长江经济带上游公路巨量出渣绿色处置研究

肖 莉,黄红亚,谭 枭,谭昌明,卢与同,王章文

(1.四川省公路规划勘察设计研究院有限公司,成都 610041;2.四川省公路生态环境工程技术研究中心,成都 610041;3.四川沿江宜金高速公路有限公司,四川 西昌 615099)

1 长江经济带上游公路建设面临的水土流失问题

《深入打好长江保护修复攻坚战行动方案》确定了长江经济带保护与发展工作,提出了“生态优先、绿色发展”的长江经济带发展指导思想,确立了将“生态优先、统筹兼顾、综合治理、系统治理和源头治理”作为打好长江保护修复攻坚战的工作原则。

“十三五”以来,国家实施了一系列长江保护修复行动,长江生态环境质量改善明显。但形势依然复杂,水土保持作为保护行动的重要组成部分,任务依然艰巨。2021年全国水土流失动态监测资料显示:我国水力侵蚀呈明显流域分布,长江上游和黄河中游地区尤为集中,其土地面积仅占全国14 %,却集中了全国40 %的中度和强烈及以上水蚀面积[1]。其中,长江流域水土流失面积33.70万km2,占流域土地总面积的18.81 %,水力侵蚀面积32.19万km2,占水土流失总面积的95.51 %,主要分布在金沙江下游、岷江沱江中下游、嘉陵江中下游、乌江赤水河上中游及三峡库区等区域。

金沙江下游攀枝花至宜宾段流域位于干热河谷,是我国西南地区特殊的脆弱生态环境区,是长江上游水土作用失衡的关键地带之一。区域水土流失特点总体表现为土壤侵蚀相对面积大,土壤侵蚀强度大,侵蚀产沙能力强,重力侵蚀和沟蚀严重。该流域年均输沙量达1.9亿t,占长江上游年输沙量的35.5 %,而流域面积和年径流量仅占7.8 %和8.9 %,是金沙江流域的主要产沙区[2-3]。因此,开展金沙江干热河谷区水土流失防治研究,对于助力长江保护修复行动具有重要意义。

《国家公路网规划(2013年-2030年)》规划建设G4216成都至丽江高速公路,其中宜宾至攀枝花段又称沿江高速公路,其走向与金沙江流向大致平行,全长约478 km,是国内高速公路建设史上单体投资规模最大的项目。工程于2020年开始建设,预计2025年通车。工程沿线以中高山深切峡谷地貌为主,工程地质条件极其复杂,区域绝大部分路段位于国家级水土流失重点治理区,地质灾害频发,生态环境脆弱,大型电站梯级分布,水库淹没区与消落带共存,布线极其困难。以沿江高速公路新市至金阳段为例,桥隧比高达91 %,出渣量高达2745万m3,工程建设面临出渣综合利用极其有限,弃渣场选址极其困难,挡防措施极其复杂,水土流失极难控制的问题。

2 巨量出渣绿色处置研究

近年来,公路、铁路和水利工程开展了弃渣综合利用研究[4-10],如宝天高速公路利用隧道弃渣筹建碎石加工场;忻阜高速公路利用隧道弃渣生产机制砂和碎石;红崖山水库加高扩建工程利用弃渣进行防护林带建设;辽宁省大伙房水库输水工程将隧道出渣用于改路填筑和河道整治筑堤;川藏铁路研究中提出最大限度减少工程出渣量,从源头控制水土流失,减轻水土流失生态影响的弃渣处理目标。

开展地材综合利用是首选处置方式。由于沿线路基、隧道开挖的白云岩、灰岩压碎值偏高,无法用作C30级混凝土碎石料,同时,由于地方其他工程利用不可控因素大,变数多,落地困难,故仅考虑在无法用作筑路材料和其他工程无法消纳条件下,开展处置研究。

2.1 约束条件控制体系

巨量出渣综合利用方式和弃渣场选址受到工程本身、地质地貌条件、土地利用方式、环境敏感区域等诸多因素限制,因此,研究组首先开展影响出渣处置去向的影响因子分类研究。通过对四川省内十余条已建和在建复杂山区公路分析,初步确定了10项主要影响因子,包括河道管理、文物保护、基本农田、行洪否定、地灾威胁、渣场容量、运输条件、征地拆迁等。这些影响因子具备以下三种特性:一是满足行政审批手续合法合规性,二是满足技术手段的科学可行性,三是满足建设中的经济合理性,其合规性、可行性与合理性三者共同支撑方案实施,缺一不可。其后,进行各项因子影响程度分级,建立出渣处置约束条件控制体系。该体系包括三个级别约束系,即刚性约束系、韧性约束系和宽松约束系,每个约束系涵盖了涉及合法合规、科学可行和经济合理三个层次特征的影响因子,各因子共同作用下,确定出渣处置去向。

