云南公路棄渣場分布特征及其影響因素分析

葉 咸， 馮明明， 稅大洲， 尹 淏， 潘俊良

(1.云南省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司 陸地交通氣象災(zāi)害防治技術(shù)國家工程實(shí)驗(yàn)室， 昆明 650041； 2.云南交通咨詢有限公司， 昆明 650499)

西南山區(qū)是我國重要的生態(tài)功能區(qū)，在水源涵養(yǎng)、生物多樣性保護(hù)、土壤保持等方面具有極為重要的意義。云南省是我國西南山區(qū)大省，十三五期間，新增高速公路里程近6 000 km。公路建設(shè)過程中，產(chǎn)生的大量廢棄土石方堆放于棄渣場中。棄渣場若出現(xiàn)滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害，將對(duì)環(huán)境保護(hù)、水土保持、公路建筑物等造成嚴(yán)重的安全隱患。棄渣場工程一般歸入水利行業(yè)，在公路行業(yè)研究較淺。通過分析近年來的文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，目前圍繞棄渣場方面的研究工作主要集中在棄渣場的選址布置[1-4]、棄渣場邊坡穩(wěn)定性分析方法[5-9]、棄渣場泥石流、水土保持監(jiān)測[10-13]、植被恢復(fù)[14]等方面，針對(duì)公路線性工程項(xiàng)目棄渣場分布方面的研究較少。本文在分析云南省地質(zhì)環(huán)境背景條件及路網(wǎng)情況基礎(chǔ)上，搜集在建及部分規(guī)劃建設(shè)的道路資料，分析棄渣場數(shù)量與公路建設(shè)里程、橋隧比等的關(guān)系，以期為西南山區(qū)高速公路棄渣場的選址布置和規(guī)劃設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1 地質(zhì)環(huán)境背景條件

1.1 區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造特征

云南省位于云貴高原，處于印度板塊與歐亞板塊碰撞帶的東緣部位，隨著印度板塊向北東向移動(dòng)，其前鋒進(jìn)入歐亞板塊底部，導(dǎo)致接觸帶不斷向上隆升，形成喜馬拉雅山脈、青藏高原和橫斷山脈及滇東高原。因此云南境內(nèi)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)極為強(qiáng)烈，深大斷裂等構(gòu)造尤為發(fā)育[10]。

1.2 地形地貌特征

云南省地形地貌在長期的地質(zhì)歷史時(shí)期中，內(nèi)外地質(zhì)營力活躍，形態(tài)豐富。省內(nèi)整體地勢從北西向南東傾斜，江河順地勢呈扇形分別向東、東南、南流去[10]。根據(jù)地質(zhì)構(gòu)造、地形地貌可將云南省分為滇西橫斷山地、滇中紅色高原和滇東喀斯特高原3個(gè)地貌單元，如圖1所示。云南省地形地貌呈高原波狀起伏、高山峽谷相間分布、地勢自北西向南東3大階梯遞降、斷陷盆地廣泛分布的顯著特點(diǎn)。

1.3 地層巖性特征

在云南省境內(nèi)，各個(gè)地層年代、各類巖石均有分布，其中的一些地層，特別是松散巖土體、軟弱巖層等與地質(zhì)災(zāi)害關(guān)系緊密。在滇東高原巖溶發(fā)育，上覆地層分布有紅粘土、膨脹土等，易受降雨、干濕循環(huán)條件影響。滇中及滇西區(qū)域分布了泥巖、粉砂質(zhì)泥巖等紅層巖土體，受氣候影響，風(fēng)化強(qiáng)烈。受人類工程活動(dòng)影響的棄渣體，其穩(wěn)定性較原巖斜坡更弱。

云南省獨(dú)特而復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境背景條件，對(duì)省內(nèi)公路建設(shè)形成了制約，公路建設(shè)過程中，選線難度大，需增加更多的橋梁、隧道、深挖高填等大量人工構(gòu)筑物，對(duì)棄渣場的布置、建設(shè)也產(chǎn)生了影響。

圖1 云南省地貌單元分區(qū)

2 公路棄渣場分布情況

本文搜集了云南省境內(nèi)51條高速公路的施工圖設(shè)計(jì)資料、水保專項(xiàng)設(shè)計(jì)資料和環(huán)境影響評(píng)價(jià)報(bào)告，涉及高速公路里程3 295.38 km，如圖2所示，共規(guī)劃棄渣場1 369座，平均每2.4 km就有一座棄渣場。

圖2 云南高速公路路網(wǎng)

圖2中黑色路網(wǎng)表示納入統(tǒng)計(jì)的高速公路，基本涵蓋了云南省各個(gè)地貌單元區(qū)，涉及公路包括新建的雙向4車道、6車道、8車道高速公路以及改擴(kuò)建雙向4車道、6車道高速公路。

