西南山區(qū)棄渣場選址及水土保持措施設(shè)計

趙俊喜，陳 兵，郭樹銀

（交通運(yùn)輸部科學(xué)研究院，北京 100029）

0 引言

西南山區(qū)高速公路橋隧較多，施工過程中易產(chǎn)生大量的棄渣。棄渣場防護(hù)不足不僅存在安全隱患，而且容易引起較大水土流失問題。本文以西南某高速公路棄渣場為例，對棄渣場選址、設(shè)計等做了細(xì)致的分析和研究，總結(jié)出適合當(dāng)?shù)氐臈壴鼒鲈O(shè)計案例，為類似項目提供設(shè)計和施工參考。

1 項目概況

西南某高速公路全線長161.567 km，隧道36座，共計68.673 5 km，全線設(shè)計棄渣量2 549.26萬m3。項目區(qū)內(nèi)多為中低山，地形起伏較大，巖溶地貌分布廣，降雨量大。植被覆蓋率高，水土流失以水力侵蝕為主，侵蝕強(qiáng)度以輕中度為主。

現(xiàn)以某棄渣場為例進(jìn)行研究。該棄渣場棄渣量為37.78萬 m3，占地面積0.0285 km2，最大堆渣高度26 m，匯流面積0.675 km2，為溝道型棄渣場。

2 水土保持設(shè)計

2.1 棄渣場選址

2.1.1 選址原則

結(jié)合當(dāng)?shù)靥攸c(diǎn)，以安全、經(jīng)濟(jì)、少占耕地、合法性為主要原則，輔以項目建設(shè)特點(diǎn)、施工時序、棄渣排放方式及后期利用等情況綜合分析后確定。

2.1.2 不宜設(shè)置棄渣場的情況

（1）嚴(yán)禁在對重要基礎(chǔ)設(shè)施、人民群眾生命財產(chǎn)安全及行洪安全有重大影響的區(qū)域布設(shè)棄渣場；

（2）不得設(shè)置在河道、湖泊和建成水庫管理范圍內(nèi)；

（3）不宜設(shè)在匯水面積和流量大、河谷縱坡陡、出口不易攔截的溝道；

（4）棄渣場選址應(yīng)遵循“少占壓耕地、少損壞水土保持設(shè)施”的原則。

2.1.3 棄渣場選址及分析

棄渣場占地面積0.0285 km2，庫容37.86萬m3，實(shí)際堆渣量37.78萬m3，最大堆渣高度26 m，渣場等級4級。渣場上游緊靠1條通村道路，渣頂與道路平齊；渣場下游為耕地，無其他敏感因素。場址不涉及崩塌和滑坡危險區(qū)、泥石流易發(fā)區(qū)等不良地質(zhì)區(qū)域；場址不涉及對公共設(shè)施、基礎(chǔ)設(shè)施、工礦企業(yè)、居民點(diǎn)等有重大影響的區(qū)域；場址未涉及河道、湖泊和建成水庫管理范圍內(nèi)區(qū)域；場址未布設(shè)在飲用水水源保護(hù)區(qū)、自然保護(hù)區(qū)、風(fēng)景名勝區(qū)、森林公園等區(qū)域內(nèi)。根據(jù)地勘報告，該棄渣場分布有軟土，由于受當(dāng)?shù)氐匦螚l件限制，選址困難，棄渣前，清除基地的軟土，可滿足選址要求。棄渣場平面圖和庫容分析見圖1、圖2。

圖1 棄渣場平面圖Fig.1 Waste dump plan

圖2 棄渣場庫容曲線圖Fig.2 Storage capacity curve of waste slag yard

2.2 水土保持設(shè)計

2.2.1 棄渣場等級和設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)

依據(jù)《水土保持工程設(shè)計規(guī)范》（GB51018—2014），該棄渣場為4級棄渣場，攔擋工程級別為4級，截排水工程級別為1級，植物措施工程級別為3級。

2.2.2 棄渣堆放方式

棄渣前，清除基底的軟土，坡腳設(shè)置攔渣墻，墻后最先堆置Ⅰ區(qū)玄武巖硬質(zhì)巖（干碼塊石棱體），Ⅱ區(qū)緊靠Ⅰ區(qū)布置反濾土工布分隔，堆置硬質(zhì)巖（玄武巖）開山石渣堆石區(qū)，順接Ⅰ區(qū)，Ⅲ區(qū)堆棄非適用性填料、煤矸石，Ⅳ區(qū)堆棄全部軟土。棄渣場刷坡坡率采用1：3設(shè)計，邊坡設(shè)置平臺，平臺高度10 m，寬5 m，設(shè)置2個平臺。

棄渣場的場內(nèi)坡腳處設(shè)置擋墻，并在堆渣范圍外的兩側(cè)設(shè)置排水溝，渣體平臺設(shè)置截水溝，渣體底部布設(shè)盲溝。為避免渣場上游匯水及坡面上的水匯集后對渣體造成沖刷，邊坡設(shè)置植物護(hù)坡。棄渣場堆置剖面如圖3所示。

