摘要：以承德临空经济西区市政工程为例，对涵洞设计过程中发现的问题进行分析研究。对比城乡防护区、市政雨水管渠和公路桥涵的防洪标准差异，阐述山区城市道路涵洞的防洪标准选用原则、涵洞水文的计算方法、孔径验算方法以及涵洞构造和结构设计的基本要点。通过总结设计经验，提出行业规范编制的建议以及涵洞的设计要点。
关键词：山区城市道路;涵洞;防洪标准;水文计算
随着国家城镇化的推进，越来越多的山区城镇规划建设城市道路，而山洪对山区城镇的破坏能力大，制约国民经济的发展，威胁人民的生命财产安全，是不容忽视的重要问题。因此，做好防洪排水规划设计是山区城市道路建设中至关重要的一个环节。
排水构造物是防洪规划中的重要组成部分，包括桥涵、排水管渠、边沟和截水沟等。
涵洞是公路行业的术语，是保证地面流水能够横穿公路而设置的小型构造物，一般由基础、洞身和洞口组成[1]，防洪标准一般按照JTGD60—2015《公路桥涵通用设计规范》规定选用。常规城市道路工程排水一般以雨水管线为主，涵洞主要应用在公路工程，因山区地形复杂、高低起伏、沟壑纵横，为保证区域排水顺畅，避免路基被损害，故在山区建设道路需要设置涵洞，但城市道路的规范中未涉及对涵洞的相关技术标准，因而有的参照公路行业规范，有的参照市政给排水专业规范。
排水管渠是排水设施的一种，防洪标准一般按照GB50014—2006《室外排水设计规范》规定选用。不同行业的防洪标准有较大的差异，当有2种以上不同防洪标准的排水构造物相接时，如何选择合理的标准，对设计影响较大。
案例位于承德市中心城区东北部，紧邻承德市普宁机场，位于承德县西北部，总用地面积约20km2，效果图见图1。以各种排水系统防洪标准的确定为出发点，通过水文、水力计算，分析和确定涵洞的设计。
1排水系统划分
案例用地依山而建，基本呈东西向布置，用地北侧为山，南侧为河道，河道流向由东向西。依据地形地貌结合原有山体汇水廊道，用地范围内规划3条南北向雨洪通道穿过地块，接入南侧河道，其中2条明渠，1条暗渠。排水系统分为山洪或河道排水、地块排水(雨水)、路基排水和路面排水。河道系统规划见图2。
4个排水系统应统筹考虑，山洪或河道排水是山区城市道路防洪排水系统中主要的排水系统，其他3个排水系统应与山洪或河道的排水紧密联系。其中，山洪排水的设计应充分考虑泥石流、滑坡等自然灾害的发生;地块排水、路面排水应充分考虑水源保护区的影响，尤其是路面初期雨水是否排入河道，需慎重考虑。
地块雨水和路面雨水系统以管网排水为主，依据相关雨水排除规划，并与城市防洪、河道水系、道路交通、园林绿地、环境保护、环境卫生等专项规划和设计相协调。
路基排水遵循总体规划，合理布局，防、排、疏相结合，少占用地，保护环境的原则，根据沿线气象、水文、地形、地质以及桥涵设置情况，设计、通畅的防排水系统。同时，做好路基防排水与地基处理、路基防护等综合设计，并与路面、桥梁和涵洞等防排水系统相协调。
案例经过现场调查以及地质勘探，无泥石流、滑坡等自然灾害产生，地块雨水和路面雨水可以直接排入河道。
2防洪标准确定
城市防护区根据政治和经济地位的重要性、常住人口或当量经济规模指标分为4个防护等级[2]，具体见表1。
通过上述设计标准的选择，合理确定防洪标准，兼顾统筹道路排水构造物的防洪标准与区域的防洪标准。
案例的规划人口规模小于10万人，区域的防洪标准为10a一遇，河道和雨洪通道的防洪标准为10a一遇，雨水管线的设计重现期为3a一遇，道路涵洞的防洪标准为50a一遇，桥梁的防洪标准根据道路等级和桥梁规模采用相应的防洪标准。
3涵洞勘测
3.1外业调查
涵洞勘测的目的是通过外业勘测和调查，收集和整理涵洞设计所需的资料，包括涵洞所在区域的排水系统、地形、地质、水文、农田灌溉等自然条件，结合路基排水系统合理拟定涵洞的位置、交角、结构类型、孔径、涵底高程、地基土壤类别、基础形式、洞口布置及附属工程等。
以承德临空经济西区市政工程项目为例，本项目外业调查主要包括以下几方面。
1)沿线地形图的收集，以获得汇水区流域面积、主河沟纵横坡度等资料。
2)地质特征资料和区域地质图及土壤资料收集。
3)多年平均降雨量，与设计洪水频率相对应的24h降雨量及雨力等。
