低山丘陵區(qū)鐵路建設(shè)工程棄渣場(chǎng)水土保持措施設(shè)計(jì)

張春暉

（中國(guó)鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司 機(jī)械動(dòng)力與環(huán)境工程設(shè)計(jì)研究院，天津 300251）

1 概述

隨著國(guó)家生態(tài)文明建設(shè)的大力推進(jìn)，水土保持與生態(tài)保護(hù)工作進(jìn)入新時(shí)代，預(yù)防和治理水土流失受到更廣泛的關(guān)注。鐵路作為國(guó)家重要的基礎(chǔ)設(shè)施和民生工程，在其建設(shè)過(guò)程中受沿線地形地貌、土壤、施工運(yùn)距及交通便利性等條件的限制，土石方的區(qū)間調(diào)配利用難以全部落實(shí)，對(duì)于無(wú)法調(diào)配利用的土石方，需設(shè)計(jì)棄渣場(chǎng)進(jìn)行存放。對(duì)于棄渣場(chǎng)的選址，《中華人民共和國(guó)水土保持法》規(guī)定，棄土(渣)應(yīng)堆放在水土保持方案確定的專門存放地，并采取措施保證不產(chǎn)生新的危害[1]。如果防護(hù)措施設(shè)計(jì)不合理，容易誘發(fā)滑坡、崩塌、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害，通過(guò)實(shí)施棄渣場(chǎng)水土保持措施對(duì)保證棄渣場(chǎng)及其下游的安全、棄渣場(chǎng)的生態(tài)恢復(fù)及復(fù)墾利用等具有重要的意義[2]。綜上，棄渣場(chǎng)水土流失防治是鐵路建設(shè)項(xiàng)目水土流失防治的重點(diǎn)之一。

以遼西北低山丘陵區(qū)的某鐵路建設(shè)項(xiàng)目為例，著重探討低山丘陵區(qū)不同立地條件下的棄土(渣)場(chǎng)水土保持措施，旨在為同類型鐵路建設(shè)項(xiàng)目棄土(渣)場(chǎng)水土保持防護(hù)措施設(shè)計(jì)提供參考。

該鐵路全長(zhǎng)105.603 km，線路由西向東依次經(jīng)過(guò)遼西北低山丘陵區(qū)、山間盆地區(qū)、中低山區(qū)、遼河平原。工程組成主要包括路基工程、橋梁工程、隧道工程、站場(chǎng)工程，其中路基長(zhǎng)度31.067 km，橋梁長(zhǎng)度46.151 km，隧道長(zhǎng)度28.385 km。工程占地834.66 hm2，主體工程共設(shè)置棄渣場(chǎng)49處，棄渣量為1 360.16萬(wàn)m3。

2 棄渣場(chǎng)選址分析

2.1 棄渣場(chǎng)選址原則

根據(jù)《開(kāi)發(fā)建設(shè)項(xiàng)目水土保持技術(shù)規(guī)范》(GB 50433—2008)中相應(yīng)規(guī)定，棄土(渣)場(chǎng)的選址有3條強(qiáng)制性規(guī)定：①棄土(渣)場(chǎng)的設(shè)置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涉及河道的，應(yīng)符合治導(dǎo)規(guī)劃及防洪行洪的規(guī)定，不得在河道、湖泊管理范圍內(nèi)設(shè)置棄土(石、渣)場(chǎng)；③禁止在對(duì)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(chǎng)[3]。

除此之外，棄土(渣)場(chǎng)的選址還應(yīng)考慮以下方面：①棄土(渣)場(chǎng)盡量遠(yuǎn)離水源保護(hù)區(qū)、自然保護(hù)區(qū)、文物保護(hù)區(qū)等敏感區(qū)域；②棄土(渣)場(chǎng)盡量不占或少占農(nóng)田和林地；③棄土(渣)場(chǎng)不宜布設(shè)在匯水面積較大的溝道，否則應(yīng)進(jìn)行防洪論證；④在山丘區(qū)宜選擇凹地、荒溝、支毛溝，平原區(qū)宜選擇凹地、荒地[4]。

