公路建設項目棄渣場排水措施探討

解 剛，王向東，劉卉芳，殷小琳

(中國水利水電科學研究院，北京 100048)

目前我國的水土流失整體情況、開發建設項目水土保持形勢依然嚴峻[1-3]，這其中的一個重要影響因素是人為因素。公路建設項目引起的水土流失較為嚴重，“十五”期間由該類項目造成的水土流失量占各類建設項目造成總量的15.1%[4]，而土石方工程是引發和加劇水土流失的重要原因[5]。水土保持法第二十八條明確規定：生產建設活動中排棄的砂、石、土、矸石、尾礦、廢渣等應當綜合利用；不能綜合利用，確需廢棄的，應當堆放在水土保持方案確定的專門存放地，并采取措施保證不產生新的危害。由于棄渣對所處位置及周邊的生態環境影響較大，棄渣場水土流失綜合防治對棄渣場和下游的安全及棄渣場的生態恢復、復墾利用等具有重要的意義，所以棄渣場是公路建設項目水土流失防治的重點之一。

棄渣場不屬于公路主體工程，也不屬于附屬工程，不具有主體功能且不產生經濟效益，一般在實施過程中建設單位對其水土流失防治采取的標準低于主體工程，防治措施建設也滯后，且施工、投資、運行管護情況較一般，有些甚至無防護措施，安全隱患較大。據統計，棄渣場的破壞類型多是水毀，因此防洪、排水問題是棄渣場水土流失防治的關鍵。在半干旱、半濕潤和濕潤地區，排水工程一般采用漿砌石或混凝土結構，其投資一般占棄渣場防治措施總投資的1/3左右，是植物措施投資的3～8倍，因此棄渣場排水措施不健全，甚至不設置的情況比比皆是。此外，大多數棄渣場截排水溝橫斷面為矩形或梯形，有些斷面過于窄深或寬淺，寬深比不符合水力最優斷面要求，造成了工程量和投資的浪費。文獻[6-13]探討了生產建設項目棄渣場的分類及綜合防治措施，然而未分析排水措施存在的問題，未對棄渣場截排水溝斷面進行優化，相關技術規范中也沒有提出斷面優化[14]。筆者在掌握大量調查資料的前提下對棄渣場進行了類型劃分，在不影響排水措施排水能力的基礎上對實例截排水溝斷面進行了優化并探討了截排水溝所處位置對排水措施的不利影響，以期為棄渣場排水設施的布設提供參考。

1 棄渣場棄渣量調查及棄渣場類型劃分

根據相關設計資料和現場調查，公路建設項目棄渣場隨公路走向特點沿線路兩側呈線型分布。公路工程棄渣場調查見表1，在所調查的棄渣場中棄渣量≥50萬m3的約占棄渣場總數的9%。棄渣場多分散在公路沿線兩側的溝坡地中，若排水處理不當，則會產生集中匯流，不僅對公路工程本身的安全造成影響，也可能對周邊區域基礎設施、居民住宅等造成較大危害。

按照所處地形，一般可將公路棄渣場劃分為凹地型、溝道型、坡地型、平地型等4類，此外還有利用取土(砂)后形成的采掘坑存放棄渣的情況。各類型棄渣場的特點見表2。

2 棄渣場排水措施及優化

2.1 排水措施體系

棄渣場的排水措施一般有溢洪道、放水建筑物(臥管、豎井、涵洞)、截水溝、排水溝、排水順接工程(與自然溝道相接)等。溢洪道、臥管、豎井、涵洞、截排水溝等一般采取漿砌石或混凝土結構，暗管一般為混凝土預制管，擋水埂一般由土夯實而成。截水溝、排水溝在棄渣場排水系統中較為常見，是排水系統的重要組成部分。對于水流較大的溝道棄渣場，應與攔渣壩配套建設溢洪道和放水建筑物。對于上游來水較少的荒溝或坡地棄渣場，應在棄渣場上游布設截水溝，兩側布設急流槽且上游連接截水溝，下游接消力池或沉沙池、排水順接工程。若在棄渣場攔渣壩或擋土墻頂每隔8～10 m布設一級水平馬道平臺，則馬道內要布設排水溝并與兩側的急流槽順接。

表1 公路工程棄渣場棄渣情況

表2 公路棄渣場類型及特點

2.2 排水溝斷面形式優化

目前棄渣場截水溝、排水溝、急流槽的橫斷面多為矩形或梯形，但斷面寬深比具有一定差異，并不是水力學中的最優斷面。過水斷面面積相同時，單位長度矩形或梯形斷面排水溝所需砌體材料并非最經濟，這種斷面結構通常會造成工程量和投資的浪費。過水斷面面積一定時圓形斷面的濕周最小，水力半徑最大；由于半圓形與圓形過水斷面的水力半徑相同，所以在排水明溝的各種橫斷面形狀中，半圓形斷面是水力最佳的。但半圓形斷面不易施工，尤其是無襯護的土質排水溝，兩側邊坡通常難以達到穩定性要求。對于梯形或矩形斷面也可以根據過水斷面為常數、濕周最小的條件計算出水力最佳斷面[15]。

