青银高速定边段弃渣水保方案探析

高堂茂

(榆阳区兴源水电工程有限公司，陕西 榆林 719300)

青银高速定边段弃渣水保方案探析

高堂茂

(榆阳区兴源水电工程有限公司，陕西 榆林 719300)

青岛至银川高速公路是国家东西横向公路网的重要建设项目，其穿越区域生态环境恶劣，弃渣较多，弃渣场的建设对减少水土流失保护当地生态环境至关重要。为了保障青银高速公路定边段顺利施工，减少水土流失，文章通过分析青银高速定边段基本情况，对工程建设产生的弃渣量和弃渣区的水文地质情况进行了探讨，根据工程区域地理特点，从坡地型弃渣场、沟道型弃渣场两个方面提出典型弃渣场建设方案，以最大限度地保护当地生态环境，可供风沙区项目开发弃渣场建设借鉴。

高速公路；弃渣场；建设；水保；方案

1 概 况

青岛至银川高速公路是国家东西横向公路网的主通道[1]，其中定边段是高速公路全线贯通的控制性路段，该段全长158.197 km。采用双向四车道、全封闭、全控制的高速公路标准建设，设计速度100 km/h，路基宽度24.5 m。工程主要由路基、桥隧、立交及附属设施等组成。青银高速定边段地貌类型包括中低山荒漠区、冲积倾斜平原区和固定、半固定沙丘区；气候类型属温带大陆性干旱、半干旱气候[2]，多年平均气温5.2 ℃～8.6 ℃，年均降水量 183.5～361.8 mm，年均蒸发量1800～3038.5 mm，年平均风速 3.4～3.5 m/s，最大冻土深 99～138 cm；土壤类型主要有灰棕漠土、风沙土、灰钙土和灌淤土等[3]；植被类型属荒漠草原植被，主要生长旱生小灌木及草本植物等；林草覆盖率为15%左右，生态环境脆弱，土壤容许流失量为 1000 t/(km2·a)。

2 工程建设弃渣情况

2.1 弃渣来源

青银高速定边段全线实际挖方总量为710.56万 m3，填方总量为1489.5万 m3，借方610.47万 m3，弃方298.02万 m3，外购料466.49万 m3，实际设置取料(土)场13处，均为平地型。实际设置弃渣场38处，其中坡地型弃渣场25个，沟道型弃渣场13个，占地36.19 hm2，弃渣298.02万 m3。弃土(渣)主要来自三个方面，一是路基挖填方段平衡调用后多余的土(渣)料或由于运输条件及各标段施工原因区间内土(渣)无法调用的部分；二是隧道弃渣；三是不良地质路段换填所产生的弃土(渣)。弃土(渣)主要为石渣，局部有少量灰棕漠土、风沙土及灰钙土。石渣主要分布在低中山丘陵地带，局部有灰棕漠土、灰钙土和砂石混合组成的弃土。风沙土和砂石组成的弃土主要分布于景泰县北部中低山荒漠区和古浪县大靖至土门镇段。

2.2 弃渣场地水文地质情况

青银高速定边段设置的弃渣场，主要分布在中低山荒漠区，覆盖层为风沙土，厚度约 0.6～1.6 m，不宜作为挡渣墙(堤)持力层；下伏基岩主要为卵石层，该层物理力学强度较高，压缩性低，承载力标准值高，可作为挡渣墙(堤)基础持力层。个别渣场位于土质荒坡，表层主要为灰钙土，土层埋深大于 5 m，夯实处理后可作为挡渣墙(堤)基础。当地水文地质条件简单，无地表径流，除雨季大部分降水向地下入渗外，局部地表随降雨出现短时径流，最终在低洼处自然下渗。

3 弃渣场水土流失防治措施

3.1 弃渣场挡墙防护设计

青银高速定边段挡渣工程主要为挡渣墙，挡渣型式共两种。I型挡渣墙：挡墙高 2.5 m，墙身高2 m，基础埋深1 m，墙顶宽0.5 m；面坡倾斜坡度1∶0.2，背坡倾斜坡度1∶0.3；底板厚0.5 m，宽1.9 m；浆砌石砌筑。 II型挡渣墙：挡墙高3.5 m，墙身高2.5 m，基础埋深1 m，墙顶宽0.5 m；面坡倾斜坡度1∶0.2，背坡倾斜坡度1∶0.3；底板厚1.0 m，宽2.75 m；浆砌石砌筑。设计采用的重力式挡墙均为仰斜式。挡墙高度2.5 m、3.5 m，墙高发生变化时，墙身尺寸以直线渐变过渡，墙背的坡度为1∶0.3，墙面的坡度为1∶0.2。渣堆坡脚采用挡墙挡护，基础埋深不小于1.0 m。挡墙墙身预埋Ф100PVC 管作为泄水孔，间距 2 m×2 m。纵向每隔10 m设沉降缝一道，缝宽2～3 cm。

