長江經(jīng)濟帶上游公路巨量出渣綠色處置研究

肖 莉,黃紅亞,譚 梟,譚昌明,盧與同,王章文

(1.四川省公路規(guī)劃勘察設計研究院有限公司,成都 610041;2.四川省公路生態(tài)環(huán)境工程技術研究中心,成都 610041;3.四川沿江宜金高速公路有限公司,四川 西昌 615099)

1 長江經(jīng)濟帶上游公路建設面臨的水土流失問題

《深入打好長江保護修復攻堅戰(zhàn)行動方案》確定了長江經(jīng)濟帶保護與發(fā)展工作,提出了“生態(tài)優(yōu)先、綠色發(fā)展”的長江經(jīng)濟帶發(fā)展指導思想,確立了將“生態(tài)優(yōu)先、統(tǒng)籌兼顧、綜合治理、系統(tǒng)治理和源頭治理”作為打好長江保護修復攻堅戰(zhàn)的工作原則。

“十三五”以來,國家實施了一系列長江保護修復行動,長江生態(tài)環(huán)境質(zhì)量改善明顯。但形勢依然復雜,水土保持作為保護行動的重要組成部分,任務依然艱巨。2021年全國水土流失動態(tài)監(jiān)測資料顯示:我國水力侵蝕呈明顯流域分布,長江上游和黃河中游地區(qū)尤為集中,其土地面積僅占全國14 %,卻集中了全國40 %的中度和強烈及以上水蝕面積[1]。其中,長江流域水土流失面積33.70萬km2,占流域土地總面積的18.81 %,水力侵蝕面積32.19萬km2,占水土流失總面積的95.51 %,主要分布在金沙江下游、岷江沱江中下游、嘉陵江中下游、烏江赤水河上中游及三峽庫區(qū)等區(qū)域。

金沙江下游攀枝花至宜賓段流域位于干熱河谷,是我國西南地區(qū)特殊的脆弱生態(tài)環(huán)境區(qū),是長江上游水土作用失衡的關鍵地帶之一。區(qū)域水土流失特點總體表現(xiàn)為土壤侵蝕相對面積大,土壤侵蝕強度大,侵蝕產(chǎn)沙能力強,重力侵蝕和溝蝕嚴重。該流域年均輸沙量達1.9億t,占長江上游年輸沙量的35.5 %,而流域面積和年徑流量僅占7.8 %和8.9 %,是金沙江流域的主要產(chǎn)沙區(qū)[2-3]。因此,開展金沙江干熱河谷區(qū)水土流失防治研究,對于助力長江保護修復行動具有重要意義。

《國家公路網(wǎng)規(guī)劃(2013年-2030年)》規(guī)劃建設G4216成都至麗江高速公路,其中宜賓至攀枝花段又稱沿江高速公路,其走向與金沙江流向大致平行,全長約478 km,是國內(nèi)高速公路建設史上單體投資規(guī)模最大的項目。工程于2020年開始建設,預計2025年通車。工程沿線以中高山深切峽谷地貌為主,工程地質(zhì)條件極其復雜,區(qū)域絕大部分路段位于國家級水土流失重點治理區(qū),地質(zhì)災害頻發(fā),生態(tài)環(huán)境脆弱,大型電站梯級分布,水庫淹沒區(qū)與消落帶共存,布線極其困難。以沿江高速公路新市至金陽段為例,橋隧比高達91 %,出渣量高達2745萬m3,工程建設面臨出渣綜合利用極其有限,棄渣場選址極其困難,擋防措施極其復雜,水土流失極難控制的問題。

2 巨量出渣綠色處置研究

近年來,公路、鐵路和水利工程開展了棄渣綜合利用研究[4-10],如寶天高速公路利用隧道棄渣籌建碎石加工場;忻阜高速公路利用隧道棄渣生產(chǎn)機制砂和碎石;紅崖山水庫加高擴建工程利用棄渣進行防護林帶建設;遼寧省大伙房水庫輸水工程將隧道出渣用于改路填筑和河道整治筑堤;川藏鐵路研究中提出最大限度減少工程出渣量,從源頭控制水土流失,減輕水土流失生態(tài)影響的棄渣處理目標。