该约束条件控制体系详见图1所示。其中,刚性约束系代表出渣处置的禁止因子组;宽松约束系代表优先因子组;韧性约束系则是介于刚性约束系与宽松约束系之间的多因子组,是指存在一定政策和安全风险下,通过强化工程挡防排水、植被恢复等技术手段,使得出渣处置方案有条件满足要求,带来的水土流失危害总体可控,其实施具备经济合理性,不会因工程建设而加剧对周边基础设施、居民点等的不利影响。

图1 约束条件控制体系

由于金沙江干热河谷区处于《全国水土保持区划》中川西南高山峡谷保土减灾区,工程沿线分布了多处生态环境敏感区、地质灾害点等制约性因素,刚性约束系表征了生态环境红线区、存在严重安全问题的区域和实施中存在运输问题的区域,出渣布置缺乏合规性、可行性与合理性支撑,这些区域为禁止处置弃渣的红线区。而就具备先行布置条件的优先区而言,基本不涉及生态环境红线和安全问题,但该区普遍与主线工程距离过大,出渣运输条件艰巨,运输过程中潜在水土流失风险较大,消耗大量化石燃料,与交通建设绿色低碳发展要求相悖,优先区堆渣缺乏合理性支撑。

因此,研究组得到:复杂山区公路沿线相对可行的出渣处置区域多以有条件通过的韧性区为主,该区域主要特点:不是天然良好的弃渣堆置区域,大多面临一定发育程度的地质灾害;上游汇水面积较大等问题。因此,要解决工程出渣处置难题,必须建立平衡韧性区堆渣合规性、可行性与合理性的工程技术体系。

2.2 处置目标和处置方向研究

遵循“减量化、资源化、无害化”处置原则,根据约束条件分类分级体系,提出“绿色利用、低碳融合”的巨量出渣处置目标。首先确保处置场所合法合规;结合干热河谷区生态恢复困难与水土流失防治需要,宜圬工则圬工,宜造地则造地,减小水土流失物源,处置技术科学可行;充分考虑工程本身建养成本巨大的现实,具体实施中经济合理可行,建立如下处置方向。

第一,绿色填筑消纳。由于工程沿线大多位于中高山峡谷地貌区,高差悬殊,服务区、停车区、落地互通综合体等布置困难,且缺乏施工作业面。为解决永久构筑物布置和施工组织问题,通过利用出渣场坪,增设施工作业面,优化渣土资源配置,建立降碳途径,形成绿色填筑技术,实现出渣资源化利用。

第二,低碳挡防利用。由于沿线分布不同程度的岩石顺层边坡、滑坡(水库坍岸)、岩堆、危岩落石、泥石流等不良地质体,常规的顺层清方、常规挡防、锚固等工程防护措施圬工消耗巨大、防护难度大。为进一步提高坡体稳定性,通过利用出渣改良挡防布局,升级优化防护组合型式,降低圬工消耗强度,集约节约资源,形成低碳挡防技术,进一步实现出渣资源化利用。

第三,融合造地处置。针对无法消纳的出渣,则开展弃渣场选址研究。考虑工程沿线支沟发育,谷深坡陡、岩层破碎、地面松散固体物质多,崩塌、滑坡、泻溜极为常见的特点,可供选择的堆渣区极其有限,通过判定弃渣场限制性制约因素,利用支沟堆渣改造局部微地貌,达到生态环境破坏最小化和利用最大化,形成融合造地技术,实现出渣无害化处置。

3 处置技术

3.1 绿色填筑

针对服务设施缺乏落地条件,施工期间缺乏施工作业场地的问题,该处置技术结合落地互通、服务区、隧道管理所等服务设施布置,利用出渣填筑服务设施区。一方面为主线服务设施的布设提供有效场坪和施工场地,另一方面可大量消耗隧道出渣和路基挖方,同时,松散出渣经压实和表层硬化后,控制了土壤侵蚀发生的物源条件,具有一定减沙效应,水土保持效果显著。具体填筑形式如下:

(1)综合体填筑:结合沿线互通、服务区等工程布置需要,通过利用挖方和隧道出渣填筑布置纵向高填路堤,其前后缘分别采取抗滑桩及普夯补强等方式确保路堤稳定。经工程验证,沿江高速新金段运用该项技术实现场坪面积15 hm2,满足了服务区、枢纽、落地互通综合体的布置需要,仅一处综合体填筑即可消纳出渣约260万m3。同时,对所填筑互通、服务区等主体工程实施乔灌草绿化措施,建立路域人工生态系统,对于固碳降碳具有正效应。

