公路棄土場(chǎng)排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案研究及具體案例分析

李金萍

（晉江市路橋建設(shè)開(kāi)發(fā)有限公司，福建 晉江362200）

0 引言

公路排水系統(tǒng)包括為排除地表徑流及地下滲流而設(shè)置的排水構(gòu)造設(shè)施。排除地面徑流的排水設(shè)施除跨越地表河溝的橋涵外，還有排除坡面、路面徑流的截水溝、邊溝、排水溝、急流槽、集水井、消力池、沉砂池等；排除地下滲流的排水設(shè)施除排除山體或土體內(nèi)部地下水的盲溝、滲井外，還有路面排水墊層、排水砂樁、排水平孔及各種防排水材料等。由于公路邊坡排水系統(tǒng)構(gòu)造相對(duì)簡(jiǎn)單、工程造價(jià)較少，普遍不受重視，目前對(duì)公路邊坡排水系統(tǒng)的研究也相對(duì)較少，對(duì)棄土場(chǎng)排水系統(tǒng)的研究更少，因而對(duì)棄土場(chǎng)排水系統(tǒng)進(jìn)行深入研究。

1 公路排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要性

水對(duì)公路路基強(qiáng)度和穩(wěn)定性有重要的影響。公路排水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)除橋涵構(gòu)造物應(yīng)引起設(shè)計(jì)人員的重視外，其余類似截水溝、邊溝、盲溝、排水平孔等設(shè)施由于構(gòu)造相對(duì)簡(jiǎn)單、工程造價(jià)較少，往往被設(shè)計(jì)人員當(dāng)作不重要的附屬工程來(lái)看待。同時(shí)由于除橋涵外的排水系統(tǒng)在設(shè)計(jì)階段不能直觀有效做出完善的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)人員往往只是設(shè)計(jì)出通用圖或示意圖，并統(tǒng)計(jì)出大概的工程量，沒(méi)有針對(duì)排水系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)的設(shè)計(jì)。排水系統(tǒng)的具體位置和做法需要到施工時(shí)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整或變更增加排水設(shè)施。排水系統(tǒng)是否完善全部依靠施工單位的技術(shù)水平，而施工單位的技術(shù)水平良莠不齊，要么按圖施工、要么排水系統(tǒng)干脆不施工或不完善，造成公路工程完工后，排水設(shè)施沒(méi)有形成完整的系統(tǒng)，不能及時(shí)排除地面及地下水，造成坡面沖刷或受地下水影響邊坡失穩(wěn)塌方或滑坡。

因此，在設(shè)計(jì)階段，對(duì)邊坡排水系統(tǒng)做出詳細(xì)的設(shè)計(jì)尤其重要，施工單位按圖施工、監(jiān)理單位按圖監(jiān)督、驗(yàn)收部門(mén)按圖驗(yàn)收，才能確保排水系統(tǒng)的實(shí)施更加完善，使公路的邊坡避免被地表水沖刷及被地下水影響其邊坡穩(wěn)定性。

2 棄土場(chǎng)排水系統(tǒng)的特點(diǎn)

棄土場(chǎng)排水系統(tǒng)是公路排水系統(tǒng)的范疇，但棄土場(chǎng)排水系統(tǒng)屬于線外附屬工程，距離主線較遠(yuǎn)，是相對(duì)獨(dú)立的工程，因而棄土場(chǎng)的排水系統(tǒng)具有獨(dú)立性。

棄土場(chǎng)屬于線外附屬工程，在設(shè)計(jì)階段往往只進(jìn)行選址、提供簡(jiǎn)易的做法通用圖，并沒(méi)有進(jìn)行詳細(xì)的邊坡防護(hù)及排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)。在施工階段，棄土過(guò)程一般缺少監(jiān)督，施工單位亂堆亂棄現(xiàn)象嚴(yán)重。因而排水系統(tǒng)具有容易被忽視、缺失不完善的特點(diǎn)。

棄土場(chǎng)一般具備占地較大、堆渣高度高、填筑土類多、壓實(shí)度不足、填筑坡率較陡、坡面不修整、排水系統(tǒng)缺失或不完善等特點(diǎn)，因此經(jīng)常由于匯水面積大、頂面不平整、積水下滲等，造成渣土內(nèi)部地下水位高，而缺少排水系統(tǒng)，導(dǎo)致大量積水無(wú)法及時(shí)排出邊坡，引起邊坡變形，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致失穩(wěn)滑坡。因此，棄土場(chǎng)的排水設(shè)施是棄土場(chǎng)的重要組成部分，完善的棄土場(chǎng)的排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)是棄土場(chǎng)邊坡穩(wěn)定安全、水土保持的關(guān)鍵。

