鐵路工程溝道棄渣場選址及工程措施布設(shè)分析

王冠琪

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津 300251)

鐵路工程溝道棄渣場選址及工程措施布設(shè)分析

王冠琪

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津 300251)

溝道棄渣是鐵路工程中常見的棄渣方式，在實(shí)際施工中，棄渣場選址不合理、防護(hù)措施不到位的現(xiàn)象仍不在少數(shù)，文章根據(jù)實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)，詳細(xì)論述了溝道棄渣場的選址要點(diǎn)及工程措施設(shè)計(jì)，為溝道棄渣場提供借鑒。

鐵路； 溝道； 棄渣場

溝道棄渣場是鐵路工程中最常見的棄渣場類型之一，尤其是建在山丘區(qū)的高速鐵路工程，由于受曲線半徑制約，橋隧比例較大，施工中產(chǎn)生大量棄渣，除線路縱向調(diào)配及其他工程利用外，大多棄于附近溝道內(nèi)。棄渣場位置選擇不當(dāng)、棄渣方式不正確及防護(hù)措施不到位都會(huì)影響棄渣場穩(wěn)定，甚至造成巨大生命財(cái)產(chǎn)損失。筆者根據(jù)實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)，分析鐵路工程溝道棄渣場選址及防護(hù)措施布設(shè)，以期為相關(guān)研究提供借鑒。

1 溝道棄渣場選址原則

根據(jù)《開發(fā)建設(shè)項(xiàng)目水土保持技術(shù)規(guī)范》(GB 50433-2008)，關(guān)于溝道棄渣，主要有以下幾條限制性因素：(1)不得影響周邊公共設(shè)施、工業(yè)企業(yè)、居民點(diǎn)等的安全；(2)禁止在對重要基礎(chǔ)設(shè)施、人民群眾生命財(cái)產(chǎn)安全及行洪安全有重大影響的區(qū)域布設(shè)棄土(石、渣)場；(3)不宜布設(shè)在流量較大的溝道，否則應(yīng)進(jìn)行防洪論證；(4)在山丘區(qū)宜選擇荒溝、凹地、支溝。

從上述限制性因素中可以看出，對于溝道棄渣場，選址應(yīng)綜合考慮以下幾方面因素：(1)渣場下游近距離內(nèi)不得有工礦企業(yè)、居民點(diǎn)，以防渣場不穩(wěn)定造成潰壩、坍塌，對生命財(cái)產(chǎn)造成損失；(2)棄渣溝道應(yīng)該選擇流量不大的荒溝、支溝，不宜選擇流量較大的溝道，以防洪水沖垮攔擋設(shè)施，造成潰壩。

2 溝道棄渣場類型

溝道棄渣根據(jù)堆渣位置及方式主要分為以下幾種形式：

(1)攔溝型棄渣場。顧名思義，攔溝型棄渣場的棄渣方式是橫腰攔在溝道上，與溝道來水垂直，阻斷上游來水通道。施工過程中，由于受地形、運(yùn)距等條件的限制，根據(jù)“攔”的位置，又可分為溝頭型、溝中型和溝口型棄渣場(圖1～圖3)。

圖1 溝頭型

圖2 溝中型

圖3 溝口型

(2)順溝型棄渣場。棄渣堆于溝道兩側(cè)的坡面上，坡腳位置為溝邊。順溝型棄渣場的堆渣方式類似于坡面棄渣(圖4)。

圖4 順溝型

圖5 填溝型

(3)填溝型棄渣場。利用棄渣將整條溝道填滿，渣頂與周圍分水嶺高程一致。填溝型棄渣場的堆渣方式類似于溝頭型棄渣場[1](圖5)。

3 溝道棄渣場工程措施布局

棄渣場在棄渣前都要做到“先攔后棄”，即先在渣場下方布置擋渣墻，然后分層堆渣，控制堆渣邊坡，堆渣結(jié)束后，在渣場與山體交匯處布置周邊排水溝，排除山體坡面來水及渣面積水，在每級堆渣平臺內(nèi)側(cè)設(shè)橫向排水溝，與周邊排水溝相接，排除渣體坡面來水，排水溝末端設(shè)沉沙消能設(shè)施。

另外，不同渣場類型的防護(hù)措施又略有不同。溝頭型棄渣場和填溝型棄渣場位于溝道的頂部或者全部填滿溝道，三面為山體，暴雨時(shí)上游洪水對渣場影響較小，可按常規(guī)防護(hù)措施考慮；溝中型棄渣場位于溝道中部，棄渣占據(jù)溝道斷面，滯留上游洪水，因此除了布設(shè)常規(guī)防護(hù)措施外，還必須考慮上游溝道洪水的影響，可通過設(shè)置導(dǎo)流堤、泄水槽或排洪渠，將區(qū)間泄水排泄至攔渣壩的溢洪道，進(jìn)而排至下游；溝口型棄渣場位于溝道的出口處，由于整條溝道的洪水都匯集于此，流量較大，除布設(shè)常規(guī)防護(hù)措施外，為保證棄渣及壩體的穩(wěn)定與安全，應(yīng)在攔渣壩的上游修建攔洪壩，同時(shí)應(yīng)通過排水涵洞進(jìn)行地下排洪。順溝型棄渣場堆置在溝道兩側(cè)山體上，設(shè)計(jì)的攔渣壩必須同時(shí)滿足防洪和攔渣的雙重要求并考慮基礎(chǔ)埋深和堤頂安全加高[2-3]。

