生產(chǎn)建設(shè)項目棄土堆置體的類型與特征

趙暄，謝永生，2?，景民曉，劉曉玉，徐健

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，712100，陜西楊凌;2.中國科學(xué)院水利部水土保持研究所，712100，陜西楊凌;3.長慶油田公司土地管理處，710018，西安)

隨著我國社會經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，綜合國力不斷增強(qiáng)，大型水利水電工程、礦產(chǎn)資源開發(fā)工程、公路鐵路交通運輸工程、輸油輸氣工程、工業(yè)與民用建筑工程等各類生產(chǎn)建設(shè)項目星羅棋布，工程建設(shè)規(guī)模大、數(shù)量多。生產(chǎn)建設(shè)項目不僅對原生下墊面造成破壞、擾動，而且在工程建設(shè)過程中由于受挖填方的施工時段、材料質(zhì)量、標(biāo)段劃分、運距等諸多因素的影響，不可避免地產(chǎn)生大量的棄土棄渣［1-3］，由此產(chǎn)生的水土流失強(qiáng)度高、范圍廣、危害大，嚴(yán)重危及人類賴以生存的水土資源和自然環(huán)境，給社會發(fā)展、生態(tài)安全以及人民群眾的生產(chǎn)生活帶來威脅;然而生產(chǎn)建設(shè)項目工程擾動下墊面與原生下墊面條件下的水土流失存在明顯差異，表現(xiàn)出與傳統(tǒng)原生下墊面條件下不同的水土流失內(nèi)在機(jī)制與外部特征，造成的人為水土流失危害已得到全社會和各級政府的廣泛重視和關(guān)注。

棄土堆置體坡面的侵蝕特征主要由下墊面狀況和降雨情況控制，下墊面狀況主要表現(xiàn)在坡面物質(zhì)組成、坡度、坡長等方面，然而棄土堆置體的堆置施工方法、施工機(jī)械設(shè)備、堆置體形態(tài)等對下墊面的坡度、坡長有著直接影響。許多專家學(xué)者［4-6］對生產(chǎn)建設(shè)項目產(chǎn)生人為棄土的侵蝕特征和水土流失量進(jìn)行了卓有成效的實驗研究，采用的研究方法主要為現(xiàn)場原位實驗和室內(nèi)模擬實驗;然而現(xiàn)場原位實驗由于受實驗成本高、堆置體堆積位置難以設(shè)置實驗觀測工作面等因素的制約存在較大局限性，因此，利用室內(nèi)模擬降雨研究人為棄土的侵蝕特征和侵蝕量因具有可控的實驗環(huán)境、實驗操作便捷等優(yōu)勢成為主流的實驗方法。但是，目前在對生產(chǎn)建設(shè)項目人為棄土堆置體進(jìn)行室內(nèi)降雨實驗時，采用的下墊面模型多用實驗土槽裝填，然而野外實際棄土堆置體大小尺寸不同，形態(tài)各異，且為三維立體結(jié)構(gòu);正是由于這樣的立體結(jié)構(gòu)，在土石比較小時可能發(fā)生淺層水土流失甚至堆置體體內(nèi)水土流失，用實驗土槽的方法進(jìn)行模擬可能存在水土流失量計量不準(zhǔn)確等問題。

鑒于上述情況，筆者廣泛調(diào)查不同地形地貌、不同土壤類型各類生產(chǎn)建設(shè)項目，針對棄土堆置體的多樣性和復(fù)雜性，探究各類生產(chǎn)建設(shè)項目棄土堆置體在堆置方法、堆置形態(tài)方面的共性，制訂棄土堆置體的分類體系，為確定室內(nèi)模擬實驗下墊面仿真模型提供參考和依據(jù)。

1 影響棄土堆置類型的因素

由于棄土棄渣堆置作業(yè)采用機(jī)械設(shè)備與堆置方法的差異，加之不同生產(chǎn)建設(shè)項目擾動土體形式及產(chǎn)生棄土棄渣巖土性質(zhì)不同，造成人為棄土堆置類型復(fù)雜多樣。影響棄土堆置類型的因素主要包括生產(chǎn)建設(shè)項目類型、地理位置和堆置機(jī)械動力及施工組織方法等方面。

