高速公路棄渣場設(shè)計淺析

劉 志

（山西省交通科學(xué)研究院，山西 太原 030006）

1 研究背景

由于山區(qū)高速公路地形和地勢的特點，施工過程中產(chǎn)生的棄渣量較大，相應(yīng)地對棄渣場地的需求也較多。設(shè)計過程中，一般會設(shè)計幾處全線集中的棄渣場地，而在實際的施工過程中，也可以充分利用路線旁邊的小沖溝作為棄渣場地。

通過對多條高速公路的實際調(diào)研，發(fā)現(xiàn)在實際施工過程中，由于各種原因，施工場地附近產(chǎn)生的棄渣場地較多，其中有些棄渣場地存在不滿足水土保持相關(guān)要求易造成水土流失現(xiàn)象[1]，有的棄渣場防護(hù)工程不足可能危及道路安全，需要采取相應(yīng)的措施進(jìn)行處理。

本文以某高速公路棄渣場地設(shè)計為背景，對棄渣場地的設(shè)計原則、設(shè)計要求和設(shè)計方法等做了細(xì)致的分析和研究，希望可以為今后類似工程的設(shè)計和施工提供一定的參考。

2 總體設(shè)計

2.1 棄渣場選址設(shè)計一般要求

2.1.1 選址總要求

棄渣場選址應(yīng)貫徹安全性、環(huán)保性、經(jīng)濟(jì)性和合法性原則。

2.1.2 不應(yīng)設(shè)置棄渣場地的情況

a）不應(yīng)在不良地質(zhì)災(zāi)害多發(fā)區(qū)（如滑坡、泥石流、崩塌等）設(shè)置棄渣場。

b）不應(yīng)在侵入河道范圍內(nèi)進(jìn)行棄渣，且棄渣場地應(yīng)遠(yuǎn)離泄洪通道。

c）棄渣場距下游設(shè)施、建（構(gòu)）筑物、危險品存放處等的距離不滿足相關(guān)規(guī)范要求或威脅其安全的。

2.1.3 不宜設(shè)置棄渣場地的情況

a）棄渣場宜遠(yuǎn)離江河、湖泊和水庫管理范圍。

b）棄渣場宜不占或少占林地、耕地。

c）避免在自然保護(hù)區(qū)、文物保護(hù)單位、飲用水及基本農(nóng)田保護(hù)區(qū)等地方設(shè)置棄渣場。

d）棄渣場下游范圍不宜存在加油站、煤氣管道、工業(yè)與民用建筑、居民活動等區(qū)域。

2.2 常見的棄渣場分類及一般處理措施

2.2.1 沖溝型棄渣場

沖溝型棄渣場沿沖溝設(shè)置，一般選擇可利用面積較大的V字形沖溝，多條沖溝交匯時要對區(qū)域排水進(jìn)行調(diào)查，避免影響沖溝排水。同時應(yīng)要求施工時不在棄渣上游因堆渣形成水坑。

2.2.2 坡地型棄渣場

坡地型棄渣場一般沿山體坡面堆渣，堆渣傾角小于山體坡角。該類棄渣場一般需設(shè)置擋渣墻，且須校核填渣后的坡體穩(wěn)定性。

2.2.3 平地型棄渣場

平地型棄渣場是指在平地中央堆棄的棄渣場地，此類棄渣場地一般占地較大，利用率低，一般選取廢棄或難以利用的平地進(jìn)行棄渣。當(dāng)棄渣可以作為路基填料或其他經(jīng)濟(jì)用途時，多采用此類棄渣場。

2.2.4 臨河型棄渣場

臨河型棄渣場地距離河道較近或占用廢棄河道進(jìn)行堆棄。此類棄渣場地須經(jīng)河道等有關(guān)部門批準(zhǔn)，否則不應(yīng)進(jìn)行設(shè)計或施工。

