铁路工程沟道弃渣场选址及工程措施布设分析

王冠琪

(铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津 300251)

铁路工程沟道弃渣场选址及工程措施布设分析

王冠琪

(铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津 300251)

沟道弃渣是铁路工程中常见的弃渣方式，在实际施工中，弃渣场选址不合理、防护措施不到位的现象仍不在少数，文章根据实际工作经验，详细论述了沟道弃渣场的选址要点及工程措施设计，为沟道弃渣场提供借鉴。

铁路； 沟道； 弃渣场

沟道弃渣场是铁路工程中最常见的弃渣场类型之一，尤其是建在山丘区的高速铁路工程，由于受曲线半径制约，桥隧比例较大，施工中产生大量弃渣，除线路纵向调配及其他工程利用外，大多弃于附近沟道内。弃渣场位置选择不当、弃渣方式不正确及防护措施不到位都会影响弃渣场稳定，甚至造成巨大生命财产损失。笔者根据实际工作经验，分析铁路工程沟道弃渣场选址及防护措施布设，以期为相关研究提供借鉴。

1 沟道弃渣场选址原则

根据《开发建设项目水土保持技术规范》(GB 50433-2008)，关于沟道弃渣，主要有以下几条限制性因素：(1)不得影响周边公共设施、工业企业、居民点等的安全；(2)禁止在对重要基础设施、人民群众生命财产安全及行洪安全有重大影响的区域布设弃土(石、渣)场；(3)不宜布设在流量较大的沟道，否则应进行防洪论证；(4)在山丘区宜选择荒沟、凹地、支沟。

从上述限制性因素中可以看出，对于沟道弃渣场，选址应综合考虑以下几方面因素：(1)渣场下游近距离内不得有工矿企业、居民点，以防渣场不稳定造成溃坝、坍塌，对生命财产造成损失；(2)弃渣沟道应该选择流量不大的荒沟、支沟，不宜选择流量较大的沟道，以防洪水冲垮拦挡设施，造成溃坝。

2 沟道弃渣场类型

沟道弃渣根据堆渣位置及方式主要分为以下几种形式：

(1)拦沟型弃渣场。顾名思义，拦沟型弃渣场的弃渣方式是横腰拦在沟道上，与沟道来水垂直，阻断上游来水通道。施工过程中，由于受地形、运距等条件的限制，根据“拦”的位置，又可分为沟头型、沟中型和沟口型弃渣场(图1～图3)。

图1 沟头型

图2 沟中型

图3 沟口型

(2)顺沟型弃渣场。弃渣堆于沟道两侧的坡面上，坡脚位置为沟边。顺沟型弃渣场的堆渣方式类似于坡面弃渣(图4)。

图4 顺沟型

图5 填沟型

(3)填沟型弃渣场。利用弃渣将整条沟道填满，渣顶与周围分水岭高程一致。填沟型弃渣场的堆渣方式类似于沟头型弃渣场[1](图5)。

3 沟道弃渣场工程措施布局

弃渣场在弃渣前都要做到“先拦后弃”，即先在渣场下方布置挡渣墙，然后分层堆渣，控制堆渣边坡，堆渣结束后，在渣场与山体交汇处布置周边排水沟，排除山体坡面来水及渣面积水，在每级堆渣平台内侧设横向排水沟，与周边排水沟相接，排除渣体坡面来水，排水沟末端设沉沙消能设施。

另外，不同渣场类型的防护措施又略有不同。沟头型弃渣场和填沟型弃渣场位于沟道的顶部或者全部填满沟道，三面为山体，暴雨时上游洪水对渣场影响较小，可按常规防护措施考虑；沟中型弃渣场位于沟道中部，弃渣占据沟道断面，滞留上游洪水，因此除了布设常规防护措施外，还必须考虑上游沟道洪水的影响，可通过设置导流堤、泄水槽或排洪渠，将区间泄水排泄至拦渣坝的溢洪道，进而排至下游；沟口型弃渣场位于沟道的出口处，由于整条沟道的洪水都汇集于此，流量较大，除布设常规防护措施外，为保证弃渣及坝体的稳定与安全，应在拦渣坝的上游修建拦洪坝，同时应通过排水涵洞进行地下排洪。顺沟型弃渣场堆置在沟道两侧山体上，设计的拦渣坝必须同时满足防洪和拦渣的双重要求并考虑基础埋深和堤顶安全加高[2-3]。

4 工程措施标准设计

在山丘区修建铁路，弃渣量较大，在实际施工中，使用的渣场类型主要是沟头型和填沟型弃渣场，且选择的沟道大多为荒沟，既能满足弃渣数量，防护措施也较为简单，经济可行。本文就这类渣场的排水沟、挡渣墙设计做一详细分析。

4.1 排水沟设计

4.1.1 清水洪峰流量计算

根据《开发建设项目水土保持技术规范》(GB 50433-2008)中的清水洪峰流量公式计算坡面洪峰流量。

Q= 0.278KIF

式中：Q为最大洪峰流量(m3/s)；K为径流系数；I为相应频率平均1 h降雨强度，(mm/h)；F为山坡集水面积(km2)。

径流系数根据地形地貌及地表物质组成来定，一般来讲，沟道弃渣场位于山丘区，根据《水利水电工程水土保持技术规范》，山丘区径流系数取0.60～0.80。平均1 h降雨强度值查找当地水文手册；集水面积值通过地形图量测。

4.1.2 计算排水沟尺寸

根据明渠均匀流公式试算排水沟尺寸，要求按该尺寸计算出来的设计流量要大于根据清水洪峰流量公式计算出的洪峰流量的一半(因为在渣场两侧均设置排水沟进行排水)