4 工程措施標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)

在山丘區(qū)修建鐵路，棄渣量較大，在實(shí)際施工中，使用的渣場類型主要是溝頭型和填溝型棄渣場，且選擇的溝道大多為荒溝，既能滿足棄渣數(shù)量，防護(hù)措施也較為簡單，經(jīng)濟(jì)可行。本文就這類渣場的排水溝、擋渣墻設(shè)計(jì)做一詳細(xì)分析。

4.1 排水溝設(shè)計(jì)

4.1.1 清水洪峰流量計(jì)算

根據(jù)《開發(fā)建設(shè)項(xiàng)目水土保持技術(shù)規(guī)范》(GB 50433-2008)中的清水洪峰流量公式計(jì)算坡面洪峰流量。

Q= 0.278KIF

式中：Q為最大洪峰流量(m3/s)；K為徑流系數(shù)；I為相應(yīng)頻率平均1 h降雨強(qiáng)度，(mm/h)；F為山坡集水面積(km2)。

徑流系數(shù)根據(jù)地形地貌及地表物質(zhì)組成來定，一般來講，溝道棄渣場位于山丘區(qū)，根據(jù)《水利水電工程水土保持技術(shù)規(guī)范》，山丘區(qū)徑流系數(shù)取0.60～0.80。平均1 h降雨強(qiáng)度值查找當(dāng)?shù)厮氖謨?；集水面積值通過地形圖量測。

4.1.2 計(jì)算排水溝尺寸

根據(jù)明渠均勻流公式試算排水溝尺寸，要求按該尺寸計(jì)算出來的設(shè)計(jì)流量要大于根據(jù)清水洪峰流量公式計(jì)算出的洪峰流量的一半(因?yàn)樵谠鼒鰞蓚?cè)均設(shè)置排水溝進(jìn)行排水)

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

式中：Qs為設(shè)計(jì)降水的坡面最大徑流量(m3/s)；A為截(排)水溝斷面面積(m2)；V為平均流速(m/s)；C為泄排系數(shù)；R為水力半徑(m)；i為截(排)水溝比降；n為糙率。χ為截(排)水溝斷面濕周(m)；b為截(排)水溝斷面底寬(m)；h為截(排)水溝水深(m)；m為邊坡系數(shù)。

根據(jù)上一步試算出來的排水溝斷面尺寸，溝深加20 cm的安全標(biāo)高，確定出最后的斷面尺寸。

4.2 擋渣墻設(shè)計(jì)

墻型選擇，根據(jù)攔渣數(shù)量、地形地質(zhì)條件等因素確定墻型。主要分為重力式擋渣墻、懸臂式擋渣墻、扶臂式擋渣墻，在鐵路工程溝道棄渣場中，用的最多的是重力式擋渣墻。本文針對重力式擋渣墻設(shè)計(jì)作一詳細(xì)分析。

重力式擋渣墻一般用漿砌塊石砌筑(砂漿強(qiáng)度為M7.5或M10)，依靠自重與基底摩擦力維持墻身穩(wěn)定。適用于墻高小于6 m、地基土質(zhì)條件較好的情況。主要由墻背、墻面、墻頂、基礎(chǔ)組成(圖6)。

圖6 重力式擋渣墻(仰斜式)

(1)墻背。重力式擋渣墻分為仰斜式、垂直式、俯斜式、衡重式。仰斜式墻背通體與渣體邊坡貼合，所受土壓力小，開挖回填量小，墻身斷面面積小，也是鐵路溝道棄渣中最常用的一種形式。但在設(shè)計(jì)與施工中應(yīng)注意墻背的坡度不得緩于1∶0.30，以便于施工。

(2)墻面。在地面橫坡較陡時(shí)墻面坡度一般為1∶0.05～1∶0.20，地面平緩時(shí)一般采用1∶0.20～1∶0.35。

(3)墻頂。漿砌塊石擋墻墻頂寬不小于0.5 m。

(4)基礎(chǔ)處理及其他。

①基礎(chǔ)埋置深度。根據(jù)地質(zhì)條件確定基礎(chǔ)埋置深度，一般應(yīng)在凍土層深度以下，且不小于0.25 m。當(dāng)?shù)刭|(zhì)條件復(fù)雜時(shí)，通過挖探或鉆探確定基礎(chǔ)埋置深度。

