鐵路棄土（渣）場渣頂防護體系布設(shè)

［關(guān)鍵詞］ 棄土（渣）場；擋水埂；植被恢復；“田字格”狀整地；中衛(wèi)至蘭州鐵路甘肅段

［摘 要］ 以新建中衛(wèi)至蘭州鐵路甘肅段為例，研究了棄土（渣）場水土保持措施體系布設(shè)及其防治效果。結(jié)果表明：棄土（渣）場周邊截水溝及渣頂排水溝的設(shè)置能有效攔截上游降雨產(chǎn)生的匯流沖刷，排出渣場頂部雨水，避免雨水匯流后集中下滲產(chǎn)生陷穴等，在下游坡面頂部設(shè)置擋水埂能使坡面侵蝕量減少95%以上，水土保持效果顯著；渣頂平整覆土后采用“田字格”狀整地，能有效降低施工初期的水土流失并為植物生長創(chuàng)造良好微環(huán)境，是干旱半干旱區(qū)一種極為有效的水土保持整地模式；試驗篩選發(fā)現(xiàn)相同栽植條件下四翅濱藜（Atriplex canescens）的成活率最高，平均可達91%，且養(yǎng)護管理要求低，檸條（Caragana korshinskii）成活率次之，撒播草籽成活率、保存率普遍較低。

［中圖分類號］ S157.2 [文獻標識碼]A DOI：10.3969/j.issn.1000-0941.2024.06.014

［引用格式］ 張維成.鐵路棄土（渣）場渣頂防護體系布設(shè)［J］.中國水土保持，2024（6）：44-46.

隨著我國國民經(jīng)濟和社會的全面發(fā)展，鐵路作為一種清潔交通運輸方式近年來發(fā)展迅速，特別是高速鐵路建設(shè)取得了舉世矚目的成就，已經(jīng)成為一張新的中國名片。目前，我國“四縱四橫”高速鐵路網(wǎng)已經(jīng)建成，“八縱八橫”高速鐵路網(wǎng)初步成型，運營總里程已達4.2萬km。高速鐵路的建設(shè)在促進區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展的同時，極大地方便了群眾出行，但由于其運行速度快，設(shè)計曲線半徑大，線路趨避地形的能力低，因此產(chǎn)生了大量的隧道工程和高填、深挖路段，挖填土石方量巨大[1]。相關(guān)部門不斷強化鐵路工程土石方移挖作填和綜合利用的要求，但受鐵路工程本身填料要求和沿線在建項目工期銜接等限制，項目建設(shè)過程中仍會產(chǎn)生大量的棄土、棄渣，需要設(shè)置大量專門的棄土（渣）場[2-3]。棄土（渣）場水土保持措施體系的合理性和有效性不僅直接關(guān)系其生態(tài)恢復的效果，而且對后期安全穩(wěn)定也有重要影響[4]。本研究以新建中衛(wèi)至蘭州鐵路甘肅段（甘肅省白銀市、蘭州市轄區(qū)段，以下簡稱“中蘭鐵路甘肅段”）棄土（渣）場為例，對渣頂水土保持措施體系的建設(shè)情況及其有效性進行研究分析，以期為西北黃土高原地區(qū)鐵路等項目棄土（渣）場水土保持工作提供參考。

1 項目概況

新建中衛(wèi)至蘭州鐵路項目區(qū)位于寧夏回族自治區(qū)和甘肅省境內(nèi)，途經(jīng)兩省三市。該項目為新建雙線鐵路，電力牽引，設(shè)計速度目標值250 km/h，線路全長219.707 km，其中甘肅段正線長173.458 km，設(shè)橋梁95座（長70.672 km）、隧道18座（長26.889 km）、取土場20處（取土量485.78萬m3）、棄土（渣）場88處（棄渣量2 820.57萬m3）。該項目于2018年9月全面開工，已于2022年12月建成通車，水土保持設(shè)施驗收合格并經(jīng)水利部黃河水利委員會核查滿足驗收條件。

中蘭鐵路甘肅段項目區(qū)位于黃土高原中低山丘陵區(qū)，屬中溫帶干旱和半干旱氣候區(qū)，沿線不同地點年均氣溫7.4～9.5 ℃，年均降水量176.5～319.6 mm，雨季主要集中在7—9月，年均蒸發(fā)量1 457.7～1 974.2 mm，≥10 ℃年積溫3 000～3 200 ℃。項目區(qū)涉及1條河流，即靖遠段黃河干流。沿線土壤主要為黃土母質(zhì)發(fā)育的黃綿土、灰鈣土等，部分區(qū)域發(fā)育有鹽漬土，土壤肥力低，上覆地層多為第四系上更新統(tǒng)風積砂質(zhì)黃土，下伏白堊系下統(tǒng)砂巖，巖性軟，具有強風化性，少量隧道渣體有侏羅系砂巖、泥巖，前寒武系片巖，泥盆系砂巖，以及志留系下統(tǒng)變質(zhì)砂巖夾板巖、千枚巖、片巖等。沿線自然植被稀少，林草覆蓋率為10%～15%。

