棄渣場設(shè)計選址問題研究綜述

(重慶交通大學土木工程學院 重慶 400074)

一、前言

我國正處于基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的高峰時期，棄渣場廣泛使用于山區(qū)公路、鐵路、水利和采礦工程等一系列工程實際中。由于相關(guān)的行業(yè)規(guī)范、技術(shù)標準不夠成熟，以及缺乏有力的監(jiān)管體系，從調(diào)查中發(fā)現(xiàn)我國已使用的和大部分正在使用或正在修建的棄渣場均缺少科學的指導(dǎo)，設(shè)計中重視棄渣場選址的成本和便捷性，卻忽略棄渣場設(shè)計選址的安全性和環(huán)保性。不僅大比例占用基本農(nóng)田，林地和湖泊，而且還污染環(huán)境，浪費資源，甚至會發(fā)生渣場垮塌。嚴重影響渣場的正常使用和周圍環(huán)境，給棄渣場后期的運營和維護工作增加了巨大的經(jīng)濟負擔和安全危機。為實現(xiàn)棄渣場的可持續(xù)發(fā)展，改善棄渣場現(xiàn)存的問題，促進棄渣場行業(yè)管理和監(jiān)督的提高，讓棄渣場選址變得更加科學化，經(jīng)濟化，環(huán)保化，需對棄渣場設(shè)計選址問題進行研究。

二、研究現(xiàn)狀

(一)基于結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的棄渣場設(shè)計選址研究。因棄渣場堆積不當造成的邊坡失穩(wěn)問題已經(jīng)屢見不鮮，同時還伴隨著一系列的次生災(zāi)害，為解決這些問題，國外的很多專家學者對棄渣場結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、渣體材料和渣體的堆積形式都做了相關(guān)的研究并取得了一系列的成果。Pata等認為棄渣的粒徑大小對棄渣場穩(wěn)定性有不同的影響，粒徑的大小和比例在較穩(wěn)定的區(qū)域時，棄渣場結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，而大粒徑土過多，棄渣場穩(wěn)定性差，小粒徑的粘土過多會產(chǎn)生泥石流的問題。從選擇堆積位置方面，Grier等認為最好的棄渣位置為天然洼地地形區(qū)域，并可以平整為施工場地。

目前我國關(guān)于棄渣場穩(wěn)定性方面的研究較少，大多以某具體棄渣場工程項目為實例對棄渣場的基本情況、棄渣體物理力學性質(zhì)以及防護工程形式等方面進行穩(wěn)定性分析和研究。王龍飛[1]通過對棄渣物理性質(zhì)的分析，從環(huán)保的角度對棄渣場綜合利用過程中的施工技術(shù)進行了闡述。譚鵬[2]通過數(shù)值模擬分析，得出棄渣場失穩(wěn)破壞機理，根據(jù)試驗結(jié)果，提出不同利用類型棄渣場的壓實控制標準。謝來發(fā)[3]通過分析不同植物生長特性及棄渣的類型得出棄渣場植被恢復(fù)最小覆土厚度建議值。

(二)基于水土流失的棄渣場設(shè)計選址研究。歐美發(fā)達國家在19世紀后期就已認識到土壤侵蝕現(xiàn)象與水土流失的關(guān)系，并對土壤侵蝕機理進行研究。Musgrave在他的研究中發(fā)現(xiàn)水對于土壤的侵蝕程度與降雨的特性有密切的關(guān)系，并得到了兩者的方程；Zingg等認為坡面角度對侵蝕具有一定影響，并得到坡面角度具有一個臨界點57°。Artley在人工降雨條件下對煤礦開發(fā)擾動進行研究，分析了在多因素下土壤侵蝕狀況。美國在70年代利用現(xiàn)代計算機技術(shù)來進行建模分析，得到通用土壤流失預(yù)報方程，在棄渣場的土壤流失量計算、環(huán)境評價、荒地開墾中得到廣泛應(yīng)用。借助這些預(yù)測模型，發(fā)達國家開始進行公路邊坡的防護、棄渣場的水土保持和生態(tài)恢復(fù)工作，并取得了較好的效果。

目前我國對于棄渣場的水土流失方面的研究較多，其中主要是關(guān)于形成機理、侵蝕形式及徑流分散。棄渣場的侵蝕現(xiàn)象主要分為兩種：水對棄渣體平臺的侵蝕，水對棄渣體斜坡的侵蝕。對于平臺多表現(xiàn)為塌陷和裂縫現(xiàn)象，水通過裂縫或塌口進入棄渣體，造成渣體失穩(wěn)破壞，嚴重時可能導(dǎo)致滑坡泥石流[4]。對于斜坡的侵蝕，由于渣體的松散，水很容易侵蝕進入到棄渣體中，以至于更容易發(fā)生斜坡瀉溜等侵蝕形式[5]。棄渣場土壤侵蝕主要與降雨、防護措施、堆放時間、地表物質(zhì)組成等有關(guān)系。棄渣材料組成對水土流失的影響也不盡相同，礫石，塊石組成的棄渣場水土流失情況較嚴重；沙石，土壤組成的棄渣場由于渣體密實度較高而有效阻止了水土的流失。

