甘肃省黄土高原地区高速公路弃渣场选址及水土保持措施

耿东梅

（甘肃省水利水电勘测设计研究院有限责任公司,甘肃 兰州 730000）

甘肃省黄土高原地区东起甘陕省界，西至乌鞘岭和青海，北接宁夏，南以迭山、西秦岭分水岭为界。地理位置位于东经100°43′～108°42′，北纬33°6′～37°39′之间，总土地面积约11.20万km2，占全省土地总面积的24.47%。区域内沟壑纵横，梁峁（塬）起伏，山多川少，地形破碎，坡陡谷深，黄土裸露，水土流失严重。该地区平均沟壑密度为2.13 km/km2，其沟头溯源侵蚀明显、沟岸扩张、沟底下切、沟道比降大。地形复杂，地貌多样，大致可以分为甘南高原、陇东黄土高原和陇中黄土高原丘陵沟壑3个地貌单元，气候主要为干旱和半干旱的温带大陆性气候，平均气温为-0.8 ℃～10.9 ℃，年降水量为574.6 mm左右，降水季节分配不均，多集中于7—9月，约占全年降水量的60%，降水集中且多暴雨，历时短，强度大，爆发猛烈，极易造成水土流失和引发滑坡等地质灾害。黄土高原水土流失现象十分严重，以水力侵蚀为主，也是黄河泥沙的重要源头，其不仅不利于地区发展，还影响国家生态环境，已经成为国家治理的重点地区[1]。据2020年黄河流域水土保持公报统计，甘肃省黄河流域现有水土流失面积约4.71万km2；其中水力侵蚀4.67万km2，风力侵蚀面积0.04万km2，占黄河流域水土流失总面积的17.93%，位居黄河流域第三。

公路工程是一种线型工程，由于施工时受地形条件的限制，会出现大量的土石方，并产生大量的废土（渣土）。弃渣堆放问题需引起社会各界的足够重视，如果处理不当，不仅会造成安全隐患，还会妨碍区域经济发展与生态环境的恢复[2]。因此，高速公路弃渣场的选址及其水土保持安全防护设计已经成为公路建设中亟待解决的一个重要问题[3-4]。文章选取甘肃黄土高原某高速公路的一个重要地段的弃渣场作为研究对象，进行了场地选址和水土保持措施的典型设计，以期为黄土高原地区高速公路建设中的弃渣场选址提供参考。

1 弃渣场选址

弃渣场的选址要遵循“土地占用少，水土保持设施损坏少”的原则。（1）在居民点、工业企业、重要道路、既有铁路及等级公路上尽量避免在低洼地区设置弃渣场，优先选择汇水面积较小、工程地质和水文地质条件相对简单、地形相对平缓的荒沟、凹地、支毛沟等；（2）避免在自然保护区、森林公园、基本农田保护区、饮用水源保护区以及风景名胜区等环境敏感区域建设弃渣场；（3）避免在河道、湖泊和已建成的水库的管理区域内建弃渣场；（4）弃渣场的选址，应征询当地有关林业、水利以及环保等部门的意见，并获得相关的法律程序。

2 弃渣场典型设计

结合甘肃黄土高原的一条公路弃渣场，采用沟槽式设计弃渣场，上游0.35 km2，沟底比降0.16，占地2.19 hm2，最大堆渣高度为70 m，堆渣每8 m高设1级平台，平台宽3～15 m，共分级8平台，顶部平台设5%的排水坡。坚持“开发、保护、破坏、治理”的方针，遵循“综合治理、优化生态以及突出重点”的原则。在弃渣区进行表土剥离，坡脚设置挡渣墙，整平碾压场地后在沟底中央位置挖槽布设盲沟，渣场外围布设排水沟，拦截及排除坡面汇水，在排水沟出口设置消力池消能缓冲，为保证上游来水经消力后不再对下游沟道造成侵蚀，在消力池尾部增加尾水排水沟；为防止雨水冲刷坡面，在平台内侧布设平台排水沟；弃渣结束后进行土地整治，并于渣面布设10 m×10 m田字格状拦水埂，方格内种植乔灌草混交林，坡面撒播种草，恢复植被，渣面平台布设乔灌草混交林，绿化环境。

2.1 堆渣方式

（1）弃渣前先清除弃渣场底部地表植被，若地面纵坡＞1：4，需要先挖出台阶，且保证台阶宽度不小于6 m；弃渣前先在沟底中央位置挖槽设置盲沟，以便将沟内流水排出，在坡脚设置C20混凝土挡渣墙，挡渣墙施工时应做好地基处理，每隔10～15 m设置一道2～3 cm的伸缩缝，填塞的深度不小于15 cm。

（2）弃渣过程中弃渣要求自挡墙从沟底向上分层填筑并摊铺碾压，最大层厚不超过1.0 m，基底及基底以上每填土5 m进行强夯补强处理，压实度需在85%以上，严禁从沟顶倾侧弃渣，弃渣分级高度每级不得大于10 m。

2.2 工程等级及防洪标准

结合《水土保持工程设计规范》（GB51018－2014）的相关规定与要求，设计弃渣场堆渣47.04万m3（松方），总渣土层70 m，根据不同的运用工况，其抗滑稳定安全系数、抗倾覆安全系数以及挡渣墙界别也有所不同，挡渣墙稳定安全系数与排洪工程洪水标准取值分别如表1和表2所示。