1.1 生產(chǎn)建設(shè)項目類型

經(jīng)人為擾動后的工程棄土作為生產(chǎn)建設(shè)項目水土流失重要的溯源地，對土壤侵蝕量有著巨大的貢獻(xiàn)作用。由于不同生產(chǎn)建設(shè)項目擾動地面情況及棄土堆置形式存在很大差異，如公路鐵路工程、輸油輸氣管線工程等多沿施工作業(yè)面形成線狀棄土堆置體，而水利水電工程、工業(yè)廠房與民用建筑工程等多形成點狀或面狀棄土堆置體，不同的棄土堆置類型表現(xiàn)出的侵蝕形式、侵蝕形態(tài)亦有所不同，它可能是點、線、片、帶、塊、面中的1種或多種形式的組合［7］。

1.2 生產(chǎn)建設(shè)項目地理位置

位于不同地形地貌及土壤類型區(qū)的生產(chǎn)建設(shè)項目，因工程地質(zhì)情況及土壤類型不同，造成工程建設(shè)產(chǎn)生的人為棄土物質(zhì)組成差異巨大，一般棄土堆置體粗顆粒質(zhì)量含量大、粒徑大、巖質(zhì)硬，則內(nèi)摩擦角較高，內(nèi)部穩(wěn)定性相對較好;棄土堆置體細(xì)顆粒質(zhì)量含量大、粒徑小、巖質(zhì)軟弱，則內(nèi)摩擦角低，內(nèi)部穩(wěn)定性較差［8］，棄土堆置體的堆置高度、坡面長度與堆置體內(nèi)部穩(wěn)定性成正比。

1.3 堆置機(jī)械動力及施工組織方法

形成棄土堆置體的機(jī)械動力與堆置施工方法對堆置體的外部形態(tài)有著直接的影響作用。堆置方法可概括為單層堆置和多層堆置，一般當(dāng)工程棄土量較小或為臨時棄土?xí)r采用單層堆置，此類堆置方法形成的堆置體高度、坡長與堆置作業(yè)使用機(jī)械設(shè)備的卸載高度緊密相關(guān)。一般當(dāng)棄土方量較大且堆置場地面積有限時采用多層堆置，即將堆放至自然基底的棄土碾壓夯實，增加堆置體的整體穩(wěn)定性后在土體平臺或邊坡上疊加堆置，此類堆置方法易形成大體積、長邊坡的堆置體。

2 調(diào)查區(qū)域

本次調(diào)查涉及的生產(chǎn)建設(shè)項目類型包括公路鐵路工程、礦產(chǎn)資源開發(fā)工程、水利水電工程、工業(yè)廠房與民用建筑工程等;調(diào)查棄土堆置體涉及的土壤類型包括黃土、黑土、褐土、潮土、黃壤、棕黃壤、紅壤等;調(diào)查項目分布于平原、丘陵、土石山區(qū)等多種地貌類型。主要調(diào)查區(qū)域包括:江西紅壤丘陵區(qū)、貴州土石山區(qū)、東北黑土區(qū)、西北黃土區(qū)、黃淮海平原區(qū)，共調(diào)查各類生產(chǎn)建設(shè)項目人為棄土堆置體368座。調(diào)查地區(qū)生產(chǎn)建設(shè)項目棄土堆置體位置概況見圖1，調(diào)查生產(chǎn)建設(shè)項目棄土堆置體來源及分布概況見表1。

表1 調(diào)查生產(chǎn)建設(shè)項目棄土堆置體溯源概況Tab．1 Source of spoilbank source in investigated area

圖1 調(diào)查區(qū)域生產(chǎn)建設(shè)項目棄土堆置體GPS定位圖Fig．1 Location map of spoilbank position in investigated area

3 調(diào)查方法

調(diào)查工作依托正在實施的各類生產(chǎn)建設(shè)項目，根據(jù)工程項目的分布類型采取路線調(diào)查與典型調(diào)查相結(jié)合的方式，對各類線型生產(chǎn)建設(shè)項目采取路線調(diào)查，對各類點型生產(chǎn)建設(shè)項目采取典型調(diào)查。

主要調(diào)查內(nèi)容包括:記錄形成棄土堆置體的工程項目名稱、工程類型、工程地點、經(jīng)緯度坐標(biāo);描述棄土堆置體的堆置位置、堆置形態(tài)、堆置施工方法、形成堆置體的機(jī)械動力等;精確測量堆置體的坡長、坡高、坡度，描繪棄土堆置體的形態(tài)及尺寸簡圖;對棄土堆置體進(jìn)行拍照、攝像，為棄土堆置體類型概化提供影像資料。

人為棄土水土流失的主要影響因素包括:棄土的堆置形態(tài)及位置、棄土的物質(zhì)組成、降雨特性等。本文針對棄土堆置體堆置形式多樣性和復(fù)雜性這一特點，僅對棄土堆置體的類型進(jìn)行初步概化分類，對于影響人為棄土水土流失的其他因素，如坡度、坡長、坡面物質(zhì)組成等，筆者將于另文分析。