2.2.5 填洼（塘）型棄渣場

填洼（塘）型棄渣場具有可不設(shè)擋渣工程，潛在的水土流失危害小，對周邊環(huán)境影響小等優(yōu)點[2]，但棄渣量小，滿足條件的場地不多。

2.2.6 臨近建構(gòu)筑物棄渣場

此類棄渣場是指渣體下游存在建筑物或構(gòu)筑物的情況，設(shè)計和施工中應(yīng)當(dāng)避免使用此類場地，以免后期發(fā)生影響建筑物安全的不良后果。

3 建（構(gòu)）筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1 擋渣墻

重力式擋渣墻是通過利用擋渣墻自重抵抗墻后土壓力并保持穩(wěn)定的擋土結(jié)構(gòu)，重力式擋渣墻成本低，施工較為簡易。因此，在棄渣場設(shè)計中，一般均采用重力式擋渣墻。

3.1.1 設(shè)計要求

a）本次設(shè)計采用了兩種擋渣墻形式，實際施工中根據(jù)地形、坡高和排水條件綜合選擇合適的擋墻即可，其中，A類擋渣墻墻高4 m，B類擋渣墻墻高5 m，擋渣墻具體尺寸見圖1、圖2。

圖1 A型擋渣墻

圖2 B型擋渣墻

b）擋渣墻主體材料采用漿砌片石，基底承載力不小于200 kPa；擋渣墻尺寸根據(jù)地形起伏按直線變化過渡，并保證擋渣墻基礎(chǔ)的埋置深度。

c）擋渣墻墻體上按照間距1.5 m×1.5 m的梅花型設(shè)置直徑10 cm泄水孔，孔底設(shè)置砂夾碎石反濾排水層；縱向每隔10 m設(shè)置一道伸縮縫。

3.1.2 設(shè)計參數(shù)

設(shè)計重力式擋渣墻時，一般要根據(jù)當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)條件和棄渣性質(zhì)考慮擋渣墻的設(shè)計參數(shù)，本次設(shè)計的一般參數(shù)見表1。

表1 設(shè)計參數(shù)表

3.1.3 擋渣墻穩(wěn)定性計算

a）主動土壓力計算

主動土壓力系數(shù)Ka：

主動土壓力：Ea=0.5γH2Ka；

主動土壓力水平分力：Eat=Easin(α-α0-δ)；

主動土壓力垂直分力：Ean=Eacos(α-α0-δ)；

注：ε為墻背與其垂線的夾角；α為擋渣墻墻背傾角；α0為擋渣墻基底傾角。

c）抗傾覆系數(shù)：

式中：Eax=Easin(α-δ)，Eaz=Eacos(α-δ)，Zg，Zx，Zy分別為與作用力相對應(yīng)的力臂長度。

d）穩(wěn)定性計算結(jié)果。將設(shè)計參數(shù)代入設(shè)計抗滑移和抗傾覆計算公式，可得出擋渣墻的抗滑移系數(shù)、抗傾覆系數(shù)，計算結(jié)果表明，設(shè)計的擋渣墻能夠滿足穩(wěn)定性相關(guān)要求。

表2 擋渣墻穩(wěn)定性計算表

3.2 渣體邊坡

3.2.1 坡體設(shè)計

棄渣結(jié)構(gòu)具有渣體松散、整體穩(wěn)定性差的特點，容易引發(fā)滑坡和坍塌。因此，必須采取消坡措施，并按一定高度對削坡進(jìn)行分級，以減緩邊坡坡度，保證棄渣渣體的穩(wěn)定。

本設(shè)計刷坡坡率采用1∶2設(shè)計，邊坡設(shè)置平臺，平臺高度8 m，寬2 m，設(shè)置平臺后，邊坡綜合坡率為1∶2.5，坡體填土綜合內(nèi)摩擦角一般為30°～35°。

圖3 坡面防護(hù)縱面設(shè)計圖

圖4 坡面防護(hù)平面設(shè)計圖

3.2.2 坡體穩(wěn)定性計算

為了確保渣體的穩(wěn)定性并不產(chǎn)生淺層、深層滑動的情況，須對渣體進(jìn)行穩(wěn)定計算。由于渣體主要是由松散土組成，滑動面近似于平面，因此，采用直線滑動法對其進(jìn)行穩(wěn)定性分析，安全系數(shù)公式為：

