陳 浩

（深圳市深水水務(wù)咨詢有限公司，廣東 深圳 518000）

0 引言

高速公路建設(shè)過程中挖方總體大于填方，填挖不均衡，不可避免地需要設(shè)置棄渣場，如果設(shè)置不當，不僅會占用大量耕地林地，還會對周圍生態(tài)環(huán)境恢復(fù)、生物多樣性及區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展帶來安全隱患，造成土壤侵蝕和水土流失，誘發(fā)滑坡、崩塌、泥石流等自然災(zāi)害，增大環(huán)境治理難度?？梢姡瑮壴鼒鲞x址及水土保持防護設(shè)計是公路建設(shè)中必須面臨的重要問題。

1 工程概況

某高速公路的路線為西南、東北走向，全線由兩期工程組成。一期工程（本次實施段）起點設(shè)于水廠處，與本項目二期工程及同時建設(shè)的市政連接線相連，終點接入現(xiàn)狀深汕、惠鹽高速公路立交，與粵東地區(qū)的高速路網(wǎng)相連。途經(jīng)多個工業(yè)區(qū)，路線全長31.1km。受本項目影響的水體有水庫、公園、河道等。本項目起點段經(jīng)過水庫，與水庫水體近端距離約300m。

2 土石方平衡分析

本項目地處山嶺重丘區(qū)，地形起伏大，主線開挖深度最大達30m，平均開挖深度約10m。路基填方高度最大約為25m，平均填土高度約為10m。主線路基填方共計641.82萬m3（包括服務(wù)區(qū)回填約120萬m3），挖方共計816.44萬m3（其中隧道出渣約155萬m3，原地貌表土剝離12.5萬m3）。土石方分為路基土石方和隧洞出渣，通過橫、縱向土石方調(diào)配后仍有大量棄方，包括臨時堆放表土12.5萬m3在內(nèi)的棄方總量174.62萬m3，全部棄置于選定棄渣場和政府指定合法棄土受納場。

本工程水土保持方案報告書所推薦的棄土去向為：①盡量保證項目區(qū)內(nèi)土石方平衡，充分利用立交橋中間內(nèi)部空地，填平后綠化；②充分利用項目建設(shè)區(qū)路基與周邊山體形成的溝谷，填平溝谷后實施土地復(fù)墾，栽植樹木綠化，形成林地?，F(xiàn)場調(diào)查結(jié)果顯示，K7+400～K 8+200段主收費站及服務(wù)區(qū)等建設(shè)區(qū)可容納約120萬m3棄渣；③充分利用主體設(shè)計的1#、2#棄渣場，解決115.05萬m3棄渣和剝離12.5萬m3表土；④K20+000～K24+000段棄土可以運至政府指定合法棄土受納場處理。

土石方平衡流向框圖，見圖1。

圖1 土石方平衡流向框圖

3 棄渣場水土保持典型設(shè)計

棄渣場屬于溝道型結(jié)構(gòu)，溝底比降0.12，最大堆渣高度達到48.6m，每5m高設(shè)置一級5m寬的平臺，共設(shè)置10級平臺；為便于向兩側(cè)排水，渣體平面按照微拱形設(shè)置，在平臺和棄渣場四周分別設(shè)置排水溝和截水溝，棄渣結(jié)束后按照防治規(guī)劃進行植被恢復(fù)。

3.1 占地及防洪標準

在1:10000地形圖上復(fù)核棄渣場庫容和占地，結(jié)合分層堆放方式進行每層棄渣上下面積量取，求出面積均值，并依據(jù)堆高確定每層庫容以及累計庫容，得出棄渣場庫容曲線[1]。

按照《水土保持工程設(shè)計規(guī)范》，該高速公路棄渣場堆渣體積共174.62萬m3，棄渣場級別為4級，擋渣墻為5級，排洪工程4級，擋渣墻安全系數(shù)，見表1。棄渣場中斷面不同頻率洪水水位剖面圖，見圖2。該棄渣場防洪標準按照30a一遇設(shè)計，50a一遇校核。