3 棄土場(chǎng)排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

第一，在設(shè)計(jì)階段，棄土場(chǎng)的選址尤為重要，選址時(shí)應(yīng)充分考慮其他場(chǎng)地的占地屬性、征地的可操作性、施工便道、土石方運(yùn)距、棄土容量、排水系統(tǒng)、擋渣墻的長(zhǎng)度和高度、造價(jià)、環(huán)保等眾多因素。第二，對(duì)地勘報(bào)告進(jìn)行詳細(xì)的研讀，盡量詳盡摸清現(xiàn)場(chǎng)水文地質(zhì)情況。第三，注重與邊坡設(shè)計(jì)及防護(hù)方案相結(jié)合。第四，應(yīng)遵循“防、截、堵、排”的原則，完善地表及坡面排水系統(tǒng)。第五，截水溝、邊溝、排水溝的結(jié)構(gòu)尺寸應(yīng)能滿足及時(shí)排水的水力計(jì)算。第六，注重地表水和地下水的滲流引起的邊坡失穩(wěn)，系統(tǒng)性地設(shè)計(jì)地下排水設(shè)施。第七，地上排水設(shè)施和地下排水設(shè)施應(yīng)相互適宜。第八，對(duì)地形變化較大的截水溝、排水溝、急流槽應(yīng)進(jìn)行縱斷面設(shè)計(jì)，根據(jù)具體坡度較大的段落設(shè)置急流槽和消力坎或消力池，防止流速過(guò)大水溝被沖刷毀壞。第九，施工便道與坡面平臺(tái)及平臺(tái)排水溝相結(jié)合。第十，邊坡坡頂平緩地帶應(yīng)將黏性土夯實(shí)整平，并設(shè)置排水橫坡，現(xiàn)狀邊坡土體裂縫采用黏土進(jìn)行夯填封閉。第十一，充分考慮施工的可操作性及安全性。第十二，注重現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地踏勘調(diào)查比對(duì)設(shè)計(jì)方案，對(duì)施工過(guò)程中可能出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行超前預(yù)判，減少將來(lái)設(shè)計(jì)變更。

4 某公路棄土場(chǎng)排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)案例

“水害”是大部分地質(zhì)災(zāi)害的誘因，接下來(lái)對(duì)某公路棄土場(chǎng)的排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案研究過(guò)程和具體做法展開(kāi)詳細(xì)闡述，進(jìn)一步論證公路棄土場(chǎng)排水系統(tǒng)的重要性、設(shè)計(jì)要點(diǎn)和技術(shù)措施。

4.1 工程概況

棄土場(chǎng)位于某公路東側(cè)約420m，對(duì)應(yīng)線路主線施工里程為K22+250，棄土可從既有K22+820 通道接線進(jìn)入棄土場(chǎng)。征地面積約為87.5 畝（約58333.33m），整個(gè)棄土場(chǎng)由2 個(gè)山谷夾1 個(gè)小山脊構(gòu)成。為施工建設(shè)時(shí)的棄土場(chǎng)，該棄土場(chǎng)于2014 年10 月開(kāi)工建設(shè)時(shí)開(kāi)始容納棄土，至2017 年10 月建成通車后停止容納棄土，總堆渣量約90 萬(wàn)m，堆渣高度47m。棄土場(chǎng)屬于線外附屬工程，施工圖對(duì)該棄土場(chǎng)并沒(méi)有進(jìn)行排水系統(tǒng)的詳細(xì)設(shè)計(jì)，由于各種原因?qū)嶋H棄方量也遠(yuǎn)超原設(shè)計(jì)棄土場(chǎng)容量。受2016 年9 月“莫蘭蒂”臺(tái)風(fēng)的影響，棄土場(chǎng)大部分邊坡沖刷嚴(yán)重，造成水土流失，并影響棄土場(chǎng)邊坡穩(wěn)定安全，邊坡穩(wěn)定治理并預(yù)防水土流失工作顯得尤為重要，如圖1 所示。

