淺論環(huán)保新形勢下艱險(xiǎn)山區(qū)棄渣場系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陳柯霖 卿偉宸 朱 勇

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司， 成都 610031)

1 研究背景

近年來，隨著高速鐵路在西部地區(qū)的大力發(fā)展，受地形地質(zhì)條件復(fù)雜、線路曲線半徑大、環(huán)保要求高等因素的制約，長大隧道越來越多，隧道長度在線路長度中的比重越來越大，隧道棄渣量增大。其中，除極少部分棄渣可用作路基、站場填料或混凝土骨料外，大量棄渣需運(yùn)至棄渣場集中堆放。部分長大鐵路干線的棄渣規(guī)模如表1所示。

表1 長大鐵路干線棄渣規(guī)模表

艱險(xiǎn)山區(qū)具備棄渣條件的可選渣場較少，加之渣場選址還受居民點(diǎn)、建(構(gòu))筑物、交通線路等的制約以及江河、湖泊、水庫等水資源和環(huán)境敏感區(qū)的影響，使得可棄渣之地進(jìn)一步減少。因此，艱險(xiǎn)山區(qū)棄渣場常面臨可用場地少、棄渣方量多、堆渣高度大、堆渣坡度陡、棄渣場失事概率大的困境。近年來，艱險(xiǎn)山區(qū)棄渣場失穩(wěn)垮塌事故多有發(fā)生，且大量渣場的施工極大地破壞了當(dāng)?shù)丨h(huán)境及水土保持，已引起社會高度關(guān)注[1-2]。因此做好棄渣場選址、設(shè)計(jì)、施工是確保棄渣場穩(wěn)定、保證周邊建(構(gòu))筑物安全，切實(shí)保護(hù)環(huán)境的關(guān)鍵。

2 棄渣場設(shè)計(jì)

2.1 棄渣場設(shè)計(jì)流程

棄渣場設(shè)計(jì)首先應(yīng)進(jìn)行棄渣調(diào)配設(shè)計(jì)，將可用于站場、路基的棄渣進(jìn)行調(diào)配，將剩下的棄渣進(jìn)行集中堆放。然后再根據(jù)棄渣量，結(jié)合現(xiàn)行政策及環(huán)保要求，考慮安全、經(jīng)濟(jì)、施工方便等因素，開展棄渣場設(shè)計(jì)。具體設(shè)計(jì)流程如圖1所示。

圖1 山區(qū)棄渣場設(shè)計(jì)流程圖

2.2 棄渣場選址

棄渣場位置的選擇是棄渣場設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)，對環(huán)境保護(hù)、水土保持、減少棄渣運(yùn)距、簡化棄渣施工以及保證棄渣場后續(xù)穩(wěn)定安全均有十分重要的意義[3]。渣場選址應(yīng)根據(jù)棄渣量、棄渣場運(yùn)距，綜合渣場地形、地質(zhì)、水文條件及其周邊建筑物、交通線路、風(fēng)景名勝等影響因素，同時(shí)考慮當(dāng)?shù)貒?、環(huán)保、水保、河道管理等部門意見，并與地方建設(shè)規(guī)劃相結(jié)合。

在環(huán)保新要求下，艱險(xiǎn)山區(qū)棄渣場選址應(yīng)符合環(huán)保、水保法律法規(guī)和環(huán)境、水保敏感區(qū)法定規(guī)劃，優(yōu)先繞避生態(tài)保護(hù)紅線、自然保護(hù)區(qū)的核心區(qū)和緩沖區(qū)、風(fēng)景名勝區(qū)的核心景區(qū)、世界文化和自然遺產(chǎn)地的核心區(qū)和緩沖區(qū)、飲用水水源地的一級保護(hù)區(qū)、森林公園的珍貴景物、重要景點(diǎn)和核心景觀區(qū)、地質(zhì)公園的地質(zhì)遺跡保護(hù)區(qū)、濕地公園的濕地保育區(qū)和恢復(fù)重建區(qū)、水產(chǎn)種質(zhì)資源保護(hù)區(qū)的核心區(qū)、國家公園的嚴(yán)格保護(hù)區(qū)和生態(tài)保育區(qū)、水土流失重點(diǎn)預(yù)防區(qū)和重點(diǎn)治理區(qū)、水功能一級區(qū)的保護(hù)區(qū)和保留區(qū)以及其他類型禁止開發(fā)建設(shè)區(qū)域。