表1 擋渣墻安全系數(shù)

圖2 棄渣場中斷面不同頻率洪水水位剖面圖

3.2 截水溝及排水溝

該高速公路棄渣場洪峰流量[2]按照下式確定：

式中：Q洪為洪峰流量，m3/s；k為徑流系數(shù)；i為暴雨強度均值，mm/h；F為山坡集水面積，km2；Kp為模比系數(shù)；H0t為平均暴雨量，mm/h。相關(guān)參數(shù)取值可通過查閱工程所在低水文手冊得出，洪峰流量相關(guān)參數(shù)取值，見表2。

表2 洪峰流量相關(guān)參數(shù)取值

該高速公路棄渣場四周為地形起伏山地，徑流系數(shù)0.62，棄渣場范圍內(nèi)匯水面積0.17km2，其中右側(cè)匯水面積約為0.11km2，以此為匯水面積值進行洪峰流量計算，洪峰流量計算結(jié)果，見表3。

表3 洪峰流量計算結(jié)果

根據(jù)以上成果，出于施工便利性考慮，棄渣場截水溝應(yīng)采用矩形斷面排水溝，比降1.998%，截水溝斷面面積按照下式確定：

式中：Q設(shè)為設(shè)計流量，m3/s；A為截水溝斷面面積，m2，A=bh，b為截水溝設(shè)計寬度，h為截水溝設(shè)計深度；i為坡比，i=2(b+h)；R為水力半徑，m，R=A|x，x為濕周；C為謝才系數(shù)，C=R1/6/n，n為糙率。

將該高速公路棄渣場截水溝相關(guān)參數(shù)取值代入式（4）得出設(shè)計斷面過水能力計算結(jié)果，設(shè)計斷面過水能力計算結(jié)果，見表4。由表中結(jié)果可知，該公路工程棄渣場截水溝斷面寬0.7m、高0.5m，出于安全考慮，應(yīng)增加0.2m的安全超高，同時通過0.4m厚的漿砌石護面。

表4 設(shè)計斷面過水能力計算結(jié)果

此外，還應(yīng)在平臺內(nèi)側(cè)增設(shè)長40cm、寬40cm的橫向矩形排水溝，并通過0.4m厚的漿砌片石護面。

3.3 擋渣墻

考慮到該公路施工所產(chǎn)生的棄方量較多，故必須按照先攔后砌的原則棄渣，并在棄渣場下游增設(shè)重力式擋渣墻，進行擋渣墻抗傾覆穩(wěn)定、抗滑穩(wěn)定及地基承載力校核[3]。

3.3.1 抗滑穩(wěn)定驗算

式中：Ks為抗滑安全系數(shù)最小值；W為擋渣墻墻體自重，kN；Pay為主動土體壓力垂直分布，Pax為主動土體壓力水平分布，Pax=Pa cos(δ+ε)。

其中，主動土體壓力主要按照庫倫土壓力進行計算，計算公式為：

式中：γ為該高速公路棄渣容重，kN/m3；H為擋渣墻設(shè)計高度，m；φ為填土表面于水平夾角，°；β為填土內(nèi)摩擦角，°。

根據(jù)計算，該高速公路工程棄渣場擋渣墻滑移力為31.784kN，抗滑力為52.517kN，滑移驗算滿足：Ks=1.651＞1.3。

3.3.2 抗傾覆穩(wěn)定驗算

式中：Kt為安全系數(shù)最小值；W·α為擋渣墻墻體自重力矩，kN·m；Pay·b為主動土壓力垂直分力力矩，kN·m；Pax·h為主動土壓力水平分力力矩，kN·m；其余參數(shù)含義同前。

