谷坊結構作為山區高速公路棄渣場的設計理念
——以昭通至西昌高速公路為例

陳曉龍

(四川省交通運輸廳交通勘察設計研究院，四川成都 610000)

山區高速公路平縱技術標準高，地形陡峭，挖方總體還是遠大于填方，再加上隧道規模大，造成棄渣整體量大。工程中盡量將合格的隧道棄渣進行碎石加工和片石分選加以利用[1]，但仍有大量棄渣需要堆棄。目前建設項目越來越重視對棄渣場的設計，棄渣場應符合防洪規定，不影響河流、庫區泄洪，并堆放在水土保持方案確定的專門存放地。不良的棄渣場會占用大量的耕地、林地，破壞路域自然生態環境，在雨季時會沖入或直接滑入河道,淤積河道， 抬高河床, 影響河道的過流能力，甚至會誘發泥石流，對工程區及其下游地區構成嚴重威協。

本文以昭通至西昌段高速公路為例(以下簡稱本項目)，項目地處川西南橫斷山系東北緣，介于四川盆地和云南省中部高原之間，地勢西北高、東南低，山坡陡峭，多數地形不具備設置坡面棄渣場的條件；且沿西溪河走廊，河流坡降較大，河谷狹窄，多呈“V”型形態，具有山川急流的特征，且沿河開發多級水電站，沿河棄渣場的條件差，因此本項目棄渣場選址以沿線的寬緩沖溝為主。

1 棄渣場設計原則

1.1 選址原則

棄渣場主要分為四大類: 填洼棄渣、平地棄渣、坡面棄渣和溝道棄渣。工程中優先選擇穩定性好、防護規模小的填洼棄渣、平地棄渣類型；受條件限制時，才選擇坡面棄渣和溝道棄渣類型。本項目走廊受西溪河切割深的影響，相對平緩的坡地多位于滑坡或階地的耕地、村落，具備坡面渣場條件的渣址較少，故本文主要討論溝道型棄渣場的設計。

溝道棄渣場應有足夠的庫容且靠近施工現場，便于運輸堆棄；水文條件以荒溝、旱溝為優，否則應選擇溝道短、流域面積小、縱坡小、切割深、出口窄且容量大的沖溝，并驗算排水設施的泄洪能力和防護的穩定性；當設在泥石流溝內，還應驗算泥石流沖擊破壞對耐久性的影響。所以選址階段就應該舍棄匯水區域水土流失已經比較嚴重的溝道，避免大型泥石流溝對棄渣場的安全風險。

1.2 設計原則

1.2.1 坡面防護

坡度是地貌因素中影響水土流失最突出的因子。緩坡的坡面面蝕過程緩慢，且以面蝕為主；相反在陡坡，從坡面面蝕到細溝侵蝕轉變。導致溝蝕發育。坡面坡度為38.4～ 43.0 °時，侵蝕速度明顯大于一般坡面，且棄渣場頂面侵蝕速度小于棄渣場邊坡[2]，因此棄渣場斜面應按照1∶1.5～1∶2.0的坡比進行設計，對坡面進行壓實，并在雨季來臨前實施坡面綠化，通過植物防護加強坡面穩定。當棄渣場內的匯水量較大時，應在棄渣場內設平臺、坡面排水溝。

在一定條件下，當洪峰流量較小時，水流經過排導槽正常排水，不會對溝道棄土產生影響。當洪水流量較大時，洪水漫過棄土發生壩面溢流，當水流流速大于棄土最小沖蝕流速將沖蝕棄土，引起坡面和坡腳沖蝕，此時應進行工程坡面防護。

1.2.2 防洪排導工程

由于溝道棄渣場的存在，堵塞溝道內水流的排泄通道，造成溝道內水流對棄渣場的直接沖刷，需要設置排水系統，引導洪水從棄渣場通過。應計算坡面洪峰流量，根據《防洪標準》和《灌溉與排水工程設計規范》, 棄渣場截、排水溝標準按堆渣量以50×104m3和100×104m3為分界點分別按20 a、50 a、100 a一遇的洪水設計。并根據設計洪水流量復核排水渠的泄洪能力[3]。

1.2.2.1 設計洪水流量計算

設計洪水流量常用的計算模式有經驗公式法、推理公式法、綜合單位線法、水文模型法，由于山區小流域沖溝，既沒有流量觀測資料，又缺乏自記暴雨記錄，故按小流域常用的推理公式來計算洪峰流量

Q=0.278KiF

式中：Q為設計洪水流量, m3/s;K為洪峰徑流系數;i為匯流歷時內平均降雨強度, mm/h;F為山溝集水面積,km2。

1.2.2.2 排洪渠斷面復核

棄渣場排洪渠斷面為梯形斷面，采用現澆混凝土修筑。排洪渠泄水能力按明渠均勻流計算:

Qc=vA

(1)

式中：A為過水斷面面積，m2；v為邊溝內的平均流速，m/s。

邊溝內平均流速按謝才公式計算：

(2)

(3)

由公式可知，只要已知溝渠的過水斷面面積、濕周、溝渠材料、溝渠縱坡所對應的曼寧系數，則其流量可求。排洪渠最大容許洪水流量應大于計算的最大徑流量。

1.2.2.3 棄渣場內部滲水處理措施

棄渣體防滲排水設計采用“上堵下排”的原則進行，渣體外用排洪渠將坡面匯水排走。對于滲入渣體內的水，應在墻面通過排水管排出渣場外，減小滲流壓力對谷坊的作用；結合高速公路隧道棄渣以石塊為主的特點，在棄渣場底部設片石盲溝，疏干坡底，增強棄渣場的穩定。

