公路弃土场排水系统设计方案研究及具体案例分析

李金萍

（晋江市路桥建设开发有限公司，福建 晋江362200）

0 引言

公路排水系统包括为排除地表径流及地下渗流而设置的排水构造设施。排除地面径流的排水设施除跨越地表河沟的桥涵外，还有排除坡面、路面径流的截水沟、边沟、排水沟、急流槽、集水井、消力池、沉砂池等；排除地下渗流的排水设施除排除山体或土体内部地下水的盲沟、渗井外，还有路面排水垫层、排水砂桩、排水平孔及各种防排水材料等。由于公路边坡排水系统构造相对简单、工程造价较少，普遍不受重视，目前对公路边坡排水系统的研究也相对较少，对弃土场排水系统的研究更少，因而对弃土场排水系统进行深入研究。

1 公路排水系统设计的重要性

水对公路路基强度和稳定性有重要的影响。公路排水系统的设计除桥涵构造物应引起设计人员的重视外，其余类似截水沟、边沟、盲沟、排水平孔等设施由于构造相对简单、工程造价较少，往往被设计人员当作不重要的附属工程来看待。同时由于除桥涵外的排水系统在设计阶段不能直观有效做出完善的系统设计，设计人员往往只是设计出通用图或示意图，并统计出大概的工程量，没有针对排水系统进行详细的设计。排水系统的具体位置和做法需要到施工时根据现场实际情况进行调整或变更增加排水设施。排水系统是否完善全部依靠施工单位的技术水平，而施工单位的技术水平良莠不齐，要么按图施工、要么排水系统干脆不施工或不完善，造成公路工程完工后，排水设施没有形成完整的系统，不能及时排除地面及地下水，造成坡面冲刷或受地下水影响边坡失稳塌方或滑坡。

因此，在设计阶段，对边坡排水系统做出详细的设计尤其重要，施工单位按图施工、监理单位按图监督、验收部门按图验收，才能确保排水系统的实施更加完善，使公路的边坡避免被地表水冲刷及被地下水影响其边坡稳定性。

2 弃土场排水系统的特点

弃土场排水系统是公路排水系统的范畴，但弃土场排水系统属于线外附属工程，距离主线较远，是相对独立的工程，因而弃土场的排水系统具有独立性。

弃土场属于线外附属工程，在设计阶段往往只进行选址、提供简易的做法通用图，并没有进行详细的边坡防护及排水系统设计。在施工阶段，弃土过程一般缺少监督，施工单位乱堆乱弃现象严重。因而排水系统具有容易被忽视、缺失不完善的特点。

弃土场一般具备占地较大、堆渣高度高、填筑土类多、压实度不足、填筑坡率较陡、坡面不修整、排水系统缺失或不完善等特点，因此经常由于汇水面积大、顶面不平整、积水下渗等，造成渣土内部地下水位高，而缺少排水系统，导致大量积水无法及时排出边坡，引起边坡变形，严重时会导致失稳滑坡。因此，弃土场的排水设施是弃土场的重要组成部分，完善的弃土场的排水系统设计是弃土场边坡稳定安全、水土保持的关键。

3 弃土场排水系统设计要点

第一，在设计阶段，弃土场的选址尤为重要，选址时应充分考虑其他场地的占地属性、征地的可操作性、施工便道、土石方运距、弃土容量、排水系统、挡渣墙的长度和高度、造价、环保等众多因素。第二，对地勘报告进行详细的研读，尽量详尽摸清现场水文地质情况。第三，注重与边坡设计及防护方案相结合。第四，应遵循“防、截、堵、排”的原则，完善地表及坡面排水系统。第五，截水沟、边沟、排水沟的结构尺寸应能满足及时排水的水力计算。第六，注重地表水和地下水的渗流引起的边坡失稳，系统性地设计地下排水设施。第七，地上排水设施和地下排水设施应相互适宜。第八，对地形变化较大的截水沟、排水沟、急流槽应进行纵断面设计，根据具体坡度较大的段落设置急流槽和消力坎或消力池，防止流速过大水沟被冲刷毁坏。第九，施工便道与坡面平台及平台排水沟相结合。第十，边坡坡顶平缓地带应将黏性土夯实整平，并设置排水横坡，现状边坡土体裂缝采用黏土进行夯填封闭。第十一，充分考虑施工的可操作性及安全性。第十二，注重现场实地踏勘调查比对设计方案，对施工过程中可能出现的问题进行超前预判，减少将来设计变更。

