穿過不同地貌類型公路水土保持方案編制應注意的幾個問題

王 莎，楊海龍，高甲榮，王偉偉，劉鵬剛

(北京林業大學水土保持學院，北京 100083)

1 研究背景

高速公路是我國交通建設的基礎設施，是國家交通的大動脈之一，對推動國民經濟和社會發展具有重大意義，并且在我們的生活和生產中發揮著越來越重要的作用［1］。但其對生態環境的影響和破壞又是不容忽視的。公路建設大量占地、大量取土，再加上大規模地擾動地表，破壞了原地表的植被，并導致水土流失，使得沿線的生態環境受到嚴重影響［2］。然而，生態環境一旦遭受破壞，若要再進行生態修復，將會是一項漫長而艱苦的工程。

本文結合京新高速公路集寧—呼和浩特段的水土保持方案，根據集呼高速公路所處的自然地理特點，提出了對干旱半干旱地區穿越不同地貌類型區高速公路水土保持方案編制應該注意的一些問題。

2 工程概況及自然環境

集寧—呼和浩特段高速公路工程屬新建項目，起點為韓家營(蒙晉界)—集寧段高速公路，終點為呼和浩特繞城高速公路與京新高速公路互通處——保合少互通立交。途經烏市察右前旗、烏市察右中旗、烏市卓資縣、呼市賽罕區、呼市新城區5個旗縣區。公路全長約143.643km。工程總占地面積約1 317.42 hm2，永久占地925.18hm2，臨時占地392.24 hm2。項目地理位置見圖1。

項目所經地區(內蒙古烏蘭察布市和呼和浩特市)地貌類型以低中山丘陵為主，局部地段山前沖洪積平原。氣候類型為典型的大陸性季風氣候，多年平均氣溫4.5℃，多年平均降水量394mm，雨量多集中在6－8月份，多年平均蒸發量2 072mm，多年平均日照時數2 994 h，最大凍土深度2.49 m。全年大部分盛行西北風，平均風速3.5m/s，最大風速28.3m/s。區域土壤類型主要為栗鈣土、灰褐土、森林土、草甸土4類，植被類型屬典型干旱草原類型，林草覆蓋率49.6%。項目區以水力侵蝕為主，兼有季節性風力侵蝕，侵蝕強度為中度。容許土壤流失量為1 000t/(km2·a)。

3 水土保持方案編制中需要注意的幾個問題

3.1 水土流失防治區的劃分

根據《開發建設項目水土保持技術規范》(GB50433－2008)的要求，水土流失防治分區的一級分區應以地貌為基準進行劃分。本項目屬線性工程，穿過不同的地貌類型。因此，將線路一級分區分為山前沖洪積平原區和低中山丘陵區。

沖洪積平原區占地面積為383.32 hm2，主要分布于呼和浩特市。地面高度變化小，有時有輕微的起伏和傾斜，除泥沼、鹽漬土、河谷漫灘、草原、戈壁、沙漠等外，一般多為耕地和農田，且分布有重要建筑設施，居民點較密［3］。土壤類型為栗鈣土、灰褐土。從空間上講，這一地帶正是典型的半干旱氣候帶，以水力侵蝕為主，兼有風水復合侵蝕［4］。土壤侵蝕模數背景值為1 400 t/(km2·a)。

低中山丘陵區占地面積934.1 hm2。山丘連綿，山形迂回曲折，嶺低脊寬，山坡較緩，丘谷相對高差不大［5］。水土流失主要發生在坡耕地、荒山荒坡、疏幼林地、灌木林地等地類上。侵蝕類型以水力侵蝕為主。土壤侵蝕模數背景值為1 750 t/(km2·a)。

水土流失防治分區的二級分區依據項目區所處土壤侵蝕類型、地形地貌、主體工程布局、施工擾動特點、建設時序、自然屬性、土壤侵蝕強度等因素，在確定的防治責任范圍內劃分［5］。因此，根據以上要求，本項目二級分區分為9個區:路基防治區、橋梁防治區、互通防治區、隧道防治區、管理服務設施防治區、取土場防治區、棄渣場防治區、施工生產生活區和施工便道防治區。

圖1 項目地理位置圖Fig.1 Map of the project location

3.2 工程節點的控制作用

高速公路建設過程中，由于公路線型的要求，隧道、橋梁是公路的主要工程節點。公路工程一般穿越平原區、丘陵區和山嶺區，跨過河流、山谷時架設橋梁，穿越山嶺時設置隧道貫通［6］。隧道、橋梁的開鑿和架設由于其施工組織、工藝、工期等因素，形成“工程瓶頸”，影響到整個工程進度。

工程節點的作用主要是進行土石方平衡的計算。目前，在公路建設項目的主體設計中缺乏統籌性，土石方平衡往往只包含主線路基的工程量，沒有考慮路基與隧道、橋梁等其它各項目之間的土石方的相互利用問題［7］。