2 棄土（渣）場水土保持措施體系布局

棄土（渣）場作為大型臨時設(shè)施，是山區(qū)、丘陵區(qū)鐵路建設(shè)項目關(guān)注的重點，也是水土流失和水土保持的重點區(qū)域[5-6]。根據(jù)中蘭鐵路甘肅段項目建設(shè)期水土流失預(yù)測結(jié)果，在路基工程、站場工程、橋梁工程、隧道工程、取土場、棄土（渣）場、施工便道及施工生產(chǎn)生活8個水土保持防治分區(qū)中，施工期水土流失量分別占項目區(qū)水土流失總量的23.14%、10.38%、9.41%、2.24%、3.81%、26.56%、10.37%和14.09%，棄土（渣）場是水土流失量最大和水土流失風險最高的區(qū)域，因此建立有效的棄土（渣）場水土保持措施體系對于整個項目區(qū)的水土保持工作具有極為重要的作用[7]。中蘭鐵路甘肅段水土保持方案獲批后，根據(jù)工程變化、水土保持措施實施情況并結(jié)合現(xiàn)場植物栽植試驗成果，設(shè)計單位編制了棄土（渣）場補充水土保持方案報告，進一步優(yōu)化了水土保持措施體系布局，見表1。

3 水土流失防治效果分析

3.1 渣頂排水工程

3.1.1 排水溝類型及布局

根據(jù)所發(fā)揮的作用，將渣頂排水溝分為兩類：一類是位于上游匯水面積較大（一般≥0.1 km2）溝道的渣場，為防止上游匯水進入渣場，在渣場頂部設(shè)置縱向排水溝，將徑流排導至擋渣墻底部再經(jīng)消能沉沙池后由順接工程排至下游自然溝道，該類排水溝除專門用于順接渣場上游主溝匯流外一般與上游渣場周圍設(shè)置的截水溝不連通；另一類是針對頂面面積較大的渣場（≥5 hm2），根據(jù)匯流面積按2%～4%進行放坡，坡面雨水經(jīng)渣頂橫向排水溝匯集至縱向排水溝，或直接排至縱向排水溝后導排至下游。渣頂排水溝均采用M10漿砌石砌筑，厚30 cm，漿砌石底部夯實后設(shè)厚10 cm砂石墊層。

3.1.2 洪峰流量計算

該項目渣場匯水面積較小，多位于集水面積較小的溝道，設(shè)計最大流量（QB）按《水土保持工程設(shè)計規(guī)范》（GB 51018—2014）進行計算，計算公式為

QB=0.278KIF（1）

式中：QB為最大洪峰流量，單位m3/s；K為徑流系數(shù)；I為平均降雨強度，單位mm/h；F為匯水面積（根據(jù)1∶10 000地形圖量測），單位km2。

3.1.3 過水斷面尺寸

一般來說，截排水溝的過水斷面尺寸是根據(jù)設(shè)計最大流量按明渠均勻流公式計算確定的。但在具體操作過程中，設(shè)計單位往往根據(jù)不同區(qū)域的氣候及降雨條件建立截（排）水溝設(shè)計標準圖集，在確定計算標準后選取其中幾個常用的類型進行過水能力分析，這樣不僅能提高項目的標準化水平，而且能夠為現(xiàn)場施工提供便利。棄土（渣）場截（排）水溝作為附屬工程，一個鐵路項目的渣場少則數(shù)十處，多則上百處，多樣性的過水斷面尺寸不僅不利于設(shè)計，而且會給現(xiàn)場施工造成極大的不便。經(jīng)核算該項目棄土（渣）場截（排）水溝共設(shè)置3種斷面尺寸，根據(jù)上游匯水面積確定相應(yīng)的類別，見表2。

根據(jù)《水土保持工程設(shè)計規(guī)范》（GB 51018—2014）和《室外排水設(shè)計規(guī)范》（GB 50014—2021）的規(guī)定，該項目混凝土明溝（抹面）糙率取值0.015，漿砌石明溝糙率取值0.025，安全超高取0.2 m。經(jīng)計算，棄土（渣）場截（排）水溝過水能力均大于估算的洪峰流量。中蘭鐵路甘肅段截（排）水溝實施較早，部分自2019年建設(shè)完成，經(jīng)5個雨季，2023年再次對截（排）水工程進行全部核查，現(xiàn)場保存良好，說明截（排）水溝建設(shè)可滿足相應(yīng)截（排）水的功能性、安全性要求。