在公路建設(shè)過程中，棄渣場數(shù)量可能根據(jù)實(shí)際需要發(fā)生較大變更，因此環(huán)境影響評(píng)價(jià)報(bào)告中規(guī)劃的棄渣場數(shù)量可能與實(shí)際數(shù)量不同。為了準(zhǔn)確分析棄渣場數(shù)量與公路里程的關(guān)系，剔除了源于環(huán)境影響評(píng)估報(bào)告中的線路，僅保留水保專項(xiàng)設(shè)計(jì)和施工圖設(shè)計(jì)中的32條高速公路，見表1，統(tǒng)計(jì)公路總里程2 010.59 km，一共設(shè)置了744座棄渣場，即平均每2.7 km設(shè)置1座棄渣場。

表1 主要高速公路棄渣場設(shè)置情況

為進(jìn)一步分析新建高速、改擴(kuò)建高速公路和不同車道數(shù)量下棄渣場與線路長度的關(guān)系，對(duì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，結(jié)果表明，高速公路線路長度與設(shè)置棄渣場數(shù)量具有明顯的正相關(guān)關(guān)系，如圖3所示。

(a) 新建雙向4車道

(b) 新建雙向6車道

(c) 改擴(kuò)建高速公路

在新建雙向4車道高速公路上，平均每2.01 km設(shè)置1座棄渣場，R2=0.70，表明線路長度與棄渣場數(shù)量相關(guān)性較高，如圖3(a)所示；在新建雙向6車道高速公路上，平均每1.59 km設(shè)置1座棄渣場，R2=0.88，表明線路長度與棄渣場數(shù)量相關(guān)性很高，如圖3(b)所示；在改擴(kuò)建高速公路上，平均每25.78 km設(shè)置1座棄渣場，R2=0.74，線路長度與棄渣場數(shù)量相關(guān)性較高，如圖3(c)所示。

由表1和圖3可知，單位長度的新建高速公路較改擴(kuò)建高速公路需建棄渣場數(shù)量更多，且隨車道數(shù)量的增加，單位長度高速公路需建更多的棄渣場。

3 棄渣場分布影響因素分析

棄渣場主要用于堆放高速公路建設(shè)過程中產(chǎn)生的廢棄土石方，根據(jù)王韜等[3]的分析，山區(qū)高速公路棄渣場可分為鎖口型棄渣場、敞口型棄渣場以及坡面型棄渣場，棄渣場分布主要受地形條件的限制。本文在搜集大量數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，對(duì)棄渣場分布與橋梁占比、隧道占比、地形地貌以及流域地形切割的關(guān)系進(jìn)行了分析。

3.1 棄渣場分布與橋梁占比的關(guān)系

在新建雙向4車道高速公路上，經(jīng)過回歸分析后，R2=0.089，表明線路橋梁占比與棄渣場數(shù)量相關(guān)性很低，如圖4(a)所示；在新建雙向6車道高速公路上，經(jīng)過回歸分析后，R2=0.02，表明線路橋梁占比與棄渣場數(shù)量相關(guān)性很低，如圖4(b)所示；在改擴(kuò)建高速公路上，回歸曲線斜率為負(fù)，R2=0.91，表明線路橋梁占比與棄渣場數(shù)量相關(guān)性很高，即橋梁占比越高，棄渣場數(shù)量越多，如圖4(c)所示。

(a) 新建雙向4車道

(b) 新建雙向6車道

(c) 改擴(kuò)建高速公路

根據(jù)上述分析發(fā)現(xiàn)，在新建高速公路上，橋梁占比與棄渣場數(shù)量沒有直接的相關(guān)關(guān)系。在公路建設(shè)過程中，一般橋梁產(chǎn)生的廢方較少，即橋梁數(shù)量或長度若越大，棄渣場數(shù)量可能相應(yīng)減少。但是橋梁數(shù)量或長度大的地方，相應(yīng)的高填深挖量不會(huì)小，致使棄渣場量會(huì)增加，進(jìn)一步說明橋梁占比與棄渣場數(shù)量的對(duì)應(yīng)關(guān)系較為復(fù)雜。

3.2 棄渣場分布與隧道占比的關(guān)系

在新建雙向4車道高速公路上，經(jīng)過回歸分析后，R2=0.074，表明線路隧道占比與棄渣場數(shù)量相關(guān)性很低，如圖5(a)所示；在新建雙向6車道高速公路上，經(jīng)過回歸分析后，R2=0.167，表明線路隧道占比與棄渣場數(shù)量相關(guān)性很低，如圖5(b)所示；在改擴(kuò)建高速公路上，回歸曲線斜率為負(fù)，R2=0.81，表明線路隧道占比與棄渣場數(shù)量相關(guān)性很高，即隧道占比越高，棄渣場數(shù)量越多，如圖5(c)所示。