4 棄土堆置類型概化

通過對各類生產(chǎn)建設(shè)項目大量的實地調(diào)查發(fā)現(xiàn)，被調(diào)查區(qū)生產(chǎn)建設(shè)項目人為棄土堆置形式復(fù)雜多樣。根據(jù)堆置的機(jī)械作業(yè)施工組織方法和堆置形態(tài)可以概括總結(jié)為散亂錐狀堆置、依坡傾倒堆置、分層碾壓坡頂散亂堆置、線型垅崗式堆置、坡頂平臺有車輛碾壓的傾倒堆置5種基本類型。

4.1 散亂錐狀堆置

此種類型堆置方式(圖2)常見于小型的點式工程，如城市、城鎮(zhèn)、郊區(qū)的中小型房地產(chǎn)開發(fā)工程，企業(yè)廠房等工業(yè)建筑工程。這類工程大多投資少、規(guī)模小、工期短，在工程建設(shè)過程中沒有規(guī)劃固定的棄土棄渣場地，一般多用小型挖掘機(jī)等機(jī)械設(shè)備在施工現(xiàn)場周圍隨意堆置，或者用小型后卸式卡車經(jīng)短途運輸后傾倒堆置，用挖掘機(jī)在施工現(xiàn)場附近堆置的棄土棄渣一般為用作回填使用的臨時堆積。此種堆置方法形成圓底尖頂?shù)臈壨铃F，體積根據(jù)施工機(jī)械或運輸設(shè)備的裝載能力有所不同。堆置基底一般為較平坦的自然地面，邊坡坡度為巖土的自然休止角，休止角度與棄土棄渣的含水率、物質(zhì)組成有著密切關(guān)系［9］。

圖2 散亂錐狀堆置Fig．2 Conical scattered accumulation

4.2 依坡傾倒堆置

此種類型堆置方式(圖3)在開挖隧洞或山區(qū)施工中比較常見，施工中產(chǎn)生的棄土棄渣以裝載機(jī)或后卸式卡車為機(jī)械動力沿山坡坡面自上而下順坡傾倒堆放。以山坡坡面為堆置基底，經(jīng)過傾倒、泄溜、堆積3個過程形成棄土棄渣泄溜坡，當(dāng)堆置體邊坡坡度小于棄土棄渣的巖土自然休止角時，則停止泄溜保持極限平衡狀態(tài)，經(jīng)實測泄溜區(qū)基底坡度一般大于40°，堆積區(qū)基底坡度多在30°以下。這種類型的堆置體土渣厚度小，呈薄層狀覆蓋在坡面基底上，堆置體坡面物質(zhì)穩(wěn)定性差，易產(chǎn)生瀉溜、滑坡等重力侵蝕。由于潛在的水土流失危害大、對周邊環(huán)境影響較大，一般需要修建擋渣墻等水土保持工程，棄土棄渣堆置成本高，如果有其他的堆置方式應(yīng)當(dāng)先于此法考慮［10］。

圖3 依坡傾倒堆置Fig．3 Dumped along the slope

4.3 分層碾壓坡頂散亂堆置

此種類型堆置方式(圖4)一般多用于中小型的棄土棄渣場，堆置體的基底一般為平坦的自然地面，邊坡坡度為巖土的自然休止角。堆置體的形成過程為先使用后卸式卡車或裝載機(jī)等機(jī)械設(shè)備將棄土棄渣傾倒或堆筑至規(guī)劃場地，此時的堆置體形態(tài)類似于散亂錐狀堆置，為使場地內(nèi)可容納的棄土量增加，再使用裝載機(jī)等機(jī)械設(shè)備將棄土棄渣推平并壓實，然后繼續(xù)在壓實平臺上疊加堆置，重復(fù)作業(yè)直至設(shè)計高程，最高一級平臺上不進(jìn)行碾壓或夯實處理而是保持自然堆置的散亂錐狀。堆置體高度與棄土棄渣土壤性質(zhì)、含水率、物質(zhì)組成有著直接關(guān)系，考慮到堆置體邊坡的穩(wěn)定性，堆置高度一般不宜過高，在本次調(diào)查中使用本法堆置的最大高度為9 m，出現(xiàn)于貴州天門沙水庫下游左岸棄土場。

圖4 分層碾壓坡頂散亂堆置Fig．4 Layered compaction andscattered accumulation on the top of slope

