甘肅省風沙區(qū)公路工程水土保持設計

周曄　楊靖文

［關鍵詞］ 水土保持;措施設計；公路工程；風沙區(qū)；甘肅省

［摘 要］ 甘肅省風沙區(qū)自然環(huán)境惡劣，植被稀少，風蝕劇烈，沿線公路水土流失防治已然成為公路建設中的關鍵點和難點。以G312線七墩—瓜州段公路改造工程為例，分析了甘肅省風沙區(qū)公路工程在水土保持設計時存在風力侵蝕嚴重、土壤結皮與植被恢復困難、特殊性巖土較多等難點，并結合風沙區(qū)水土流失特點，針對性提出風沙區(qū)公路工程水土保持專項措施、重點區(qū)域水土流失防治措施、臨時措施等設計方案。

［中圖分類號］ S157.2［文獻標識碼］ B［文章編號］ 1000－0941（2023）07－0019－03

公路具有聚集經濟要素和促進產業(yè)融合的作用，對加快區(qū)域社會經濟發(fā)展及促進社會協(xié)調發(fā)展具有十分重要的意義。然而公路工程作為典型的線性工程，具有施工路線長、施工周期久、地表擾動強度大、破壞范圍廣的特點，其建設活動往往會對沿線地形地貌、土壤植被等自然要素造成破壞或重塑，產生一定的水土流失。近年來，眾多學者就公路建設項目的水土保持設計展開了研究，主要集中在水土保持措施探討、效益評價及技術應用研究等方面。如：張宇等[1]根據(jù)貴州公路水土流失特點，提出了優(yōu)化專項設計與重點區(qū)域水土流失防治是關鍵；王保定等[2]分析了在公路工程建設中水土保持措施的應用及成效；馮佳琳等[3]基于熵值法評價了高速公路施工過程對水土流失的影響；葉里扎提·吾林巴斯等[4]基于公路水土保持對新疆植被可恢復性進行了分區(qū)，進而為公路建設水土保持植物措施布設提供了依據(jù)；劉健等[5]介紹并分析了西南土石山區(qū)線性工程棄渣場整治措施。

“十四五”以來，甘肅公路交通事業(yè)穩(wěn)步發(fā)展，公路建設規(guī)模不斷擴大。受風沙區(qū)惡劣自然因素的限制，甘肅省風沙區(qū)生態(tài)環(huán)境十分脆弱，區(qū)域內降水稀少，蒸發(fā)量大，風力侵蝕嚴重，大大制約了區(qū)域內社會經濟發(fā)展。在風沙區(qū)，一方面公路建設活動會擾動地表，形成揚塵，污染空氣，威脅人類的生存環(huán)境；另一方面風沙會掩埋已建公路，阻礙交通，影響行車安全，威脅行車人生命安全。因此，開展風沙區(qū)公路建設項目水土保持措施合理配置研究的意義十分重大。本研究以G312線七墩—瓜州段公路改造工程為例，分析甘肅省風沙區(qū)公路工程水土保持設計難點，并結合風沙區(qū)水土流失特點，針對性地進行了水土保持設計。

1 項目區(qū)概況

1.1 自然概況

G312線七墩—瓜州段公路沿線地貌類型主要為戈壁平原，地勢較開闊，地形略有起伏，地層以砂石、礫石為主。屬大陸性中溫帶干旱氣候區(qū)，夏季干熱而較短促，冬季寒冷而較漫長。年均氣溫9.2 ℃，極端最高氣溫39.6 ℃，極端最低氣溫-29.0 ℃；年均降水量49.2 mm，年均水面蒸發(fā)量2 487.5 mm，是甘肅省降水量最小和蒸發(fā)量最大的地區(qū)；年均風速2.7 m/s，風力侵蝕極嚴重。公路沿線土壤類型以棕漠土、灰棕漠土、風沙土為主，最大凍土深146 cm。植被類型以荒漠植被為主，主要喬木有新疆楊、二白楊、胡楊、檉柳、沙棗、梭梭等；主要灌木有紅砂、泡泡刺、膜果麻黃、駱駝刺、黑果枸杞、沙拐棗等；主要草本有甘草、合頭草、芨芨草、賴草、羽茅、艾草等。