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

式中：Qs为设计降水的坡面最大径流量(m3/s)；A为截(排)水沟断面面积(m2)；V为平均流速(m/s)；C为泄排系数；R为水力半径(m)；i为截(排)水沟比降；n为糙率。χ为截(排)水沟断面湿周(m)；b为截(排)水沟断面底宽(m)；h为截(排)水沟水深(m)；m为边坡系数。

根据上一步试算出来的排水沟断面尺寸，沟深加20 cm的安全标高，确定出最后的断面尺寸。

4.2 挡渣墙设计

墙型选择，根据拦渣数量、地形地质条件等因素确定墙型。主要分为重力式挡渣墙、悬臂式挡渣墙、扶臂式挡渣墙，在铁路工程沟道弃渣场中，用的最多的是重力式挡渣墙。本文针对重力式挡渣墙设计作一详细分析。

重力式挡渣墙一般用浆砌块石砌筑(砂浆强度为M7.5或M10)，依靠自重与基底摩擦力维持墙身稳定。适用于墙高小于6 m、地基土质条件较好的情况。主要由墙背、墙面、墙顶、基础组成(图6)。

图6 重力式挡渣墙(仰斜式)

(1)墙背。重力式挡渣墙分为仰斜式、垂直式、俯斜式、衡重式。仰斜式墙背通体与渣体边坡贴合，所受土压力小，开挖回填量小，墙身断面面积小，也是铁路沟道弃渣中最常用的一种形式。但在设计与施工中应注意墙背的坡度不得缓于1∶0.30，以便于施工。

(2)墙面。在地面横坡较陡时墙面坡度一般为1∶0.05～1∶0.20，地面平缓时一般采用1∶0.20～1∶0.35。

(3)墙顶。浆砌块石挡墙墙顶宽不小于0.5 m。

(4)基础处理及其他。

①基础埋置深度。根据地质条件确定基础埋置深度，一般应在冻土层深度以下，且不小于0.25 m。当地质条件复杂时，通过挖探或钻探确定基础埋置深度。

②伸缩沉陷缝。根据地形地质条件、气候条件、墙高及断面尺寸等，设置伸缩缝和沉陷缝，防止因地基不均匀沉陷和温度变化引起墙体裂缝。设计和施工时，一般将二者合并设置，沿墙线方向每隔10～15 m设置一道缝宽2～3 cm的伸缩沉陷缝，缝内沿内、外、顶三边填塞沥青麻筋，塞入深度不小于0.2 m。

③清基。施工过程中必须将基础范围内风化严重的岩石、杂草、树根、表层腐殖土、淤泥等杂物清除。

④墙后排水。墙身露出地面部分，每隔2～3 m上、下、左、右交错设置泄水孔，坡度4%，泄水孔采用φ10 cm PVC 管，进水口处用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墙前基坑回填面0.2 m。墙后于墙顶及最下一排泄水孔下设夯填黏土隔水层，墙后设砂夹卵砾石反滤层，厚0.3 m[4]。

4.3 稳定性分析

根据《开发建设项目水土保持技术规范》规定的要求，需对挡渣墙稳定性进行分析，要求抗滑、抗倾覆稳定系数分别不小于1.3、1.5。

4.3.1 抗滑稳定性

抗滑稳定可用下列公式计算：

(7)

式中:Ks为最小抗滑安全系数；W为墙体自重，kN；Pay为主动土压力的垂直分力，Pay=Pasin(δ+ε)，kN；μ为基底摩擦系数，一般取0.3～0.5；Pax为主动土压力的水平分力，Pax=Pacos(δ+ε)，kN；Pa为主动土压力，kN，Pa=1/2rH2KA；r为弃渣容重；KA为主动土压力系数，通过水工手册查询；δ为墙摩擦角，根据墙背的粗糙程度及排水状况，一般取墙后回填土内摩擦角的1/3～1/2；ε为墙背倾斜角度。

4.3.2 抗倾覆稳定性

挡渣墙在满足Ks≥1.3的同时，还须满足抗倾覆稳定性要求。即对挡渣墙基底前趾O点取力矩，采用下列公式计算：

(8)

式中：Kt为最小安全系数；Wa为墙体自重W对O点的力矩，kN·m；Payb为主动土压力的垂直分力对O点的力矩，kN·m；Paxh为主动土压力的水平分力对O点的力矩，kN·m；其他符号同前[5]。

5 结束语

通过以上分析，沟道弃渣场应选择在荒沟、支毛沟等流量较小的沟道内，避开地质构造复杂、不良地质现象严重区域，且坡度不宜过陡、下游无居民点。弃渣方式尽量选择沟头型和填沟型。在渣场设计中，注意截排水沟尺寸要满足行洪要求，挡墙设计在满足稳定性分析的基础上，尽量选择重力式仰斜挡土墙，达到经济、安全、实用的目的。只有在渣场选址和防护措施布设两方面都做到位，才能保证渣体稳定、保证下游安全。

[1] 赵芹，郑创新. 沟道型弃渣场分类及工程防护措施分析[J].中国水土保持，2010(4)：38-40.

[2] 张瑞清. 浅谈铁路建设中弃渣场的合理布设[J].中国水土保持，2003(2)：25-27.

[3] 杨锐锋，张建强，耿广晋，等. 建设项目工程弃渣场场址选择及设计分析——以“贵(阳)——广(州)铁路”为例[J].安徽农业科学，2009，37(27).

[4] 闫英，冯武龙. 挡土墙设计的几点心得体会[J].广西水利水电，2003(4)：80-82.

[5] 罗雷，何丙辉. 弃渣场堆渣及挡渣墙稳定性分析[J].水土保持应用技术，2006，(5)：35-37.

王冠琪(1990～)，男，硕士研究生，研究方向为水土保持。

U215.2

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[定稿日期]2015-03-04