德商高速公路水土流失預測及水土保持設計

謝 翔，張 佳，王莎莎，于 苗

(濟南綠軒工程咨詢有限公司，山東 濟南 250014)

1 工程概況

德商公路德州至夏津段位于山東省德州市境內(nèi)，包括主線和支線兩部分。其中主線全長41.04 km，支線全長22.87 km，采用雙向四車道標準建設，設計行車速度為主線120 km/h、支線100 km/h，路基寬度為主線28.0 m、支線26.0 m。為預防和治理在公路建設過程中產(chǎn)生的水土流失，本項目制訂了完善嚴格的防治目標(見表1)，針對不同的防治對象采用不同的防治手段進行治理。

表1 水土流失防治目標 %

2 水土流失特點及預測

2.1 水土流失特點分析

(1)存在大規(guī)模土石方作業(yè)。本項目路段估算土石方挖填總量可達1026.77萬m3，而土石方工程最容易造成地表和基建面的土壤大面積裸露，若此時有降雨出現(xiàn)，則會形成較大范圍危險邊坡，水土流失現(xiàn)象嚴重[1]。

(2)存在一定的擾動破壞。在進行路基、隧道等開挖時，由于人為作用會將原有地層應力平衡狀態(tài)打破，進而造成地層結構發(fā)生變化[2]，包括裂縫、溝壑發(fā)育增多，為水土流失創(chuàng)造了條件。

(3)水力侵蝕作用明顯。項目區(qū)地處魯西北黃泛平原，土類分為：潮土、鹽土、風沙土三類，其中98.7%為潮土類[3]。其具有表層質(zhì)地疏松、透氣性好等特點，這樣在雨水作用下會容易產(chǎn)生水土流失現(xiàn)象，因此項目區(qū)水力侵蝕作用明顯，如圖1所示。

2.2 水土流失預測

本項目路段施工工期為34個月，水土流失現(xiàn)象基本貫穿始終，在對水土流失預測時為簡化計算，將相似區(qū)域劃分在一起，包括植被、地形、降水量等。

2.2.1 建立預測數(shù)學模型

當前預測水土流失量Q的主要手段為數(shù)學模型，首先將各相似區(qū)域整合后分區(qū)，之后利用式(1)進行計算[4]。

(1)

式中：Si為各分區(qū)內(nèi)的土資源流失面積，m2；Eni為各分區(qū)的土壤侵蝕模數(shù)，具體見表2；Ti為各分區(qū)的預測時間，d。

圖1 公路填方工程水土流失現(xiàn)場

表2 項目區(qū)土壤侵蝕模數(shù) t·km-2·a-1

2.2.2 水土流失量預測

工程實際總占地面積491.66 hm2，其中永久占地370.85 hm2，臨時占地120.81 hm2。挖方103.48萬m3，填方923.29萬m3，調(diào)入和調(diào)出2.05萬m3，

借方820.22萬m3，棄方0.42萬m3。而水土流失主要場所為路塹開挖邊坡、路基邊坡、取土場等。

(1)路塹、路基開挖邊坡水土流失量預測。項目路段地表土松散，土壤容易被侵蝕，其中路塹開挖面積為50 hm2，而路基建設大部分采用填土方式處理，即使經(jīng)過碾壓處理，其松散性也大于原土層[5]，按照1∶1坡度設計，路基邊坡總面積約145.2 hm2，預測得到水土流失量見表3。

(2)取土場水土流失量預測。本工程實際使用取土場8個，從這8個取土場共取土117.10萬m3，取土場占地面積45.27 hm2。在此按照34個月工期進行計算，預測得到水土流失量見表3。

表3 路塹、路基開挖邊坡水土流失量

3 水土保持方案設計

本項目采取的主要措施如下：(1)工程措施包括路基邊坡綜合防護、排水工程；(2)植物措施包括路基植草防護、中央分隔帶綠化、路基兩側防護林等[6]。

3.1 主體工程水土保持方案設計

3.1.1 路基路面水土保持方案設計

本項目針對路基路面水土保持主要采用下水道、排水溝、泄水槽等，杜絕雨水存儲，同時使用滲透排水手段對存水進行疏導。

排水溝分布在路基兩側，設計采用C25預制塊蝶型排水溝，底寬0.8 m、溝深0.6 m、邊坡比1∶1.5；并輔以C25現(xiàn)澆混凝土排水溝、M7.5漿砌片石排水溝；在排水溝末端設計M7.5漿砌片石排水順接工程，將雨水順接到周邊渠道。

