谷坊结构作为山区高速公路弃渣场的设计理念——以昭通至西昌高速公路为例

陈晓龙

(四川省交通运输厅交通勘察设计研究院，四川成都 610000)

山区高速公路平纵技术标准高，地形陡峭，挖方总体还是远大于填方，再加上隧道规模大，造成弃渣整体量大。工程中尽量将合格的隧道弃渣进行碎石加工和片石分选加以利用[1]，但仍有大量弃渣需要堆弃。目前建设项目越来越重视对弃渣场的设计，弃渣场应符合防洪规定，不影响河流、库区泄洪，并堆放在水土保持方案确定的专门存放地。不良的弃渣场会占用大量的耕地、林地，破坏路域自然生态环境，在雨季时会冲入或直接滑入河道,淤积河道， 抬高河床, 影响河道的过流能力，甚至会诱发泥石流，对工程区及其下游地区构成严重威协。

本文以昭通至西昌段高速公路为例(以下简称本项目)，项目地处川西南横断山系东北缘，介于四川盆地和云南省中部高原之间，地势西北高、东南低，山坡陡峭，多数地形不具备设置坡面弃渣场的条件；且沿西溪河走廊，河流坡降较大，河谷狭窄，多呈“V”型形态，具有山川急流的特征，且沿河开发多级水电站，沿河弃渣场的条件差，因此本项目弃渣场选址以沿线的宽缓冲沟为主。

1 弃渣场设计原则

1.1 选址原则

弃渣场主要分为四大类: 填洼弃渣、平地弃渣、坡面弃渣和沟道弃渣。工程中优先选择稳定性好、防护规模小的填洼弃渣、平地弃渣类型；受条件限制时，才选择坡面弃渣和沟道弃渣类型。本项目走廊受西溪河切割深的影响，相对平缓的坡地多位于滑坡或阶地的耕地、村落，具备坡面渣场条件的渣址较少，故本文主要讨论沟道型弃渣场的设计。

沟道弃渣场应有足够的库容且靠近施工现场，便于运输堆弃；水文条件以荒沟、旱沟为优，否则应选择沟道短、流域面积小、纵坡小、切割深、出口窄且容量大的冲沟，并验算排水设施的泄洪能力和防护的稳定性；当设在泥石流沟内，还应验算泥石流冲击破坏对耐久性的影响。所以选址阶段就应该舍弃汇水区域水土流失已经比较严重的沟道，避免大型泥石流沟对弃渣场的安全风险。

1.2 设计原则

1.2.1 坡面防护

坡度是地貌因素中影响水土流失最突出的因子。缓坡的坡面面蚀过程缓慢，且以面蚀为主；相反在陡坡，从坡面面蚀到细沟侵蚀转变。导致沟蚀发育。坡面坡度为38.4～ 43.0 °时，侵蚀速度明显大于一般坡面，且弃渣场顶面侵蚀速度小于弃渣场边坡[2]，因此弃渣场斜面应按照1∶1.5～1∶2.0的坡比进行设计，对坡面进行压实，并在雨季来临前实施坡面绿化，通过植物防护加强坡面稳定。当弃渣场内的汇水量较大时，应在弃渣场内设平台、坡面排水沟。

在一定条件下，当洪峰流量较小时，水流经过排导槽正常排水，不会对沟道弃土产生影响。当洪水流量较大时，洪水漫过弃土发生坝面溢流，当水流流速大于弃土最小冲蚀流速将冲蚀弃土，引起坡面和坡脚冲蚀，此时应进行工程坡面防护。

1.2.2 防洪排导工程

由于沟道弃渣场的存在，堵塞沟道内水流的排泄通道，造成沟道内水流对弃渣场的直接冲刷，需要设置排水系统，引导洪水从弃渣场通过。应计算坡面洪峰流量，根据《防洪标准》和《灌溉与排水工程设计规范》, 弃渣场截、排水沟标准按堆渣量以50×104m3和100×104m3为分界点分别按20 a、50 a、100 a一遇的洪水设计。并根据设计洪水流量复核排水渠的泄洪能力[3]。

1.2.2.1 设计洪水流量计算

设计洪水流量常用的计算模式有经验公式法、推理公式法、综合单位线法、水文模型法，由于山区小流域冲沟，既没有流量观测资料，又缺乏自记暴雨记录，故按小流域常用的推理公式来计算洪峰流量

Q=0.278KiF

式中：Q为设计洪水流量, m3/s;K为洪峰径流系数;i为汇流历时内平均降雨强度, mm/h;F为山沟集水面积,km2。

1.2.2.2 排洪渠断面复核

弃渣场排洪渠断面为梯形断面，采用现浇混凝土修筑。排洪渠泄水能力按明渠均匀流计算:

Qc=vA

(1)

式中：A为过水断面面积，m2；v为边沟内的平均流速，m/s。

边沟内平均流速按谢才公式计算：

(2)

(3)

由公式可知，只要已知沟渠的过水断面面积、湿周、沟渠材料、沟渠纵坡所对应的曼宁系数，则其流量可求。排洪渠最大容许洪水流量应大于计算的最大径流量。

1.2.2.3 弃渣场内部渗水处理措施

弃渣体防渗排水设计采用“上堵下排”的原则进行，渣体外用排洪渠将坡面汇水排走。对于渗入渣体内的水，应在墙面通过排水管排出渣场外，减小渗流压力对谷坊的作用；结合高速公路隧道弃渣以石块为主的特点，在弃渣场底部设片石盲沟，疏干坡底，增强弃渣场的稳定。