4.4 線型垅崗式堆置

此種類型堆置方式(圖5)常見于呈線性分布的工程，如公路、鐵路建設(shè)工程，地下管線布設(shè)工程，渠道開挖工程等，其中公路、鐵路建設(shè)工程由于工程級別高、投資大，一般在不同標(biāo)段規(guī)劃有指定的棄土棄渣場。地下管線布設(shè)工程、渠道開挖工程施工時常使用挖掘機(jī)等機(jī)械設(shè)備視棄土方量的大小沿開挖面單側(cè)或雙側(cè)就地堆放，形成人為線型垅崗地貌。堆置體的高度與開挖深度成正比，堆置體物質(zhì)組成與地質(zhì)結(jié)構(gòu)、土壤類型、挖深有關(guān)。地下管線布設(shè)工程施工所產(chǎn)生的棄土棄渣一般為臨時棄土，在工程修建完畢后基本可以全部回填;因此，在施工過程中要求開挖表土集中堆放，同時應(yīng)對棄土棄渣及時采取平整、碾壓、排水、削坡、覆蓋、攔擋等臨時水土保持措施［11］。

圖5 線型垅崗式堆置Fig．5 Dumped accumulation in strips

4.5 坡頂平臺有車輛碾壓的傾倒堆置

此種類型堆置方式(圖6)在大型點式工程的施工過程中比較常見，如水利水電工程、礦產(chǎn)資源開發(fā)工程等。該類型的生產(chǎn)建設(shè)項目由于工程規(guī)模大、工期長、施工地點集中，在局部產(chǎn)生的棄土棄渣方量巨大。棄土棄渣的堆置過程類似于分層碾壓坡頂散亂堆置，不同的是堆置體坡頂經(jīng)過車輛碾壓夯實且使用施工機(jī)械的裝載、壓實能力更強(qiáng)，一般采用載質(zhì)量為154～190 t的后卸式卡車傾倒棄土，配合大型輪胎式331 kW推土機(jī)平整，經(jīng)強(qiáng)力壓實后的棄土平臺土壤密度增大、滲透性降低，是徑流的主要策源地。棄土平臺一般以面蝕為主要侵蝕形式，但當(dāng)棄土物質(zhì)組成級配較差或為濕陷性土壤時可能發(fā)生不均勻沉陷和裂縫，徑流通過沉陷和裂縫處侵入土體內(nèi)部，可能產(chǎn)生淺層水土流失，甚至造成堆置體邊坡失穩(wěn)崩塌或發(fā)生泥石流;因此，為增加堆置體邊坡的穩(wěn)定性和滿足運輸機(jī)械的通行要求，棄土棄渣堆置體自下而上被分成若干級別，形成壓實平臺與松散邊坡組合的獨特人為地貌。

圖6 坡頂平臺有車輛碾壓的傾倒堆置Fig．6 Rolling compaction by construction machinery at the top of slope

5 棄土堆置現(xiàn)狀與建議

《中華人民共和國水土保持法》［12］中明確規(guī)定:修建鐵路、公路和水利工程，應(yīng)當(dāng)盡量減少破壞植被;廢棄的砂、石、土必須運至水土保持方案中規(guī)定的專門存放地點堆放，不得向江河、湖泊、水庫和專門存放地以外的溝渠傾倒;在鐵路、公路兩側(cè)地界以內(nèi)的山坡地，必須修建護(hù)坡或者采取其他土地整治措施;工程竣工后，取土場、開挖面和棄土堆置體的裸露面，必須植樹種草，防止水土流失。此舉對于規(guī)模大、級別高的生產(chǎn)建設(shè)項目棄土堆放起到了重要的規(guī)范作用;然而在調(diào)查過程中筆者發(fā)現(xiàn)，工程棄土非法隨意傾倒而未采取任何預(yù)防治理措施的情況在偏遠(yuǎn)地區(qū)的中小型工程中很常見，采用的棄土堆置方式多為散亂錐狀堆置和依坡傾倒堆置。人為散亂堆置的棄土堆，松散的堆積在相對緊實且平坦的原地表，增大了水土流失面積的同時堆置體坡面土壤松散且結(jié)構(gòu)性差，抗侵蝕能力顯著降低;而依坡傾倒堆置形成薄層狀堆置體，堆置體受降雨侵蝕的同時還受到堆置體上部來水二相流的沖刷侵蝕，當(dāng)薄層底部產(chǎn)生不透水層時，極易產(chǎn)生堆置體整體的泄溜或滑塌。上述不規(guī)范的棄土堆置行為對生態(tài)環(huán)境、土地資源造成了嚴(yán)重的危害。

