王冠琪

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司，天津 300251)

鐵路工程溝道棄渣場選址及工程措施布設分析

王冠琪

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司，天津 300251)

溝道棄渣是鐵路工程中常見的棄渣方式，在實際施工中，棄渣場選址不合理、防護措施不到位的現(xiàn)象仍不在少數(shù)，文章根據(jù)實際工作經(jīng)驗，詳細論述了溝道棄渣場的選址要點及工程措施設計，為溝道棄渣場提供借鑒。

鐵路； 溝道； 棄渣場

溝道棄渣場是鐵路工程中最常見的棄渣場類型之一，尤其是建在山丘區(qū)的高速鐵路工程，由于受曲線半徑制約，橋隧比例較大，施工中產(chǎn)生大量棄渣，除線路縱向調配及其他工程利用外，大多棄于附近溝道內。棄渣場位置選擇不當、棄渣方式不正確及防護措施不到位都會影響棄渣場穩(wěn)定，甚至造成巨大生命財產(chǎn)損失。筆者根據(jù)實際工作經(jīng)驗，分析鐵路工程溝道棄渣場選址及防護措施布設，以期為相關研究提供借鑒。

1 溝道棄渣場選址原則

根據(jù)《開發(fā)建設項目水土保持技術規(guī)范》(GB 50433-2008)，關于溝道棄渣，主要有以下幾條限制性因素：(1)不得影響周邊公共設施、工業(yè)企業(yè)、居民點等的安全；(2)禁止在對重要基礎設施、人民群眾生命財產(chǎn)安全及行洪安全有重大影響的區(qū)域布設棄土(石、渣)場；(3)不宜布設在流量較大的溝道，否則應進行防洪論證；(4)在山丘區(qū)宜選擇荒溝、凹地、支溝。

從上述限制性因素中可以看出，對于溝道棄渣場，選址應綜合考慮以下幾方面因素：(1)渣場下游近距離內不得有工礦企業(yè)、居民點，以防渣場不穩(wěn)定造成潰壩、坍塌，對生命財產(chǎn)造成損失；(2)棄渣溝道應該選擇流量不大的荒溝、支溝，不宜選擇流量較大的溝道，以防洪水沖垮攔擋設施，造成潰壩。

2 溝道棄渣場類型

溝道棄渣根據(jù)堆渣位置及方式主要分為以下幾種形式：

(1)攔溝型棄渣場。顧名思義，攔溝型棄渣場的棄渣方式是橫腰攔在溝道上，與溝道來水垂直，阻斷上游來水通道。施工過程中，由于受地形、運距等條件的限制，根據(jù)“攔”的位置，又可分為溝頭型、溝中型和溝口型棄渣場(圖1～圖3)。

圖1 溝頭型

圖2 溝中型

圖3 溝口型

(2)順溝型棄渣場。棄渣堆于溝道兩側的坡面上，坡腳位置為溝邊。順溝型棄渣場的堆渣方式類似于坡面棄渣(圖4)。

圖4 順溝型

圖5 填溝型

(3)填溝型棄渣場。利用棄渣將整條溝道填滿，渣頂與周圍分水嶺高程一致。填溝型棄渣場的堆渣方式類似于溝頭型棄渣場[1](圖5)。

3 溝道棄渣場工程措施布局

棄渣場在棄渣前都要做到“先攔后棄”，即先在渣場下方布置擋渣墻，然后分層堆渣，控制堆渣邊坡，堆渣結束后，在渣場與山體交匯處布置周邊排水溝，排除山體坡面來水及渣面積水，在每級堆渣平臺內側設橫向排水溝，與周邊排水溝相接，排除渣體坡面來水，排水溝末端設沉沙消能設施。

另外，不同渣場類型的防護措施又略有不同。溝頭型棄渣場和填溝型棄渣場位于溝道的頂部或者全部填滿溝道，三面為山體，暴雨時上游洪水對渣場影響較小，可按常規(guī)防護措施考慮；溝中型棄渣場位于溝道中部，棄渣占據(jù)溝道斷面，滯留上游洪水，因此除了布設常規(guī)防護措施外，還必須考慮上游溝道洪水的影響，可通過設置導流堤、泄水槽或排洪渠，將區(qū)間泄水排泄至攔渣壩的溢洪道，進而排至下游；溝口型棄渣場位于溝道的出口處，由于整條溝道的洪水都匯集于此，流量較大，除布設常規(guī)防護措施外，為保證棄渣及壩體的穩(wěn)定與安全，應在攔渣壩的上游修建攔洪壩，同時應通過排水涵洞進行地下排洪。順溝型棄渣場堆置在溝道兩側山體上，設計的攔渣壩必須同時滿足防洪和攔渣的雙重要求并考慮基礎埋深和堤頂安全加高[2-3]。