1.2.3 谷坊防治工程的主要破坏模式及其极限状态方程

(1)抗滑稳定性问题：要求谷坊工程不会沿基底向前滑动；(2)抗倾覆稳定性问题：要求谷坊工程不会沿基底倾倒；(3)基底承载力问题：要求谷坊结构的基底应力不超过地基土的承载力，否则会发生失稳，从而影响谷坊结构的安全或正常使用；(4)坝身的圬工强度问题：要求谷坊坝身截面具有足够抗压强度和抵抗剪切的能力。除了泥石流沟内的谷坊需要验证泥石流对谷坊的冲击破坏外，旱沟和清水流沟只需验证前三种破坏模式(表1)。

表1 谷坊工程3种主要破坏模式的极限状态方程

1.2.4 谷坊群弃渣场设计理念

谷坊弃渣场为提高库容，位置应选在沟谷宽敞段下游窄口处，山洪沟冲刷段较长的，为满足弃渣量的需要，可顺沟道由上到下设置多处谷坊。同时谷坊通过固定与抬高侵蚀基准面, 防止沟床下切; 减缓沟道纵坡和山洪流速，形成回淤面, 稳定坡脚, 防止沟岸扩张及滑坡，兼顾整治泥石流的目的，已经取得良好的效果[4](图1)。

图1 谷坊群纵断面设计

2 典型弃渣场设计

以昭通至西昌高速公路K34+500弃渣场为例，本弃土场位于西溪河左岸冲沟内，汇水面积2.718 km2，沟长2.7 km，比降290 ‰，主要用于堆弃金阳隧道和主线路基的弃渣，运距1.5 km，设计容量为20×104m3；流域内植被覆盖率一般，沟道内有修筑山区公路、料场和坡面崩塌而形成的堆积物，沟口未见明显的泥石流堆积扇，参照类似项目，按照挟沙水流沟进行设计(图2、图3)。

图2 K34+500弃土场地形地貌

图3 K34+500弃土场实景图

2.1 弃渣场排水设计

2.1.1 设计洪水洪峰流量

根据推理公式，本弃土场洪水频率P=2%，按照50 a一遇防洪标准进行设计；汇水面积F=2.718 km2，沟长2.7 km，比降J=290‰，所在市县为凉山州金阳县，查阅四川省暴雨雨力计算成果表，设计流域雨力47.2 mm/h，暴雨递减指数n1=0.539，n2=0.745，计算得到设计清水洪峰流量Q0=35m3/s。

Qs=Q0[1+(γb-1)/(γs-γb)]

式中：Qs为挟沙水流洪峰流量，m3/s;γb为挟沙水流容重，t/m3;γs为泥沙容重，t/m3[5]。

本弃土场设计中，取γb=1.28，γs=2.4，得到Qs=44.4m3/s。

2.1.2 排洪渠尺寸复核

排导结构根据洪水流量大小，分为两侧设排水沟和中间设排导槽两种方式；考虑到该弃土场洪峰流量较大，优化排导槽断面断面，最大限度提高泄洪能力(图4)。

图4 排导槽尺寸与谷坊渣场的关系

排导槽采用片石混凝土材料，厚度为0.5m，B=3.5m，H=1.5m，m=1∶1,i=0.05，粗糙度n=0.017,计算得到v=12.8m2/s,Q=96.5m3/s。最大泄洪流量96.5 m3/s大于洪峰流量44.4 m3/s，考虑到排导槽内淤积物无法及时清理和一定的安全储备，该排洪渠的尺寸是合理的。

2.2 谷坊结构设计

采用片石混凝土材料，墙面设泄水孔(图5)。

3 弃渣体分类堆弃优化

弃渣场以坡脚处剪应力最大，容易在坡脚形成剪出口造成弃渣场破坏；而弃渣场粒度组成和级配方案直接决定了弃渣场在坡脚处的抗剪能力和稳定性，将弃渣体分为粒径<5 cm；<5 cm粒径<40 cm；粒径大于40 cm。经过大量研究表明，将第一级细颗粒分布于距坡顶1/3坡高范围，第二级中等颗粒分布于距坡顶1/3～3/5范围，将第三级大块岩石分布在弃渣场底部对提高弃渣场的坡脚抗剪能力是有利的。因此施工过程中，尽量按照分选性，分层堆弃[6]。

图5 谷坊结构

4 结束语

本文总结了谷坊结构在沟道型弃渣场中的计算过程和设计原则，结论如下：

(1)针对本项目隧道弃渣可以加工成碎、片石的特点，加强对隧道弃渣综合利用，减小项目弃渣量。

(2)当地形条件受限，只能选择沟道型弃渣场时，应尽量选择汇水面积小，纵坡缓，“肚大口小”的荒沟、清水沟，由于大型泥石流沟尤其是稠性泥石流的洪峰流量大，冲击力强，对渣场的安全隐患大，应该舍弃。

(3)按照适用于小流域的推理公式计算洪峰流量，设排导渠引导洪峰通过弃渣场，并复核排导渠的泄洪能力。

(4)根据沟道弃渣场纵坡较大的特点，采用谷坊群，在满足库容需求的同时，确保了结构的稳定性。

(5)弃渣场要考虑施工的可行性，将弃渣分类堆弃，大粒径弃于底部，小粒径弃于顶部，有利于弃渣场的稳定性。