集寧—呼和浩特段高速公路工程根據項目工程可行性報告給出的路基每公里土石方工程量估算表，計算隧道開挖土石方數量，將公路全線以金盆隧道和旗下營隧道為2個工程節點，將整條線路分為3段，進行土石方平衡計算。土石方平衡流向圖見圖2。

以隧道作為工程節點，將線路分段進行土石方平衡，不僅保證了每段土石方的調運暢通，而且減少了工程借方和棄方的數量，對于降低生態環境的破壞程度起著重要的作用。

3.3 隧道工程防治區措施設計

橋梁、隧道是公路建設不可回避的工程結構。隨著高等級鐵路、公路在山區的快速發展，橋梁、隧道建設規模也日益增大［8］，公路的橋隧比也逐漸加大。提高公路的橋隧比雖然增大了工程的難度，但是可以減少地表擾動和植被破壞，而且可以克服地形或高程的障礙，減少用地，節省運費。然而，人們在公路隧道設計中，一直以來強調的通常只是隧道的安全性，往往忽略了隧道洞口的景觀設計。公路隧道洞口的景觀設計應綜合考慮隧道洞口附近的自然環境、人文歷史及其他構造物等因素，應根據每一個洞口的實態，按不同層次的要求進行景觀設計［9］。

集寧—呼和浩特段高速公路工程的水土保持方案編制中，不僅補充了排水、消能及護坦設計，還對主體工程未設計的隧道洞頂兩側、邊仰坡及洞口施工場地的種草防護進行了補充設計。在符合隧道工程的安全、穩定要求的同時，還充分注重隧道洞口的景觀效果。

洞頂兩側及邊仰坡人工種草面積0.66 hm2，洞口施工場地種草面積1.2 hm2，種草技術指標如表1。

圖2 土石方流向框圖Fig.2 Allocation of earth and stone

表1 洞頂兩側及邊仰坡人工種草技術指標Table 1 Indexes of grass planted on both sides of the tunnel roof and the side slope

3.4 山區公路排水工程的順接工程設計補充

修建山區、丘陵區的公路，常受到洪水的威脅，如不妥善地將山區洪水排走，將會影響公路行車安全。當遇到溝道或河道時，往往不能沿公路走向設計排水工程，此時需要沿山體修筑截排水設施。丘陵區地形起伏較大，洪水排泄過程中勢能轉化為動能，流速增大，對下游河道或溝道進行嚴重的沖刷。因此，丘陵區公路需要特別注意對排水工程補充順接工程。順接工程能夠在控制的局部溝段內，增加水流的紊亂，以消減下泄水流的能量，降低溝道中水流的流速，防止下游溝道的沖刷［10］。

本項目主要通過補充設計的順接工程消力池進行消能，消力池末端采用護坦連接，防止水流沖刷消力池下游，將水流安全排入下游溝道。本方案共設計消力池109座。其中，路基工程防治區急流槽末端設計20座，橋涵工程防治區截水溝末端設計63座，隧道工程防治區截水溝末端設計4座，取土場防治區馬道排水溝末端設計17座，棄渣場截水溝末端設計5座。

消力池典型設計:消力池長度為16 m，深度為1.5 m。采用漿砌片石砌筑，邊墻為混凝土重力式擋墻，頂寬0.5 m，內側為垂直坡，外側坡度為1∶0.4。消力池下游設護坦與原有溝道連接，長度為20 m，采用漿砌片石砌筑。消力池典型設計見圖3。

圖3 消力池典型設計圖Fig.3 Typical design of stilling pool

3.5 關于投資預算中種苗補植費的計算

高速公路在穿越半干旱地區時，由于當地氣候干旱、寒冷、土層稀薄、地形多變及人為破壞等因素，導致水土保持林草植被措施建設受到很大影響。因此，在半干旱區布設植物防護時，需要考慮種苗補植。水土保持方案編制單位進行投資預算中時，需要注意植物措施費的組成，除了苗木種子費、栽植栽種費以外，還需另加種苗補植費。種苗補植費按苗木種子費與種植費之和的15%～20%計列，具體取值還需結合半干旱區的土壤類型、植被狀況、氣候條件等來確定［11］。本項目地處北方干旱半干旱區，項目的植物措施費需由苗木種子費、栽植栽種費和種苗補植費3項組成。種苗補植費按苗木種子費與栽植栽種費之和的20%計列。植物措施估算表詳見表2。

水土保持投資概算是水保方案編制的重要內容之一，是方案編制報告書的重要組成部分，它作為附件同報告書一樣，須經單獨審查，以確定方案實施的詳細投資額［12］。投資概算可為單位建設項目成本管理、成本控制及水行政主管部門依法監督提供依據。

表2 植物措施估算表Table 2 Estimates of plant cost 萬元

4 結語

本文結合集寧—呼和浩特高速公路水土保持方案編制的工作實踐，總結了高速公路水土保持方案容易為人們所忽視的幾個問題:

(1)當高速公路穿越不同的地貌類型時，應根據項目區的地形地貌及水土流失特點進行水土流失防治分區。

(2)隧道、橋梁作為高速公路的工程節點，進行土石方平衡計算，可以使土石方得到充分的調用，減少因取料和棄土棄渣而造成的環境破壞。同時，隧道洞口的景觀設計也是人們在進行水土保持方案編制時，經常忽視的重要內容。

(3)在急流槽、截水溝等排水工程的末端設置順接消能設施，降低洪水的動能，保護下游河道和溝道的安全。

(4)對于北方干旱半干旱地區的水土保持方案編制的投資預算，要注意結合當地的自然環境條件等各項因素，進行種苗補植費的估算。

［1］丁 偉.公路工程水土保持方案的編制與實踐［J］.浙江水利水電專科學校學報，2001，13(2):31－33.(DING-Wei.Highway Project Preparation and Practice of Soil and Water Conservation Programs［J］.Journal of Zhejiang Water Conservancy and Hydropower College，2001，13(2):31－33.(in Chinese))

［2］馬 斌，張壯志，張宗孝，等.高等級公路水土保持方案研究［J］.水土保持研究，2006，13(4):1－3.(MABin，ZHANG Zhuang-zhi，ZHANG Zong-xiao，et al.Study on Soil and Water Conservation Programs in Highway［J］.Research of Soil and Water Conservation，2006，13(4):1－3.(in Chinese))

［3］李 嘉.公路設計百問［M］.北京:人民交通出版社，2003:172.(LI Jia.A Hundred Questions of Highway Design［M］.Beijing:China Communications Press，2003:172.(in Chinese))

［4］趙 羽，金爭平，史培軍，等.內蒙古土壤侵蝕研究——遙感技術在內蒙古土壤侵蝕研究中的應用［M］.北京:科學出版社，1989:104.(ZHAO Yu，JIN Zheng-ping，SHI Pei-jun，et al.Soil Erosion in Inner Mongolia:Remote Sensing Technology in the Study of Soil Erosion of Inner Mongolia［M］.Beijing:Science Press，1989:104.(in Chinese))

［5］郭索彥，蘇仲仁.開發建設項目水土保持方案編寫指南［M］.北京:中國水力水電出版社，2009:80.(GUO Suo-yan，SU Zhong-ren.Guidelines for the Preparation of Soil and Water Conservation Programs in Development Projects［M］.Beijing:China Water Power Press，2009:80.(in Chinese))

［6］師利明，付紅豆，馬智峰.公路水土保持方案中取土、棄渣量的確定方法及其應用［J］.中國水土保持，2008，(4):42－45.(SHI Li-ming，FU Hong-dou，MA Zhi-feng.The Method for Determination of the Amount of the Dug and Debris and Application in the Soil and Water Conservation Programs［J］.Soil and Water Conservation in China，2008，(4):42－45.(in Chinese))

［7］陳昌軍，林 洪.公路建設項目水保方案編制中土石方平衡方法的探討［J］.水土保持科技情報，2004，(6):9－10.(CHEN Chang-jun，LIN Hong.Discussing the Methods of Earthwork’s Balance in the Preparation of Highway Construction Project Soil and Water Conservation Programs［J］.Scientific and Technical Information of Soil and Water Conservation，2004，(6):9－10.(in Chinese))

［8］劉永弘，曹建軍，姚建成，等.內蒙古水土流失現狀與治理對策［J］.內蒙古林業科技，2002，(1):39－45.(LIU Yong-hong，CAO Jian-jun，YAO Jian-cheng，et al.Present Situation of Water and Soil Loss and Its Countermeasures of Management in Inner Mongolia［J］.Inner Mongolia Forestry Science ＆ Technology，2002，(1):39－45.(in Chinese))

［9］關向群.隧道洞口景觀設計研究［J］.土木工程學報，2003，36(10):36－40.(GUAN Xiang-qun.Study of Landscape Design at Tunnel Gate［J］.China Civil Engineering Journal，2003，36(10):36－40.(in Chinese))

［10］葉鎮國.水力學與橋涵水文［M］.北京:人民交通出版社，2003:171.(YE Zhen-guo.Bridge Hydraulics and Hydrology［M］.Beijing:China Communication Press，2003:171.(in Chinese))

［11］周海浩，楊海龍，高甲榮，等.內蒙古高速公路水土保持方案編制研究［J］.安徽農業科學，2010，38(21):11408－11410.(ZHOU Hai-hao，YANG Hai-long，GAO Jia-rong，et al.Study on the Planning Project of Soil and Water Conservation in the Highway Construction of Inner Mongolia［J］.Journal of Anhui Agricultural Science，2010，38(21):11408－11410.(in Chinese))

［12］蒲 智.公路建設水土保持方案投資概算編制［J］.甘肅水利水電技術，2003，39(2):131－132.(PU Zhi.Investment Estimation and Budget Compilation for Highway Construction［J］.Gansu Water Conservancy and Hydropower Technology，2003，39(2):131－132.(in Chinese ))