圖3 棄渣場堆置剖面示意圖Fig.3 Schematic diagram of stacking section of waste dump

2.2.3 渣體穩(wěn)定性分析

為了確保渣體的穩(wěn)定性，不產(chǎn)生淺層、深層滑動的情況，采用瑞典圓弧滑動法對其穩(wěn)定性進(jìn)行計算，渣體穩(wěn)定性驗(yàn)算公式為：

式中：b為條塊寬度，m；W為條塊重力，kN；Q、V分別為水平和垂直地震慣性力（向上為負(fù)，向下為正），kN；u為作用于土條底面的孔隙壓力，kPa；α為條塊的重力線與通過此條塊底面中點(diǎn)的半徑之間的夾角；c′、φ′為土條底面的有效應(yīng)力抗剪強(qiáng)度指標(biāo)；Mc為水平地震慣性力對圓心的力矩，kN·m；R為圓弧半徑，m。

經(jīng)計算，設(shè)計的安全系數(shù)滿足相關(guān)規(guī)范的要求。渣體穩(wěn)定性參數(shù)取值及計算結(jié)果如表1所示。

表1 渣體穩(wěn)定性參數(shù)取值及計算結(jié)果表Tab.1 Values of slag stability parameters and calculation results

2.2.4 擋渣墻穩(wěn)定性分析

棄渣場坡腳內(nèi)側(cè)設(shè)置擋渣墻，采用俯斜式重力式漿砌片石擋墻，高度H = 5 m，頂部寬度為B1 = 2 m，B2 = 0.5m，底部寬度B4 = 4.65m，H3 = 0.1m，按 1：0.25的坡比設(shè)置墻面，背坡坡比1：0.1，墻底坡比1：10。擋渣墻斷面尺寸見圖4。

圖4 擋渣墻斷面尺寸圖Fig.4 Sectional dimension drawing of slag retaining wall

其穩(wěn)定分析參數(shù)包括：（1）填土容重為19 kN ·m-3；（2）擋墻容重為 24 kN ·m-3；（3）渣土的內(nèi)摩擦角與黏聚力分別為22°、10 kPa；（4）墻背、底的摩擦系數(shù)為0.4。采用理正巖土軟件6.0版計算，經(jīng)計算，正常工況條件下，抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為2.686 〉 1.05，抗傾覆穩(wěn)定安全系數(shù)為 6.776 〉 1.40，地基承載力為116 kPa，均滿足水土保持工程設(shè)計規(guī)范。非正常工況條件下，抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為1.913〉 1.00，抗傾覆穩(wěn)定安全系數(shù)為5.481 〉 1.30，地基承載力為121 kPa 〈204 kPa，均滿足規(guī)范要求。

2.2.5 防洪排導(dǎo)設(shè)計

棄渣場截排水溝底寬0.6 m，頂寬1.8 m，坡比為1：1。采用C20片石砼襯砌。截排水溝斷面尺寸見圖5。

圖5 截排水?dāng)嗝娉叽鐖DFig.5 Sectional dimension drawing of interception and drainage

根據(jù)《水土保持工程設(shè)計規(guī)范》（GB51018—2014），截（排）水溝設(shè)計排水流量計算采用公式Qm=16.67×φ×q×F計算（φ為徑流系數(shù)、q為降雨強(qiáng)度、F為匯水面積）。排水設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)采用10年一遇10 min短歷時設(shè)計暴雨，降雨強(qiáng)度值為2.574 mm/min，粗糙系數(shù)取0.015，徑流系數(shù)取0.6。經(jīng)計算，該設(shè)計徑流量為2.236 m3/s，滿足過流斷面的要求。

棄渣場盲溝開挖深度1.15 m（含底層片塊石0.15 m），寬度1.4 m（含兩側(cè)片塊石0.6 m），內(nèi)設(shè)D = 10 cm的聚氯乙烯管，片塊石四周包裹透水土工布，C20混凝土蓋板。棄渣場渣體內(nèi)部滲水較小，盲溝尺寸可以滿足渣體內(nèi)部滲水的過水要求。盲溝斷面尺寸見圖6。

圖6 盲溝斷面尺寸圖Fig.6 Sectional dimension drawing of blind ditch

2.2.6 坡面綠化

棄渣場待棄渣完成后需進(jìn)行場地平整、覆土，覆土厚度一般不小于40 cm。采用灌草結(jié)合的方式進(jìn)行棄渣場綠化，小葉女貞行距設(shè)置為2 m × 3 m，撒播量為80 kg/hm2。

3 結(jié)語

棄渣場在選址和設(shè)計上應(yīng)當(dāng)遵循因地制宜、安全為主的原則，充分考慮棄渣場類型、堆置方案、地形、地質(zhì)等因素，同時還應(yīng)適當(dāng)考慮當(dāng)?shù)厣鐣?jīng)濟(jì)條件。西南地區(qū)人均耕地和可利用的建設(shè)用地極少，棄渣場盡可能恢復(fù)成可利用的耕地。通過本文對棄渣場的分析與研究，為該區(qū)域類似工程提供參考依據(jù)。