棄渣場設(shè)計選址問題研究綜述

(重慶交通大學(xué)土木工程學(xué)院 重慶 400074)

一、前言

我國正處于基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的高峰時期，棄渣場廣泛使用于山區(qū)公路、鐵路、水利和采礦工程等一系列工程實際中。由于相關(guān)的行業(yè)規(guī)范、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)不夠成熟，以及缺乏有力的監(jiān)管體系，從調(diào)查中發(fā)現(xiàn)我國已使用的和大部分正在使用或正在修建的棄渣場均缺少科學(xué)的指導(dǎo)，設(shè)計中重視棄渣場選址的成本和便捷性，卻忽略棄渣場設(shè)計選址的安全性和環(huán)保性。不僅大比例占用基本農(nóng)田，林地和湖泊，而且還污染環(huán)境，浪費資源，甚至?xí)l(fā)生渣場垮塌。嚴(yán)重影響渣場的正常使用和周圍環(huán)境，給棄渣場后期的運營和維護工作增加了巨大的經(jīng)濟負擔(dān)和安全危機。為實現(xiàn)棄渣場的可持續(xù)發(fā)展，改善棄渣場現(xiàn)存的問題，促進棄渣場行業(yè)管理和監(jiān)督的提高，讓棄渣場選址變得更加科學(xué)化，經(jīng)濟化，環(huán)?；鑼壴鼒鲈O(shè)計選址問題進行研究。

二、研究現(xiàn)狀

(一)基于結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的棄渣場設(shè)計選址研究。因棄渣場堆積不當(dāng)造成的邊坡失穩(wěn)問題已經(jīng)屢見不鮮，同時還伴隨著一系列的次生災(zāi)害，為解決這些問題，國外的很多專家學(xué)者對棄渣場結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、渣體材料和渣體的堆積形式都做了相關(guān)的研究并取得了一系列的成果。Pata等認為棄渣的粒徑大小對棄渣場穩(wěn)定性有不同的影響，粒徑的大小和比例在較穩(wěn)定的區(qū)域時，棄渣場結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，而大粒徑土過多，棄渣場穩(wěn)定性差，小粒徑的粘土過多會產(chǎn)生泥石流的問題。從選擇堆積位置方面，Grier等認為最好的棄渣位置為天然洼地地形區(qū)域，并可以平整為施工場地。

目前我國關(guān)于棄渣場穩(wěn)定性方面的研究較少，大多以某具體棄渣場工程項目為實例對棄渣場的基本情況、棄渣體物理力學(xué)性質(zhì)以及防護工程形式等方面進行穩(wěn)定性分析和研究。王龍飛[1]通過對棄渣物理性質(zhì)的分析，從環(huán)保的角度對棄渣場綜合利用過程中的施工技術(shù)進行了闡述。譚鵬[2]通過數(shù)值模擬分析，得出棄渣場失穩(wěn)破壞機理，根據(jù)試驗結(jié)果，提出不同利用類型棄渣場的壓實控制標(biāo)準(zhǔn)。謝來發(fā)[3]通過分析不同植物生長特性及棄渣的類型得出棄渣場植被恢復(fù)最小覆土厚度建議值。

(二)基于水土流失的棄渣場設(shè)計選址研究。歐美發(fā)達國家在19世紀(jì)后期就已認識到土壤侵蝕現(xiàn)象與水土流失的關(guān)系，并對土壤侵蝕機理進行研究。Musgrave在他的研究中發(fā)現(xiàn)水對于土壤的侵蝕程度與降雨的特性有密切的關(guān)系，并得到了兩者的方程；Zingg等認為坡面角度對侵蝕具有一定影響，并得到坡面角度具有一個臨界點57°。Artley在人工降雨條件下對煤礦開發(fā)擾動進行研究，分析了在多因素下土壤侵蝕狀況。美國在70年代利用現(xiàn)代計算機技術(shù)來進行建模分析，得到通用土壤流失預(yù)報方程，在棄渣場的土壤流失量計算、環(huán)境評價、荒地開墾中得到廣泛應(yīng)用。借助這些預(yù)測模型，發(fā)達國家開始進行公路邊坡的防護、棄渣場的水土保持和生態(tài)恢復(fù)工作，并取得了較好的效果。

目前我國對于棄渣場的水土流失方面的研究較多，其中主要是關(guān)于形成機理、侵蝕形式及徑流分散。棄渣場的侵蝕現(xiàn)象主要分為兩種：水對棄渣體平臺的侵蝕，水對棄渣體斜坡的侵蝕。對于平臺多表現(xiàn)為塌陷和裂縫現(xiàn)象，水通過裂縫或塌口進入棄渣體，造成渣體失穩(wěn)破壞，嚴(yán)重時可能導(dǎo)致滑坡泥石流[4]。對于斜坡的侵蝕，由于渣體的松散，水很容易侵蝕進入到棄渣體中，以至于更容易發(fā)生斜坡瀉溜等侵蝕形式[5]。棄渣場土壤侵蝕主要與降雨、防護措施、堆放時間、地表物質(zhì)組成等有關(guān)系。棄渣材料組成對水土流失的影響也不盡相同，礫石，塊石組成的棄渣場水土流失情況較嚴(yán)重；沙石，土壤組成的棄渣場由于渣體密實度較高而有效阻止了水土的流失。

