甘肅省黃土高原地區(qū)高速公路棄渣場(chǎng)選址及水土保持措施

耿東梅

（甘肅省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司,甘肅 蘭州 730000）

甘肅省黃土高原地區(qū)東起甘陜省界，西至烏鞘嶺和青海，北接寧夏，南以迭山、西秦嶺分水嶺為界。地理位置位于東經(jīng)100°43′～108°42′，北緯33°6′～37°39′之間，總土地面積約11.20萬(wàn)km2，占全省土地總面積的24.47%。區(qū)域內(nèi)溝壑縱橫，梁峁（塬）起伏，山多川少，地形破碎，坡陡谷深，黃土裸露，水土流失嚴(yán)重。該地區(qū)平均溝壑密度為2.13 km/km2，其溝頭溯源侵蝕明顯、溝岸擴(kuò)張、溝底下切、溝道比降大。地形復(fù)雜，地貌多樣，大致可以分為甘南高原、隴東黃土高原和隴中黃土高原丘陵溝壑3個(gè)地貌單元，氣候主要為干旱和半干旱的溫帶大陸性氣候，平均氣溫為-0.8 ℃～10.9 ℃，年降水量為574.6 mm左右，降水季節(jié)分配不均，多集中于7—9月，約占全年降水量的60%，降水集中且多暴雨，歷時(shí)短，強(qiáng)度大，爆發(fā)猛烈，極易造成水土流失和引發(fā)滑坡等地質(zhì)災(zāi)害。黃土高原水土流失現(xiàn)象十分嚴(yán)重，以水力侵蝕為主，也是黃河泥沙的重要源頭，其不僅不利于地區(qū)發(fā)展，還影響國(guó)家生態(tài)環(huán)境，已經(jīng)成為國(guó)家治理的重點(diǎn)地區(qū)[1]。據(jù)2020年黃河流域水土保持公報(bào)統(tǒng)計(jì)，甘肅省黃河流域現(xiàn)有水土流失面積約4.71萬(wàn)km2；其中水力侵蝕4.67萬(wàn)km2，風(fēng)力侵蝕面積0.04萬(wàn)km2，占黃河流域水土流失總面積的17.93%，位居黃河流域第三。

公路工程是一種線型工程，由于施工時(shí)受地形條件的限制，會(huì)出現(xiàn)大量的土石方，并產(chǎn)生大量的廢土（渣土）。棄渣堆放問題需引起社會(huì)各界的足夠重視，如果處理不當(dāng)，不僅會(huì)造成安全隱患，還會(huì)妨礙區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展與生態(tài)環(huán)境的恢復(fù)[2]。因此，高速公路棄渣場(chǎng)的選址及其水土保持安全防護(hù)設(shè)計(jì)已經(jīng)成為公路建設(shè)中亟待解決的一個(gè)重要問題[3-4]。文章選取甘肅黃土高原某高速公路的一個(gè)重要地段的棄渣場(chǎng)作為研究對(duì)象，進(jìn)行了場(chǎng)地選址和水土保持措施的典型設(shè)計(jì)，以期為黃土高原地區(qū)高速公路建設(shè)中的棄渣場(chǎng)選址提供參考。

1 棄渣場(chǎng)選址

棄渣場(chǎng)的選址要遵循“土地占用少，水土保持設(shè)施損壞少”的原則。（1）在居民點(diǎn)、工業(yè)企業(yè)、重要道路、既有鐵路及等級(jí)公路上盡量避免在低洼地區(qū)設(shè)置棄渣場(chǎng)，優(yōu)先選擇匯水面積較小、工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件相對(duì)簡(jiǎn)單、地形相對(duì)平緩的荒溝、凹地、支毛溝等；（2）避免在自然保護(hù)區(qū)、森林公園、基本農(nóng)田保護(hù)區(qū)、飲用水源保護(hù)區(qū)以及風(fēng)景名勝區(qū)等環(huán)境敏感區(qū)域建設(shè)棄渣場(chǎng)；（3）避免在河道、湖泊和已建成的水庫(kù)的管理區(qū)域內(nèi)建棄渣場(chǎng)；（4）棄渣場(chǎng)的選址，應(yīng)征詢當(dāng)?shù)赜嘘P(guān)林業(yè)、水利以及環(huán)保等部門的意見，并獲得相關(guān)的法律程序。

2 棄渣場(chǎng)典型設(shè)計(jì)