2.2 棄渣場(chǎng)適用性分析

2.2.1 凹地型棄渣場(chǎng)

該項(xiàng)目凹地棄渣場(chǎng)是利用取土、采砂、采礦后形成的廢棄凹地。棄渣前需核實(shí)其容量，棄渣量盡量滿足容量要求，棄渣結(jié)束后，棄渣面與周圍平面齊平，以利于后期的恢復(fù)植被或復(fù)耕。

2.2.2 坡地型棄渣場(chǎng)

坡地型棄渣場(chǎng)適用于沿山坡堆放、坡度不大于25°且坡面穩(wěn)定的山坡，多位于溝道兩側(cè)地勢(shì)相對(duì)平坦且開(kāi)闊的臺(tái)地、緩坡地或削坡取土后形成的臺(tái)地。此類型棄渣場(chǎng)水土保持措施防護(hù)重點(diǎn)在于保障渣場(chǎng)自身穩(wěn)定及有效排導(dǎo)坡面上游匯水對(duì)渣場(chǎng)的影響。針對(duì)渣場(chǎng)自身穩(wěn)定性的防護(hù)，宜根據(jù)邊坡高度及坡度、堆渣量等因素在堆渣坡腳處設(shè)置擋渣墻或護(hù)腳護(hù)坡措施。對(duì)于渣場(chǎng)上游及周邊有匯水的，宜根據(jù)匯水面積、渣場(chǎng)級(jí)別及渣場(chǎng)防洪標(biāo)準(zhǔn)等布設(shè)截排水溝。棄渣結(jié)束后，應(yīng)對(duì)棄渣面進(jìn)行土地平整并恢復(fù)原貌或結(jié)合當(dāng)?shù)卣嚓P(guān)規(guī)劃妥善處理。

2.2.3 溝道型棄渣場(chǎng)

溝道型棄渣場(chǎng)是低山丘陵區(qū)最常見(jiàn)的棄渣場(chǎng)類型，優(yōu)先選擇山間不發(fā)育的荒溝、支毛溝，溝底平緩、溝道比降小、匯水面積小、溝道無(wú)明顯沖刷痕跡、下游無(wú)居民點(diǎn)或重要基礎(chǔ)設(shè)施的溝道。同時(shí)，所選溝道應(yīng)充分考慮施工運(yùn)距及交通便利性等限制因素。對(duì)于該類型棄渣場(chǎng)應(yīng)同時(shí)考慮攔擋及排洪措施，根據(jù)渣場(chǎng)的棄渣量、堆渣高度及渣場(chǎng)失事后對(duì)主體工程或環(huán)境的危害程度確定棄渣場(chǎng)等級(jí)，進(jìn)而確定攔擋及排洪措施等級(jí)，同時(shí)也可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況提高相應(yīng)防護(hù)措施等級(jí)。

溝道型棄渣場(chǎng)應(yīng)采用自下而上分層棄渣，單層棄渣厚度不得超過(guò)5 m，嚴(yán)禁從上至下傾倒棄渣。堆渣過(guò)程中，每次棄渣完成后應(yīng)及時(shí)平整，并形成傾向內(nèi)側(cè)的反坡，以防止雨水沖刷。棄渣場(chǎng)下部應(yīng)堆放抗剪強(qiáng)度高、透水性好的石方棄渣?？辜魪?qiáng)度低、透水性差的石方棄渣或土方棄渣堆放在上部。

2.2.4 棄渣場(chǎng)優(yōu)缺點(diǎn)比較

棄渣場(chǎng)設(shè)計(jì)時(shí)，可以根據(jù)棄渣場(chǎng)區(qū)域的地形地貌、地質(zhì)水文條件及棄渣量選擇合理的棄渣場(chǎng)類型，各棄渣場(chǎng)類型的優(yōu)缺點(diǎn)比較如表1所示。

