山區高速公路棄土場排水與防護設計

程建，唐文廣

（四川省交通勘察設計研究院有限公司，成都610017）

1 引言

西部山區地形地質條件復雜、地質災害突出，棄土場已不再單純作為高速公路的附屬工程簡單設計，在新形勢下，儼然已成為外業調查以及內業設計中的重點和難點。不管是已建的雅西高速、映汶高速；還是在建的峨漢高速、久馬高速；以及即將開工的宜攀高速、西昭高速，都具有相同的特點：沿線地形起伏大、地質條件差、河谷切割深、橋隧占比高、大挖方段落多、土石棄方量大等，受地形地質條件限制，難以尋找條件較好的棄土場位置，通常需要沿溝谷設置，棄土場的防護與排水設計就顯得尤為重要[1]。

2 棄土場設計原則

2.1 安全第一原則

工程設計與建設中安全始終是第一位。過去棄土場作為高速公路附屬工程，設計重視力度不夠，棄土場還未堆載至設計高程，往往就已產生滑移病害，對棄土場下游的構筑物或居民構成嚴重的安全隱患。目前，已建山區高速公路就存在棄土場堆載后產生滑坡病害的案例，通常需要采取設計變更增加抗滑移措施，如抗滑擋土墻、抗滑樁等，不得不加大投資，且處治過程中，施工存在安全風險。綜合比較前期棄土場精細化設計與棄土堆載病害發生后的加固設計，前期的精細化設計往往會大幅度節省工程造價，且安全有保證，也不至于造成后期的不良社會影響。因此，棄土場設計安全是第一原則，應避免人為因素造成的工程地質災害[2]。

2.2 環保并重原則

在當前新形勢新政策下，環境保護顯得尤為重要。GB 50433—2008《開發建設項目水土保持技術規范》[3]中相關條文就對棄土處理進行了明確規定，棄土場地必須設置必要的防護、排水設施，不能利用的棄渣應集中堆放于專門場地，且需按照“先攔后棄”的原則采取主動防護，棄渣不得污染水源，積極采取水土保持措施，避免造成水土流失。因此，棄土場的設置需要綜合考慮場地區域氣候、地形地貌等自然地理和地質條件，根據棄渣填筑形態做好水土保持設計。

2.3 經濟節約原則

任何工程建設項目都要考慮其經濟性，在保證安全的前提下，應追求經濟效益最大化。首先，棄土場設計的經濟性主要體現在棄方運距的合理性，合理的運距有助于節省運輸費用；其次，棄土場設計的經濟性體現在防護結構的合理性，一般擋土墻、抗滑樁板墻等防護功能相差較大的結構措施應合理選擇，不要片面追求安全而不考慮經濟成本，造成社會資源浪費；最后，棄土場設計的經濟性體現在選址的合理性，場地選擇應充分征求地方政府意見，避免與地方規劃等沖突，造成后期場地變更，增加工程造價。

3 典型棄土場設計分析

3.1 棄土場設計方案

四川山區某高速公路K63+000棄土場位于隧道斜井出口處，為一典型溝谷型棄土場。場地位于峨邊縣四坪村附近沖溝內，自然坡降約15%～25%，該處為V形沖溝，兩側自然坡度約30°～45°，地形條件較差，植被發育較好。場地主要用于堆棄金口河隧道主線（1.0km）及斜井棄渣，占地約28 000m2，平均堆高20m，最大堆高約37m，設計容納棄渣方量為500 000m3。棄土場設計如圖1所示。

圖1 K63+000棄土場平面布置圖

3.2 排水工程設計

該溝谷匯水量大，為了保證渣場上方坡面洪水及溝道洪水的排出，避免水流沖刷造成水土流失并危及渣場安全，棄渣前需在場地周邊布設截排水溝或排洪渠，排水溝溝底縱坡根據渣場地形確定（應≥1%），以保證排水溝水流順暢。排水溝或排洪渠可承受的最大徑流量可以按式（1）計算：

式中，n為地面糙率系數；A為排水溝或排洪渠斷面面積，m2；i為排水溝或排洪渠底坡，按最不利情況考慮，取設計最小坡度0.01；R為排水溝或排洪渠水力半徑。

根據本棄土場坡面洪水流量計算及場地形地質條件，改移溝渠截面尺寸設計如下：改渠Ⅰ（南側支溝）：底寬×凈深為3.4m×2.0m；改渠Ⅱ（北側主溝）：底寬×凈深為6.0m×3.0m，均采用梯形截面，兩側坡率1∶0.5，采用C20片石混凝土澆筑，厚度0.50m。

同時于棄渣填筑體底部溝心（縱向）及溝心北側平緩地段（橫向）設置地下片石排水溝；棄渣填筑體頂部設置矩形排水溝，呈樹枝狀布設。

3.3 防護工程設計

本棄土場堆渣量約500 000m3，最大堆渣高度約37m，根據SL 575—2012《水利水電工程水土保持技術規范》相關規定，本棄土場工程擋防及排水設施為次要建筑物，其工程等級按4級建筑物設計。渣場邊坡穩定安全系數正常工況（指施工完畢后渣料固結一段時間后的工況）≥1.15；非正常工況（暴雨或連續降雨工況）≥1.05。

根據工程地質勘察結論，棄土場場地存在次生泥石流及古滑坡復活的風險，但受沿線地形條件限制，難于尋找綜合條件更好的棄土場地，故本次擬對該棄土場防護進行特殊設計。具體方案如下：（1）于場地前緣設置樁板式擋土墻防護，樁中心間距5.0m，樁身截面為圓形，樁徑2.2m，樁板式擋土墻兩側接仰斜式擋土墻；（2）樁板墻及擋墻墻頂后填筑邊坡坡率1∶1.75～1∶2.25，樁前采用隧道棄渣中大塊石進行回填反壓。加固后棄土場邊坡穩定分析計算結果如表1所示。

表1棄土場邊坡穩定分析計算結果

3.4 環保工程設計

本棄土場設計過程中積極采取了水土保持措施，避免造成水土流失。棄土填筑坡面采用菱形網格固土，網格間綠化植草或種植灌木；為最大限度地除去溝內上游匯水中的砂粒或其他比重較大的顆粒，在沖溝下游設置了五級沉砂池。

4 結語

受地形條件限制，山區高速公路棄土場多為溝谷型棄土場，溝谷通常匯水面積較大，處理不當極易造成工程滑坡或泥石流。因此，在外業過程中要對棄土場場址選擇進行詳細調查，設計過程中要遵循安全第一、環保并重、經濟節約的原則。本文以四川在建的某高速公路典型棄土場為例，總結分析了棄土場排水、防護及環保等方面的技術和經驗，可供后續類似地形地質條件下棄土場設計參考。