三、發(fā)展中遇到的問題與前景展望

(一)存在問題。盡管目前國內(nèi)外對于棄渣場設(shè)計選址問題中的穩(wěn)定性和水土流失方面有一定的研究，但是對于棄渣場設(shè)計選址問題的具體評價體系，技術(shù)標準方面的研究還嚴重不足，且設(shè)計時無統(tǒng)一規(guī)范，大多參考其他行業(yè)標準，無論從技術(shù)角度還是從管理角度都存在以下幾個問題：

1)棄渣場選址尚無成熟的標準。目前關(guān)于棄渣場的選址規(guī)劃方法的研究實用性較差，對設(shè)計人員經(jīng)驗的依賴性過高，對于規(guī)劃棄渣場選址的方法存在局限性和片面性，開展的系統(tǒng)性研究還很少，且已有研究也僅是在水土保持方案中涉及，對于棄渣場的選址規(guī)劃基本都是結(jié)合某一具體工程實際來做研究，但幾乎沒有一個適用于絕大多數(shù)棄渣場選址問題的參考標準和評價體系。

2)缺乏設(shè)計施工的技術(shù)參數(shù)和標準。山區(qū)公路棄渣場攔擋、截排水工程設(shè)計標準與參數(shù)簡單地參照路基工程，主要設(shè)計參數(shù)以及防洪標準的確定方法和計算公式缺乏系統(tǒng)研究與統(tǒng)一規(guī)范，導(dǎo)致公路棄渣場施工中經(jīng)常出現(xiàn)容量不足、攔擋與截排水工程防洪標準低、棄渣場穩(wěn)定性差等問題。而在棄渣場施工中，行業(yè)內(nèi)尚未研究確立棄渣場施工控制標準，導(dǎo)致棄渣場施工監(jiān)控缺乏依據(jù)，實際施工處于無序狀態(tài)。

(二)解決方法。在以后的發(fā)展和研究中，希望能通過以下幾方面的研究來得到上面所提及問題的解決方法。

1)棄渣場選址規(guī)劃。在綜合考慮棄渣場的地質(zhì)地貌、可容納棄渣量、棄渣場地規(guī)模、運距、經(jīng)濟效益、社會效益、環(huán)境效益等基礎(chǔ)上，參考其他類似工程選址規(guī)劃理論及模型，如礦山棄渣場、冶金尾礦庫、工業(yè)及民用建筑棄渣等選址評價的研究成果，建立一套科學、可行的評價模型，并通過GIS技術(shù)[5,6]建模對其可行性進行詳細分析，總結(jié)不同地形，不同模型下的棄渣場數(shù)據(jù)，得到棄渣場選址的一般方法和適用于絕大多數(shù)棄渣場項目的具體選址參考原則。

2)施工風險因素分析和施工控制研究

①棄渣場施工風險因素分析。根據(jù)查閱文獻和挖掘棄渣場事故案例的風險因素，如渣體性質(zhì)、渣體容量、邊坡控制、平臺控制、土石方調(diào)配、作業(yè)順序、地基處理、滲水、降雨、地震、施工現(xiàn)場組織等，結(jié)合實際情況，進行施工風險的綜合分析，提出并優(yōu)化控制指標，建立合理的評價模型，采取相應(yīng)措施降低施工風險。

②關(guān)鍵部位施工控制方法。針對山區(qū)棄渣場大多以自然傾倒、松散堆渣且壓實度小甚至無壓實、渣體粒徑不均勻性的情況，以棄渣場的關(guān)鍵部位(平臺、坡腳、坡頂)為對象，將土石方工程、攔擋工程、護坡工程和截排水工程等的施工列為控制重點展開相關(guān)研究。

四、結(jié)論

本文介紹了目前棄渣場設(shè)計選址的相關(guān)研究情況，提出了在設(shè)計、選址和施工中存在的問題和可行解決辦法，為未來能完整提出棄渣場設(shè)計選址評價體系和設(shè)計規(guī)范確定了必要的基礎(chǔ)，最終達到使棄渣場建設(shè)符合安全、適用、耐久、經(jīng)濟、環(huán)保的原則，促進棄渣場行業(yè)建設(shè)和監(jiān)管水平的進步，在提高棄渣場安全性的同時能科學合理地規(guī)劃其選址，實現(xiàn)合理配置資源資金和保護環(huán)境的目的。