②伸縮沉陷縫。根據(jù)地形地質(zhì)條件、氣候條件、墻高及斷面尺寸等，設(shè)置伸縮縫和沉陷縫，防止因地基不均勻沉陷和溫度變化引起墻體裂縫。設(shè)計(jì)和施工時(shí)，一般將二者合并設(shè)置，沿墻線方向每隔10～15 m設(shè)置一道縫寬2～3 cm的伸縮沉陷縫，縫內(nèi)沿內(nèi)、外、頂三邊填塞瀝青麻筋，塞入深度不小于0.2 m。

③清基。施工過程中必須將基礎(chǔ)范圍內(nèi)風(fēng)化嚴(yán)重的巖石、雜草、樹根、表層腐殖土、淤泥等雜物清除。

④墻后排水。墻身露出地面部分，每隔2～3 m上、下、左、右交錯(cuò)設(shè)置泄水孔，坡度4%，泄水孔采用φ10 cm PVC 管，進(jìn)水口處用0.3 m×0.3 m透水土工布(400 g/m2)包裹，最下一排泄水孔高出墻前基坑回填面0.2 m。墻后于墻頂及最下一排泄水孔下設(shè)夯填黏土隔水層，墻后設(shè)砂夾卵礫石反濾層，厚0.3 m[4]。

4.3 穩(wěn)定性分析

根據(jù)《開發(fā)建設(shè)項(xiàng)目水土保持技術(shù)規(guī)范》規(guī)定的要求，需對擋渣墻穩(wěn)定性進(jìn)行分析，要求抗滑、抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)分別不小于1.3、1.5。

4.3.1 抗滑穩(wěn)定性

抗滑穩(wěn)定可用下列公式計(jì)算：

(7)

式中:Ks為最小抗滑安全系數(shù)；W為墻體自重，kN；Pay為主動(dòng)土壓力的垂直分力，Pay=Pasin(δ+ε)，kN；μ為基底摩擦系數(shù)，一般取0.3～0.5；Pax為主動(dòng)土壓力的水平分力，Pax=Pacos(δ+ε)，kN；Pa為主動(dòng)土壓力，kN，Pa=1/2rH2KA；r為棄渣容重；KA為主動(dòng)土壓力系數(shù)，通過水工手冊查詢；δ為墻摩擦角，根據(jù)墻背的粗糙程度及排水狀況，一般取墻后回填土內(nèi)摩擦角的1/3～1/2；ε為墻背傾斜角度。

4.3.2 抗傾覆穩(wěn)定性

擋渣墻在滿足Ks≥1.3的同時(shí)，還須滿足抗傾覆穩(wěn)定性要求。即對擋渣墻基底前趾O點(diǎn)取力矩，采用下列公式計(jì)算：

(8)

式中：Kt為最小安全系數(shù)；Wa為墻體自重W對O點(diǎn)的力矩，kN·m；Payb為主動(dòng)土壓力的垂直分力對O點(diǎn)的力矩，kN·m；Paxh為主動(dòng)土壓力的水平分力對O點(diǎn)的力矩，kN·m；其他符號同前[5]。

5 結(jié)束語

通過以上分析，溝道棄渣場應(yīng)選擇在荒溝、支毛溝等流量較小的溝道內(nèi)，避開地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜、不良地質(zhì)現(xiàn)象嚴(yán)重區(qū)域，且坡度不宜過陡、下游無居民點(diǎn)。棄渣方式盡量選擇溝頭型和填溝型。在渣場設(shè)計(jì)中，注意截排水溝尺寸要滿足行洪要求，擋墻設(shè)計(jì)在滿足穩(wěn)定性分析的基礎(chǔ)上，盡量選擇重力式仰斜擋土墻，達(dá)到經(jīng)濟(jì)、安全、實(shí)用的目的。只有在渣場選址和防護(hù)措施布設(shè)兩方面都做到位，才能保證渣體穩(wěn)定、保證下游安全。

[1] 趙芹，鄭創(chuàng)新. 溝道型棄渣場分類及工程防護(hù)措施分析[J].中國水土保持，2010(4)：38-40.

[2] 張瑞清. 淺談鐵路建設(shè)中棄渣場的合理布設(shè)[J].中國水土保持，2003(2)：25-27.

[3] 楊銳鋒，張建強(qiáng)，耿廣晉，等. 建設(shè)項(xiàng)目工程棄渣場場址選擇及設(shè)計(jì)分析——以“貴(陽)——廣(州)鐵路”為例[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2009，37(27).

[4] 閆英，馮武龍. 擋土墻設(shè)計(jì)的幾點(diǎn)心得體會(huì)[J].廣西水利水電，2003(4)：80-82.

[5] 羅雷，何丙輝. 棄渣場堆渣及擋渣墻穩(wěn)定性分析[J].水土保持應(yīng)用技術(shù)，2006，(5)：35-37.

王冠琪(1990～)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)樗帘３帧?/p>

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[定稿日期]2015-03-04