圖1 現(xiàn)場(chǎng)施工實(shí)拍圖

4.2 設(shè)計(jì)思路

4.2.1 防護(hù)完整性原則

水土流失在現(xiàn)代邊坡治理中顯得尤為重要，遵循相關(guān)的水土方案，滿足水土保持專項(xiàng)驗(yàn)收要求，盡量減少施工過(guò)程中引起的水土流失。

4.2.2 安全性原則

棄土場(chǎng)堆渣高度較高，局部坡度較陡，對(duì)下方的安全造成一定的威脅，對(duì)其采取局部頂部棄土清運(yùn)、邊坡修整的方案，恢復(fù)既有2擋墻排水措施，確保邊坡安全穩(wěn)定，消除滑坡、塌方等安全隱患。

4.2.3 可操作性原則

受交通條件、地形條件、堆渣條件等因素制約，部分點(diǎn)位治理難度大，需要因地制宜確定治理方案。

4.2.4 經(jīng)濟(jì)性原則

在滿足項(xiàng)目投資的條件下，盡量?jī)?yōu)化水土保持方案，減少不必要的工程量，降低水土保持費(fèi)用在整體工程的投資占比，實(shí)現(xiàn)良好的經(jīng)濟(jì)效益。

4.3 綜合治理方案設(shè)計(jì)概況

棄土前在棄土場(chǎng)溝口下方設(shè)置1、2擋土墻共兩道。后期又新增棄方。堆土增加后導(dǎo)致部分棄土外溢至擋墻外側(cè)。

該次棄土場(chǎng)邊坡穩(wěn)定及水土保持治理采用卸載和強(qiáng)化排水系統(tǒng)方案。既有1、2擋墻上方邊坡采用四級(jí)邊坡進(jìn)行卸載；同時(shí)在坡體內(nèi)設(shè)置仰斜式排水孔排除渣土內(nèi)地下水，避免渣土堆內(nèi)因?yàn)楹扛摺⒔档屯馏w物理力學(xué)指標(biāo)，造成滑塌，邊坡坡率分別為：2級(jí)1∶3、1 級(jí)1∶2.5、1 級(jí)1∶2。每一級(jí)邊坡之間設(shè)置3m 寬的馬道，馬道及坡頂平臺(tái)設(shè)置30cm×30cm 的排水溝。邊坡中部設(shè)置一道急流槽，將坡頂平臺(tái)及邊坡流水引出棄土場(chǎng)外。在棄土場(chǎng)周邊設(shè)置截水溝、盲溝，及時(shí)將周邊山體匯水引出棄土場(chǎng)外，同時(shí)設(shè)計(jì)排水平孔將棄渣體內(nèi)部的地下水引出至平臺(tái)邊溝，匯入排水溝或急流槽。邊坡治理、施工便道及排水系統(tǒng)相結(jié)合，形成一個(gè)完整的棄土場(chǎng)水土保持綜合治理方案。

該方案共卸載土方約6 萬(wàn)m，坡體平整約2 萬(wàn)m，棄方清運(yùn)至北側(cè)墳?zāi)箙^(qū)域，進(jìn)行分層碾壓處理。施工圖設(shè)計(jì)主要內(nèi)容為棄土場(chǎng)頂面及坡面平整、土方整治、平面弧形擋土墻、排水工程、綠化工程等水土保持措施及臨時(shí)施工便道。本文主要介紹排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)，邊坡穩(wěn)定分析。

4.4 排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.4.1 排水工程總體布置

棄土場(chǎng)的排水設(shè)施是棄土場(chǎng)的重要組成部分，完善排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)是棄土場(chǎng)邊坡穩(wěn)定安全、水土保持的關(guān)鍵。該案例棄土場(chǎng)的排水工程總體布置如圖2、圖3 所示，通過(guò)設(shè)置水溝體表排水、盲溝深層排水、PVC-U 排水管坡體排水等措施，構(gòu)成棄土場(chǎng)完善的排水體系。

圖2 棄土場(chǎng)總體平面布局

圖3 棄土場(chǎng)治理效果

在棄土場(chǎng)四周設(shè)置截水溝，將山體雨水引流至既有水溝內(nèi)。當(dāng)縱坡≥10%時(shí)，截水溝設(shè)置成急流槽形式。既有2擋土墻上方邊坡中部設(shè)置3急流槽，將坡頂平臺(tái)及邊坡流水引出棄土場(chǎng)外。棄土場(chǎng)北側(cè)匯水面積較小，采用50cm×50cm 矩形排水溝。分為A型和B 型兩種，在截水溝入口設(shè)置八字墻，沿截水溝主線長(zhǎng)3m，側(cè)墻傾斜角度30。急流槽分為1～4四種。馬道及坡頂平臺(tái)設(shè)置30cm×30cm 的排水溝，用于收集坡面匯水。墓地-池塘之間，設(shè)置一道80cm×80cm 盲溝。