3.2 弃渣场排、蓄水工程设计

根据项目区降水量、弃渣场汇水及弃渣性质情况，对弃渣场上游汇水面积较大，弃渣以土为主的弃渣场周围设置排水沟或截水沟，对马道平台设置马道排水沟，两侧边坡设置急流槽，下接消力池，经消能后通过尾水排水沟排至自然沟道。对弃渣场上游汇水面积较小，堆渣以石渣为主的弃渣场，弃渣场外围不再布设截排水设施，通过渣场覆土和修筑拦水埂的方式对渣场上游来水及渣面汇水分块拦蓄下渗。

3.3 弃渣场土地整治

弃渣完成后，对弃渣场弃渣平台及边坡进行土地整治。为有利于植被恢复，平整后渣体顶部根据利用方向，覆土绿化。对弃渣场顶部平台及边坡进行植草或种植灌木的防护措施。

4 弃渣场防护措施典型设计

根据弃渣场占地类型、位置、堆渣量、占地面积、水流冲刷等因素分析比选，弃渣场按坡地型、沟道型两种类型选择典型进行设计。沟道型弃渣场共有13处，编号分别为B6、B7、B9、B12、B13、B17、B21、B23、B24、B26、B27、B28、B29。坡地型弃渣场共有22处，编号分别为B1、B3、B4、B5、B8、B10、B11、B14、B15、B16、B18、B19、B20、B22、B25、B33、B35、B36、B31、B32、B37、B38。

4.1 沟道型弃渣场典型选取

沟道型弃渣场最大堆渣量29.97万 m3，最大堆渣高度22 m，从布设渣场的沟道现状、弃渣量、堆渣高度、防护措施类型等方面综合分析，选择堆渣量较大、堆渣高度较大的B12弃渣场作为典型，且该区域弃渣场汇水面积均不大。因此，沟道型弃渣场选择B12进行防护措施典型设计。

4.2 B12弃渣场典型设计

B12弃渣场位于定边县境内，弃渣量29.97万 m3，占地面积 2.61 hm2，占地类型为荒沟。渣场上游汇水面积 0.68 km2。沟道的总体趋势为南高北低，在墙顶以上堆高达到10 m时设一道2 m宽的马道，马道上下坡比均为1∶1.5，根据实际情况，共设马道1道，总长40 m。该渣场设计采用的工程措施主要为挡渣墙、截排水设施、拦水埂、土地整治等。

4.2.1 弃渣场堆渣体稳定性分析

渣体稳定计算按无黏性均质坡面进行计算，无渗透水流。计算公式：

(1)

式中：Fs为稳定安全系数；R为抗滑力，kN；T为滑动力，kN；W为渣体自重，kN；为弃渣内摩擦角38°；a为堆渣坡角，由于堆渣坡度均为1∶1.5，tga=0.67。

经计算安全系数Fs=1.17>1.05，可见，安全系数主要与弃渣内摩擦角有关，渣体稳定；该弃渣场在周边布设了截、排水系统。因此，该弃渣场的整体稳定性较好。

4.2.2 挡渣墙

为了充分发挥挡渣墙拦挡弃渣的作用，保证挡渣墙在使用期间的稳定与安全，挡渣墙选线选址应遵循以下几点：挡渣墙应建在紧靠弃渣或相对高度较高的坡面上，以有效降低挡渣墙高度；挡渣墙沿线土层的含水量和密度应保持一致，避免不均匀沉降对地基稳定性性的影响，并沿挡渣墙长度方向预留伸缩缝和沉降缝；墙线宜顺直，转折处应以平缓曲线相连接。为了稳定堆渣坡脚，减少扰动，在B12弃渣渣体坡脚布设3.5 m高的浆砌石挡渣墙25 m。