開展地材綜合利用是首選處置方式。由于沿線路基、隧道開挖的白云巖、灰?guī)r壓碎值偏高,無法用作C30級混凝土碎石料,同時,由于地方其他工程利用不可控因素大,變數(shù)多,落地困難,故僅考慮在無法用作筑路材料和其他工程無法消納條件下,開展處置研究。

2.1 約束條件控制體系

巨量出渣綜合利用方式和棄渣場選址受到工程本身、地質(zhì)地貌條件、土地利用方式、環(huán)境敏感區(qū)域等諸多因素限制,因此,研究組首先開展影響出渣處置去向的影響因子分類研究。通過對四川省內(nèi)十余條已建和在建復雜山區(qū)公路分析,初步確定了10項主要影響因子,包括河道管理、文物保護、基本農(nóng)田、行洪否定、地災威脅、渣場容量、運輸條件、征地拆遷等。這些影響因子具備以下三種特性:一是滿足行政審批手續(xù)合法合規(guī)性,二是滿足技術手段的科學可行性,三是滿足建設中的經(jīng)濟合理性,其合規(guī)性、可行性與合理性三者共同支撐方案實施,缺一不可。其后,進行各項因子影響程度分級,建立出渣處置約束條件控制體系。該體系包括三個級別約束系,即剛性約束系、韌性約束系和寬松約束系,每個約束系涵蓋了涉及合法合規(guī)、科學可行和經(jīng)濟合理三個層次特征的影響因子,各因子共同作用下,確定出渣處置去向。

該約束條件控制體系詳見圖1所示。其中,剛性約束系代表出渣處置的禁止因子組;寬松約束系代表優(yōu)先因子組;韌性約束系則是介于剛性約束系與寬松約束系之間的多因子組,是指存在一定政策和安全風險下,通過強化工程擋防排水、植被恢復等技術手段,使得出渣處置方案有條件滿足要求,帶來的水土流失危害總體可控,其實施具備經(jīng)濟合理性,不會因工程建設而加劇對周邊基礎設施、居民點等的不利影響。

圖1 約束條件控制體系

由于金沙江干熱河谷區(qū)處于《全國水土保持區(qū)劃》中川西南高山峽谷保土減災區(qū),工程沿線分布了多處生態(tài)環(huán)境敏感區(qū)、地質(zhì)災害點等制約性因素,剛性約束系表征了生態(tài)環(huán)境紅線區(qū)、存在嚴重安全問題的區(qū)域和實施中存在運輸問題的區(qū)域,出渣布置缺乏合規(guī)性、可行性與合理性支撐,這些區(qū)域為禁止處置棄渣的紅線區(qū)。而就具備先行布置條件的優(yōu)先區(qū)而言,基本不涉及生態(tài)環(huán)境紅線和安全問題,但該區(qū)普遍與主線工程距離過大,出渣運輸條件艱巨,運輸過程中潛在水土流失風險較大,消耗大量化石燃料,與交通建設綠色低碳發(fā)展要求相悖,優(yōu)先區(qū)堆渣缺乏合理性支撐。

因此,研究組得到:復雜山區(qū)公路沿線相對可行的出渣處置區(qū)域多以有條件通過的韌性區(qū)為主,該區(qū)域主要特點:不是天然良好的棄渣堆置區(qū)域,大多面臨一定發(fā)育程度的地質(zhì)災害;上游匯水面積較大等問題。因此,要解決工程出渣處置難題,必須建立平衡韌性區(qū)堆渣合規(guī)性、可行性與合理性的工程技術體系。

2.2 處置目標和處置方向研究

遵循“減量化、資源化、無害化”處置原則,根據(jù)約束條件分類分級體系,提出“綠色利用、低碳融合”的巨量出渣處置目標。首先確保處置場所合法合規(guī);結合干熱河谷區(qū)生態(tài)恢復困難與水土流失防治需要,宜圬工則圬工,宜造地則造地,減小水土流失物源,處置技術科學可行;充分考慮工程本身建養(yǎng)成本巨大的現(xiàn)實,具體實施中經(jīng)濟合理可行,建立如下處置方向。