1.2 工程概況

G312線七墩—瓜州段公路位于酒泉市瓜州縣境內，全長66.27 km。路線起點位于瓜州縣七墩鄉(xiāng)，接G312線清泉—七墩段；路線終點位于G312線與G30高速公路瓜州出口平交處，順接G312線瓜州—柳園段。工程等級為大型，汽車荷載等級為公路Ⅰ級，路基寬25 m，設計行車速度80 km/h。本項目水土流失防治責任范圍為557.14 hm2，其中項目永久占地352.14 hm2、臨時占地205.00 hm2。共修建大橋1座158.00 m，為原有橋梁加寬利用；中橋2座，共90.08 m；小橋23座，共434.92 m；涵洞147道；服務區(qū)1處、停車區(qū)1處、養(yǎng)護工區(qū)及治超站1處。項目挖填方總量約450.74萬m3，其中挖方總量約23.92萬m3，填方總量約426.82萬m3；借方402.90萬m3；無棄方。

2 項目水土保持設計難點

在項目設計階段，根據(jù)項目區(qū)水土流失現(xiàn)狀與特點，結合野外調查，分析總結了水土保持設計難點，具體如下：

1）風力侵蝕極為嚴重，中度以上侵蝕占比大。嚴重的風力侵蝕導致區(qū)域內生態(tài)環(huán)境較為脆弱，無法形成有效的地表保護層。按照《甘肅省人民政府關于劃定省級水土流失重點預防區(qū)和重點治理區(qū)的公告》，項目區(qū)所在瓜州縣屬內陸河流域省級水土流失重點治理區(qū)，以風力侵蝕為主，防治責任范圍內原地表年均土壤侵蝕模數(shù)為3 995 t/（km2·a）。此外，根據(jù)《2021年甘肅省水土保持公報》，瓜州縣水土流失面積為14 289.84 km2，占全縣總面積的61.73%，其中中度以上侵蝕面積占全縣水土流失面積的71.47%。項目實施過程中，路基開挖、路塹填筑、取土開采等施工工藝均會破壞原有地表附著物，加劇土壤侵蝕。

2）自然條件惡劣，土壤結皮與植被自然恢復困難。七墩—瓜州段公路沿線主要為戈壁與基巖殘丘區(qū)，地層以砂石、礫石為主，基巖裸露，植被不發(fā)育。雖然地表生長有麻黃、白刺、駱駝刺等水土保持植物，但區(qū)域內自然條件惡劣，生態(tài)系統(tǒng)結構簡單，植被一旦遭受擾動，極易被破壞，且很難恢復。此外，荒漠土壤結皮能增加土壤的穩(wěn)定性，減少風力侵蝕，然而風沙區(qū)地表土壤結皮的自然形成十分困難，一般需3～5 a。

3）特殊性巖土較多，存在安全風險與水土流失隱患。公路沿線特殊性巖土以鹽漬土、季節(jié)性凍土、素填土為主。鹽漬土不僅會引起地表膨脹、路面變形，而且會降低植被對水分的利用效率，造成土壤板結，阻礙植被扎根。季節(jié)性凍土會產生凍脹和融陷，過大的凍融變形，會使路基發(fā)生翻漿和冒泥現(xiàn)象，對公路造成很大的破壞。此外，沿線多為素填土路段，路基多填筑砂礫土，松散堆積或壓實度不均一，容易引起不均勻沉降，存在一定的安全隱患。

3 水土保持設計

3.1 水土保持專項措施

1）不良地質路段水土保持措施。大部分公路路段經過區(qū)地形較為平緩，多為第四系堆積物構成，不良地質不發(fā)育，特殊性巖土以鹽漬土、季節(jié)性凍土、素填土為主。對鹽漬土路段，采取提高路基高度、換填路基、設置隔斷層、加設護坡道等措施，路基填料采用礫類土，并做好截排水等綜合措施，同時對鹽漬土路段的構筑物采取相應的防腐措施。對季節(jié)性凍土路段，采取提高路基高度、換填路基、設置隔斷層等措施。對素填土路段，采用換填、清表、翻夯、碾壓等措施。

2）攔水沙壩。公路沿線雖降雨較少，但因植被稀少，降雨時極易形成匯流，沖刷路基，造成嚴重的水土流失。若大量設置護坡、擋土墻等會大幅增加工程造價，因此，在項目設計中設置攔水沙壩代替護坡、擋土墻等，既防護路基、降低工程造價，又減輕水土流失危害。當路線通過山前洪積扇或戈壁時，為攔截流向路基坡腳的漫水，根據(jù)地形在路基迎水側設置頂寬2.5 m、高1.5～2.0 m的攔水沙壩，沙壩坡腳到路基坡腳距離按照不小于10.0 m控制。攔水沙壩應設置護坡道，或開挖寬而淺的排導溝，使匯集水或自然蒸發(fā)，或疏導至橋涵處，排至路基范圍以外。