觀察組21名實(shí)習(xí)生中，對(duì)教學(xué)模式認(rèn)同13名、基本認(rèn)同7名、不認(rèn)同1名，認(rèn)同度為95.24%（20/21）；對(duì)照組21名實(shí)習(xí)生中，對(duì)教學(xué)模式認(rèn)同7名、基本認(rèn)同8名、不認(rèn)同6名，認(rèn)同度為71.43%（15/21）。相較于對(duì)照組，觀察組實(shí)習(xí)生對(duì)教學(xué)模式的認(rèn)同度更高，兩組比較，差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（χ2=5.33，P＜0.05）。

根據(jù)相關(guān)技術(shù)規(guī)范規(guī)定的棄土(渣)場(chǎng)選址原則，結(jié)合項(xiàng)目區(qū)實(shí)際環(huán)境特征，優(yōu)先選用廢棄坑塘、低緩坡地及山間不發(fā)育支毛溝作為棄渣場(chǎng)選址位置，共設(shè)置棄渣場(chǎng)49處，其中凹地棄渣場(chǎng)5處、坡地棄渣場(chǎng)4處、溝道棄渣場(chǎng)40處。

3 棄渣場(chǎng)防護(hù)措施設(shè)計(jì)

項(xiàng)目區(qū)水土保持措施總體布局指導(dǎo)思想為：以工程措施為主，植物措施為輔，工程措施和植物措施有機(jī)結(jié)合，臨時(shí)性措施保證及時(shí)跟進(jìn)，點(diǎn)、線、面水土流失治理相結(jié)合。充分發(fā)揮工程措施控制性和時(shí)效性，保證在短時(shí)期內(nèi)遏制或減少水土流失，再利用植物措施和土地整治措施蓄水保土，保護(hù)新生地表，達(dá)到有效防治水土流失、綠化美化周邊環(huán)境的目的。

表1 各類型棄渣場(chǎng)優(yōu)缺點(diǎn)比較

3.1 水土保持工程措施

該項(xiàng)目的水土保持工程措施主要有：攔擋工程、排洪與截排水工程、沉砂消能池、碎石盲溝、擋墻鋪砌、土地平整工程等。

3.1.1 攔擋工程設(shè)計(jì)

攔擋工程包括擋渣墻、攔渣壩、攔渣堤、圍渣堰等。擋渣墻適用范圍最廣，坡地型、溝道型、臨河型、平地型等各類型渣場(chǎng)都適用，鐵路工程棄渣場(chǎng)的攔擋工程設(shè)計(jì)多采用擋渣墻。設(shè)計(jì)中攔擋工程軸線的選擇，應(yīng)避開(kāi)滑坡體、崩塌體、斷裂帶等不良地質(zhì)體；同時(shí)，攔渣工程原則上只起攔擋作用，不受渣體作用力。

該工程棄渣場(chǎng)遵循“先攔后棄”的原則，堆渣前根據(jù)需要修筑擋墻?？紤]后期覆土要求，擋墻頂部高程宜高出堆渣起坡點(diǎn)1.0 m，棄渣場(chǎng)堆渣坡比按1:3設(shè)計(jì)，堆渣時(shí)分層碾壓密實(shí)，后期覆土。棄渣場(chǎng)下部采取混凝土擋墻進(jìn)行擋護(hù)，擋墻胸坡1 : 0.25，背坡1 : 0.25。擋墻基礎(chǔ)埋置于凍結(jié)深度以下不小于0.25 m。沿墻長(zhǎng)每10 ～ 20 m設(shè)1道伸縮縫，縫寬0.02 m，縫內(nèi)沿內(nèi)、外、頂3邊填塞瀝青麻筋，塞入深度不小于0.2 m。墻身露出地面部分，沿墻長(zhǎng)、墻高每隔2 ～ 3 m，上、下、左、右交錯(cuò)設(shè)置泄水孔。