結(jié)合甘肅黃土高原的一條公路棄渣場(chǎng)，采用溝槽式設(shè)計(jì)棄渣場(chǎng)，上游0.35 km2，溝底比降0.16，占地2.19 hm2，最大堆渣高度為70 m，堆渣每8 m高設(shè)1級(jí)平臺(tái)，平臺(tái)寬3～15 m，共分級(jí)8平臺(tái)，頂部平臺(tái)設(shè)5%的排水坡。堅(jiān)持“開發(fā)、保護(hù)、破壞、治理”的方針，遵循“綜合治理、優(yōu)化生態(tài)以及突出重點(diǎn)”的原則。在棄渣區(qū)進(jìn)行表土剝離，坡腳設(shè)置擋渣墻，整平碾壓場(chǎng)地后在溝底中央位置挖槽布設(shè)盲溝，渣場(chǎng)外圍布設(shè)排水溝，攔截及排除坡面匯水，在排水溝出口設(shè)置消力池消能緩沖，為保證上游來(lái)水經(jīng)消力后不再對(duì)下游溝道造成侵蝕，在消力池尾部增加尾水排水溝；為防止雨水沖刷坡面，在平臺(tái)內(nèi)側(cè)布設(shè)平臺(tái)排水溝；棄渣結(jié)束后進(jìn)行土地整治，并于渣面布設(shè)10 m×10 m田字格狀攔水埂，方格內(nèi)種植喬灌草混交林，坡面撒播種草，恢復(fù)植被，渣面平臺(tái)布設(shè)喬灌草混交林，綠化環(huán)境。

2.1 堆渣方式

（1）棄渣前先清除棄渣場(chǎng)底部地表植被，若地面縱坡＞1：4，需要先挖出臺(tái)階，且保證臺(tái)階寬度不小于6 m；棄渣前先在溝底中央位置挖槽設(shè)置盲溝，以便將溝內(nèi)流水排出，在坡腳設(shè)置C20混凝土擋渣墻，擋渣墻施工時(shí)應(yīng)做好地基處理，每隔10～15 m設(shè)置一道2～3 cm的伸縮縫，填塞的深度不小于15 cm。

（2）棄渣過(guò)程中棄渣要求自擋墻從溝底向上分層填筑并攤鋪碾壓，最大層厚不超過(guò)1.0 m，基底及基底以上每填土5 m進(jìn)行強(qiáng)夯補(bǔ)強(qiáng)處理，壓實(shí)度需在85%以上，嚴(yán)禁從溝頂傾側(cè)棄渣，棄渣分級(jí)高度每級(jí)不得大于10 m。

2.2 工程等級(jí)及防洪標(biāo)準(zhǔn)

結(jié)合《水土保持工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB51018－2014）的相關(guān)規(guī)定與要求，設(shè)計(jì)棄渣場(chǎng)堆渣47.04萬(wàn)m3（松方），總渣土層70 m，根據(jù)不同的運(yùn)用工況，其抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)、抗傾覆安全系數(shù)以及擋渣墻界別也有所不同，擋渣墻穩(wěn)定安全系數(shù)與排洪工程洪水標(biāo)準(zhǔn)取值分別如表1和表2所示。

表1 擋渣墻穩(wěn)定性安全系數(shù)表

表2 排洪工程洪水標(biāo)準(zhǔn)取值表

2.3 擋渣墻防護(hù)設(shè)計(jì)

棄渣應(yīng)遵循“先攔后棄”的原則，首先在棄渣場(chǎng)下游處設(shè)置重力式擋渣墻，擋渣墻為C20混凝土，墻體高度為4 m，頂部與底部寬度分別為2.2 m與3.35 m，內(nèi)坡比為1：1.015，外坡比為1：0.25。

圖1 擋渣墻大樣圖

根據(jù)棄渣場(chǎng)施工圖，建立擋渣墻安全穩(wěn)定計(jì)算模型（見表3），采用理正巖土6.5計(jì)算擋渣墻的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及穩(wěn)定性分析，棄渣場(chǎng)擋渣墻滿足穩(wěn)定性要求。

表3 擋渣墻穩(wěn)定性計(jì)算表

2.4 棄渣場(chǎng)排水設(shè)計(jì)

（1）盲溝。棄渣場(chǎng)施工時(shí)在溝底中央部位建設(shè)盲溝，以便將溝內(nèi)流水排出。盲溝開挖斷面為梯形，底寬1 m，深0.75 m，坡比為1:1，溝內(nèi)填筑卵礫石，上部鋪設(shè)滲水土工布。

（2）截水溝。洪峰流量計(jì)算公式如式（1）所示：

式中：F為山坡集水面積，單位為km2；i為平均1h暴雨強(qiáng)度，單位為mm/h；Q洪為洪峰流量，單位為m3/s；k為徑流系數(shù)。

暴雨強(qiáng)度計(jì)算公式如式（2）所示：

式中：i為平均1h暴雨強(qiáng)度，單位為mm/h；Kp為模比系數(shù)；H0t為暴雨量均值，單位為mm/h。

查《甘肅省暴雨洪水圖集》得出i值，如表4所示。

表4 i值計(jì)算表

棄渣場(chǎng)地周邊是一片起伏的丘陵地帶，其徑流量系數(shù)為0.6。在棄渣場(chǎng)的上游，含棄渣場(chǎng)的區(qū)域?yàn)?.35 km2，右邊的匯水面積最大，約0.2 km2，用它來(lái)計(jì)算洪水的最大面積，如表5所示。