棄渣場選址不得影響周邊重要基礎(chǔ)設(shè)施和人民群眾生命財(cái)產(chǎn)安全，并應(yīng)堅(jiān)持“少占壓耕地，少損壞水土保持設(shè)施”的原則，選擇工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件相對簡單，地形相對平緩的溝谷、凹地、坡地等[4]位置。渣場選址涉及河道時(shí)，不得影響行洪安全，不得在江河、湖泊、建成水庫及河道管理范圍內(nèi)布設(shè)棄渣場。渣場選址應(yīng)避免產(chǎn)生滑坡及泥石流，不宜設(shè)置在匯水面積和流量大、溝谷縱坡陡、出口不易攔截的溝道，否則應(yīng)進(jìn)行防洪論證。選址涉及石灰?guī)r地區(qū)時(shí)，還應(yīng)避免破壞地下暗河、溶洞及落水洞等地下水系[5]。

2.3 棄渣場主體工程設(shè)計(jì)

2.3.1攔渣工程設(shè)計(jì)

(1)攔渣工程類型

攔渣工程主要有攔渣壩、擋渣墻、攔渣堤和圍渣堰[6-7]。攔渣工程類型應(yīng)根據(jù)棄渣場類型對應(yīng)確定。棄渣場按地形條件、與河流相對位置、洪水處理方式等，可分為溝道型棄渣場、臨河型棄渣場、坡地型棄渣場、平地型棄渣場和庫區(qū)型棄渣場5種類型。攔渣工程類型及棄渣場特征如表2所示。

表2 棄渣場及攔渣工程類型表

(2)攔渣工程級別

攔渣工程級別根據(jù)棄渣場級別對應(yīng)確定。棄渣場級別應(yīng)根據(jù)堆渣量、堆渣最大高度以及棄渣場失事后對主體工程或環(huán)境造成的危害程度來確定，棄渣場及攔渣工程級別如表3所示。

表3 棄渣場及攔渣工程級別表

(3)攔渣工程設(shè)計(jì)

在環(huán)保新要求下，山區(qū)棄渣場建設(shè)對江河、水庫等水資源的保護(hù)要求較高，臨河型和庫區(qū)型棄渣場已十分罕見。棄渣場主要為溝道型和坡地型棄渣場，攔渣工程主要為擋渣墻。

擋渣墻設(shè)計(jì)應(yīng)先確定墻趾位置及走向，再選擇擋渣墻類型。擋渣墻類型主要包括重力式、懸臂式、扶臂式和加筋式，如圖2所示。擋渣墻具體斷面參數(shù)根據(jù)穩(wěn)定性計(jì)算確定。

圖2 擋渣墻形式圖

(4)攔渣工程穩(wěn)定性計(jì)算

攔渣工程抗滑、抗傾覆穩(wěn)定性安全系數(shù)及基底應(yīng)力、截面內(nèi)力計(jì)算應(yīng)滿足現(xiàn)行規(guī)范、規(guī)定對相應(yīng)級別攔渣工程的規(guī)定。

2.3.2棄渣場堆置要素設(shè)計(jì)

棄渣場堆置要素主要包括臺階高度、平臺寬度、總堆渣高度、堆渣坡比等。堆置要素根據(jù)棄渣量、棄渣體物理力學(xué)性質(zhì)、渣場工程地質(zhì)條件，先通過工程類比初步擬定，再根據(jù)棄渣場穩(wěn)定性計(jì)算進(jìn)行調(diào)整。

2.3.3棄渣場穩(wěn)定性計(jì)算

棄渣場穩(wěn)定性計(jì)算分為正常運(yùn)用工況和非常運(yùn)用工況。正常運(yùn)用工況是指棄渣場處在最終棄渣狀態(tài)時(shí)，渣體無滲流或穩(wěn)定滲流。非常運(yùn)用工況是指棄渣場在正常工況下遭遇VII度及以上地震的情況。

棄渣場穩(wěn)定性計(jì)算方法可采用瑞典圓弧法，對于均質(zhì)渣體，宜采用簡化畢肖普法，對于有軟弱夾層的棄渣場，宜采用摩根斯頓-普賴斯法，對于存在軟基的棄渣場，宜采用改良圓弧法[8-9]。

棄渣場穩(wěn)定性安全系數(shù)應(yīng)滿足相應(yīng)級別棄渣場穩(wěn)定性安全系數(shù)，如表4所示。不滿足時(shí)，應(yīng)優(yōu)先調(diào)整棄渣場堆置要素，必要時(shí)調(diào)整攔渣工程，確保棄渣場穩(wěn)定性滿足要求。

表4 棄渣場抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)表

2.3.4棄渣場附屬工程設(shè)計(jì)

在環(huán)保新要求下，除做好保護(hù)環(huán)境，減少水土流失，避免渣場外附近匯水造成棄渣濕化、泥化甚至稀化導(dǎo)致渣場滑坡外，還應(yīng)對棄渣場截排水等附屬工程進(jìn)行設(shè)計(jì)，具體包括以下幾方面的內(nèi)容。

