山区公路钢波纹管涵抗滑移设计研究

尹惠　种鹏云

摘 要：山区公路存在地形起伏较大、地质情况复杂、施工工期紧等问题，而钢波纹管涵因其结构性能的优越性，能良好地适用于山岭重丘区，但在设计时往往存在涵底纵坡较大的问题，本文从钢波纹管涵的受力分析入手，根据工程实例，提出了以防滑墩的形式解决问题的方法，为山区公路钢波纹管涵的推广应用提供了借鉴。

关键词：山区公路 钢波纹管涵 抗滑移 设计研究

中图分类号：U449 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2018）09（b）-0049-03

钢波纹管涵具有对地基承载力要求低、施工方便快捷、经济性好、低碳环保等优点，所以近年来在公路桥涵设计中的应用越来越广泛。但在山区，往往存在地势陡峭、地形复杂的特点，进而产生涵洞涵底纵坡较大的问题，但目前关于这一问题的研究较少。

钢波纹管涵在国外的公路、铁路和房屋建工程中早已被方泛采用，美国、加拿大等国家从20世纪80、90年代开始制定相应的技术规范。中国于20世纪90年代才逐步开展钢波纹管的研究、生产及应用，目前在中国东北、华北、西北及华东地区公路工程中已开始大规模应用。

1 钢波纹管涵受力计算

1.1 钢波纹管力学性能

钢波纹管的力学性能是由钢波纹管的材料决定的，本文采用Q235A热轧钢板制作，钢板屈服强度不应小于235MPa，抗拉强度不应小于375MPa。钢波纹管是一种柔性结构，它建成后与周围土体形成一种组合结构，共同受力。当波纹管的柔度达到一定的数值后，稳定问题成为起控制性的因素。可以采用如ANSYS等大型通用有限元程序建立数值模型进行分析[1]。

1.2 钢波纹管涵受力分析

一般来说，斜坡上的涵洞涵底纵坡不宜大于5%，圆管涵的纵坡不宜大于3%[2]。基于以上规定设计的钢波纹管涵投入使用后，会受到两种垂直压力及一种水平力，垂直压力分别为填土对钢波纹管涵的垂直压力，以及车辆荷载对钢波纹管涵的垂直压力；水平力一般由车辆荷载引起，可忽略不计[3]。

即涵洞受力为：

F=F1+F2 （1）

式中：F为垂直压力；

F1为土压力；

F2为车辆荷载压力。

但在山区，很多冲沟或涵洞布设位置断面横坡远大于5%。这就导致涵洞“下滑力”——F'随着坡度的增加而增大，当坡度增加到一定值时，F'大于涵体本身重力G与垂直压力F所形成的摩擦力，涵洞就会向下滑移。所以一般规定：当涵底纵坡大于5%时，涵底宜采用齿状基础，或者出口设置为扶壁式。当涵底纵坡大于10%时，洞身及基础应分段做成阶梯形[2]。但钢波纹管涵由于其结构形式及材料的特殊性，涵底不能采用齿装基础，那么，如何解决山区涵底大纵坡情况下的涵洞防滑问题呢？

涵洞下滑受力分析：

所以，根据以上公式就可以算出钢波纹管涵在不同管径、波形及不同地质情况下产生滑移的临界坡度i0 。

2 钢波纹管涵防滑移方案设计

2.1 减小涵底纵坡i

计算出钢波纹管涵产生滑移的临界纵坡后，如果根据实际地形设计的涵底纵坡大于，可以通过调整使之小于即可，但这样会造成钢波纹管涵埋深增加、涵长增加及进出水口填挖方增加，进而造成钢波纹管涵施工及后期维护成本增加较多。

2.2 采用防滑墩措施

根据地下埋置式管道固定墩的方式，并结合钢波纹管涵的特点，在涵洞有滑移趋势的情况下设置防滑墩以平衡“下滑力”。

2.3 设计要点

小跨径波纹管为圆形整体管，采用整管节拼装、法兰螺栓连接；大跨径波纹管为分片拼装。但无论跨径多大，其外形构造均为“波形”，可利用其凹曲线位置作为“卡槽”，辅以环形设施将涵身安装在固定墩上，这样就能够有效防止涵洞滑移，如图1所示。

根据以上设计理念，防滑墩形式如图2所示。

如图2所示，以混凝土墩为固定措施，再以地脚螺栓和φ20钢筋将涵身固定在混凝土墩上，防滑墩墙体长度为钢波纹管直径D+2×0.5m，墙体宽度为1.5m，钢筋每隔200mm设置一道。防滑墩的数量根据实际坡度 的值确定，间距一般为沿钢波纹管涵纵向30～50m设置一道。

3 实例应用

云南省建水（个旧）至原元阳高速公路项目地处山岭地区，大部分涵洞所处位置为高填方路段，涵长较长，根据测量及地勘资料，地形自然坡度大，陡坡涵洞较多，且山区天然水系复杂，应避免大体积开挖山体或地基处理，涵洞布设宜明挖天然浅基。且项目所在地地震动峰值加速度值为0.30g，根据《公路工程抗震规范》（JTG B02-2013）规定中对涵洞的相关规定：设计基本地震峰值加速度大于或等于0.20g地区的高速公路和一级、二级公路上的涵洞，应选用外形封闭的圆管涵或箱涵。而本项大跨径涵洞较多，且涵长较长，同时存在工期紧的问题，经过对钢筋混凝土圆管涵、钢波纹管涵和箱涵设计、施工方案比选，本项目推荐采用钢波纹管涵（见表1）。

确定采用钢波纹管涵后，根据每道涵洞的地勘资料及填土高度、涵洞直径及涵长等参数确定钢波纹管涵产生滑移的临界纵坡。

以其中一道涵洞为例：涵洞直径为2m，根据以上参数计算出当涵底纵坡大于5%时需设置防滑墩。由于涵洞所处冲沟原地面线较陡，且涵洞位于高填路基路段，分別分析涵洞降低涵底纵坡和增加防滑墩两种情况。

（1）降低涵底纵坡至3%。

降低涵底纵坡为3%，钢波纹管设计涵长为82m，涵顶填土高度16.5m，填方240.85m3，挖方4117m3，如图3所示。

（2）增加防滑墩。

增加防滑墩，涵底纵坡根据实际地形为15%，钢波纹管设计涵长为71.8m，涵顶填土高度13m，填方208.54m3，挖方428.47m3，防滑墩2个，如图4所示。

通过对工程实例的分析，可以得出：当地面纵坡较大时，适当增加涵洞涵底纵坡，增加防滑墩措施，能够缩短涵长、降低填土高度及涵洞施工的填挖工程量，进而能够有效降低涵洞工程造价（见表2）。

4 结语

本文研究了山岭重丘区钢波纹管涵设计施工过程中面临地面纵坡较大的问题时，钢波纹管涵的受力分析，提出了以“防滑墩”的形式解决涵底纵坡较大的问题，并根据工程实例分析了降低涵底纵坡及增加防滑措施两种方案的各项指标。

参考文献

[1] 蒋雪梅，雷俊卿，王全录，等.波纹钢管涵洞的力学机理分析与试验研究[J].北京交通大学学报， 2006，30（11）：289-293.

[2] JTG/T D65-04-2007，公路涵洞设计细则[S].

[3] 李祝龙.公路钢波纹管涵洞设计与施工技术[M].北京：人民交通出版社，2007.