(1)弃渣墙主动土压力利用库仑公式计算：

(2)

式中：Pa为主动土压力，kN；γ为回填土容重，20 kN/m3；H为挡墙高，2.5 m；Ka为土压力系数，Ka=cos2(Φ-ε)/{cos2ε·cos(ε+Φ0){1+[sin(Φ+Φ0)·sin(Φ-β)/cos(ε+Φ0)/cos(ε-β)]1/2}2} ，其中,Φ为填土的内摩擦角，38°；ε为坝背面与竖直面的夹角，为16.7°；Φ0为坝背面与填土之间的摩擦角，Φ0=2/3Φ=25.33°；β为坝顶以上填土面坡角，为33.69°。

经计算，主动土压力Pa为46.57 kN。

(2)抗滑稳定验算：

(3)

式中：Kh为抗滑安全系数；W为墙身自重，127.94 kN；Pay为主动土压力垂直分力，31.18 kN;Pax为主动土压力水平分力，4.59 kN；μ为地基摩擦系数，0.5。

设计挡渣墙高2.5 m，顶宽0.5 m，底宽1.75 m，墙脚比1:0.2，底板宽2.75 m，厚度为1 m，基础埋深1 m时，经计算，挡渣墙稳定计算结果见表1。

表1 挡渣墙稳定计算结果表

所以，该挡渣墙露出地面高2.5 m，基础埋深1 m，底板厚1.0 m，宽2.75 m，采用M7.5浆砌块石砌筑并勾缝，每5 m设一道2 cm宽的伸缩缝，用沥青麻絮堵塞，按墙身水平间距2 m、竖直间距1.0 m，呈“品”字形布设孔径为10 cm的PVC排水孔，排水孔进口处包裹0.3 m×0.3 m的土工布，底部铺设宽2.0 m 的土工膜，基础原土翻夯30 cm厚，2:8水泥土垫层30 cm。

4.3 坡地型弃渣场典型选取

坡地型弃渣场中B31、B32、B37、B38弃渣场为较大坡地型弃渣场，此4处弃渣场平均弃渣量23.45万m3，平均面积1.84 hm2，从布设渣场的现状、弃渣量、堆渣高度、防护措施类型等方面综合分析，选择弃渣量较大，堆渣高度相对较高的B31弃渣场为典型；剩余坡地型弃渣场为小型弃渣场。

4.4 B31弃渣场典型设计

B31弃渣场位于里程桩号AK406+400线路左侧，堆渣量为30.6万 m3，占地面积 3.03 hm2，占地类型为荒地，地形为平缓荒坡，最大堆渣高度 28 m，堆渣主要为土料。方案设计对渣体坡角设置挡渣墙，对堆渣边坡进行削坡开级，在挡墙以上每10 m高处设2 m宽马道，渣面坡比1∶1.5，马道长 510 m。在渣面设拦水埂，渣场外围设截排水沟，两侧设急流槽将水集中排放至自然沟底。堆渣体稳定性分析利用公式(1)，经计算安全系数Fs=1.17>1.05。可见，安全系数主要与弃渣内摩擦角有关，渣体稳定；且渣场周边汇水面积较小，并在渣场周边布设了截、排 水系统，因此，本渣场的整体稳定性较好。为了稳定堆渣坡脚，减少扰动，在B31弃渣渣体坡脚布设3.5 m高的浆砌石挡渣墙 360 m。挡墙型式均采用Ⅱ型挡渣墙。

5 结 论

青银高速公路定边段建设，产生的弃渣量较大，且该地域生态环境恶劣。通过计算分析，结合当地实际地域情况，从荒沟、坡地两种不同地形提出弃渣场建设方案，有利于做好全线公路建设的弃渣保护工作，值得推广借鉴。

[1] 钟军，郭庆辉，李旺新．青岛—银川高速公路丹山斜拉桥静载试验[J]．山东交通科技，2001(4)：13-16.

[2] 朱生宪．太中银铁路太中线定边县沙害分析及治理措施[J]．中国铁路，2013(5)：5-8．

[3] 杨晓武，李新平.定边县板凳滩移民区土壤发生特性与系统分类研究[J]．水土保持通报，2012(1)：26-32．

高堂茂(1971-)，男，陕西神木人，工程师，主要从事水利水保建设工作。E-mail:479028318@qq.com。

S157.2

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2096-0506(2017)01-0080-03