通過(guò)PVC-U 排水管進(jìn)行坡體排水，PVC-U 排水管長(zhǎng)20～70m，橫向間距5m/3m。既有2擋土墻在距離墻底0.8m 高的位置，潛孔鉆開(kāi)孔插入直徑75mm 的PVC-U 排水管，長(zhǎng)16m，橫向間距3m。

4.4.2 水力水文計(jì)算

（1）洪峰流量計(jì)算

因計(jì)算時(shí)相關(guān)洪水資料缺失，故采用經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算。

公路科學(xué)研究所經(jīng)驗(yàn)公式：

匯水面積小于10km時(shí)：

式（1）中：k 為徑流模數(shù)，該項(xiàng)目重現(xiàn)期按50 年，東南沿海地區(qū)的徑流模數(shù)k=22×1.2=26.4；n 為面積參數(shù)，當(dāng)F＜1km時(shí)，n=1；當(dāng)1＜F＜10km時(shí)，東南沿海地區(qū)取0.75。

計(jì)算結(jié)果如表1 所示。

表1 洪峰流量計(jì)算表

（2）溝渠斷面水力要素計(jì)算

式（2）中：ω 為過(guò)水?dāng)嗝婷娣e（m）；x 為濕周（m）。

式（3）中：

b

為底寬（m）；

m

為溝渠邊坡坡率。

式（4）中：v 為平均流速(m/s)；

i

為渠底縱坡；

C

為謝才系數(shù)；

R

為水力半徑（m）。

式（5）中：

n

為渠壁糙率，查給水排水設(shè)計(jì)手冊(cè)附錄28。

假定斷面可通過(guò)流量：

根據(jù)計(jì)算確定的水溝斷面尺寸為：0.5m×0.5m 排水 溝，流 速2.16m/s、流 量0.54m/s；A 型 截 水 溝1.5m×1.2m，流速4.86m/s、流量8.76m/s；B 型截水溝0.8m×0.8m，流速5.34m/s、流量3.54m/s；1急流槽1.25m×0.8m，流速11.57m/s、流量11.57m/s，溝渠可通過(guò)流量均大于洪峰流量。

4.4.3 排水溝與截水溝設(shè)計(jì)

（1）縱斷面設(shè)計(jì)

由于棄土場(chǎng)截水溝、排水溝、急流槽地形變化大，需進(jìn)行縱斷面設(shè)計(jì)，才能根據(jù)具體坡度較大的段落設(shè)計(jì)急流槽和消力坎或消力池。依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，普通段排水坡度1.0%～3.5%，急流槽段排水坡度22%。

（2）施工注意事項(xiàng)

排水溝和截水溝施工前需清表50cm，渠底1m 深度以內(nèi)的壓實(shí)度不小于95%。

4.4.4 盲溝設(shè)計(jì)

池塘北側(cè)屬于低洼地帶，無(wú)法從明溝排除，因此在墓地-池塘設(shè)置一道80cm×80cm 矩形盲溝，將池塘北側(cè)墓地及棄土場(chǎng)坡底水流引至A 型截水溝。再經(jīng)由1急流槽引至棄土場(chǎng)外側(cè)。

4.4.5 邊坡坡體排水

在坡體排水施工操作時(shí)，施工人員利用鉆孔機(jī)械將

φ

75mmPVC-U 排水管插入坡體內(nèi)。PVC-U 排水管長(zhǎng)20～70m，橫向間距5m/3m，傾斜10%。既有2擋土墻底部0.8m 高的位置，先用潛孔鉆取孔，再利用圓鋼管將PVC-U 排水管插入墻背后，橫向間距3m。直徑75mmPVC-U 排水管應(yīng)滿管鉆孔，封堵管頭。PVC-U 排水管應(yīng)外包滲水土工布，防止排水孔堵塞，如圖4 所示。

圖4 邊坡坡體排水?dāng)嗝媸疽鈭D

仰斜式排水孔施工工藝流程：施工準(zhǔn)備—測(cè)量放樣—機(jī)具安裝與調(diào)試—鉆孔施工—鉆孔、鋼管同步跟進(jìn)—成孔自檢—安裝透水管、拔出鋼管—終孔。