4 工程措施標準設計

在山丘區(qū)修建鐵路，棄渣量較大，在實際施工中，使用的渣場類型主要是溝頭型和填溝型棄渣場，且選擇的溝道大多為荒溝，既能滿足棄渣數(shù)量，防護措施也較為簡單，經(jīng)濟可行。本文就這類渣場的排水溝、擋渣墻設計做一詳細分析。

4.1 排水溝設計

4.1.1 清水洪峰流量計算

根據(jù)《開發(fā)建設項目水土保持技術規(guī)范》(GB 50433-2008)中的清水洪峰流量公式計算坡面洪峰流量。

Q= 0.278KIF

式中：Q為最大洪峰流量(m3/s)；K為徑流系數(shù)；I為相應頻率平均1 h降雨強度，(mm/h)；F為山坡集水面積(km2)。

徑流系數(shù)根據(jù)地形地貌及地表物質組成來定，一般來講，溝道棄渣場位于山丘區(qū)，根據(jù)《水利水電工程水土保持技術規(guī)范》，山丘區(qū)徑流系數(shù)取0.60～0.80。平均1 h降雨強度值查找當?shù)厮氖謨?；集水面積值通過地形圖量測。

4.1.2 計算排水溝尺寸

根據(jù)明渠均勻流公式試算排水溝尺寸，要求按該尺寸計算出來的設計流量要大于根據(jù)清水洪峰流量公式計算出的洪峰流量的一半(因為在渣場兩側均設置排水溝進行排水)

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

式中：Qs為設計降水的坡面最大徑流量(m3/s)；A為截(排)水溝斷面面積(m2)；V為平均流速(m/s)；C為泄排系數(shù)；R為水力半徑(m)；i為截(排)水溝比降；n為糙率。χ為截(排)水溝斷面濕周(m)；b為截(排)水溝斷面底寬(m)；h為截(排)水溝水深(m)；m為邊坡系數(shù)。

根據(jù)上一步試算出來的排水溝斷面尺寸，溝深加20 cm的安全標高，確定出最后的斷面尺寸。

4.2 擋渣墻設計

墻型選擇，根據(jù)攔渣數(shù)量、地形地質條件等因素確定墻型。主要分為重力式擋渣墻、懸臂式擋渣墻、扶臂式擋渣墻，在鐵路工程溝道棄渣場中，用的最多的是重力式擋渣墻。本文針對重力式擋渣墻設計作一詳細分析。

重力式擋渣墻一般用漿砌塊石砌筑(砂漿強度為M7.5或M10)，依靠自重與基底摩擦力維持墻身穩(wěn)定。適用于墻高小于6 m、地基土質條件較好的情況。主要由墻背、墻面、墻頂、基礎組成(圖6)。

圖6 重力式擋渣墻(仰斜式)

(1)墻背。重力式擋渣墻分為仰斜式、垂直式、俯斜式、衡重式。仰斜式墻背通體與渣體邊坡貼合，所受土壓力小，開挖回填量小，墻身斷面面積小，也是鐵路溝道棄渣中最常用的一種形式。但在設計與施工中應注意墻背的坡度不得緩于1∶0.30，以便于施工。

(2)墻面。在地面橫坡較陡時墻面坡度一般為1∶0.05～1∶0.20，地面平緩時一般采用1∶0.20～1∶0.35。

(3)墻頂。漿砌塊石擋墻墻頂寬不小于0.5 m。

(4)基礎處理及其他。

①基礎埋置深度。根據(jù)地質條件確定基礎埋置深度，一般應在凍土層深度以下，且不小于0.25 m。當?shù)刭|條件復雜時，通過挖探或鉆探確定基礎埋置深度。

②伸縮沉陷縫。根據(jù)地形地質條件、氣候條件、墻高及斷面尺寸等，設置伸縮縫和沉陷縫，防止因地基不均勻沉陷和溫度變化引起墻體裂縫。設計和施工時，一般將二者合并設置，沿墻線方向每隔10～15 m設置一道縫寬2～3 cm的伸縮沉陷縫，縫內沿內、外、頂三邊填塞瀝青麻筋，塞入深度不小于0.2 m。