3.1.2 排洪與截排水工程設(shè)計(jì)

不同類型棄渣場(chǎng)排洪設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)渣場(chǎng)級(jí)別確定，對(duì)于坡面、渣場(chǎng)自身排水，其標(biāo)準(zhǔn)按3 ～ 5年10 min短歷時(shí)暴雨設(shè)計(jì)。當(dāng)棄渣場(chǎng)數(shù)量較多時(shí)，同一級(jí)別棄渣場(chǎng)的排洪標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)當(dāng)根據(jù)匯水面積及下游保護(hù)對(duì)象的重要性確定，不宜采用同一設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

該工程渣場(chǎng)邊緣設(shè)置M10漿砌片石邊緣水溝以截排渣場(chǎng)外地表水。渣頂需與原自然溝溝底順接，確保溝內(nèi)流水能夠通過(guò)渣頂水溝及邊溝排出，保證排水通暢，并對(duì)連接處自然溝溝底采用M10漿砌片石鋪砌，鋪砌厚度50 cm，寬度5 m。截排水溝出口應(yīng)延伸至擋渣墻下端，并配套消能沉砂池措施，防止水流沖蝕擋墻及下游土地。

（1）估算洪峰流量。根據(jù)《水土保持工程設(shè)計(jì)規(guī)范》，截排水設(shè)計(jì)流量計(jì)算采用5年一遇10 min短歷時(shí)設(shè)計(jì)暴雨，計(jì)算公式為

式中：QB為設(shè)計(jì)最大洪峰流量，m3/s；q為設(shè)計(jì)重現(xiàn)期和降雨歷時(shí)內(nèi)的平均降雨強(qiáng)度，mm/min(通過(guò)查閱標(biāo)準(zhǔn)降雨強(qiáng)度等值線圖和有關(guān)轉(zhuǎn)換系數(shù)，確定q值為2.1 mm/ min)；F為截水溝上游集水面積，km2；φ為徑流系數(shù)，本次取0.6。

（2）截排水溝斷面尺寸確定。根據(jù)設(shè)計(jì)最大洪峰流量，按下式對(duì)截水溝斷面尺寸進(jìn)行試算，即

式中：Q為設(shè)計(jì)降水的坡面最大徑流量，m3/s；A為截水溝斷面面積，m2；C為謝才系數(shù)；R為水力半徑，m；i為截水溝比降。

截(排)水溝用漿砌石漿砌筑，每隔10 ～ 15 m設(shè)置1道寬約2 cm的伸縮縫，截水溝采用漿砌片石襯砌，襯砌厚度35 cm，漿砌片石底部砂墊層15 cm，斷面型式為梯形斷面，邊坡系數(shù)m為1 : 1，糙率n為0.025，底坡i為0.02。經(jīng)計(jì)算確定截(排)水溝斷面尺寸，保證渣場(chǎng)截(排)水溝斷面能夠滿足過(guò)水需求，即Q＞QB。

3.1.3 沉砂消能池

根據(jù)《水土保持工程設(shè)計(jì)規(guī)范》，截(排)水溝出口處地面起伏較大，為與原排水系統(tǒng)連接并防止水流沖刷下游，需設(shè)置消能設(shè)施。設(shè)計(jì)采取在截(排)水溝與天然排水系統(tǒng)銜接處設(shè)置沉砂消能池。沉砂消能池的寬度宜為相連排水溝寬度的2倍，長(zhǎng)度宜為池體寬度的2倍。

3.1.4 碎石盲溝

棄渣場(chǎng)底部沿溝底設(shè)置碎石盲溝，以引排滲入棄渣場(chǎng)內(nèi)的地下水。擋墻與盲溝相接處，預(yù)留2根PVC透水管，保證盲溝水順利排出。

3.1.5 擋墻鋪砌

為防止水流沖刷擋墻，在擋墻墻頂與渣體連接處鋪設(shè)4 m寬、50 cm厚的M10漿砌片石鋪砌，在擋渣墻墻底與地表面連接鋪砌2 m寬、50 cm厚的M10漿砌片石。