4 某公路弃土场排水系统设计案例

“水害”是大部分地质灾害的诱因，接下来对某公路弃土场的排水系统设计方案研究过程和具体做法展开详细阐述，进一步论证公路弃土场排水系统的重要性、设计要点和技术措施。

4.1 工程概况

弃土场位于某公路东侧约420m，对应线路主线施工里程为K22+250，弃土可从既有K22+820 通道接线进入弃土场。征地面积约为87.5 亩（约58333.33m），整个弃土场由2 个山谷夹1 个小山脊构成。为施工建设时的弃土场，该弃土场于2014 年10 月开工建设时开始容纳弃土，至2017 年10 月建成通车后停止容纳弃土，总堆渣量约90 万m，堆渣高度47m。弃土场属于线外附属工程，施工图对该弃土场并没有进行排水系统的详细设计，由于各种原因实际弃方量也远超原设计弃土场容量。受2016 年9 月“莫兰蒂”台风的影响，弃土场大部分边坡冲刷严重，造成水土流失，并影响弃土场边坡稳定安全，边坡稳定治理并预防水土流失工作显得尤为重要，如图1 所示。

图1 现场施工实拍图

4.2 设计思路

4.2.1 防护完整性原则

水土流失在现代边坡治理中显得尤为重要，遵循相关的水土方案，满足水土保持专项验收要求，尽量减少施工过程中引起的水土流失。

4.2.2 安全性原则

弃土场堆渣高度较高，局部坡度较陡，对下方的安全造成一定的威胁，对其采取局部顶部弃土清运、边坡修整的方案，恢复既有2挡墙排水措施，确保边坡安全稳定，消除滑坡、塌方等安全隐患。

4.2.3 可操作性原则

受交通条件、地形条件、堆渣条件等因素制约，部分点位治理难度大，需要因地制宜确定治理方案。

4.2.4 经济性原则

在满足项目投资的条件下，尽量优化水土保持方案，减少不必要的工程量，降低水土保持费用在整体工程的投资占比，实现良好的经济效益。

4.3 综合治理方案设计概况

弃土前在弃土场沟口下方设置1、2挡土墙共两道。后期又新增弃方。堆土增加后导致部分弃土外溢至挡墙外侧。

该次弃土场边坡稳定及水土保持治理采用卸载和强化排水系统方案。既有1、2挡墙上方边坡采用四级边坡进行卸载；同时在坡体内设置仰斜式排水孔排除渣土内地下水，避免渣土堆内因为含水量高、降低土体物理力学指标，造成滑塌，边坡坡率分别为：2级1∶3、1 级1∶2.5、1 级1∶2。每一级边坡之间设置3m 宽的马道，马道及坡顶平台设置30cm×30cm 的排水沟。边坡中部设置一道急流槽，将坡顶平台及边坡流水引出弃土场外。在弃土场周边设置截水沟、盲沟，及时将周边山体汇水引出弃土场外，同时设计排水平孔将弃渣体内部的地下水引出至平台边沟，汇入排水沟或急流槽。边坡治理、施工便道及排水系统相结合，形成一个完整的弃土场水土保持综合治理方案。

该方案共卸载土方约6 万m，坡体平整约2 万m，弃方清运至北侧坟墓区域，进行分层碾压处理。施工图设计主要内容为弃土场顶面及坡面平整、土方整治、平面弧形挡土墙、排水工程、绿化工程等水土保持措施及临时施工便道。本文主要介绍排水系统设计，边坡稳定分析。

4.4 排水系统设计

4.4.1 排水工程总体布置

弃土场的排水设施是弃土场的重要组成部分，完善排水系统设计是弃土场边坡稳定安全、水土保持的关键。该案例弃土场的排水工程总体布置如图2、图3 所示，通过设置水沟体表排水、盲沟深层排水、PVC-U 排水管坡体排水等措施，构成弃土场完善的排水体系。

图2 弃土场总体平面布局

图3 弃土场治理效果

在弃土场四周设置截水沟，将山体雨水引流至既有水沟内。当纵坡≥10%时，截水沟设置成急流槽形式。既有2挡土墙上方边坡中部设置3急流槽，将坡顶平台及边坡流水引出弃土场外。弃土场北侧汇水面积较小，采用50cm×50cm 矩形排水沟。分为A型和B 型两种，在截水沟入口设置八字墙，沿截水沟主线长3m，侧墙倾斜角度30。急流槽分为1～4四种。马道及坡顶平台设置30cm×30cm 的排水沟，用于收集坡面汇水。墓地-池塘之间，设置一道80cm×80cm 盲沟。

通过PVC-U 排水管进行坡体排水，PVC-U 排水管长20～70m，横向间距5m/3m。既有2挡土墙在距离墙底0.8m 高的位置，潜孔钻开孔插入直径75mm 的PVC-U 排水管，长16m，横向间距3m。

4.4.2 水力水文计算

（1）洪峰流量计算

因计算时相关洪水资料缺失，故采用经验公式进行计算。

公路科学研究所经验公式：

汇水面积小于10km时：

式（1）中：k 为径流模数，该项目重现期按50 年，东南沿海地区的径流模数k=22×1.2=26.4；n 为面积参数，当F＜1km时，n=1；当1＜F＜10km时，东南沿海地区取0.75。