3）礫石壓蓋。公路沿線為風蝕區(qū)，地表被礫石覆蓋，植被覆蓋度低，施工擾動破壞后植被恢復困難。但研究表明，礫石壓蓋具有保水保墑、增加地溫和保持地力的效果，是防沙治沙的重要手段之一。因此，在橋梁施工擾動區(qū)、施工生產生活區(qū)、施工便道、取土場等區(qū)域采用直徑大于5 mm的礫石壓蓋，壓蓋厚度10 cm，會取得比較好的防治效果。

3.2 重點區(qū)域水土流失防治措施

通過對已建公路項目資料及相關文獻的查閱，發(fā)現(xiàn)取土場區(qū)的開采會嚴重破壞地表原有地貌和植被，對水土流失影響較大，是公路建設項目水土流失防治的重點區(qū)域。根據(jù)本項目土石方平衡結果，項目需借方402.90萬m3，布設取土場12處，臨時占地共計190.20 hm2。由于項目所選擇的取土場均位于戈壁平原區(qū)，周邊環(huán)境特點類似，防護形式相同，故以取土量最大的取土場S7的水土保持措施設計為例。取土場S7臨時占地19.90 hm2，滿足可取土量要求，取土量79.60萬m3，平均取土深4 m。取土后邊坡坡比1∶1.5，采取土地整治、撒播草籽等恢復植被措施，并結合礫石壓蓋。土地整治面積為20.43 hm2，其中取土坡面面積1.85 hm2，取土坑底部面積18.58 hm2。土地整治后，對取土坑底部采用直徑大于5 mm的礫石壓蓋，壓蓋厚度10 cm。在取土場外側設置高1 m的鐵絲網圍欄；在取土場外來水側設置攔水埂，攔水埂頂寬20 cm、底寬80 cm、高30 cm，邊坡坡比1∶1。

3.3 臨時措施

在風沙區(qū)，臨時措施是十分有效的水土流失防治措施，具有易配置、起效快的特點。臨時措施包括臨時攔擋、臨時排水、臨時苫蓋及臨時灑水等?？紤]到項目區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱與惡劣，施工過程中應加強臨時措施的落實，嚴格按照水土保持方案執(zhí)行。如在路基土建施工期，定期對未經硬化的擾動場地進行灑水、碾壓，可使土壤結皮，增加地表穩(wěn)固度，減少風蝕等。

4 結束語

G312線七墩—瓜州段公路改造工程地處甘肅省風沙區(qū)，是連接甘肅與新疆的一條重要通道。針對甘肅省風沙區(qū)公路建設項目水土流失特點，水土保持設計時應堅持“預防為主、保護優(yōu)先，因害設防、因地制宜”的原則，分區(qū)施策，多措并舉，有效控制區(qū)域內水土流失，以降低工程建設對風沙區(qū)脆弱生態(tài)系統(tǒng)的影響。另外，在項目實施過程中，應積極落實“三同時”制度，加強施工全過程管控及現(xiàn)場監(jiān)督檢查，確保水土保持方案落地。

[參考文獻]

[1] 張宇，魏浪，孫榮，等.貴州喀斯特地區(qū)高速公路建設項目水土流失防治探討[J].中國水土保持，2019（12）：43-45.

[2] 王保定，蔡勛星，雷明琴，等.某公路工程水土保持措施與效益分析[J].河南水利與南水北調，2021，50（9）：99-100.

[3] 馮佳琳，殷黎明，趙麗君，等.基于熵值法的高速公路施工過程對水土流失的影響評價[J].水土保持通報，2017，37（2）：153-157.

[4] 葉里扎提·吾林巴斯，李宏鈞，劉濤，等.基于公路水土保持的新疆植被可恢復性區(qū)劃[J].公路，2018，63（12）：278-283.

[5] 劉健，張騰，應豐.西南土石山區(qū)線性工程棄渣場水土保持措施設計：以卡拉·楊房溝水電站交通專用公路工程為例[J].四川水利，2021，42（5）：150-153.

收稿日期： 2023-02-15

第一作者： 周曄（1989—），男，甘肅武山人，工程師，碩士，主要從事公路工程水土保持設計、邊坡防護等工作。

通信作者： 楊靖文（1969—），男，甘肅武山人，正高級工程師，學士，主要從事水土保持科學研究、水土保持工程設計、水土流失治理等工作。

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（責任編輯 張緒蘭）