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三、涵洞工程
涵洞是修建在路基、堤壩或塘堰當(dāng)中,由洞身及洞口建筑組成的排水構(gòu)造物。一般用來(lái)宣泄小量水流,作排洪、灌溉之用;少數(shù)用作交通,供行人、車(chē)輛通過(guò)。
涵洞和橋的區(qū)別,按《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定,單孔跨徑小于 5m,多孔跨徑總長(zhǎng)小于 8m 的統(tǒng)稱(chēng)為涵洞;而圓管涵及箱涵則不論孔徑大小、孔數(shù)多少,都稱(chēng)作涵洞。
(一)涵洞的分類(lèi)
根據(jù)《公路涵洞設(shè)計(jì)細(xì)則》(JTG TD65-04),涵洞的分類(lèi)如下:
1.按建筑材料不同分類(lèi)
涵洞可分為石涵、混凝土涵及鋼筋混凝土涵、鋼波紋管涵等。
2.按構(gòu)造形式不同分類(lèi)
涵洞可分為圓管涵、拱涵、蓋板涵、箱涵等。
(1)圓管涵。圓管涵的直徑一般為 0.75~2m。圓管涵受力情況和適應(yīng)基礎(chǔ)的性能較好,兩端僅需設(shè)置端墻,不需設(shè)置墩臺(tái),故圬工數(shù)量少,造價(jià)低,但低路堤使用受到限制。
鋼筋混凝土管涵適用于缺少石料地區(qū)有足夠填土高度的小跨徑暗涵,一般采用單孔,多孔時(shí)不宜超過(guò) 3 孔。倒虹吸管涵適用于路塹挖方高度不能滿(mǎn)足設(shè)置渡槽的凈空要求時(shí)的灌溉渠道,不適用于排洪河溝。鋼波紋管涵適用于地基承載力較低,或有較大沉降與變形的路基。
(2)蓋板涵。蓋板涵在結(jié)構(gòu)形式方面有利于在低路堤上使用,當(dāng)填土較小時(shí)可做成明涵。鋼筋混凝土蓋板涵適用于無(wú)石料地區(qū)且過(guò)水面積較大的明涵或暗涵。石蓋板涵適用于石料豐富且過(guò)水流量較小的小型涵洞。
(3)拱涵。拱涵適用于跨越深溝或高路堤。一般超載潛力較大,砌筑技術(shù)容易掌握,是一種普遍采用的涵洞形式。
(4)箱涵。鋼筋混凝土箱涵適用于軟土地基,但施工困難且造價(jià)較高,較少采用。
3 按洞頂填土情況不同分類(lèi)
涵洞可分為明涵和暗涵。
(1)明涵。洞頂無(wú)填土,適用于低路堤及淺溝渠處。
(2)暗涵。洞頂有填土,且最小填土厚度應(yīng)大于等于 0.5m,適用于高路堤及深溝渠處。
4.按水力性能不同分類(lèi)
涵洞可分為無(wú)壓力式涵洞、半壓力式涵洞、壓力式涵洞。
(1)無(wú)壓力式涵洞。水流在涵洞全部長(zhǎng)度上保持自由水面。
(2)半壓力式涵洞。涵洞進(jìn)口被水淹沒(méi),洞內(nèi)水全部或一部分為自由面。
(3)壓力式涵洞。涵洞進(jìn)出口被水淹沒(méi),涵洞全長(zhǎng)范圍內(nèi)以全部斷面泄水。
新建涵洞應(yīng)采用無(wú)壓力式涵洞;當(dāng)涵前允許積水時(shí),可采用壓力式或半壓力式涵洞;當(dāng)路基頂面高程低于橫穿溝渠的水面高程時(shí),也可設(shè)置倒虹吸管涵。
(二)涵洞的組成