1.2.3 谷坊防治工程的主要破壞模式及其極限狀態方程

(1)抗滑穩定性問題：要求谷坊工程不會沿基底向前滑動；(2)抗傾覆穩定性問題：要求谷坊工程不會沿基底傾倒；(3)基底承載力問題：要求谷坊結構的基底應力不超過地基土的承載力，否則會發生失穩，從而影響谷坊結構的安全或正常使用；(4)壩身的圬工強度問題：要求谷坊壩身截面具有足夠抗壓強度和抵抗剪切的能力。除了泥石流溝內的谷坊需要驗證泥石流對谷坊的沖擊破壞外，旱溝和清水流溝只需驗證前三種破壞模式(表1)。

表1 谷坊工程3種主要破壞模式的極限狀態方程

1.2.4 谷坊群棄渣場設計理念

谷坊棄渣場為提高庫容，位置應選在溝谷寬敞段下游窄口處，山洪溝沖刷段較長的，為滿足棄渣量的需要，可順溝道由上到下設置多處谷坊。同時谷坊通過固定與抬高侵蝕基準面, 防止溝床下切; 減緩溝道縱坡和山洪流速，形成回淤面, 穩定坡腳, 防止溝岸擴張及滑坡，兼顧整治泥石流的目的，已經取得良好的效果[4](圖1)。

圖1 谷坊群縱斷面設計

2 典型棄渣場設計

以昭通至西昌高速公路K34+500棄渣場為例，本棄土場位于西溪河左岸沖溝內，匯水面積2.718 km2，溝長2.7 km，比降290 ‰，主要用于堆棄金陽隧道和主線路基的棄渣，運距1.5 km，設計容量為20×104m3；流域內植被覆蓋率一般，溝道內有修筑山區公路、料場和坡面崩塌而形成的堆積物，溝口未見明顯的泥石流堆積扇，參照類似項目，按照挾沙水流溝進行設計(圖2、圖3)。

圖2 K34+500棄土場地形地貌

圖3 K34+500棄土場實景圖

2.1 棄渣場排水設計

2.1.1 設計洪水洪峰流量

根據推理公式，本棄土場洪水頻率P=2%，按照50 a一遇防洪標準進行設計；匯水面積F=2.718 km2，溝長2.7 km，比降J=290‰，所在市縣為涼山州金陽縣，查閱四川省暴雨雨力計算成果表，設計流域雨力47.2 mm/h，暴雨遞減指數n1=0.539，n2=0.745，計算得到設計清水洪峰流量Q0=35m3/s。

Qs=Q0[1+(γb-1)/(γs-γb)]

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

本棄土場設計中，取γb=1.28，γs=2.4，得到Qs=44.4m3/s。

2.1.2 排洪渠尺寸復核

排導結構根據洪水流量大小，分為兩側設排水溝和中間設排導槽兩種方式；考慮到該棄土場洪峰流量較大，優化排導槽斷面斷面，最大限度提高泄洪能力(圖4)。

圖4 排導槽尺寸與谷坊渣場的關系

排導槽采用片石混凝土材料，厚度為0.5m，B=3.5m，H=1.5m，m=1∶1,i=0.05，粗糙度n=0.017,計算得到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，考慮到排導槽內淤積物無法及時清理和一定的安全儲備，該排洪渠的尺寸是合理的。

2.2 谷坊結構設計

采用片石混凝土材料，墻面設泄水孔(圖5)。

3 棄渣體分類堆棄優化

棄渣場以坡腳處剪應力最大，容易在坡腳形成剪出口造成棄渣場破壞；而棄渣場粒度組成和級配方案直接決定了棄渣場在坡腳處的抗剪能力和穩定性，將棄渣體分為粒徑<5 cm；<5 cm粒徑<40 cm；粒徑大于40 cm。經過大量研究表明，將第一級細顆粒分布于距坡頂1/3坡高范圍，第二級中等顆粒分布于距坡頂1/3～3/5范圍，將第三級大塊巖石分布在棄渣場底部對提高棄渣場的坡腳抗剪能力是有利的。因此施工過程中，盡量按照分選性，分層堆棄[6]。

圖5 谷坊結構

4 結束語

本文總結了谷坊結構在溝道型棄渣場中的計算過程和設計原則，結論如下：

(1)針對本項目隧道棄渣可以加工成碎、片石的特點，加強對隧道棄渣綜合利用，減小項目棄渣量。

(2)當地形條件受限，只能選擇溝道型棄渣場時，應盡量選擇匯水面積小，縱坡緩，“肚大口小”的荒溝、清水溝，由于大型泥石流溝尤其是稠性泥石流的洪峰流量大，沖擊力強，對渣場的安全隱患大，應該舍棄。

(3)按照適用于小流域的推理公式計算洪峰流量，設排導渠引導洪峰通過棄渣場，并復核排導渠的泄洪能力。

(4)根據溝道棄渣場縱坡較大的特點，采用谷坊群，在滿足庫容需求的同時，確保了結構的穩定性。

(5)棄渣場要考慮施工的可行性，將棄渣分類堆棄，大粒徑棄于底部，小粒徑棄于頂部，有利于棄渣場的穩定性。