3.2 渣頂擋水埂及“田字格”狀整地工程

3.2.1 渣頂擋水埂

棄土（渣）場渣頂堆填至設(shè)計標高后，在棄土（渣）場下游邊坡頂面設(shè)置擋水埂。擋水埂采用渣場土方或回填覆蓋土方夯實拍面堆砌而成，底寬120 cm，高60 cm，頂面寬60 cm，坡比1∶1。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，設(shè)置擋水埂的19處渣場均未發(fā)生明顯的細溝狀侵蝕，而擋水埂未設(shè)置到位的渣場，雨水匯流后在下游坡面產(chǎn)生了嚴重的細溝狀侵蝕，在邊坡馬道處形成大量侵蝕物，部分臨時沉沙池淤積情況嚴重。對比分析發(fā)現(xiàn)，在渣頂坡面頂部設(shè)置擋水埂能夠全面攔截渣頂前端匯流，除坡面本身土壤流失外，因渣頂匯流產(chǎn)生的坡面溝蝕量減少超過95%，極大地提升了渣體坡面的水土流失防治效果。因此，為有效控制渣體坡面的水土流失，應(yīng)重視各級坡面頂部擋水埂的設(shè)置，包括馬道外邊坡?lián)跛　?/p>

3.2.2 “田字格”狀整地

棄土（渣）場棄土（渣）完成、渣頂平整、回覆表土后，采用旋耕機翻耕，自坡面頂部擋水埂向溝道上游方向采用“田字格”狀整地。“田字格”的長、寬根據(jù)渣頂面積及利用方向確定，一般取8 m×8 m～12 m×12 m不等。“田字格”土埂底寬50 cm，高30 cm，頂面寬30 cm，坡比約1∶0.3。考慮到該項目地處西北干旱半干旱地區(qū)，降水量少，“田字格”狀整地能有效攔截渣頂范圍內(nèi)的降水，最大限度減輕降水匯流的沖刷，為植被恢復創(chuàng)造良好的微環(huán)境，同時土埂能發(fā)揮沙障作用，可以有效阻斷渣場平整初期產(chǎn)生的風蝕，減少揚塵。“田字格”狀整地平面布置見圖1。

3.3 渣頂綠化工程

考慮到工程建設(shè)過程中的開挖、回填、堆棄會破壞土壤結(jié)構(gòu)、影響土壤肥力，中蘭鐵路甘肅段棄土（渣）場水土保持措施設(shè)計中貫徹了以灌草為主的綠化原則。在棄土（渣）場恢復過程中，經(jīng)過前期近2 a的試驗種植，篩選出四翅濱藜、檸條、沙棘、紅柳等適生灌木和紫花苜蓿等草種。在相同栽植條件下發(fā)現(xiàn)：灌木中四翅濱藜的平均成活率最高，達91%，其次為檸條，平均成活率為70%。與灌木相比，撒播草籽成活率較低，紫花苜蓿平均成活率僅為35%，同時生長緩慢，第一年越冬后保存率已不足30%；高羊茅適生性差，平均成活率不足20%，出苗后生長緩慢，高溫天氣死苗嚴重，僅在坑洼處有存活，基本無法越冬。試驗渣頂綠化工程植物栽植情況及平均成活率見表3。

4 結(jié)論

中蘭鐵路甘肅段項目區(qū)地處黃土高原地區(qū)，年均降水量較少，短歷時暴雨是導致水土流失的主要外營力。在棄土（渣）場下游坡面頂部設(shè)置擋水埂，能使坡面侵蝕量減少超過95%，能有效應(yīng)對上游匯流對坡面溝蝕作用產(chǎn)生的細溝狀侵蝕溝“掛坡”現(xiàn)象。在棄土（渣）場周邊設(shè)置截水溝、渣頂布設(shè)排水溝后，能夠全面預(yù)防渣體雨水飽和或過飽和導致的渣體不穩(wěn)定現(xiàn)象。在此基礎(chǔ)上，渣場平整覆土后進一步采用“田字格”狀整地（“田字格”的長、寬根據(jù)渣頂面積及利用方向確定，一般為8 m×8 m～12 m×12 m不等），能有效攔截降水，為施工初期風蝕防治及植物生長提供條件，效果顯著，是干旱半干旱區(qū)較有效的整地模式。經(jīng)過植物種植試驗篩選，發(fā)現(xiàn)四翅濱藜在項目區(qū)棄土（渣）場水土流失防治中成活率高、生長良好、對栽植條件要求不高，裸根實生苗栽植后經(jīng)簡單養(yǎng)護，平均成活率可達91%，補植補種率低；檸條、沙棘及紅柳穴植后成活率略低，可采取地膜覆蓋，后期再采取灌溉、補植、補種等養(yǎng)護措施，這樣方能滿足驗收要求；撒播草籽成活率、保存率普遍較低。

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收稿日期： 2023-03-23

第一作者： 張維成（1978—），男，甘肅會寧人，高級工程師，碩士，主要研究方向為鐵路環(huán)境保護與水土保持設(shè)計。

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（責任編輯 李楊楊）