第一,綠色填筑消納。由于工程沿線大多位于中高山峽谷地貌區(qū),高差懸殊,服務區(qū)、停車區(qū)、落地互通綜合體等布置困難,且缺乏施工作業(yè)面。為解決永久構筑物布置和施工組織問題,通過利用出渣場坪,增設施工作業(yè)面,優(yōu)化渣土資源配置,建立降碳途徑,形成綠色填筑技術,實現(xiàn)出渣資源化利用。

第二,低碳擋防利用。由于沿線分布不同程度的巖石順層邊坡、滑坡(水庫坍岸)、巖堆、危巖落石、泥石流等不良地質(zhì)體,常規(guī)的順層清方、常規(guī)擋防、錨固等工程防護措施圬工消耗巨大、防護難度大。為進一步提高坡體穩(wěn)定性,通過利用出渣改良擋防布局,升級優(yōu)化防護組合型式,降低圬工消耗強度,集約節(jié)約資源,形成低碳擋防技術,進一步實現(xiàn)出渣資源化利用。

第三,融合造地處置。針對無法消納的出渣,則開展棄渣場選址研究?？紤]工程沿線支溝發(fā)育,谷深坡陡、巖層破碎、地面松散固體物質(zhì)多,崩塌、滑坡、瀉溜極為常見的特點,可供選擇的堆渣區(qū)極其有限,通過判定棄渣場限制性制約因素,利用支溝堆渣改造局部微地貌,達到生態(tài)環(huán)境破壞最小化和利用最大化,形成融合造地技術,實現(xiàn)出渣無害化處置。

3 處置技術

3.1 綠色填筑

針對服務設施缺乏落地條件,施工期間缺乏施工作業(yè)場地的問題,該處置技術結合落地互通、服務區(qū)、隧道管理所等服務設施布置,利用出渣填筑服務設施區(qū)。一方面為主線服務設施的布設提供有效場坪和施工場地,另一方面可大量消耗隧道出渣和路基挖方,同時,松散出渣經(jīng)壓實和表層硬化后,控制了土壤侵蝕發(fā)生的物源條件,具有一定減沙效應,水土保持效果顯著。具體填筑形式如下:

(1)綜合體填筑:結合沿線互通、服務區(qū)等工程布置需要,通過利用挖方和隧道出渣填筑布置縱向高填路堤,其前后緣分別采取抗滑樁及普夯補強等方式確保路堤穩(wěn)定。經(jīng)工程驗證,沿江高速新金段運用該項技術實現(xiàn)場坪面積15 hm2,滿足了服務區(qū)、樞紐、落地互通綜合體的布置需要,僅一處綜合體填筑即可消納出渣約260萬m3。同時,對所填筑互通、服務區(qū)等主體工程實施喬灌草綠化措施,建立路域人工生態(tài)系統(tǒng),對于固碳降碳具有正效應。

(2)施工場坪與隧道管理用房填筑:大部分隧道群大多以橋隧相連形式布線,隧道進出口所在位置大多山勢陡峻,深切溝谷發(fā)育,隧道施工缺乏必要的施工場地,無法布置變電所和管理站,因此,在隧道地質(zhì)條件允許下,采用永臨結合方式,實施橋改路基及引水改溝等工程,通過消耗出渣創(chuàng)造隧道變電所及管理站的施工條件和落地場所,解決建設難題。

3.2 低碳擋防

該類處置方案是指對主線路基、橋梁、隧道、互通有影響的欠穩(wěn)定斜坡路段(如坍岸、滑塌、崩塌等),利用出渣填筑反壓的方式代替常規(guī)的擋防、錨固等大量圬工措施,以降低防護難度、提高坡體穩(wěn)定性和行車安全。該項措施以反壓體控制重力侵蝕,以減少水土流失發(fā)生。具體如下:

(1)庫區(qū)坍岸治理與反壓:工程部分路段跨越建成水庫,在水庫水位升降影響下,沿線已呈淺表溜滑跡象,潛在坍岸對橋梁安全影響較大。綜合考慮溝道流量、溝心形態(tài)及行洪等因素,具備回填坍岸條件,通過對橋位處的不良地質(zhì)體進行反壓,分級堆填,反壓坍岸區(qū),保障橋梁墩柱安全穩(wěn)定性,也起到消納出渣作用。

