七坡隧道出口段排水方案研究

马 涛

（山西省交通规划勘察设计院，山西 太原 030006）

1 工程概况

七坡隧道出口前沁水方向，应业主要求将分离式路基左、右幅中间分隔带填平，需要考虑解决路线左侧排水。七坡隧道出口段属于高平—沁水高速公路的重要组成部分；项目位于山西省晋城市所辖的高平市、沁水县及阳城县境内。项目区所在的晋城市位于山西高原的东南部，公路走廊带内的沁水县位于晋城市西北部，带内山脉纵横、峰起峦连、沟谷深切、河流发育、地形复杂，总体以山地为主，受后期地质构造和长期堆积及侵蚀作用影响，局部形成带状河谷和冲洪积平原，发育构造剥蚀小起伏中山、构造剥蚀小起伏低山、黄土覆盖低山、黄土峁、梁、冲沟、河谷、阶地等微地貌单元。该项目采用交通部2003年颁发的《公路工程技术标准》（JTG B01—2003）高速公路技术标准，设计速度采用80 km/h，整体式路基宽24.5 m，分离式路基宽12.25 m，桥梁净宽采用11.00 m(整体式)和11.25 m(分离式)，隧道净宽10.25 m；全线汽车荷载等级为公路—Ⅰ级。

2 工程地质

七坡隧道沁水端洞口位于端氏镇古堆村东南1.8 km处小东沟南岸斜坡上，坡向320°左右，坡角在30°～35°之间。左右线洞口位置所在斜坡在自然条件下均处于基本稳定状态。根据隧道洞口地形条件，左右线洞口仰坡高约55～60 m，洞口仰坡及边坡均由第四系上更新统冲洪积（Q3al+pl）湿陷性黄土（粉质黏土）、二叠系上统石千峰组砂岩及泥岩组成。湿陷性黄土孔隙发育，具垂直节理，受大气降水冲蚀及潜蚀作用易产生小范围内坍塌及沿基岩面整体滑塌现象；而砂岩及泥岩产状为78°∠11°，岩层倾向坡面，呈有利组合，但由于风化强烈，节理裂隙发育，使得岩体破碎，易发生掉块、碎落及崩塌现象，故边坡稳定性稍差。而在施工条件下，由于爆破等开挖手段对岩体的扰动、破坏作用，使得其稳定性降低，有可能加剧掉块、碎落、崩塌及上覆土体沿基岩面整体滑塌等不良地质现象产生。

在项目区范围内共发现滑坡2处。

路线于K38+100—K38+440之间在该滑坡前缘通过，属堆积层滑坡，规模为260 m×100 m×2 m，平面形态呈马蹄状，主轴方向约170°，滑坡表面局部已平整为耕地，植被发育，主要为灌木，滑坡后壁高约1～3 m，坡度近似垂直，滑坡前缘已被人工修路破坏，特征不明显，在滑坡前缘路边陡坎处有泉水出露点，出水状态为滴渗水，现处于基本稳定状态，对七坡隧道出口边坡及附近路基边坡稳定性有较大的影响。

路线于K38+320—K38+450之间在该滑坡前缘通过，为黄土滑坡，规模120 m×90 m×3 m，属中型滑坡，平面形态呈马蹄状，滑坡主轴方向约0°，滑坡体表面现已平整为耕地，特征不明显，滑坡后壁高约1～2 m，坡度近似垂直，前沿经洪水冲刷已破坏，剪出口特征不明显，未见地下水出露点，目前该滑坡处于稳定状态，对七坡隧道出口边坡及附近路基边坡的稳定性有较大影响。

3 方案准备

排水设计在选择沟管类型并布置成系统之前，要确定各种排水渠的断面形状和尺寸，以保证排水设施有足够的排泄能力及经济性和效率。在确定各种排水渠的断面形状和尺寸之前，要进行水文计算来确定流量。由于本处汇水面积为1.94 km2，可以采用径流厚度法进行计算。

a)所在地的水文属区，及各项特征值：本涵属暴雨Ⅳ-2区（查暴雨分区表）;土壤属Ⅳ类土(查土壤分类表);汇水面积F=1.94 km2;主河沟平均坡度为33‰。所以，从表查得:

汇水地形为：山地。

地貌系数φ=0.10。

流域植差为灌木丛。

从表查得:

拦蓄厚度Z=10 mm。

b)确定设计频率为:1/100。

c)根据汇水面积大小，确定汇流时间t。

由于 F＜10 km2，所以:

汇流时间 t=30 min。

d)根据暴雨分区、汇流时间、设计频率、土壤类别，查得:径流厚度 h=44 mm。

e)确定洪水塌平折减系数。

由于汇水地形为:山地。

汇水面积的重心至构造物的距离 Lo=1 km，查表，得:洪水塌平折减系数 β=1.0。

f)确定降雨不均匀折减系数。

由于汇水面积的长度为:30 km;又根据汇水时间 t=30 min,所以，查表，得:降雨不均匀折减系数γ=1.0。

g)确定湖泊折减系数和小水库群的调节系数。

考虑在小流域上没有小水库群，所以,小水库群的调节系数 Ku=1；因而,湖泊折减系数 δ=1 h。采用计算公式：

计算结果计算流量:Q=33.7 m3/s.