涵洞由洞身、洞口、基礎(chǔ)和附屬工程組成,如圖 2.2.13 所示。在地面以下,防止沉陷和沖刷的部分稱(chēng)作基礎(chǔ);建筑在基礎(chǔ)之上,擋住路基填土,以形成流水孔道的部分稱(chēng)為洞身;設(shè)在洞身兩端,用以集散水流,保護(hù)洞身和路基使之不被水流破壞的建筑物稱(chēng)為洞口,它包括端墻、翼墻、護(hù)坡等。
(三)涵洞的構(gòu)造
1.洞身
洞身是涵洞的主要部分,它的截面形式有圓形、拱形、矩形(箱形)三大類(lèi)。
一般情況同一涵洞的洞身截面不變,但為充分發(fā)揮洞身截面的泄水能力,有時(shí)在涵洞進(jìn)口處采用提高節(jié),如圖 2.2.14 所示。交通涵、灌溉涵和涵前不允許有過(guò)高積水時(shí),不采用提高節(jié)。圓形截面不便設(shè)置提高節(jié),所以圓形管涵不采用提高節(jié)。
洞底應(yīng)有適當(dāng)?shù)目v坡,其最小值為 0.4%,一般不宜大于 5%,特別是圓涵的縱坡不宜過(guò)大,以免管壁受急流沖刷。當(dāng)洞底縱坡大于 5%時(shí),其基礎(chǔ)底部宜每隔 3~5m 設(shè)防滑橫墻,或?qū)⒒A(chǔ)做成階梯形;當(dāng)洞底縱坡大于 10%時(shí),涵洞洞身及基礎(chǔ)應(yīng)分段做成階梯形,并且前后兩段涵洞蓋板或拱圈的搭接高度不得小于其厚度的 1/4。
(1)圓管涵。圓管涵以鋼筋混凝土及混凝土管涵最為常見(jiàn)。
鋼筋混凝土圓管涵在土壤的垂直及水平壓力作用下,靜力工作性能良好。這種涵洞不僅混凝土的用量小,而且具有制造上的優(yōu)點(diǎn),即鋼筋骨架和涵管本身制造簡(jiǎn)單,圓形管節(jié)在移動(dòng)時(shí)也很方便。一般可分為剛性管涵和四鉸式管涵。
、賱傂怨芎。剛性管涵在橫截面上構(gòu)成一個(gè)剛性環(huán),圓環(huán)厚度隨直徑大小和填土高度而變。
、谒你q式管涵。采用四鉸式管涵的目的是為了降低圓管的應(yīng)力,以節(jié)約材料。鉸分別布置在最大彎矩處,即涵洞的兩側(cè)及涵洞的頂部和底部。
由于四鉸式管較剛性管應(yīng)力減小很多,所以它不僅可以縮小截面尺寸,減少配筋數(shù)量,而且可以采用純混凝土來(lái)建造。
(2)拱涵。拱涵的洞身由拱圈、側(cè)墻(墻臺(tái))和基礎(chǔ)組成。拱圈形狀普遍采用圓弧拱。側(cè)墻(涵臺(tái))的斷面形狀,采用內(nèi)壁垂直的梯形斷面。
(3)矩形涵洞。蓋板涵是常用的矩形涵洞,由基礎(chǔ)側(cè)墻(涵臺(tái))和蓋板組成。跨徑在 1m 以下的涵洞,可用石蓋板;跨徑較大時(shí)應(yīng)采用鋼筋混凝土蓋板。
蓋板涵的過(guò)水能力較圓管涵大,與同孔徑的拱涵相接近,施工期限較拱涵短,但鋼材用量比拱涵多,對(duì)地基承載力的要求較拱涵低。因此,在要求通過(guò)較大的排洪量,地質(zhì)條件較差,路堤高度較小的設(shè)涵處,常采用蓋板涵,且常采用明涵。
2.洞口建筑
涵洞洞口建筑在洞身兩端,連接洞身與路基邊坡。
(1)涵洞與路線(xiàn)正交的洞口建筑。涵洞與路線(xiàn)正交時(shí),常用的洞口建筑形式有端墻式、八字式、井口式。
、俣藟κ。端墻式洞口建筑為垂直涵洞軸線(xiàn)的矮墻,用以擋住路堤邊坡填土。墻前洞口兩側(cè)砌筑片石錐體護(hù)坡,構(gòu)造簡(jiǎn)單,但泄水能力較小,適用于流量較小的孔徑涵洞、人工渠道或不受沖刷影響的巖石河溝上。
