以某高速公路為例分析棄渣場(chǎng)水土保持典型設(shè)計(jì)

陳 浩

（深圳市深水水務(wù)咨詢(xún)有限公司，廣東 深圳 518000）

0 引言

高速公路建設(shè)過(guò)程中挖方總體大于填方，填挖不均衡，不可避免地需要設(shè)置棄渣場(chǎng)，如果設(shè)置不當(dāng)，不僅會(huì)占用大量耕地林地，還會(huì)對(duì)周?chē)鷳B(tài)環(huán)境恢復(fù)、生物多樣性及區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來(lái)安全隱患，造成土壤侵蝕和水土流失，誘發(fā)滑坡、崩塌、泥石流等自然災(zāi)害，增大環(huán)境治理難度?？梢?jiàn)，棄渣場(chǎng)選址及水土保持防護(hù)設(shè)計(jì)是公路建設(shè)中必須面臨的重要問(wèn)題。

1 工程概況

某高速公路的路線為西南、東北走向，全線由兩期工程組成。一期工程（本次實(shí)施段）起點(diǎn)設(shè)于水廠處，與本項(xiàng)目二期工程及同時(shí)建設(shè)的市政連接線相連，終點(diǎn)接入現(xiàn)狀深汕、惠鹽高速公路立交，與粵東地區(qū)的高速路網(wǎng)相連。途經(jīng)多個(gè)工業(yè)區(qū)，路線全長(zhǎng)31.1km。受本項(xiàng)目影響的水體有水庫(kù)、公園、河道等。本項(xiàng)目起點(diǎn)段經(jīng)過(guò)水庫(kù)，與水庫(kù)水體近端距離約300m。

2 土石方平衡分析

本項(xiàng)目地處山嶺重丘區(qū)，地形起伏大，主線開(kāi)挖深度最大達(dá)30m，平均開(kāi)挖深度約10m。路基填方高度最大約為25m，平均填土高度約為10m。主線路基填方共計(jì)641.82萬(wàn)m3（包括服務(wù)區(qū)回填約120萬(wàn)m3），挖方共計(jì)816.44萬(wàn)m3（其中隧道出渣約155萬(wàn)m3，原地貌表土剝離12.5萬(wàn)m3）。土石方分為路基土石方和隧洞出渣，通過(guò)橫、縱向土石方調(diào)配后仍有大量棄方，包括臨時(shí)堆放表土12.5萬(wàn)m3在內(nèi)的棄方總量174.62萬(wàn)m3，全部棄置于選定棄渣場(chǎng)和政府指定合法棄土受納場(chǎng)。

本工程水土保持方案報(bào)告書(shū)所推薦的棄土去向?yàn)椋孩俦M量保證項(xiàng)目區(qū)內(nèi)土石方平衡，充分利用立交橋中間內(nèi)部空地，填平后綠化；②充分利用項(xiàng)目建設(shè)區(qū)路基與周邊山體形成的溝谷，填平溝谷后實(shí)施土地復(fù)墾，栽植樹(shù)木綠化，形成林地。現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查結(jié)果顯示，K7+400～K 8+200段主收費(fèi)站及服務(wù)區(qū)等建設(shè)區(qū)可容納約120萬(wàn)m3棄渣；③充分利用主體設(shè)計(jì)的1#、2#棄渣場(chǎng)，解決115.05萬(wàn)m3棄渣和剝離12.5萬(wàn)m3表土；④K20+000～K24+000段棄土可以運(yùn)至政府指定合法棄土受納場(chǎng)處理。

土石方平衡流向框圖，見(jiàn)圖1。

圖1 土石方平衡流向框圖

3 棄渣場(chǎng)水土保持典型設(shè)計(jì)

棄渣場(chǎng)屬于溝道型結(jié)構(gòu)，溝底比降0.12，最大堆渣高度達(dá)到48.6m，每5m高設(shè)置一級(jí)5m寬的平臺(tái)，共設(shè)置10級(jí)平臺(tái)；為便于向兩側(cè)排水，渣體平面按照微拱形設(shè)置，在平臺(tái)和棄渣場(chǎng)四周分別設(shè)置排水溝和截水溝，棄渣結(jié)束后按照防治規(guī)劃進(jìn)行植被恢復(fù)。

3.1 占地及防洪標(biāo)準(zhǔn)

在1:10000地形圖上復(fù)核棄渣場(chǎng)庫(kù)容和占地，結(jié)合分層堆放方式進(jìn)行每層棄渣上下面積量取，求出面積均值，并依據(jù)堆高確定每層庫(kù)容以及累計(jì)庫(kù)容，得出棄渣場(chǎng)庫(kù)容曲線[1]。