很多對比研究［13-15］證明防護(hù)措施對防治生產(chǎn)建設(shè)項目棄土堆置體水土流失具有明顯的作用，因此，各級水行政主管部門應(yīng)擴(kuò)大監(jiān)督執(zhí)法范圍，加強(qiáng)監(jiān)督執(zhí)法力度，嚴(yán)格禁止隨意堆積或傾倒棄土。對已有的棄土堆置體應(yīng)加強(qiáng)治理，根據(jù)堆置體方量及位置采取攔擋、排水、護(hù)坡、覆蓋、植草等便捷、高效、經(jīng)濟(jì)的水土保持措施，最大程度降低水土流失造成的危害。

6 結(jié)束語

生產(chǎn)建設(shè)項目棄土堆置體受到人為擾動的影響具有松散裸露的坡面，復(fù)雜的坡面組成物質(zhì)，與原生下墊面條件存在明顯差異。人為傾倒棄土形成獨特的再塑地貌，增大了水土流失面積與強(qiáng)度，概化生產(chǎn)建設(shè)項目棄土堆置體的類型是對人為棄土堆置體進(jìn)行室內(nèi)人工模擬降雨研究的前提。

針對棄土堆置體堆置形式多樣性和復(fù)雜性這一特點，通過對不同地貌類型、不同土壤類型、不同生產(chǎn)建設(shè)項目類型棄土堆置體的野外實地調(diào)查，依據(jù)棄土的堆置方法和堆置形態(tài)可將棄土堆置體抽象概化為散亂錐狀堆置、依坡傾倒堆置、分層碾壓坡頂散亂堆置、線型垅崗式堆置、坡頂平臺有車輛碾壓的傾倒堆置5類人為堆置微地貌。

本文主要對棄土堆置體的類型按照堆置方法和堆置形態(tài)進(jìn)行概化分類，對于生產(chǎn)建設(shè)項目棄土堆置體下墊面仿真模擬標(biāo)準(zhǔn)化參數(shù)的研究另文分析。

野外調(diào)研過程中得到王文龍研究員的指導(dǎo)及幫助，在此表示感謝。

［1］ 李文銀，王治國，蔡繼清.工礦區(qū)水土保持［M］.北京:科學(xué)出版社，1996:15-52

［2］ 焦居仁.開發(fā)項目水土保持［M］.北京:中國法制出版社，1998:67-93

［3］ 李艷梅，胡兵輝，陳平平.云南省高速公路棄渣場土壤流失特征研究:以昆明—石林高速公路為例［J］.中國水土保持，2011(2):62-64

［4］ 孫虎，唐克麗.城鎮(zhèn)建設(shè)中人為棄土降雨侵蝕實驗研究［J］.土壤侵蝕與水土保持學(xué)報，1998，4(2):29-35

［5］ 郭成久，安曉奇，武敏，等.棄土場侵蝕產(chǎn)沙模擬試驗研究［J］.中國水土保持，2010(3):29-31

［6］ 陳奇伯，黎建強(qiáng)，王克勤，等.水電站棄渣場巖土侵蝕人工模擬降雨試驗研究［J］.水土保持學(xué)報，2008，22(5):1-4

［7］ 王治國，李文銀.開發(fā)建設(shè)項目水土保持與傳統(tǒng)水土保持比較［J］.中國水土保持，1998(10):16-17

［8］ 吳述彧，羅遠(yuǎn)純.對索風(fēng)營水電站壩址區(qū)堆積體勘察設(shè)計的幾點認(rèn)識［J］.地球與環(huán)境，2005，33(B10):523-530

［9］ 王成華，張小剛，闕云，等.粒狀碎屑溜砂坡的形成和基本特征研究:溜砂坡系列研究之一［J］.巖土力學(xué)，2007，28(1):29-35

［10］田育新，李正南，周剛，等.開發(fā)建設(shè)項目借土場、棄渣場的分類、選擇及防治措施布局［J］.水土保持研究，2005，12(2):149-150

［11］張國亮.開發(fā)建設(shè)項目水土保持臨時防護(hù)措施應(yīng)用［J］.中國水土保持，2006(8):10-11

［12］中華人民共和國水土保持法［M］.北京:中國法制出版社，2011

［13］儲小院，張洪江，王玉杰.高速公路建設(shè)中不同類型棄土場的土壤流失特征［J］.中國水土保持科學(xué)，2007，5(2):102-106

［14］唐嫻.公路邊坡植物防護(hù)的水土保持機(jī)理［J］.水土保持研究，2006，13(5):64-65

［15］倪含斌，張麗萍，張登榮.模擬降雨試驗研究神東礦區(qū)不同階段堆積棄土的水土流失［J］.環(huán)境科學(xué)學(xué)報，2006，26(12):2065-2071