根據(jù)計算，該高速公路工程棄渣場擋渣墻相對于墻趾點，墻身抗傾覆力矩169.840kN·m，傾覆驗算滿足：Kt=4.598＞1.5。

3.3.3 地基承載力驗算

擋渣墻基底應(yīng)力應(yīng)小于地基承載力，其中地基承載力值可通過查閱設(shè)計手冊得到。基底應(yīng)力按照偏心受壓公式確定：

式中：σyu為水平截面正應(yīng)力，kN/m2；ΣW為作用于計算截面的全部荷載鉛直分力和；ΣM為作用于計算截面以上的全部荷載對截面形心的力矩和，kN·m；B為截面底寬，m。

作用于擋渣墻基礎(chǔ)的總豎向力為130.722kN，作用于墻趾的總彎矩為135.274kN·m，基礎(chǔ)底寬20.51m，偏心距-0.002m；基礎(chǔ)底面合力作用點于基礎(chǔ)趾點距離1.031m，趾部和踵部基底壓應(yīng)力分別為65.337kPa和64.721kPa；最大應(yīng)力和最小應(yīng)力比為1.007；作用于基底的合力偏心距驗算滿足要求；墻趾處地基承載力驗算滿足：壓應(yīng)力65.337kPa≤277.2kPa；墻踵處地基承載力驗算滿足：64.721kPa≤300.3kPa；地基承載力驗算滿足：壓應(yīng)力64.051kPa≤231.0kPa。經(jīng)計算，高速公路棄渣場擋渣墻抗滑、抗傾覆及地基承載力均滿足規(guī)范。

棄渣場漿砌石擋渣采用埋石混凝土重力式結(jié)構(gòu)，墻長930m、高3～6m，頂寬1.5m，基礎(chǔ)埋深1.5m，底高程123.6～138m，設(shè)置在砂卵石層；按照10m間隔在墻體上布置2m寬的沉降伸縮縫，同時在地基材料改變之處增設(shè)沉降縫；為避免墻體背面積水并形成靜水壓力，還應(yīng)按照2m×2m的間距在墻身增設(shè)泄水孔，在泄水孔中埋設(shè)φ80mm的PVC管，泄水孔比降5%；下方增設(shè)C20埋石混凝土和C15素混凝土墊層，并在擋渣墻墻背加設(shè)反濾層。擋渣墻典型斷面，見圖3。

3.4 植物措施

該高速公路棄渣場棄渣結(jié)束后必須通過植物措施予以恢復(fù)，結(jié)合工程所在地氣候條件及典型植被類型，在棄渣頂面種植喬木、灌木和草的結(jié)合形式[4]，棄渣平臺和邊坡等區(qū)域則結(jié)合種植灌木和草。其中喬木主要選沙松，并采用穴狀栽植方式，沙松樹木高度平均在1.0m，地徑2.0cm，植株間距為2m×2m，苗木損失按照2%控制，故需栽植沙松喬木4294株；灌木則選擇冠從平均高度60cm的迎春，棄渣頂面、平臺及邊坡處植株栽植間距為1m×2m，在相同的苗木損失下，人工栽植灌木12410株，撒播草籽面積2.32hm2。棄渣場植物措施數(shù)量統(tǒng)計，見表5。

表5 棄渣場植物措施數(shù)量統(tǒng)計

4 結(jié) 論

綜上所述，高速公路建設(shè)過程中必然面臨高填深挖及大量取土、棄渣作業(yè)，必然會對周圍環(huán)境造成嚴重破壞，加劇土壤侵蝕和水土流失。其中棄渣場是造成公路工程建設(shè)過程中水土流失的重要區(qū)域，如果不采取及時有效的水保措施，必將引發(fā)滑坡、泥石流、崩塌等水土流失災(zāi)害，埋下安全隱患。按照本文的設(shè)計思路，廣東省XX高速公路棄渣場水土保持措施實施后，因棄土棄渣而造成的土壤侵蝕和水土流失得到有效治理，也為公路工程棄渣場水土保持設(shè)計和環(huán)境治理提供了可行路徑。