按照《水土保持工程設(shè)計(jì)規(guī)范》，該高速公路棄渣場(chǎng)堆渣體積共174.62萬(wàn)m3，棄渣場(chǎng)級(jí)別為4級(jí)，擋渣墻為5級(jí)，排洪工程4級(jí)，擋渣墻安全系數(shù)，見(jiàn)表1。棄渣場(chǎng)中斷面不同頻率洪水水位剖面圖，見(jiàn)圖2。該棄渣場(chǎng)防洪標(biāo)準(zhǔn)按照30a一遇設(shè)計(jì)，50a一遇校核。

表1 擋渣墻安全系數(shù)

圖2 棄渣場(chǎng)中斷面不同頻率洪水水位剖面圖

3.2 截水溝及排水溝

該高速公路棄渣場(chǎng)洪峰流量[2]按照下式確定：

式中：Q洪為洪峰流量，m3/s；k為徑流系數(shù)；i為暴雨強(qiáng)度均值，mm/h；F為山坡集水面積，km2；Kp為模比系數(shù)；H0t為平均暴雨量，mm/h。相關(guān)參數(shù)取值可通過(guò)查閱工程所在低水文手冊(cè)得出，洪峰流量相關(guān)參數(shù)取值，見(jiàn)表2。

表2 洪峰流量相關(guān)參數(shù)取值

該高速公路棄渣場(chǎng)四周為地形起伏山地，徑流系數(shù)0.62，棄渣場(chǎng)范圍內(nèi)匯水面積0.17km2，其中右側(cè)匯水面積約為0.11km2，以此為匯水面積值進(jìn)行洪峰流量計(jì)算，洪峰流量計(jì)算結(jié)果，見(jiàn)表3。

表3 洪峰流量計(jì)算結(jié)果

根據(jù)以上成果，出于施工便利性考慮，棄渣場(chǎng)截水溝應(yīng)采用矩形斷面排水溝，比降1.998%，截水溝斷面面積按照下式確定：

式中：Q設(shè)為設(shè)計(jì)流量，m3/s；A為截水溝斷面面積，m2，A=bh，b為截水溝設(shè)計(jì)寬度，h為截水溝設(shè)計(jì)深度；i為坡比，i=2(b+h)；R為水力半徑，m，R=A|x，x為濕周；C為謝才系數(shù)，C=R1/6/n，n為糙率。

將該高速公路棄渣場(chǎng)截水溝相關(guān)參數(shù)取值代入式（4）得出設(shè)計(jì)斷面過(guò)水能力計(jì)算結(jié)果，設(shè)計(jì)斷面過(guò)水能力計(jì)算結(jié)果，見(jiàn)表4。由表中結(jié)果可知，該公路工程棄渣場(chǎng)截水溝斷面寬0.7m、高0.5m，出于安全考慮，應(yīng)增加0.2m的安全超高，同時(shí)通過(guò)0.4m厚的漿砌石護(hù)面。

表4 設(shè)計(jì)斷面過(guò)水能力計(jì)算結(jié)果

此外，還應(yīng)在平臺(tái)內(nèi)側(cè)增設(shè)長(zhǎng)40cm、寬40cm的橫向矩形排水溝，并通過(guò)0.4m厚的漿砌片石護(hù)面。

3.3 擋渣墻

考慮到該公路施工所產(chǎn)生的棄方量較多，故必須按照先攔后砌的原則棄渣，并在棄渣場(chǎng)下游增設(shè)重力式擋渣墻，進(jìn)行擋渣墻抗傾覆穩(wěn)定、抗滑穩(wěn)定及地基承載力校核[3]。

3.3.1 抗滑穩(wěn)定驗(yàn)算

式中：Ks為抗滑安全系數(shù)最小值；W為擋渣墻墻體自重，kN；Pay為主動(dòng)土體壓力垂直分布，Pax為主動(dòng)土體壓力水平分布，Pax=Pa cos(δ+ε)。

其中，主動(dòng)土體壓力主要按照庫(kù)倫土壓力進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算公式為：

式中：γ為該高速公路棄渣容重，kN/m3；H為擋渣墻設(shè)計(jì)高度，m；φ為填土表面于水平夾角，°；β為填土內(nèi)摩擦角，°。

根據(jù)計(jì)算，該高速公路工程棄渣場(chǎng)擋渣墻滑移力為31.784kN，抗滑力為52.517kN，滑移驗(yàn)算滿(mǎn)足：Ks=1.651＞1.3。

3.3.2 抗傾覆穩(wěn)定驗(yàn)算

式中：Kt為安全系數(shù)最小值；W·α為擋渣墻墻體自重力矩，kN·m；Pay·b為主動(dòng)土壓力垂直分力力矩，kN·m；Pax·h為主動(dòng)土壓力水平分力力矩，kN·m；其余參數(shù)含義同前。