②八字式。八字式洞口除有端墻外,端墻前洞口兩側(cè)還有張開(kāi)成八字形的翼墻。八字翼墻泄水能力較端墻式洞口好,多用于較大孔徑的涵洞。
、劬谑健.(dāng)洞身底低于路基邊溝(河溝)底時(shí),進(jìn)口可采用井口式洞口。水流匯入井內(nèi)后,再經(jīng)涵洞排走。
(2)涵洞與路線(xiàn)斜交的洞口建筑。涵洞與路線(xiàn)斜交時(shí),洞口建筑仍可采用正交涵洞的洞口形式,根據(jù)洞口與路基邊坡相連的情況不同,有斜洞口和正洞口之分。
、傩倍纯。涵洞端部與線(xiàn)路中線(xiàn)平行,而與涵洞軸線(xiàn)相交。斜洞口能適應(yīng)水流條件,且外形較美觀(guān),雖建筑費(fèi)工較多,但常被采用。
②正洞口。涵洞端部與涵洞軸線(xiàn)互相垂直。正洞口只在管涵或斜度較大的拱涵為避免涵洞端部施工困難時(shí)才采用。
3.涵洞的基礎(chǔ)
涵洞的基礎(chǔ)一般采用淺基防護(hù)辦法,即不允許水流沖刷,只考慮天然地基的承載力。除石拱涵外,一般將涵洞的基礎(chǔ)埋在允許承壓應(yīng)力為 200kPa 以上的天然地基上。
(1)洞身基礎(chǔ)
、賵A管涵基礎(chǔ)。圓管涵基礎(chǔ)根據(jù)土壤性質(zhì)、地下水位及冰凍深度等情況,設(shè)計(jì)為有基及無(wú)基兩種。有基涵洞采用混凝土管座。出入口端墻、翼墻及出入口管節(jié)一般都為有基。
有下列情況之一者,不得采用無(wú)基:巖石地基外,洞頂填土高度超過(guò) 5m;最大流量時(shí),涵前積水深度超過(guò) 2.5m 者;經(jīng)常有水的河溝;沼澤地區(qū);溝底縱坡大于 5%。
、诠昂A(chǔ)。拱涵基礎(chǔ)有整體基礎(chǔ)與非整體基礎(chǔ)兩種。整體式基礎(chǔ)適用于小孔徑涵洞;非整體式基礎(chǔ)適用于涵洞孔徑在 2m 以上,地基土壤的允許承載力在 300kPa 及以上、壓縮性小的良好土壤(包括密實(shí)中砂、粗砂、礫石、堅(jiān)硬狀態(tài)的黏土、堅(jiān)硬砂黏土等)。不能滿(mǎn)足要求時(shí),可采用整體式基礎(chǔ),以便分布?jí)毫Γ部杉由罨A(chǔ)或采用樁基。
、凵w板涵基礎(chǔ)。蓋板涵基礎(chǔ)一般都采用整體式基礎(chǔ),當(dāng)基巖表面接近于涵洞流水槽面標(biāo)高時(shí),孔徑大于或等于 2m 的蓋板涵,可采用分離式基礎(chǔ)。
(2)洞口建筑基礎(chǔ)。一般來(lái)說(shuō),涵洞出入口附近的河床,特別是下游,水流流速大并易出現(xiàn)旋渦,為防止洞口基底被水淘空而引起涵洞毀壞,進(jìn)出口應(yīng)設(shè)置洞口鋪砌以加固,并在鋪砌層末端設(shè)置漿砌片石截水墻(垂裙)來(lái)保護(hù)鋪砌部分。
4.沉降縫
凡地基土質(zhì)發(fā)生變化,基礎(chǔ)埋置深度不一,基礎(chǔ)對(duì)地基的壓力發(fā)生較大變化,基礎(chǔ)填挖交界處,及采用填石抬高基礎(chǔ)的涵洞,都應(yīng)設(shè)置沉降縫。置于巖石地基上的涵洞可以不設(shè)沉降縫。
5.附屬工程
涵洞的附屬工程包括:錐體護(hù)坡、河床鋪砌、路基邊坡鋪砌及人工水道等。
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