表1 挡渣墙稳定性安全系数表

表2 排洪工程洪水标准取值表

2.3 挡渣墙防护设计

弃渣应遵循“先拦后弃”的原则，首先在弃渣场下游处设置重力式挡渣墙，挡渣墙为C20混凝土，墙体高度为4 m，顶部与底部宽度分别为2.2 m与3.35 m，内坡比为1：1.015，外坡比为1：0.25。

图1 挡渣墙大样图

根据弃渣场施工图，建立挡渣墙安全稳定计算模型（见表3），采用理正岩土6.5计算挡渣墙的结构强度及稳定性分析，弃渣场挡渣墙满足稳定性要求。

表3 挡渣墙稳定性计算表

2.4 弃渣场排水设计

（1）盲沟。弃渣场施工时在沟底中央部位建设盲沟，以便将沟内流水排出。盲沟开挖断面为梯形，底宽1 m，深0.75 m，坡比为1:1，沟内填筑卵砾石，上部铺设渗水土工布。

（2）截水沟。洪峰流量计算公式如式（1）所示：

式中：F为山坡集水面积，单位为km2；i为平均1h暴雨强度，单位为mm/h；Q洪为洪峰流量，单位为m3/s；k为径流系数。

暴雨强度计算公式如式（2）所示：

式中：i为平均1h暴雨强度，单位为mm/h；Kp为模比系数；H0t为暴雨量均值，单位为mm/h。

查《甘肃省暴雨洪水图集》得出i值，如表4所示。

表4 i值计算表

弃渣场地周边是一片起伏的丘陵地带，其径流量系数为0.6。在弃渣场的上游，含弃渣场的区域为0.35 km2，右边的汇水面积最大，约0.2 km2，用它来计算洪水的最大面积，如表5所示。

表5 洪峰流量计算表

根据计算成果，弃渣场截水沟断面采用梯形排水沟，截水沟断面面积表达式如式（3）所示。

式中 A为过水断面面积；i为底坡比降；R为水力半径，单位为m；C为谢才系数；

按上式进行计算，设计断面过水能力如表6所示。

表6 设计断面过水能力计算表

（3）消力池设计。根据《水土保持工程设计规范》（GB51018-2014），截排水沟末端修建消力池消能缓冲，防止洪水冲蚀沟床。消力池断面采用式（4）计算。

式中：d为消力池设计深（m）；h1为水跃第一共轭水深 即h1=h0；h2为水跃第二共轭水深（m）；h下为下游水深（m）；b为上游进水口渠宽（为排水沟口宽）。

消力池长度L=（3～5）×h2，取L=5h2；

经计算结果，消力池长2.5 m，宽1 m，深0.5 m。

（4）平台排水沟。为防止雨水冲刷坡面，在平台内侧布设矩形混凝土排水沟，尺寸0.3 m×0.3 m。

（5）尾水排水沟。为保证上游来水经消力后不再对下游沟道造成侵蚀，在消力池尾部增加尾水排水沟，并做好与原有沟道的衔接，每座消力池后设矩形混凝土尾水排水沟，尺寸0.6 m×0.6 m矩形。

2.5 植物措施

弃渣完毕后对渣顶进行平整，在渣顶、坡面上覆盖30 cm厚表土，并布设田字格状拦水埂，对弃渣场顶部采用乔灌草综合绿化，对弃渣场及坡面进行了灌草与绿化。乔木选用刺槐，采取穴式整地栽培，每株地径2 cm，高1 m，株行距为2 m×2 m栽植乔木2 925株；灌木选择紫穗槐，苗高50 cm，根系20 cm，渣顶和平台株行距为1 m×2 m，人工栽植灌木为9 750株，撒播草籽总面积为1.95 hm2，草种选用紫花苜蓿，播种量30 kg/hm2，弃渣场植物措施数量如表7所示。

表7 弃渣场植物措施数量表

3 弃渣场施工方案要点

（1）在弃渣之前，先清除渣场表面的土壤，然后集中临时堆放，闭库后需要对渣场顶部进行土地整治，整治后进行绿化。

（2）为了保证下游工程安全，需要规划排水措施，做好临时排水，降低水土流失。

（3）弃渣由下至上分层，分层压实，各层弃渣的厚度控制在1 m以下，弃渣高度大于10 m设置一个平台，平台的宽度不小于3 m，弃渣边坡比不小于1 : 2。

（4）弃渣完成后，及时修筑排水工程，防止雨水冲刷。

（5）植物措施所用树（草）种优先采用乡土物种，以提高植被成活率和适应性。

4 结语

弃渣场是公路工程的重要组成部分[5]，其选址及水土保持措施设计非常重要，如果处理不当，不仅会对工程的本身安全造成隐患，也会对地方环境造成不良影响。弃渣场外业勘探选址时应在考虑环水保、安全因素的前提下，应尽量选择在交通便利、对下游影响较小的沟谷中，同时必须征求地方自然资源、生态环境、水利、林草等相关部门的意见[6]；弃渣场水土保持措施设计要安全经济可靠；施工过程必须按照设计要求和程序严格控制。