根據(jù)計(jì)算，該高速公路工程棄渣場(chǎng)擋渣墻相對(duì)于墻趾點(diǎn)，墻身抗傾覆力矩169.840kN·m，傾覆驗(yàn)算滿(mǎn)足：Kt=4.598＞1.5。

3.3.3 地基承載力驗(yàn)算

擋渣墻基底應(yīng)力應(yīng)小于地基承載力，其中地基承載力值可通過(guò)查閱設(shè)計(jì)手冊(cè)得到?；讘?yīng)力按照偏心受壓公式確定：

式中：σyu為水平截面正應(yīng)力，kN/m2；ΣW為作用于計(jì)算截面的全部荷載鉛直分力和；ΣM為作用于計(jì)算截面以上的全部荷載對(duì)截面形心的力矩和，kN·m；B為截面底寬，m。

作用于擋渣墻基礎(chǔ)的總豎向力為130.722kN，作用于墻趾的總彎矩為135.274kN·m，基礎(chǔ)底寬20.51m，偏心距-0.002m；基礎(chǔ)底面合力作用點(diǎn)于基礎(chǔ)趾點(diǎn)距離1.031m，趾部和踵部基底壓應(yīng)力分別為65.337kPa和64.721kPa；最大應(yīng)力和最小應(yīng)力比為1.007；作用于基底的合力偏心距驗(yàn)算滿(mǎn)足要求；墻趾處地基承載力驗(yàn)算滿(mǎn)足：壓應(yīng)力65.337kPa≤277.2kPa；墻踵處地基承載力驗(yàn)算滿(mǎn)足：64.721kPa≤300.3kPa；地基承載力驗(yàn)算滿(mǎn)足：壓應(yīng)力64.051kPa≤231.0kPa。經(jīng)計(jì)算，高速公路棄渣場(chǎng)擋渣墻抗滑、抗傾覆及地基承載力均滿(mǎn)足規(guī)范。

棄渣場(chǎng)漿砌石擋渣采用埋石混凝土重力式結(jié)構(gòu)，墻長(zhǎng)930m、高3～6m，頂寬1.5m，基礎(chǔ)埋深1.5m，底高程123.6～138m，設(shè)置在砂卵石層；按照10m間隔在墻體上布置2m寬的沉降伸縮縫，同時(shí)在地基材料改變之處增設(shè)沉降縫；為避免墻體背面積水并形成靜水壓力，還應(yīng)按照2m×2m的間距在墻身增設(shè)泄水孔，在泄水孔中埋設(shè)φ80mm的PVC管，泄水孔比降5%；下方增設(shè)C20埋石混凝土和C15素混凝土墊層，并在擋渣墻墻背加設(shè)反濾層。擋渣墻典型斷面，見(jiàn)圖3。

3.4 植物措施

該高速公路棄渣場(chǎng)棄渣結(jié)束后必須通過(guò)植物措施予以恢復(fù)，結(jié)合工程所在地氣候條件及典型植被類(lèi)型，在棄渣頂面種植喬木、灌木和草的結(jié)合形式[4]，棄渣平臺(tái)和邊坡等區(qū)域則結(jié)合種植灌木和草。其中喬木主要選沙松，并采用穴狀栽植方式，沙松樹(shù)木高度平均在1.0m，地徑2.0cm，植株間距為2m×2m，苗木損失按照2%控制，故需栽植沙松喬木4294株；灌木則選擇冠從平均高度60cm的迎春，棄渣頂面、平臺(tái)及邊坡處植株栽植間距為1m×2m，在相同的苗木損失下，人工栽植灌木12410株，撒播草籽面積2.32hm2。棄渣場(chǎng)植物措施數(shù)量統(tǒng)計(jì)，見(jiàn)表5。

表5 棄渣場(chǎng)植物措施數(shù)量統(tǒng)計(jì)

4 結(jié) 論

綜上所述，高速公路建設(shè)過(guò)程中必然面臨高填深挖及大量取土、棄渣作業(yè)，必然會(huì)對(duì)周?chē)h(huán)境造成嚴(yán)重破壞，加劇土壤侵蝕和水土流失。其中棄渣場(chǎng)是造成公路工程建設(shè)過(guò)程中水土流失的重要區(qū)域，如果不采取及時(shí)有效的水保措施，必將引發(fā)滑坡、泥石流、崩塌等水土流失災(zāi)害，埋下安全隱患。按照本文的設(shè)計(jì)思路，廣東省XX高速公路棄渣場(chǎng)水土保持措施實(shí)施后，因棄土棄渣而造成的土壤侵蝕和水土流失得到有效治理，也為公路工程棄渣場(chǎng)水土保持設(shè)計(jì)和環(huán)境治理提供了可行路徑。