③清基。施工過程中必須將基礎范圍內風化嚴重的巖石、雜草、樹根、表層腐殖土、淤泥等雜物清除。

④墻后排水。墻身露出地面部分，每隔2～3 m上、下、左、右交錯設置泄水孔，坡度4%，泄水孔采用φ10 cm PVC 管，進水口處用0.3 m×0.3 m透水土工布(400 g/m2)包裹，最下一排泄水孔高出墻前基坑回填面0.2 m。墻后于墻頂及最下一排泄水孔下設夯填黏土隔水層，墻后設砂夾卵礫石反濾層，厚0.3 m[4]。

4.3 穩(wěn)定性分析

根據(jù)《開發(fā)建設項目水土保持技術規(guī)范》規(guī)定的要求，需對擋渣墻穩(wěn)定性進行分析，要求抗滑、抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)分別不小于1.3、1.5。

4.3.1 抗滑穩(wěn)定性

抗滑穩(wěn)定可用下列公式計算：

(7)

式中:Ks為最小抗滑安全系數(shù)；W為墻體自重，kN；Pay為主動土壓力的垂直分力，Pay=Pasin(δ+ε)，kN；μ為基底摩擦系數(shù)，一般取0.3～0.5；Pax為主動土壓力的水平分力，Pax=Pacos(δ+ε)，kN；Pa為主動土壓力，kN，Pa=1/2rH2KA；r為棄渣容重；KA為主動土壓力系數(shù)，通過水工手冊查詢；δ為墻摩擦角，根據(jù)墻背的粗糙程度及排水狀況，一般取墻后回填土內摩擦角的1/3～1/2；ε為墻背傾斜角度。

4.3.2 抗傾覆穩(wěn)定性

擋渣墻在滿足Ks≥1.3的同時，還須滿足抗傾覆穩(wěn)定性要求。即對擋渣墻基底前趾O點取力矩，采用下列公式計算：

(8)

式中：Kt為最小安全系數(shù)；Wa為墻體自重W對O點的力矩，kN·m；Payb為主動土壓力的垂直分力對O點的力矩，kN·m；Paxh為主動土壓力的水平分力對O點的力矩，kN·m；其他符號同前[5]。

5 結束語

通過以上分析，溝道棄渣場應選擇在荒溝、支毛溝等流量較小的溝道內，避開地質構造復雜、不良地質現(xiàn)象嚴重區(qū)域，且坡度不宜過陡、下游無居民點。棄渣方式盡量選擇溝頭型和填溝型。在渣場設計中，注意截排水溝尺寸要滿足行洪要求，擋墻設計在滿足穩(wěn)定性分析的基礎上，盡量選擇重力式仰斜擋土墻，達到經(jīng)濟、安全、實用的目的。只有在渣場選址和防護措施布設兩方面都做到位，才能保證渣體穩(wěn)定、保證下游安全。

[1] 趙芹，鄭創(chuàng)新. 溝道型棄渣場分類及工程防護措施分析[J].中國水土保持，2010(4)：38-40.

[2] 張瑞清. 淺談鐵路建設中棄渣場的合理布設[J].中國水土保持，2003(2)：25-27.

[3] 楊銳鋒，張建強，耿廣晉，等. 建設項目工程棄渣場場址選擇及設計分析——以“貴(陽)——廣(州)鐵路”為例[J].安徽農(nóng)業(yè)科學，2009，37(27).

[4] 閆英，馮武龍. 擋土墻設計的幾點心得體會[J].廣西水利水電，2003(4)：80-82.

[5] 羅雷，何丙輝. 棄渣場堆渣及擋渣墻穩(wěn)定性分析[J].水土保持應用技術，2006，(5)：35-37.

王冠琪(1990～)，男，碩士研究生，研究方向為水土保持。

U215.2

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[定稿日期]2015-03-04