3.1.6 土地平整工程

棄渣前先對(duì)表土進(jìn)行剝離，棄渣堆置完成后進(jìn)行土地平整，回覆表土，適當(dāng)夯實(shí)。占地類型為耕地的，后期進(jìn)行復(fù)耕。

3.2 水土保持植物措施

根據(jù)該項(xiàng)目區(qū)氣候條件、地形地貌、土壤類型及地方水土保持經(jīng)驗(yàn)等，棄渣場(chǎng)進(jìn)行植被恢復(fù)應(yīng)盡量恢復(fù)原貌，優(yōu)先選擇鄉(xiāng)土樹(shù)種和已經(jīng)適應(yīng)本地環(huán)境的引進(jìn)種。

棄渣結(jié)束后，對(duì)棄渣場(chǎng)頂部和坡面種植灌木樹(shù)種，行間撒播混合草種。灌木樹(shù)種以紫穗槐為主，株行距1.0×1.0 m，每穴2株；草種選用紫花苜蓿、草木樨、黑麥草等，撒播密度60 kg/hm2。栽植后及時(shí)澆透水1次，以確保苗木成活。栽植前兩年需要加強(qiáng)撫育管理，定期進(jìn)行施肥、防治病蟲(chóng)害等管養(yǎng)工作，以利于苗木生長(zhǎng)。

3.3 水土保持臨時(shí)措施

棄渣場(chǎng)前期剝離的表土存放在渣場(chǎng)用地范圍之內(nèi)，外側(cè)邊坡采取編織袋擋護(hù)坡腳的臨時(shí)防護(hù)措施，堆置高度不高于4 m，堆置邊坡比控制在1 : 1.5 ～ 1 : 2.0，臨時(shí)擋土墻斷面型式為高×頂寬×底寬= 1.0 m×0.5 m×1.5 m的梯形斷面，堆砌時(shí)采用編織袋裝表土，攔擋過(guò)程應(yīng)相互咬合、搭接，搭接長(zhǎng)度不小于編織袋長(zhǎng)度的1/3。堆土表層拍實(shí)、撒水，由于表土堆放時(shí)間較長(zhǎng)，堆放期間裸露面覆蓋密目網(wǎng)，四周設(shè)置臨時(shí)土質(zhì)排水溝及簡(jiǎn)易沉砂池。

4 結(jié)束語(yǔ)

棄渣場(chǎng)是鐵路建設(shè)中對(duì)生態(tài)環(huán)境影響較大的附屬工程，對(duì)于穿越山區(qū)的鐵路項(xiàng)目，棄渣場(chǎng)的數(shù)量多、分布廣，棄渣活動(dòng)較為頻繁，單個(gè)棄渣場(chǎng)的棄渣量較大，如果棄渣場(chǎng)選址及防護(hù)措施不到位將會(huì)造成比較嚴(yán)重的水土流失[5]。通過(guò)嚴(yán)格執(zhí)行棄渣場(chǎng)選址原則，落實(shí)棄渣場(chǎng)的水土保持防護(hù)措施設(shè)計(jì)，可以最大程度降低棄渣場(chǎng)的生態(tài)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。根據(jù)所在區(qū)域自然環(huán)境特征和鐵路工程的實(shí)際情況，將該鐵路工程棄渣場(chǎng)分為凹地型、溝道型、坡地型3種類型，并優(yōu)先推薦凹地型棄渣場(chǎng)。根據(jù)不同棄渣場(chǎng)類型，采取有針對(duì)性的工程措施、植物措施、臨時(shí)措施，因地制宜、因害設(shè)防，統(tǒng)一規(guī)劃，科學(xué)實(shí)施，合理控制擾動(dòng)范圍，有效防止棄渣場(chǎng)使用過(guò)程中發(fā)生的水土流失，減輕對(duì)周邊生態(tài)環(huán)境的影響。