3.1.2 中央分隔帶水土保持方案設計

本項目路段中央分隔帶采用綠化帶方式，設計寬度3.0 m，綠化主防眩植物選用蜀檜，次防眩植物選用龍柏，為豐富景觀，每隔8株蜀檜在前排點綴種植了花灌木紫薇和木槿(見圖2)。

圖2 項目路段中央分隔帶綠化實景

3.1.3 路基邊坡水土保持方案設計

路基邊坡是水土保持的重點內(nèi)容，若邊坡填土流失嚴重，會造成路基空洞，進而導致路面裂縫、沉陷等病害，直接影響行車安全和使用壽命。

(1)護坡設計。本項目對路基護坡結構設計分為三層，從上到下依次為“護坡、砂礫石墊層、土工布層”(見圖3)。其中護坡設計原則為：當邊坡高度H≤4 m，采用植物防護、種植灌草、坡面漫流排水；當邊坡高度H>4 m，采用拱形骨架植草護坡，拱形骨架拱圈內(nèi)徑3.0 m，攔水坎、骨架、泄水槽均為C25預制混凝土。拱圈內(nèi)鋪設一層厚20～30 cm黏性壤土，撒播適于當?shù)厣L的草籽；護坡道種植灌木(見圖4)。

圖3 主體工程水土保持方案設計示意圖

圖4 拱形骨架植草護坡施工圖(左)和完成圖(右)

(2)砂礫石墊層設計。本項目砂礫石墊層施工工序為“分層鋪筑→灑水→碾壓→驗收”，其中對原料要求如下：砂粒采用中砂或粗砂，含泥量不得超過5%；砂礫石粒度在50 mm以下。

本項目要求每層填筑厚度為20 cm，在碾壓前對填筑層進行灑水，砂石最佳含水量為10%左右。采用蛙式打夯機進行夯實作業(yè)，落距設置在400～500 mm之間。

(3)土工布層設計。本項目要求土工布拼接寬度為50 cm，采用橫向鋪設，且不得拉扯過緊，應留至少10 cm的富余。施工人員一律穿上平底鞋施工，檢查存在孔洞問題后，應進行及時補漏。

3.2 取土場、棄土場水土保持方案設計

取、棄土場設計首要原則是少占土地(盡量不占用耕地)，然后選擇地勢較高且平坦、地質(zhì)條件均勻場地。

(1)工程措施方案。本項目盡量將土場設計在河灘上(不得影響地區(qū)防洪)，地面采用粗顆粒砂卵石填鋪20 cm并簡單碾壓。為防止預計河流沖刷，利用漿砌石堆砌土場周圍，高度設計為1.0 m(項目段近十年最高洪水位為0.6 m)。在施工結束后要對土場進行整平和綠化(復墾)，鋪設壤土厚度不得小于30 cm。本項目要求土堆邊坡斜率不得超過1∶1.7，巖石邊坡斜率降至1∶1以下。特殊地段可通過增設分層壓實樁穩(wěn)固土體，設計標準為每隔10 m設計寬2 m的壓實樁。

(2)植物措施方案。對土場處理前，將含有豐富草籽和腐殖質(zhì)的土場表層土(30 cm)進行刮取并妥善保存，待工程結束后平整土場用。對于土壤邊坡要求切削至1∶1.5以下，恢復植被盡量以原始植被為主。要求土場平整后在表層填充黏性壤土不低于30 cm。

4 結 語

高速公路沿線水土保持對于提高項目經(jīng)濟和社會效益意義重大，若處理妥當，則會成為一道風景線。若處理不當，則會對沿線民眾的合法利益造成損害，甚至影響工程的正常施工和運行。在制定水土保持措施時，一定要結合工程實際，力求做到因地制宜。德商公路德州至夏津段經(jīng)水土保持處理后，各項指標均達到防治目標。