(2)泥石流整治與出渣填筑:對于工程上方分布有泥石流溝的情況,根據(jù)地質(zhì)勘察成果,基于低頻消亡期中型泥石流溝結論,采取增設引水隧洞、填筑縱向高填路堤和增強抗滑樁方式。一方面疏導了上游溝道來水,另一方面提升了工程安全性,避免單一橋梁布置下的泥石流威脅,在消納棄渣方面起到一定作用。

3.3 融合造地

該處置方案是針對沿線沖溝發(fā)育、耕地資源稀缺問題,在棄渣場選址中,盡量選擇支溝、荒溝、毛溝分級堆放棄渣,降低溝谷高差,在滿足安全穩(wěn)定和行洪過水等條件下,棄渣結束后開展土地整治,還耕還林還灌草,增加耕地資源[11-12]。

工程沿線分布有大量V形溝谷,且具有顯著三維效應,利于渣場穩(wěn)定,可有效控制溝谷溯源侵蝕,具有良好減沙效應。就單個棄渣場而言,渣場水土流失以溝蝕為主,坡面沖刷物質(zhì)大部分堆積在坡腳和便道,隨水流匯集到河網(wǎng)中的物質(zhì)一般不超過侵蝕總量的15 %[13-15]。因此,研究組多選擇比降不超過20 %的溝道堆放棄渣,渣體分層壓實分級堆放,通過改溝、截排水溝等措施及時排導上游來水,渣體坡頂布置橫向截水溝疏導渣頂匯水,結合擋渣墻、抗滑樁等攔擋工程確保棄渣場穩(wěn)定性。

沿江高速公路雖然整體位于金沙江干熱河谷,但沿線土壤和植被類型分布呈分段特點,應分段采取不同恢復措施。①宜賓至雷波縣城段,降水相對較多,沿線發(fā)育黃紅壤、黃棕壤和棕紅壤,地表多為旱作耕地和林地,渣場還林復耕條件稍好;②雷波縣城以西至攀枝花段,為典型干熱河谷氣候,發(fā)育紅色石灰土、燥紅土等土壤,植被多為稀樹灌叢草坡,受坡陡、植被差、降雨少、蒸發(fā)大影響,土壤瘠薄、石質(zhì)多,渣場生態(tài)恢復難度極大。因此,通過改良土壤,適地適樹,宜農(nóng)則農(nóng),逐步恢復和提高地力[14-15],以控制溝谷水土流失,發(fā)揮人工造地的環(huán)境效益,達到生態(tài)優(yōu)先、環(huán)境融合的處置效果。

根據(jù)既有資料,通過綠色填筑和低碳擋防等技術,本工程可綜合利用出渣量約1143萬m3,積極促成了出渣資源化利用,剩余1602萬m3出渣通過合理布置棄渣場,充分考慮渣場與所處區(qū)域環(huán)境特點,建立融合造地的棄渣技術,利用工程棄渣重塑支溝、毛溝微地形,對緩解當?shù)赝恋刭Y源緊張問題和防治水土流失具有重要的現(xiàn)實意義。

4 結語

通過對復雜山區(qū)高速公路建設巨量出渣處置方案的研究,從長江經(jīng)濟帶上游主要產(chǎn)沙區(qū)金沙江流域的自然環(huán)境特點和工程建設需求出發(fā),依據(jù)出渣處置約束條件分類分級控制體系,形成“綠色填筑、低碳擋防、融合造地”處置技術,減少了新增出渣發(fā)生水土流失的物源條件和發(fā)生面積,減沙效益明顯。后續(xù)應加強對出渣堆積體安全穩(wěn)定性跟蹤監(jiān)測,深入開展干熱河谷區(qū)土壤侵蝕與工程建設的互饋研究,在人工降雨和長期定位觀測下進一步探索道路侵蝕規(guī)律,積極研發(fā)保水保土減沙技術,合理控制公路建設帶來的水土流失,為長江經(jīng)濟帶保護提供技術支撐。