一般而言，截排水溝中的水流為恒定均勻流或漸變流，流量計算采用曼寧公式。當斷面為梯形或矩形時，水力最佳斷面條件下的寬深比βm與邊坡比m的關系為[15]

(1)

式中：βm為寬深比；bm為排水溝底寬；hm為水深；m為邊坡比。

水力最佳斷面條件下水力半徑Rm與水深hm的關系[15]為

Rm=hm/2

(2)

在設計截排水溝斷面時應根據(1)式進行斷面設計，采用水力最佳斷面，減少工程量和投資。

例如，對于較為常見的邊坡比為1 ∶0.2、溝底縱坡比為2%、過水斷面面積為0.249 m2的漿砌石梯形排水溝斷面，粗糙系數取0.02，由(1)式可知水力最佳寬深比為1.640，同一過水斷面下不同寬深比排水溝流量計算見圖1。矩形斷面水力最佳寬深比為2.0，對于相同的溝底縱坡比2%、過水斷面面積0.180 m2，不同寬深比的矩形斷面漿砌石排水溝流量計算見圖1。

圖1 不同寬深比排水溝流量對比

由圖1可知，當過水斷面面積一定，梯形或矩形斷面寬深比為水力最佳時的排水溝流量最大；當寬深比小于最佳寬深比時，隨著寬深比的減小，流量相應減小最為明顯。 對不同設計流量Q設、縱比降2%的30 cm厚漿砌石梯形斷面排水溝進行橫斷面優化計算。寬深比βm按(1)式計算，同時根據曼寧公式可知梯形斷面水力最佳邊坡比m一般為0.58左右，在此按m=0.50進行優化計算，計算結果見表3。由表3可知，在相同流量下，優化后單位長度排水溝工程量可減少3.23%～9.92%，工程量減少較為顯著。

表3 梯形斷面優化計算結果

2.3 排水溝(管)結構形式

此外，當排水溝斷面采用半圓形時，可以采取預制結構，把各小段通過砂漿連接起來形成截排水溝。提前預制截排水溝，可以減少施工區材料的運輸、臨時堆放等，對施工區的擾動面積也會很少。上游匯水較多的棄渣場常在渣體底部設置的排洪暗管，可采用現澆或預制混凝土結構的涵管。

2.4 排水設施的管理、維護

渣場平臺、高陡坡面上的排水溝比其他位置更易損壞，在棄渣場平臺上修建排水溝應注意渣體的不均勻沉降和土體的移動擠壓可能給排水溝帶來損壞。在堆放初期，渣體比較松散，隨著降水下滲和在自身重力作用下土體逐漸沉降和移動，最終達到穩定狀態。應在渣體穩定后修建排水溝，并對排水溝下的土體充分夯實，還應在排水溝上留出足夠的沉降縫，以免土體的錯動造成排水溝的破壞。在高陡坡面上修建縱向排水溝尤其是延伸排水工程，常常由于高陡坡面土體的不均勻沉降造成排水溝的破壞，使排水措施不能正常運行。在設計和施工中應充分考慮陡坡地形對排水溝的影響，增加基礎砂礫墊層的厚度，采取較多的沉降縫。松散渣體、高陡坡面等特殊位置的不均勻沉降都可能對排水溝造成不利影響，在設計、施工中應引起足夠的重視。

一般棄渣場管護都較為薄弱，一旦發生崩塌、滑坡、泥石流等將造成較嚴重的人員、財產損失，所以在運行期應加強對水土保持措施尤其是排水措施的管護。應重點檢查排水系統是否完善，排水溝道是否有損壞，沉沙、消能措施是否能發揮作用，尤其是汛前應進行較為全面的檢查，對不完善和破壞的排水設施進行修復，清理堵塞排水設施的雜物、淤泥等，確保安全度汛。

3 結 語

棄渣場尤其是位于山區的公路建設項目棄渣場是生產建設項目水土流失防治的重點和難點。水毀是棄渣場破壞的重要形式之一，所以排水措施是棄渣場水土流失綜合治理的關鍵措施之一。排水措施的常見形式有截水溝、排水溝、急流槽、消力池、沉沙池及排水順接工程等。截排水溝斷面一般為梯形或矩形，應根據水力學原理采取水力最佳斷面進行優化，即水力半徑為水深的1/2，筆者根據水力最佳斷面對排水溝的優化計算表明優化后工程量減少較為顯著。位于松散渣體、高陡坡面等特殊位置的截排水溝，會受到地面不均勻沉降的不利影響，造成截排水溝破壞，在設計、施工中應引起足夠的重視。在運行期，應加強對截排水措施的管護，避免棄渣場的水毀破壞。

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