按照邊坡填土綜合傾角β選為21.8°，計算得出的Fs值為1.44～1.40＞1.35。設(shè)計的安全系數(shù)滿足相關(guān)規(guī)范的要求。

3.3 截（排）水溝

截水溝是設(shè)置于場地外圍的明溝排水結(jié)構(gòu)，一般在棄渣場外圍不小于5 m的范圍設(shè)置，用于截排渣場外部地表水以防沖刷。

在棄渣場各平臺設(shè)置平臺排水溝以防坡面沖刷，平臺排水溝與急流槽相接并將水排入急流槽，排水溝坡度一般按照不小于3%設(shè)計。

截、排水溝采用漿砌片石砌筑，為保持砌筑結(jié)構(gòu)的整體性，防止產(chǎn)生滲水造成對水溝基礎(chǔ)的破壞，在水溝下部設(shè)置砂礫墊層。

圖5 截水溝斷面圖

圖6 排水溝斷面圖

3.4 急流槽

當(dāng)棄渣場地面積較大，匯水較多，截水溝和排水溝排水不能滿足流量需求時，可設(shè)置急流槽解決棄渣場所處區(qū)域性的匯水。急流槽坡度與棄渣體坡度相同，急流槽斷面形式見圖7，急流槽斷面泄洪能力為11 m3/s。

因急流槽筑在棄渣體上，為防止渠道基礎(chǔ)的不均勻沉降，渠道每隔15 m設(shè)一道沉降伸縮縫，縫內(nèi)填塞瀝青麻絮，并用瀝青封口。為防止急流槽底部墻趾受沖刷，在擋渣墻墻趾外一定范圍設(shè)置漿砌片石鋪砌。

圖7 急流槽設(shè)計圖

3.5 坡面綠化

棄渣場待棄渣完成后需進(jìn)行場地平整、覆土，并采用一定的綠化措施進(jìn)行坡面處理，從而實現(xiàn)對渣體坡面生態(tài)植被進(jìn)行恢復(fù)的效果。堆渣后的棄渣坡面一般采用兩種處理措施，即復(fù)耕種地農(nóng)作物和種植林木、草地等進(jìn)行綠化。

坡面覆土一般采用新鮮的培植土，并盡可能使用原坡面堆渣前剝離并留存的表層土作為種植土，用于種植低矮灌木時的覆土厚度一般不小于0.8 m，用于植草的覆土厚度一般不小于0.5 m。

邊坡綠化措施應(yīng)根據(jù)渣場所在地區(qū)的氣候條件、渣體坡體本身的地質(zhì)條件、施工器具、施工季節(jié)等因素進(jìn)行綜合考慮。

4 其他注意事項

a）棄渣擋渣墻及放坡坡面范圍內(nèi)的棄渣須碾壓密實，并滿足規(guī)范規(guī)定的壓實度要求。修建防排水設(shè)施時，應(yīng)根據(jù)實際地形進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。

b）棄渣場須嚴(yán)格按照設(shè)計坡率棄填，理順排水，防止上游積水。

c）建議棄渣場外5倍棄渣高度范圍內(nèi)不得有新建工業(yè)、民用建筑等，且須設(shè)置警告標(biāo)志。

d）對于臨近村莊、建構(gòu)筑物或農(nóng)田的棄渣場，應(yīng)書面告知當(dāng)?shù)卮迕窦罢鼒鲆?guī)模、范圍及防治措施，說明渣場潰壩危害，設(shè)專人進(jìn)行定期安全檢查。

5 結(jié)語

棄渣場地在設(shè)計上應(yīng)當(dāng)遵循因地制宜、因勢利導(dǎo)的原則，設(shè)計的棄渣場地應(yīng)最大可能滿足實用性原則，充分利用沿線自然條件，做到精心設(shè)計，合理利用；同時，還要適當(dāng)考慮復(fù)耕、林地、養(yǎng)殖用地等再利用措施。