(a) 新建雙向4車道

(b) 新建雙向6車道

(c) 改擴(kuò)建高速公路

與橋梁占比情況較為相同，在新建高速公路上，隧道占比與棄渣場數(shù)量沒有直接的相關(guān)關(guān)系。在公路建設(shè)過程中，隧道是一個(gè)連續(xù)地下工程。隧道長度越長，導(dǎo)致棄渣場數(shù)量越少，但是棄渣量會(huì)相應(yīng)增加。若某線路隧道短而數(shù)量多，則棄渣場數(shù)量多，反之若隧道長，隧道占比多，棄渣場數(shù)量仍會(huì)少，從而隧道占比與棄渣場數(shù)量的相關(guān)關(guān)系不明顯。

3.3 棄渣場分布與地貌的關(guān)系

李昆等[15]根據(jù)云南省地質(zhì)構(gòu)造特征及地貌形態(tài)，劃分了云南省公路地貌分區(qū)，包括2個(gè)地貌區(qū)，9個(gè)地貌小區(qū)，分布如圖6所示，地貌區(qū)棄渣場布置情況見表2，二者關(guān)系如圖7所示。

圖6 云南省公路地貌分區(qū)

由表2及圖7可知，每個(gè)棄渣場涉及線路長度小于2 km的地貌小區(qū)(Ⅰ3及Ⅱ2區(qū))有一定的地形坡度，具有棄渣場選址條件，因此棄渣場數(shù)量多而棄渣量??；每個(gè)棄渣場涉及線路長度介于2 km～2.5 km地貌小區(qū)(Ⅰ2及Ⅱ1區(qū))、介于2.5 km～3 km的地貌小區(qū)(Ⅰ1及Ⅱ5區(qū))及小于3 km的地貌小區(qū)(Ⅰ4、Ⅱ4及Ⅱ6區(qū))地形坡度總體較緩，為了節(jié)約占地面積，考慮到綜合運(yùn)輸成本等因素，棄渣場數(shù)量少，棄渣量大。

上述分析結(jié)果表明，棄渣場的分布受地形地貌的控制作用較為明顯，在地形坡度較大區(qū)，若地形切割深度小，具有較好的選址條件，則可多設(shè)置棄渣場，這類棄渣場堆渣量??；若地形切割較深，選址條件較差，則需要設(shè)置數(shù)量少而堆渣量大的棄渣場；在地形坡度較緩區(qū)，運(yùn)輸成本低，占地費(fèi)用高，則一般設(shè)置數(shù)量少而堆渣量大的棄渣場。

表2 云南省公路地貌區(qū)棄渣場布置情況

圖7 棄渣場布置與地貌分區(qū)的關(guān)系

3.4 棄渣場分布與水系切割的關(guān)系

水系的切割對(duì)地形地貌具有強(qiáng)烈的控制作用。在云南境內(nèi)發(fā)育伊洛瓦底江、怒江、瀾滄江、金沙江、紅河以及南盤江六大河流，將云南省劃分為近東西分布的6個(gè)流域，如圖8所示。西側(cè)伊洛瓦底江流域、怒江流域以及瀾滄江流域位于滇西橫斷山地，流域切割密度明顯大于北側(cè)的金沙江流域和東側(cè)紅河流域及南盤江流域，見表3。

受水系切割影響，在伊洛瓦底江流域范圍內(nèi)，平均每3.598 km設(shè)置1座棄渣場，在該流域切割密度最大，地形條件不利于棄渣場選址。由表3可知，各流域平均每座棄渣場涉及的線路里程長度由大到小的順序?yàn)椋阂谅逋叩捉饔?金沙江流域>南盤江流域>紅河流域>瀾滄江流域>怒江流域。

圖8 云南省公路流域分區(qū)

表3 云南省6大流域公路棄渣場布置情況

4 結(jié)論

1) 本文選取的云南省高速公路，數(shù)據(jù)具有代表性。結(jié)合高速公路網(wǎng)，新建高速公路雙向4車道平均每2.01 km設(shè)置1座棄渣場；新建雙向6車道高速公路上，平均每1.59 km設(shè)置1座棄渣場；改擴(kuò)建高速公路上，平均每25.78 km設(shè)置1座棄渣場。

2) 經(jīng)過回歸分析，新建高速公路橋梁占比、隧道占比與棄渣場數(shù)量沒有直接的關(guān)系，而改擴(kuò)建高速公路橋梁占比、隧道占比與棄渣場數(shù)量呈正比，即橋梁占比、隧道占比越大，則棄渣場數(shù)量越多。

3) 棄渣場的分布與地貌、水系切割具有明顯的關(guān)系。云南境內(nèi)各流域平均每座棄渣場涉及的線路里程長度由大到小的順序：伊洛瓦底江流域>金沙江流域>南盤江流域>紅河流域>瀾滄江流域>怒江流域。