三、發(fā)展中遇到的問題與前景展望

(一)存在問題。盡管目前國內(nèi)外對于棄渣場設(shè)計選址問題中的穩(wěn)定性和水土流失方面有一定的研究，但是對于棄渣場設(shè)計選址問題的具體評價體系，技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)方面的研究還嚴(yán)重不足，且設(shè)計時無統(tǒng)一規(guī)范，大多參考其他行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，無論從技術(shù)角度還是從管理角度都存在以下幾個問題：

1)棄渣場選址尚無成熟的標(biāo)準(zhǔn)。目前關(guān)于棄渣場的選址規(guī)劃方法的研究實用性較差，對設(shè)計人員經(jīng)驗的依賴性過高，對于規(guī)劃棄渣場選址的方法存在局限性和片面性，開展的系統(tǒng)性研究還很少，且已有研究也僅是在水土保持方案中涉及，對于棄渣場的選址規(guī)劃基本都是結(jié)合某一具體工程實際來做研究，但幾乎沒有一個適用于絕大多數(shù)棄渣場選址問題的參考標(biāo)準(zhǔn)和評價體系。

2)缺乏設(shè)計施工的技術(shù)參數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)。山區(qū)公路棄渣場攔擋、截排水工程設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)與參數(shù)簡單地參照路基工程，主要設(shè)計參數(shù)以及防洪標(biāo)準(zhǔn)的確定方法和計算公式缺乏系統(tǒng)研究與統(tǒng)一規(guī)范，導(dǎo)致公路棄渣場施工中經(jīng)常出現(xiàn)容量不足、攔擋與截排水工程防洪標(biāo)準(zhǔn)低、棄渣場穩(wěn)定性差等問題。而在棄渣場施工中，行業(yè)內(nèi)尚未研究確立棄渣場施工控制標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致棄渣場施工監(jiān)控缺乏依據(jù)，實際施工處于無序狀態(tài)。

(二)解決方法。在以后的發(fā)展和研究中，希望能通過以下幾方面的研究來得到上面所提及問題的解決方法。

1)棄渣場選址規(guī)劃。在綜合考慮棄渣場的地質(zhì)地貌、可容納棄渣量、棄渣場地規(guī)模、運距、經(jīng)濟效益、社會效益、環(huán)境效益等基礎(chǔ)上，參考其他類似工程選址規(guī)劃理論及模型，如礦山棄渣場、冶金尾礦庫、工業(yè)及民用建筑棄渣等選址評價的研究成果，建立一套科學(xué)、可行的評價模型，并通過GIS技術(shù)[5,6]建模對其可行性進行詳細分析，總結(jié)不同地形，不同模型下的棄渣場數(shù)據(jù)，得到棄渣場選址的一般方法和適用于絕大多數(shù)棄渣場項目的具體選址參考原則。

2)施工風(fēng)險因素分析和施工控制研究

①棄渣場施工風(fēng)險因素分析。根據(jù)查閱文獻和挖掘棄渣場事故案例的風(fēng)險因素，如渣體性質(zhì)、渣體容量、邊坡控制、平臺控制、土石方調(diào)配、作業(yè)順序、地基處理、滲水、降雨、地震、施工現(xiàn)場組織等，結(jié)合實際情況，進行施工風(fēng)險的綜合分析，提出并優(yōu)化控制指標(biāo)，建立合理的評價模型，采取相應(yīng)措施降低施工風(fēng)險。

②關(guān)鍵部位施工控制方法。針對山區(qū)棄渣場大多以自然傾倒、松散堆渣且壓實度小甚至無壓實、渣體粒徑不均勻性的情況，以棄渣場的關(guān)鍵部位(平臺、坡腳、坡頂)為對象，將土石方工程、攔擋工程、護坡工程和截排水工程等的施工列為控制重點展開相關(guān)研究。

四、結(jié)論

本文介紹了目前棄渣場設(shè)計選址的相關(guān)研究情況，提出了在設(shè)計、選址和施工中存在的問題和可行解決辦法，為未來能完整提出棄渣場設(shè)計選址評價體系和設(shè)計規(guī)范確定了必要的基礎(chǔ)，最終達到使棄渣場建設(shè)符合安全、適用、耐久、經(jīng)濟、環(huán)保的原則，促進棄渣場行業(yè)建設(shè)和監(jiān)管水平的進步，在提高棄渣場安全性的同時能科學(xué)合理地規(guī)劃其選址，實現(xiàn)合理配置資源資金和保護環(huán)境的目的。