4 方案设计

排水设施的布设应充分利用地形和天然水系，形成完善的排水系统，并做好进出口位置的选择和处理，使水流顺畅，不出现堵塞、溢流、渗漏、淤积、冲刷、冻结等，造成对路基、毗邻地带的危害。排水设施主要由各种沟、管和涵组成，它们分别承担一定汇水面积范围内地表水的汇集和排泄功能。排水设计的内容为：按排水功能要求选择沟、管和涵的类型，布置在合适的位置上，并将各项设施组合成一个将地表水顺畅地汇集、拦截和排引到路基外的系统。地表水被汇集或拦截后集中排放，流量和流速都增大，这就增加了对沟渠和泄水口周围地面冲刷和侵蚀的可能性。因而，排水系统的设计，要考虑采用有效的设施，使之不会对路界内外各项设施造成各种危害。

路界地表排水应采取防、排、截相结合的综合措施，并应做好与桥涵、隧道等排水系统的衔接。路界地表水不宜流入桥面、隧道内。不宜利用隧道内部排水系统排除路界地表水。路界地表排水设计应与坡面防护工程设计综合考虑。应采取有效措施防止坡面岩土由于冲刷导致失稳[1]。

公路排水设施是按公路的特点和要求设计的，与其他部门（如农业、水利等）的引水、排水设施的功能要求有很多不同之处，在使用、管理、收益和开支等方面不易协调一致，合用往往利少弊多。因而，地表排水设施不应兼作其他流水用途。当路基占用灌溉沟渠或其他排水设施，应按原有系统进行恢复和调整改善，不得任意取消或合并。

4.1 方案1

从ZK38+315—K38+490段，沿路基分隔带设置S型3 m钢波纹管涵。接改渠K38+490—K38+826段，连接自MZK38+826处1-4.0 m波纹管涵。取消K38+290处1-1.5管涵（7.9万），取消ZK38+315处1-3×2.5 m板涵（29.6万），取消K38+490处1-3×3 m板涵（45万），取消MZK38+800处1-1.0 m钢筋混凝土圆管涵（3.7万），新增ZK38+315—K38+490段1-3 m钢波纹管涵（345.3万），增加沥青路面（237.1万），增加填土方（25.5万）。总计增加521.7万。

4.2 方案2

沿ZK38+315冲沟处，顺路线前进方向左侧改渠至ZK38+490处，改渠断面3 m×3 m2，M7.5浆砌片石。连接新建K38+490处1-3×3 m钢筋混凝土盖板涵（半幅涵洞改为整幅涵洞），接改渠K38+490—K38+826段，连接自MK38+820处1-4.0 m波纹管涵。取消K38+290处1-1.5管涵（7.9万），取消ZK38+315处1-3×2.5 m钢筋混凝土盖板涵（29.6万），取消K38+490处1-3×3 m板涵（45万），取消MZK38+800处1-1.0 m钢筋混凝土圆管涵（3.7万），新建K38+490处1-3×3 m板涵（73.6万），新 建 改 渠 ZK38+315—ZK38+500（189.493m，216.5万），增加沥青路面（237.1万），增加填土方（25.5万）。总计增加466.5万。

4.3 方案3

沿ZK38+315处冲沟，顺路线前进方向左侧改渠至MZK38+826处，改渠断面梯形4×2 m2，M7.5浆砌片石。取消K38+290处1-1.5 m管涵（7.9万），取消ZK38+315处1-3×2.5 m钢筋混凝土盖板涵（29.6万），取消K38+490处1-3×3 m钢筋混凝土盖板涵（45万），取消MZK38+800处1-1.0 m钢筋混凝土圆管涵（3.7万），取消原设计改渠K38+490—K38+826（21.4万），新增改渠 ZK38+315—ZK38+826（638.73 m，69.4万），K38+270—K38+820段边沟由0.5×0.6 m2变为1×1.6 m2（14万），增加沥青路面（237.1万），增加填土方（25.5万）。总计增加238.4万。

图1 七坡隧道出口排水方案设计段地形情况

5 方案比选

从工程造价角度来看，方案3是首选，方案2是次选，方案1是末选，但是由于本段有滑坡段，但本方案很有可能扰动滑坡体，故方案3舍弃。方案1优于方案2在避免对滑坡体的扰动方面，但方案1和方案2都基本避免了对滑坡体的扰动，从经济角度舍弃了方案1。最终从工程地质及工程造价等因素进行综合分析选择了方案2。

6 结论

排水方案选择是多种因素综合考虑、平衡的结果。做好公路排水方案设计时要根据路网规划、周围地形地物、工程地质及工程造价等因素进行综合分析，通过深入研究、多方案比选论证，最终确定经济、功能完备的排水方案。通过对七坡隧道出口段排水方案的分析和总结，该文结合山区地形条件、工程地质及工程造价，对典型路段的排水方案进行比选分析，可供类似工程设计人员参考。