表5 洪峰流量計(jì)算表

根據(jù)計(jì)算成果，棄渣場(chǎng)截水溝斷面采用梯形排水溝，截水溝斷面面積表達(dá)式如式（3）所示。

式中 A為過(guò)水?dāng)嗝婷娣e；i為底坡比降；R為水力半徑，單位為m；C為謝才系數(shù)；

按上式進(jìn)行計(jì)算，設(shè)計(jì)斷面過(guò)水能力如表6所示。

表6 設(shè)計(jì)斷面過(guò)水能力計(jì)算表

（3）消力池設(shè)計(jì)。根據(jù)《水土保持工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB51018-2014），截排水溝末端修建消力池消能緩沖，防止洪水沖蝕溝床。消力池?cái)嗝娌捎檬剑?）計(jì)算。

式中：d為消力池設(shè)計(jì)深（m）；h1為水躍第一共軛水深 即h1=h0；h2為水躍第二共軛水深（m）；h下為下游水深（m）；b為上游進(jìn)水口渠寬（為排水溝口寬）。

消力池長(zhǎng)度L=（3～5）×h2，取L=5h2；

經(jīng)計(jì)算結(jié)果，消力池長(zhǎng)2.5 m，寬1 m，深0.5 m。

（4）平臺(tái)排水溝。為防止雨水沖刷坡面，在平臺(tái)內(nèi)側(cè)布設(shè)矩形混凝土排水溝，尺寸0.3 m×0.3 m。

（5）尾水排水溝。為保證上游來(lái)水經(jīng)消力后不再對(duì)下游溝道造成侵蝕，在消力池尾部增加尾水排水溝，并做好與原有溝道的銜接，每座消力池后設(shè)矩形混凝土尾水排水溝，尺寸0.6 m×0.6 m矩形。

2.5 植物措施

棄渣完畢后對(duì)渣頂進(jìn)行平整，在渣頂、坡面上覆蓋30 cm厚表土，并布設(shè)田字格狀攔水埂，對(duì)棄渣場(chǎng)頂部采用喬灌草綜合綠化，對(duì)棄渣場(chǎng)及坡面進(jìn)行了灌草與綠化。喬木選用刺槐，采取穴式整地栽培，每株地徑2 cm，高1 m，株行距為2 m×2 m栽植喬木2 925株；灌木選擇紫穗槐，苗高50 cm，根系20 cm，渣頂和平臺(tái)株行距為1 m×2 m，人工栽植灌木為9 750株，撒播草籽總面積為1.95 hm2，草種選用紫花苜蓿，播種量30 kg/hm2，棄渣場(chǎng)植物措施數(shù)量如表7所示。

表7 棄渣場(chǎng)植物措施數(shù)量表

3 棄渣場(chǎng)施工方案要點(diǎn)

（1）在棄渣之前，先清除渣場(chǎng)表面的土壤，然后集中臨時(shí)堆放，閉庫(kù)后需要對(duì)渣場(chǎng)頂部進(jìn)行土地整治，整治后進(jìn)行綠化。

（2）為了保證下游工程安全，需要規(guī)劃排水措施，做好臨時(shí)排水，降低水土流失。

（3）棄渣由下至上分層，分層壓實(shí)，各層棄渣的厚度控制在1 m以下，棄渣高度大于10 m設(shè)置一個(gè)平臺(tái)，平臺(tái)的寬度不小于3 m，棄渣邊坡比不小于1 : 2。

（4）棄渣完成后，及時(shí)修筑排水工程，防止雨水沖刷。

（5）植物措施所用樹（草）種優(yōu)先采用鄉(xiāng)土物種，以提高植被成活率和適應(yīng)性。

4 結(jié)語(yǔ)

棄渣場(chǎng)是公路工程的重要組成部分[5]，其選址及水土保持措施設(shè)計(jì)非常重要，如果處理不當(dāng)，不僅會(huì)對(duì)工程的本身安全造成隱患，也會(huì)對(duì)地方環(huán)境造成不良影響。棄渣場(chǎng)外業(yè)勘探選址時(shí)應(yīng)在考慮環(huán)水保、安全因素的前提下，應(yīng)盡量選擇在交通便利、對(duì)下游影響較小的溝谷中，同時(shí)必須征求地方自然資源、生態(tài)環(huán)境、水利、林草等相關(guān)部門的意見[6]；棄渣場(chǎng)水土保持措施設(shè)計(jì)要安全經(jīng)濟(jì)可靠；施工過(guò)程必須按照設(shè)計(jì)要求和程序嚴(yán)格控制。