计算结果如表1 所示。

表1 洪峰流量计算表

（2）沟渠断面水力要素计算

式（2）中：ω 为过水断面面积（m）；x 为湿周（m）。

式（3）中：

b

为底宽（m）；

m

为沟渠边坡坡率。

式（4）中：v 为平均流速(m/s)；

i

为渠底纵坡；

C

为谢才系数；

R

为水力半径（m）。

式（5）中：

n

为渠壁糙率，查给水排水设计手册附录28。

假定断面可通过流量：

根据计算确定的水沟断面尺寸为：0.5m×0.5m 排水 沟，流 速2.16m/s、流 量0.54m/s；A 型 截 水 沟1.5m×1.2m，流速4.86m/s、流量8.76m/s；B 型截水沟0.8m×0.8m，流速5.34m/s、流量3.54m/s；1急流槽1.25m×0.8m，流速11.57m/s、流量11.57m/s，沟渠可通过流量均大于洪峰流量。

4.4.3 排水沟与截水沟设计

（1）纵断面设计

由于弃土场截水沟、排水沟、急流槽地形变化大，需进行纵断面设计，才能根据具体坡度较大的段落设计急流槽和消力坎或消力池。依据现场实际情况，普通段排水坡度1.0%～3.5%，急流槽段排水坡度22%。

（2）施工注意事项

排水沟和截水沟施工前需清表50cm，渠底1m 深度以内的压实度不小于95%。

4.4.4 盲沟设计

池塘北侧属于低洼地带，无法从明沟排除，因此在墓地-池塘设置一道80cm×80cm 矩形盲沟，将池塘北侧墓地及弃土场坡底水流引至A 型截水沟。再经由1急流槽引至弃土场外侧。

4.4.5 边坡坡体排水

在坡体排水施工操作时，施工人员利用钻孔机械将

φ

75mmPVC-U 排水管插入坡体内。PVC-U 排水管长20～70m，横向间距5m/3m，倾斜10%。既有2挡土墙底部0.8m 高的位置，先用潜孔钻取孔，再利用圆钢管将PVC-U 排水管插入墙背后，横向间距3m。直径75mmPVC-U 排水管应满管钻孔，封堵管头。PVC-U 排水管应外包渗水土工布，防止排水孔堵塞，如图4 所示。

图4 边坡坡体排水断面示意图

仰斜式排水孔施工工艺流程：施工准备—测量放样—机具安装与调试—钻孔施工—钻孔、钢管同步跟进—成孔自检—安装透水管、拔出钢管—终孔。

4.4.6 排水工程重要细节设计

（1）排水沟每15m 需设置一道施工缝，缝底垫一层塑料薄膜，缝内填塞沥青木丝板，缝顶面用砂浆抹平。

（2）当排水沟沟底纵坡大于等于10% 时，需设置成急流槽形式。急流槽出口设置消力池，消力槛底部需预留直径8 的泄水孔，以利水流中断时排泄消力池内的积水。

（3）弃土场坡顶平台及区域II 回填顶面，均需回填30cm 厚黏土，防止雨水由坡体进入弃土场内部。

（4）仰斜式排水孔施工中如遇多处塌孔，108×5mm 圆钢管数量可以适当增加。

（5）施工中若排水孔较深，圆钢管拔出困难时，应采用侧壁开孔的钢花管，保证坡体排水。

（6）坡顶平缓地带地表渗水容易进入土体内部，填筑土体类别不一致时，产生土体局部裂缝，雨水将沿裂缝渗入土体，掏蚀土体，造成边坡破坏，必须进行黏土夯填并设置排水横坡，并对既有坡面裂缝采用黏土夯填封闭。

4.4.7 实现效果和性能评价

地质灾害大部分为“水害”诱发，进而造成大面积滑坡，因此应利用施工便道设计、岩土边坡稳定设计、岩土边坡内排水设计、挡墙设计、路基地表排水设计、施工组织设计等多专业相结合，综合拟定一个施工便道与卸载平台相结合、地下排水系统与路侧排水沟组成的完善的排水系统，新建挡墙平面采用非常规的弧形设计，改善结构受力条件，同时减少挡墙高度，降低工程造价。卸载土方原地弃方，减少运距的工程技术安全可靠、经济节约、施工难度小、工期短。该弃土场设计了完善的地表及地下排水系统，施工过程中均严格按照设计图纸施工，通过水土保持专项验收。至今没有出现冲刷的病害，水土保持良好。如图5所示。

图5 竣工验收前弃土场地表排水设施和绿化效果

5 结语

通过对公路排水系统重要性及弃土场排水系统的特点分析，总结出弃土场排水系统设计要点，针对具体案例详细阐述设计要点、处理技术措施，对实现效果和性能进行评价，进一步说明了公路及弃土场边坡排水系统的重要性和研究成果的实际效果，同时体现了多专业融合的综合性边坡治理理念，大幅度节约工程造价、缩短工期，值得推广应用。

公路及弃土场排水设施虽然构造简单，在整个公路项目中的造价占比较小，但排水设施对路基边坡、挡墙及路面结构的安全性和耐久性起着关键性的作用，完善的公路排水系统设计尤为重要。希望广大公路参建者能够引起重视，完善排水系统设计，落实排水设施的施工到位，减少水土流失，保持项目周边的生态环境。