涵，则根据实际需要，经与有关部门协商确定。5．根据地形情况进行涵洞的平面和纵断面布置。6．根据涵洞类型、孔径、路基高度等套用标准图，确定涵洞出入口类型、尺寸和洞身结构尺寸。7．计算涵洞长度。8．涵洞出入口铺砌防护设计。一、涵洞设计(三)涵洞类型的选择涵洞类型的选择应综合考虑以下因素。1．地形、地质、水文和水力条件涵洞类型选择时应考虑水流情况、设计流量大小、路堤填方高度、涵前允许最大壅水高度、地基承载能力等。一般当设计流量在10m3／s左右时，宜采用圆管涵；在20m3／s以上时，宜采用盖板涵；设计流量更大时，宜采用拱涵。地基情况较差时，可考虑采用箱涵。2．经济造价因地区不同，涵洞造价往往差异很大。涵洞造价主要取决于材料的料场价格，其次是材料的运输费用和当地的人工、机具费用。3．材料选择和施工条件涵洞材料选择要因地制宜，尽可能就地取材，优先考虑圬工结构，少用钢材。为方便施工，一段线路上不宜采用过多类型的涵洞，便于集中预制，节省模板，保证质量，加快施工进度。一、涵洞设计一、涵洞设计4．养护维修为便于养护，孔径不宜过小，洞身不宜过长。冰冻地区不宜采用倒虹吸管涵，否则，应在冰冻前将管内积水排除，并将两端进口封闭。(四)涵洞孔径的确定根据设计流量确定涵洞的净跨径。在确定涵洞净跨径时，应结合涵洞净高综合考虑。根据计算的涵洞净跨径套用标准跨径。《公路桥涵设计通用规范》规定的涵洞标准化跨径有0.75、1.0、1.25、1.5、2.0、2.5、3.0、4.0m八种。《铁路桥涵设计基本规范》规定的