西南山区弃渣场选址及水土保持措施设计

2022-04-29赵俊喜郭树银

交通节能与环保 2022年2期

赵俊喜，陈兵，郭树银

（交通运输部科学研究院，北京 100029）

0 引言

西南山区高速公路桥隧较多，施工过程中易产生大量的弃渣。弃渣场防护不足不仅存在安全隐患，而且容易引起较大水土流失问题。本文以西南某高速公路弃渣场为例，对弃渣场选址、设计等做了细致的分析和研究，总结出适合当地的弃渣场设计案例，为类似项目提供设计和施工参考。

1 项目概况

西南某高速公路全线长161.567 km，隧道36座，共计68.673 5 km，全线设计弃渣量2 549.26万m3。项目区内多为中低山，地形起伏较大，岩溶地貌分布广，降雨量大。植被覆盖率高，水土流失以水力侵蚀为主，侵蚀强度以轻中度为主。

现以某弃渣场为例进行研究。该弃渣场弃渣量为37.78万 m3，占地面积0.0285 km2，最大堆渣高度26 m，汇流面积0.675 km2，为沟道型弃渣场。

2 水土保持设计

2.1 弃渣场选址

2.1.1 选址原则

结合当地特点，以安全、经济、少占耕地、合法性为主要原则，辅以项目建设特点、施工时序、弃渣排放方式及后期利用等情况综合分析后确定。

2.1.2 不宜设置弃渣场的情况

（1）严禁在对重要基础设施、人民群众生命财产安全及行洪安全有重大影响的区域布设弃渣场；

（2）不得设置在河道、湖泊和建成水库管理范围内；

（3）不宜设在汇水面积和流量大、河谷纵坡陡、出口不易拦截的沟道；

（4）弃渣场选址应遵循“少占压耕地、少损坏水土保持设施”的原则。

2.1.3 弃渣场选址及分析

弃渣场占地面积0.0285 km2，库容37.86万m3，实际堆渣量37.78万m3，最大堆渣高度26 m，渣场等级4级。渣场上游紧靠1条通村道路，渣顶与道路平齐；渣场下游为耕地，无其他敏感因素。场址不涉及崩塌和滑坡危险区、泥石流易发区等不良地质区域；场址不涉及对公共设施、基础设施、工矿企业、居民点等有重大影响的区域；场址未涉及河道、湖泊和建成水库管理范围内区域；场址未布设在饮用水水源保护区、自然保护区、风景名胜区、森林公园等区域内。根据地勘报告，该弃渣场分布有软土，由于受当地地形条件限制，选址困难，弃渣前，清除基地的软土，可满足选址要求。弃渣场平面图和库容分析见图1、图2。

图1 弃渣场平面图Fig.1 Waste dump plan

图2 弃渣场库容曲线图Fig.2 Storage capacity curve of waste slag yard

2.2 水土保持设计

2.2.1 弃渣场等级和设计标准

依据《水土保持工程设计规范》（GB51018—2014），该弃渣场为4级弃渣场，拦挡工程级别为4级，截排水工程级别为1级，植物措施工程级别为3级。

2.2.2 弃渣堆放方式

弃渣前，清除基底的软土，坡脚设置拦渣墙，墙后最先堆置Ⅰ区玄武岩硬质岩（干码块石棱体），Ⅱ区紧靠Ⅰ区布置反滤土工布分隔，堆置硬质岩（玄武岩）开山石渣堆石区，顺接Ⅰ区，Ⅲ区堆弃非适用性填料、煤矸石，Ⅳ区堆弃全部软土。弃渣场刷坡坡率采用1：3设计，边坡设置平台，平台高度10 m，宽5 m，设置2个平台。

弃渣场的场内坡脚处设置挡墙，并在堆渣范围外的两侧设置排水沟，渣体平台设置截水沟，渣体底部布设盲沟。为避免渣场上游汇水及坡面上的水汇集后对渣体造成冲刷，边坡设置植物护坡。弃渣场堆置剖面如图3所示。

图3 弃渣场堆置剖面示意图Fig.3 Schematic diagram of stacking section of waste dump

2.2.3 渣体稳定性分析

为了确保渣体的稳定性，不产生浅层、深层滑动的情况，采用瑞典圆弧滑动法对其稳定性进行计算，渣体稳定性验算公式为：

式中：b为条块宽度，m；W为条块重力，kN；Q、V分别为水平和垂直地震惯性力（向上为负，向下为正），kN；u为作用于土条底面的孔隙压力，kPa；α为条块的重力线与通过此条块底面中点的半径之间的夹角；c′、φ′为土条底面的有效应力抗剪强度指标；Mc为水平地震惯性力对圆心的力矩，kN·m；R为圆弧半径，m。

经计算，设计的安全系数满足相关规范的要求。渣体稳定性参数取值及计算结果如表1所示。

表1 渣体稳定性参数取值及计算结果表Tab.1 Values of slag stability parameters and calculation results

2.2.4 挡渣墙稳定性分析

弃渣场坡脚内侧设置挡渣墙，采用俯斜式重力式浆砌片石挡墙，高度H = 5 m，顶部宽度为B1 = 2 m，B2 = 0.5m，底部宽度B4 = 4.65m，H3 = 0.1m，按 1：0.25的坡比设置墙面，背坡坡比1：0.1，墙底坡比1：10。挡渣墙断面尺寸见图4。

图4 挡渣墙断面尺寸图Fig.4 Sectional dimension drawing of slag retaining wall

其稳定分析参数包括：（1）填土容重为19 kN ·m-3；（2）挡墙容重为 24 kN ·m-3；（3）渣土的内摩擦角与黏聚力分别为22°、10 kPa；（4）墙背、底的摩擦系数为0.4。采用理正岩土软件6.0版计算，经计算，正常工况条件下，抗滑稳定安全系数为2.686 〉 1.05，抗倾覆稳定安全系数为 6.776 〉 1.40，地基承载力为116 kPa，均满足水土保持工程设计规范。非正常工况条件下，抗滑稳定安全系数为1.913〉 1.00，抗倾覆稳定安全系数为5.481 〉 1.30，地基承载力为121 kPa 〈204 kPa，均满足规范要求。

2.2.5 防洪排导设计

弃渣场截排水沟底宽0.6 m，顶宽1.8 m，坡比为1：1。采用C20片石砼衬砌。截排水沟断面尺寸见图5。

图5 截排水断面尺寸图Fig.5 Sectional dimension drawing of interception and drainage

根据《水土保持工程设计规范》（GB51018—2014），截（排）水沟设计排水流量计算采用公式Qm=16.67×φ×q×F计算（φ为径流系数、q为降雨强度、F为汇水面积）。排水设计标准采用10年一遇10 min短历时设计暴雨，降雨强度值为2.574 mm/min，粗糙系数取0.015，径流系数取0.6。经计算，该设计径流量为2.236 m3/s，满足过流断面的要求。

弃渣场盲沟开挖深度1.15 m（含底层片块石0.15 m），宽度1.4 m（含两侧片块石0.6 m），内设D = 10 cm的聚氯乙烯管，片块石四周包裹透水土工布，C20混凝土盖板。弃渣场渣体内部渗水较小，盲沟尺寸可以满足渣体内部渗水的过水要求。盲沟断面尺寸见图6。