4)地区性洪水计算方法、历史洪水资料、各河沟已有洪水计算成果。
5)现有排洪系统及规划方案图，各排洪渠的设计断面、流量和水位等。
利用地形图勾绘汇水面积(见图3)，通过现场调查校核，根据收集的资料及外业调查确定水文计算参数。
在外业勘察设计阶段，加强对周边上、下游既有道路上涵洞构造物的调查，查明既有涵洞的位置、角度、结构类型、孔径、涵底标高、基础类型、洞口布置及附属工程等，为涵洞设计提供类比参考。本案例在调查中得知上游高速公路项目涵洞设置的孔径后，本着下游涵洞孔径不小于上游既有涵洞的原则，再结合水文计算，最终确定涵洞孔径。
3.2平面布置
应根据沿线地形、地质和水文等条件，结合路线排水系统，适应农田排灌，经济合理地布设涵洞。
本案例涵洞布设主要考虑在满足排水、排洪要求基础上，涵洞位置选择在地形有利、地质条件良好、地基承载力较高、沟床稳定的河(沟)段上。涵洞位置和方向的布设与水流方向一致，避免因涵洞布设不当，引起上游水位壅高，淹没农田、村庄和路基，引起下游流速过大，加剧冲蚀沟岸及路基。
3.3立面布置
根据实际地形、地质及水文等条件进行涵洞立面布设，确保涵洞基础稳定，涵底不冲不淤。
本案例区域河沟纵坡较平缓，水流流速较小，设置在天然沟渠上的涵洞，其铺砌顶面高程和坡度与天然沟底高程及沟底纵坡基本保持一致。
4涵洞水文计算
本案例水文计算采用文献[1]和《公路桥涵设计手册》中的计算方法，分别按暴雨推理法、径流形成法及其相关经验公式等进行设计流量的计算;通过形态调查法、直接类比法进行设计流量的反算;最终对不同方法计算出来的设计流量进行比对校核，以确定合理的设计流量。
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4.1暴雨推理法
暴雨推理法是一种半理论、半经验的计算方法。通过损失参数和汇流时间，体现地区差异，适用于汇水面积小于100km2的河沟。
4.3形态调查法
形态调查法是用调查河槽形态与历史洪水位的方法，取得河槽某一过水断面结合形态断面进行洪水调查。流量的形态调查法是目前公路部门应用较为普遍的一种方法。
4.4直接类比法
直接类比法是当公路所跨同一河沟上、下游附近存在已建涵洞，且能调查到可靠的涵前洪水积水高度及相应的洪水频率时，用已有涵洞作为形态断面，采用类似形态调查法推算拟建涵洞的设计流量。
4.5设计流量的确定
设计洪峰流量采用多种方法计算结果进行比对校核，通常在排除异常计算结果后，采用加权平均法或者当地经验公式计算。本案例最终采用的设计洪峰流量见表5。
5涵洞水力计算
根据计算的设计流量，初拟涵洞的类型、洞口式样和孔径后，应进行水力计算;验算涵内流速、水深和涵前壅水位。
涵洞水力计算应采用无压力式，仅在特殊情况下，有充分的技术经济比较依据时，方可采用半压力式或压力式涵洞。涵洞孔径应采用标准跨径，当采用多孔时应注意流量分配的不均匀性。
根据河沟断面形态初拟孔径后，应按上述公式验算涵内流速、水深和涵前窒水位。
经孔径验算，本案例纬三路桩号K0+650.880涵洞采用一孔宽5m、高4m的钢筋混凝土箱涵,涵内流速满足规范要求。
6结语
山区城市道路主河道一定要结合地形地貌进行规划。规划主河道原则上不改变天然形成的主河道位置及流向，应以水系规划引导用地规划，反之则容易造成建设用地遭遇水毁。
城市道路的涵洞防洪标准，目前一直沿用公路行业设计标准，标准偏高。建议市政行业规范编制部门，按照城市道路的功能和重要性进行防洪标准分级。“生命线”工程宜采用高标准与公路行业相同，其他一般类似工程宜与城镇防护区的防洪标准保持一致。
文献[1]中雨力值等参数对水文计算结果影响较大;暴雨推理法计算结果与其他方法计算结果差异较大。当个别计算结果出现异常时应多方面综合判断，选用合理的水文计算结果。由于文献[1]是2007年发布的，各地历史降雨量和洪水资料等情况较当时都发生变化，所以建议规范编制部门应收集各地水文数据，更新规范的相关计算数据。
山区城市道路的涵洞设计，应重点调查分析大、中型泥石流对构造物的冲毁和淤埋破坏情况，结合地形地貌和勘察资料，合理选用涵洞孔径。为便于后期检修作业，涵洞内径不宜小于1.5m。——论文作者：李尚，王文红，牛晨亮