(1)截排水溝

棄渣場上游四周應(yīng)設(shè)截水、排水溝，并與下游自然溝道順接，排水溝應(yīng)設(shè)置在渣場外側(cè)山坡，并設(shè)置消能、防沖措施。渣場上游洪水集中時(shí)，應(yīng)設(shè)置排洪溝、涵洞等排洪建筑物[10-12]。

(2)表土剝離

棄渣前應(yīng)將原場地表土進(jìn)行分層剝離，并集中保存，施工結(jié)束后作為恢復(fù)耕地、林草地的覆土。

(3)臨時(shí)防護(hù)

施工過程應(yīng)有臨時(shí)防護(hù)措施，對于裸露面應(yīng)采取臨時(shí)攔擋、排水、沉沙、覆蓋等措施。

(4)植物防護(hù)

棄渣場頂部、坡面等宜采用植物護(hù)坡，也可根據(jù)棄渣場實(shí)際情況采取工程與植物相結(jié)合的防護(hù)措施。

(5)土地整治

棄渣作業(yè)完成后，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行土地整治，采取水土保持措施，恢復(fù)其利用功能。覆土厚度應(yīng)根據(jù)土源、恢復(fù)地自然條件、利用方向等因素確定。

3 工程實(shí)例

成都至蘭州鐵路(簡稱成蘭鐵路)全長573 km，隧道總長333 km，隧道棄渣方量 6 600萬m2，鐵路沿線環(huán)境敏感區(qū)范圍廣、數(shù)量多。成蘭鐵路棄渣場選址堅(jiān)持避開滑坡、泥石流等不良地質(zhì)，避免對村莊、江河湖泊等造成威脅，環(huán)境敏感區(qū)不設(shè)渣場的原則。成蘭鐵路某棄渣場棄渣量為76.6萬m2，占地128畝，最大堆渣高度36 m，棄渣場下游無重要建筑物，為4級坡地型棄渣場，地震動(dòng)峰值加速度為0.3g。

(1)攔渣工程設(shè)計(jì)及穩(wěn)定性檢算

棄渣場攔渣工程采用重力式擋渣墻，墻高2～5 m。擋墻抗滑穩(wěn)定性安全系數(shù)正常工況下為1.45，非常工況為1.19；抗傾覆穩(wěn)定性安全系數(shù)正常工況為2.43，非常工況為2.16，均滿足規(guī)范要求。其基底應(yīng)力及截面應(yīng)力均滿足規(guī)范要求。

(2)棄渣場整體穩(wěn)定性檢算

采用瑞典圓弧法及畢肖普法對棄渣場整體穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算，棄渣場正常工況及非常工況下的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)如表5所示。

表5 抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果表

從表5可以看出，棄渣場整體穩(wěn)定性滿足規(guī)范要求。

(3)附屬工程設(shè)計(jì)

棄渣場排水采取在渣頂周邊布設(shè)截水天溝，在渣底布設(shè)排水盲溝的措施。棄渣前將渣場范圍地表熟土或腐殖土剝離，集中堆放，清除地表植被，對渣場進(jìn)行清理。棄渣完畢后，覆蓋原地表土對渣頂進(jìn)行復(fù)墾。采用人字型截水骨架護(hù)坡結(jié)合草灌對坡面及堆渣平臺進(jìn)行綠化。

4 結(jié)論

本文針對艱險(xiǎn)山區(qū)鐵路棄渣場出棄渣規(guī)模大、可用渣場少、環(huán)保形勢嚴(yán)峻、渣場選址難度大、渣場失事危害大的特點(diǎn)，以成蘭鐵路為研究背景，開展了相關(guān)研究，結(jié)論如下：

(1)棄渣場系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要包括棄渣場選址、擋渣工程設(shè)計(jì)、堆置要素設(shè)計(jì)、棄渣場穩(wěn)定性計(jì)算、棄渣場主體設(shè)計(jì)和附屬工程設(shè)計(jì)。

(2)艱險(xiǎn)山區(qū)棄渣場主要類型為溝道型和坡地型，主要攔渣工程為擋渣墻。攔渣工程斷面設(shè)計(jì)由抗滑、抗傾覆、基底應(yīng)力及截面內(nèi)力計(jì)算確定。

(3)棄渣場堆置坡度、臺階高度等堆置要素由棄渣場穩(wěn)定性計(jì)算確定。若穩(wěn)定性安全系數(shù)不滿足規(guī)范對該級別棄渣場安全系數(shù)的要求，則優(yōu)先調(diào)整堆置要素，必要時(shí)再調(diào)整攔渣工程。

(4)截排水、表土剝離、臨時(shí)防護(hù)、植物防護(hù)及土地整治等附屬工程能有效保護(hù)環(huán)境，防止水土流失，減小引發(fā)渣場發(fā)生滑坡的風(fēng)險(xiǎn)。