德商高速公路水土流失预测及水土保持设计

谢 翔，张 佳，王莎莎，于 苗

(济南绿轩工程咨询有限公司，山东 济南 250014)

1 工程概况

德商公路德州至夏津段位于山东省德州市境内，包括主线和支线两部分。其中主线全长41.04 km，支线全长22.87 km，采用双向四车道标准建设，设计行车速度为主线120 km/h、支线100 km/h，路基宽度为主线28.0 m、支线26.0 m。为预防和治理在公路建设过程中产生的水土流失，本项目制订了完善严格的防治目标(见表1)，针对不同的防治对象采用不同的防治手段进行治理。

表1 水土流失防治目标 %

2 水土流失特点及预测

2.1 水土流失特点分析

(1)存在大规模土石方作业。本项目路段估算土石方挖填总量可达1026.77万m3，而土石方工程最容易造成地表和基建面的土壤大面积裸露，若此时有降雨出现，则会形成较大范围危险边坡，水土流失现象严重[1]。

(2)存在一定的扰动破坏。在进行路基、隧道等开挖时，由于人为作用会将原有地层应力平衡状态打破，进而造成地层结构发生变化[2]，包括裂缝、沟壑发育增多，为水土流失创造了条件。

(3)水力侵蚀作用明显。项目区地处鲁西北黄泛平原，土类分为：潮土、盐土、风沙土三类，其中98.7%为潮土类[3]。其具有表层质地疏松、透气性好等特点，这样在雨水作用下会容易产生水土流失现象，因此项目区水力侵蚀作用明显，如图1所示。

2.2 水土流失预测

本项目路段施工工期为34个月，水土流失现象基本贯穿始终，在对水土流失预测时为简化计算，将相似区域划分在一起，包括植被、地形、降水量等。

2.2.1 建立预测数学模型

当前预测水土流失量Q的主要手段为数学模型，首先将各相似区域整合后分区，之后利用式(1)进行计算[4]。

(1)

式中：Si为各分区内的土资源流失面积，m2；Eni为各分区的土壤侵蚀模数，具体见表2；Ti为各分区的预测时间，d。

图1 公路填方工程水土流失现场

表2 项目区土壤侵蚀模数 t·km-2·a-1

2.2.2 水土流失量预测

工程实际总占地面积491.66 hm2，其中永久占地370.85 hm2，临时占地120.81 hm2。挖方103.48万m3，填方923.29万m3，调入和调出2.05万m3，

借方820.22万m3，弃方0.42万m3。而水土流失主要场所为路堑开挖边坡、路基边坡、取土场等。

(1)路堑、路基开挖边坡水土流失量预测。项目路段地表土松散，土壤容易被侵蚀，其中路堑开挖面积为50 hm2，而路基建设大部分采用填土方式处理，即使经过碾压处理，其松散性也大于原土层[5]，按照1∶1坡度设计，路基边坡总面积约145.2 hm2，预测得到水土流失量见表3。

(2)取土场水土流失量预测。本工程实际使用取土场8个，从这8个取土场共取土117.10万m3，取土场占地面积45.27 hm2。在此按照34个月工期进行计算，预测得到水土流失量见表3。

表3 路堑、路基开挖边坡水土流失量

3 水土保持方案设计

本项目采取的主要措施如下：(1)工程措施包括路基边坡综合防护、排水工程；(2)植物措施包括路基植草防护、中央分隔带绿化、路基两侧防护林等[6]。

3.1 主体工程水土保持方案设计

3.1.1 路基路面水土保持方案设计

本项目针对路基路面水土保持主要采用下水道、排水沟、泄水槽等，杜绝雨水存储，同时使用渗透排水手段对存水进行疏导。

排水沟分布在路基两侧，设计采用C25预制块蝶型排水沟，底宽0.8 m、沟深0.6 m、边坡比1∶1.5；并辅以C25现浇混凝土排水沟、M7.5浆砌片石排水沟；在排水沟末端设计M7.5浆砌片石排水顺接工程，将雨水顺接到周边渠道。

3.1.2 中央分隔带水土保持方案设计

本项目路段中央分隔带采用绿化带方式，设计宽度3.0 m，绿化主防眩植物选用蜀桧，次防眩植物选用龙柏，为丰富景观，每隔8株蜀桧在前排点缀种植了花灌木紫薇和木槿(见图2)。

图2 项目路段中央分隔带绿化实景

3.1.3 路基边坡水土保持方案设计

路基边坡是水土保持的重点内容，若边坡填土流失严重，会造成路基空洞，进而导致路面裂缝、沉陷等病害，直接影响行车安全和使用寿命。

(1)护坡设计。本项目对路基护坡结构设计分为三层，从上到下依次为“护坡、砂砾石垫层、土工布层”(见图3)。其中护坡设计原则为：当边坡高度H≤4 m，采用植物防护、种植灌草、坡面漫流排水；当边坡高度H>4 m，采用拱形骨架植草护坡，拱形骨架拱圈内径3.0 m，拦水坎、骨架、泄水槽均为C25预制混凝土。拱圈内铺设一层厚20～30 cm黏性壤土，撒播适于当地生长的草籽；护坡道种植灌木(见图4)。

图3 主体工程水土保持方案设计示意图

图4 拱形骨架植草护坡施工图(左)和完成图(右)

(2)砂砾石垫层设计。本项目砂砾石垫层施工工序为“分层铺筑→洒水→碾压→验收”，其中对原料要求如下：砂粒采用中砂或粗砂，含泥量不得超过5%；砂砾石粒度在50 mm以下。

本项目要求每层填筑厚度为20 cm，在碾压前对填筑层进行洒水，砂石最佳含水量为10%左右。采用蛙式打夯机进行夯实作业，落距设置在400～500 mm之间。

(3)土工布层设计。本项目要求土工布拼接宽度为50 cm，采用横向铺设，且不得拉扯过紧，应留至少10 cm的富余。施工人员一律穿上平底鞋施工，检查存在孔洞问题后，应进行及时补漏。

3.2 取土场、弃土场水土保持方案设计

取、弃土场设计首要原则是少占土地(尽量不占用耕地)，然后选择地势较高且平坦、地质条件均匀场地。

(1)工程措施方案。本项目尽量将土场设计在河滩上(不得影响地区防洪)，地面采用粗颗粒砂卵石填铺20 cm并简单碾压。为防止预计河流冲刷，利用浆砌石堆砌土场周围，高度设计为1.0 m(项目段近十年最高洪水位为0.6 m)。在施工结束后要对土场进行整平和绿化(复垦)，铺设壤土厚度不得小于30 cm。本项目要求土堆边坡斜率不得超过1∶1.7，岩石边坡斜率降至1∶1以下。特殊地段可通过增设分层压实桩稳固土体，设计标准为每隔10 m设计宽2 m的压实桩。

(2)植物措施方案。对土场处理前，将含有丰富草籽和腐殖质的土场表层土(30 cm)进行刮取并妥善保存，待工程结束后平整土场用。对于土壤边坡要求切削至1∶1.5以下，恢复植被尽量以原始植被为主。要求土场平整后在表层填充黏性壤土不低于30 cm。

4 结 语

高速公路沿线水土保持对于提高项目经济和社会效益意义重大，若处理妥当，则会成为一道风景线。若处理不当，则会对沿线民众的合法利益造成损害，甚至影响工程的正常施工和运行。在制定水土保持措施时，一定要结合工程实际，力求做到因地制宜。德商公路德州至夏津段经水土保持处理后，各项指标均达到防治目标。