(2)施工场坪与隧道管理用房填筑:大部分隧道群大多以桥隧相连形式布线,隧道进出口所在位置大多山势陡峻,深切沟谷发育,隧道施工缺乏必要的施工场地,无法布置变电所和管理站,因此,在隧道地质条件允许下,采用永临结合方式,实施桥改路基及引水改沟等工程,通过消耗出渣创造隧道变电所及管理站的施工条件和落地场所,解决建设难题。

3.2 低碳挡防

该类处置方案是指对主线路基、桥梁、隧道、互通有影响的欠稳定斜坡路段(如坍岸、滑塌、崩塌等),利用出渣填筑反压的方式代替常规的挡防、锚固等大量圬工措施,以降低防护难度、提高坡体稳定性和行车安全。该项措施以反压体控制重力侵蚀,以减少水土流失发生。具体如下:

(1)库区坍岸治理与反压:工程部分路段跨越建成水库,在水库水位升降影响下,沿线已呈浅表溜滑迹象,潜在坍岸对桥梁安全影响较大。综合考虑沟道流量、沟心形态及行洪等因素,具备回填坍岸条件,通过对桥位处的不良地质体进行反压,分级堆填,反压坍岸区,保障桥梁墩柱安全稳定性,也起到消纳出渣作用。

(2)泥石流整治与出渣填筑:对于工程上方分布有泥石流沟的情况,根据地质勘察成果,基于低频消亡期中型泥石流沟结论,采取增设引水隧洞、填筑纵向高填路堤和增强抗滑桩方式。一方面疏导了上游沟道来水,另一方面提升了工程安全性,避免单一桥梁布置下的泥石流威胁,在消纳弃渣方面起到一定作用。

3.3 融合造地

该处置方案是针对沿线冲沟发育、耕地资源稀缺问题,在弃渣场选址中,尽量选择支沟、荒沟、毛沟分级堆放弃渣,降低沟谷高差,在满足安全稳定和行洪过水等条件下,弃渣结束后开展土地整治,还耕还林还灌草,增加耕地资源[11-12]。

工程沿线分布有大量V形沟谷,且具有显著三维效应,利于渣场稳定,可有效控制沟谷溯源侵蚀,具有良好减沙效应。就单个弃渣场而言,渣场水土流失以沟蚀为主,坡面冲刷物质大部分堆积在坡脚和便道,随水流汇集到河网中的物质一般不超过侵蚀总量的15 %[13-15]。因此,研究组多选择比降不超过20 %的沟道堆放弃渣,渣体分层压实分级堆放,通过改沟、截排水沟等措施及时排导上游来水,渣体坡顶布置横向截水沟疏导渣顶汇水,结合挡渣墙、抗滑桩等拦挡工程确保弃渣场稳定性。

沿江高速公路虽然整体位于金沙江干热河谷,但沿线土壤和植被类型分布呈分段特点,应分段采取不同恢复措施。①宜宾至雷波县城段,降水相对较多,沿线发育黄红壤、黄棕壤和棕红壤,地表多为旱作耕地和林地,渣场还林复耕条件稍好;②雷波县城以西至攀枝花段,为典型干热河谷气候,发育红色石灰土、燥红土等土壤,植被多为稀树灌丛草坡,受坡陡、植被差、降雨少、蒸发大影响,土壤瘠薄、石质多,渣场生态恢复难度极大。因此,通过改良土壤,适地适树,宜农则农,逐步恢复和提高地力[14-15],以控制沟谷水土流失,发挥人工造地的环境效益,达到生态优先、环境融合的处置效果。

根据既有资料,通过绿色填筑和低碳挡防等技术,本工程可综合利用出渣量约1143万m3,积极促成了出渣资源化利用,剩余1602万m3出渣通过合理布置弃渣场,充分考虑渣场与所处区域环境特点,建立融合造地的弃渣技术,利用工程弃渣重塑支沟、毛沟微地形,对缓解当地土地资源紧张问题和防治水土流失具有重要的现实意义。

4 结语

通过对复杂山区高速公路建设巨量出渣处置方案的研究,从长江经济带上游主要产沙区金沙江流域的自然环境特点和工程建设需求出发,依据出渣处置约束条件分类分级控制体系,形成“绿色填筑、低碳挡防、融合造地”处置技术,减少了新增出渣发生水土流失的物源条件和发生面积,减沙效益明显。后续应加强对出渣堆积体安全稳定性跟踪监测,深入开展干热河谷区土壤侵蚀与工程建设的互馈研究,在人工降雨和长期定位观测下进一步探索道路侵蚀规律,积极研发保水保土减沙技术,合理控制公路建设带来的水土流失,为长江经济带保护提供技术支撑。