4.4.6 排水工程重要細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)

（1）排水溝每15m 需設(shè)置一道施工縫，縫底墊一層塑料薄膜，縫內(nèi)填塞瀝青木絲板，縫頂面用砂漿抹平。

（2）當(dāng)排水溝溝底縱坡大于等于10% 時(shí)，需設(shè)置成急流槽形式。急流槽出口設(shè)置消力池，消力檻底部需預(yù)留直徑8 的泄水孔，以利水流中斷時(shí)排泄消力池內(nèi)的積水。

（3）棄土場(chǎng)坡頂平臺(tái)及區(qū)域II 回填頂面，均需回填30cm 厚黏土，防止雨水由坡體進(jìn)入棄土場(chǎng)內(nèi)部。

（4）仰斜式排水孔施工中如遇多處塌孔，108×5mm 圓鋼管數(shù)量可以適當(dāng)增加。

（5）施工中若排水孔較深，圓鋼管拔出困難時(shí)，應(yīng)采用側(cè)壁開(kāi)孔的鋼花管，保證坡體排水。

（6）坡頂平緩地帶地表滲水容易進(jìn)入土體內(nèi)部，填筑土體類別不一致時(shí)，產(chǎn)生土體局部裂縫，雨水將沿裂縫滲入土體，掏蝕土體，造成邊坡破壞，必須進(jìn)行黏土夯填并設(shè)置排水橫坡，并對(duì)既有坡面裂縫采用黏土夯填封閉。

4.4.7 實(shí)現(xiàn)效果和性能評(píng)價(jià)

地質(zhì)災(zāi)害大部分為“水害”誘發(fā)，進(jìn)而造成大面積滑坡，因此應(yīng)利用施工便道設(shè)計(jì)、巖土邊坡穩(wěn)定設(shè)計(jì)、巖土邊坡內(nèi)排水設(shè)計(jì)、擋墻設(shè)計(jì)、路基地表排水設(shè)計(jì)、施工組織設(shè)計(jì)等多專業(yè)相結(jié)合，綜合擬定一個(gè)施工便道與卸載平臺(tái)相結(jié)合、地下排水系統(tǒng)與路側(cè)排水溝組成的完善的排水系統(tǒng)，新建擋墻平面采用非常規(guī)的弧形設(shè)計(jì)，改善結(jié)構(gòu)受力條件，同時(shí)減少擋墻高度，降低工程造價(jià)。卸載土方原地棄方，減少運(yùn)距的工程技術(shù)安全可靠、經(jīng)濟(jì)節(jié)約、施工難度小、工期短。該棄土場(chǎng)設(shè)計(jì)了完善的地表及地下排水系統(tǒng)，施工過(guò)程中均嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)圖紙施工，通過(guò)水土保持專項(xiàng)驗(yàn)收。至今沒(méi)有出現(xiàn)沖刷的病害，水土保持良好。如圖5所示。

圖5 竣工驗(yàn)收前棄土場(chǎng)地表排水設(shè)施和綠化效果

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)公路排水系統(tǒng)重要性及棄土場(chǎng)排水系統(tǒng)的特點(diǎn)分析，總結(jié)出棄土場(chǎng)排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)要點(diǎn)，針對(duì)具體案例詳細(xì)闡述設(shè)計(jì)要點(diǎn)、處理技術(shù)措施，對(duì)實(shí)現(xiàn)效果和性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，進(jìn)一步說(shuō)明了公路及棄土場(chǎng)邊坡排水系統(tǒng)的重要性和研究成果的實(shí)際效果，同時(shí)體現(xiàn)了多專業(yè)融合的綜合性邊坡治理理念，大幅度節(jié)約工程造價(jià)、縮短工期，值得推廣應(yīng)用。

公路及棄土場(chǎng)排水設(shè)施雖然構(gòu)造簡(jiǎn)單，在整個(gè)公路項(xiàng)目中的造價(jià)占比較小，但排水設(shè)施對(duì)路基邊坡、擋墻及路面結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性起著關(guān)鍵性的作用，完善的公路排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)尤為重要。希望廣大公路參建者能夠引起重視，完善排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)，落實(shí)排水設(shè)施的施工到位，減少水土流失，保持項(xiàng)目周邊的生態(tài)環(huán)境。