王 莎，楊海龍，高甲榮，王偉偉，劉鵬剛

(北京林業(yè)大學(xué)水土保持學(xué)院，北京 100083)

1 研究背景

高速公路是我國交通建設(shè)的基礎(chǔ)設(shè)施，是國家交通的大動脈之一，對推動國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展具有重大意義，并且在我們的生活和生產(chǎn)中發(fā)揮著越來越重要的作用［1］。但其對生態(tài)環(huán)境的影響和破壞又是不容忽視的。公路建設(shè)大量占地、大量取土，再加上大規(guī)模地擾動地表，破壞了原地表的植被，并導(dǎo)致水土流失，使得沿線的生態(tài)環(huán)境受到嚴(yán)重影響［2］。然而，生態(tài)環(huán)境一旦遭受破壞，若要再進(jìn)行生態(tài)修復(fù)，將會是一項漫長而艱苦的工程。

本文結(jié)合京新高速公路集寧—呼和浩特段的水土保持方案，根據(jù)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(qū)穿越不同地貌類型區(qū)高速公路水土保持方案編制應(yīng)該注意的一些問題。

2 工程概況及自然環(huán)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(jīng)烏市察右前旗、烏市察右中旗、烏市卓資縣、呼市賽罕區(qū)、呼市新城區(qū)5個旗縣區(qū)。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(jīng)地區(qū)(內(nèi)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(fēng)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(fā)量2 072mm，多年平均日照時數(shù)2 994 h，最大凍土深度2.49 m。全年大部分盛行西北風(fēng)，平均風(fēng)速3.5m/s，最大風(fēng)速28.3m/s。區(qū)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(qū)以水力侵蝕為主，兼有季節(jié)性風(fēng)力侵蝕，侵蝕強(qiáng)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(qū)的劃分

根據(jù)《開發(fā)建設(shè)項目水土保持技術(shù)規(guī)范》(GB50433－2008)的要求，水土流失防治分區(qū)的一級分區(qū)應(yīng)以地貌為基準(zhǔn)進(jìn)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(qū)分為山前沖洪積平原區(qū)和低中山丘陵區(qū)。

沖洪積平原區(qū)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(nóng)田，且分布有重要建筑設(shè)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(fēng)水復(fù)合侵蝕［4］。土壤侵蝕模數(shù)背景值為1 400 t/(km2·a)。

低中山丘陵區(qū)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(fā)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(shù)背景值為1 750 t/(km2·a)。

水土流失防治分區(qū)的二級分區(qū)依據(jù)項目區(qū)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(shè)時序、自然屬性、土壤侵蝕強(qiáng)度等因素，在確定的防治責(zé)任范圍內(nèi)劃分［5］。因此，根據(jù)以上要求，本項目二級分區(qū)分為9個區(qū):路基防治區(qū)、橋梁防治區(qū)、互通防治區(qū)、隧道防治區(qū)、管理服務(wù)設(shè)施防治區(qū)、取土場防治區(qū)、棄渣場防治區(qū)、施工生產(chǎn)生活區(qū)和施工便道防治區(qū)。

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

3.2 工程節(jié)點的控制作用

高速公路建設(shè)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(jié)點。公路工程一般穿越平原區(qū)、丘陵區(qū)和山嶺區(qū)，跨過河流、山谷時架設(shè)橋梁，穿越山嶺時設(shè)置隧道貫通［6］。隧道、橋梁的開鑿和架設(shè)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(jìn)度。

工程節(jié)點的作用主要是進(jìn)行土石方平衡的計算。目前，在公路建設(shè)項目的主體設(shè)計中缺乏統(tǒng)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(jù)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(shù)量，將公路全線以金盆隧道和旗下營隧道為2個工程節(jié)點，將整條線路分為3段，進(jìn)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(jié)點，將線路分段進(jìn)行土石方平衡，不僅保證了每段土石方的調(diào)運(yùn)暢通，而且減少了工程借方和棄方的數(shù)量，對于降低生態(tài)環(huán)境的破壞程度起著重要的作用。

3.3 隧道工程防治區(qū)措施設(shè)計

橋梁、隧道是公路建設(shè)不可回避的工程結(jié)構(gòu)。隨著高等級鐵路、公路在山區(qū)的快速發(fā)展，橋梁、隧道建設(shè)規(guī)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(jié)省運(yùn)費(fèi)。然而，人們在公路隧道設(shè)計中，一直以來強(qiáng)調(diào)的通常只是隧道的安全性，往往忽略了隧道洞口的景觀設(shè)計。公路隧道洞口的景觀設(shè)計應(yīng)綜合考慮隧道洞口附近的自然環(huán)境、人文歷史及其他構(gòu)造物等因素，應(yīng)根據(jù)每一個洞口的實態(tài)，按不同層次的要求進(jìn)行景觀設(shè)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(bǔ)充了排水、消能及護(hù)坦設(shè)計，還對主體工程未設(shè)計的隧道洞頂兩側(cè)、邊仰坡及洞口施工場地的種草防護(hù)進(jìn)行了補(bǔ)充設(shè)計。在符合隧道工程的安全、穩(wěn)定要求的同時，還充分注重隧道洞口的景觀效果。

洞頂兩側(cè)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(shù)指標(biāo)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(cè)及邊仰坡人工種草技術(shù)指標(biāo)Table 1 Indexes of grass planted on both sides of the tunnel roof and the side slope

3.4 山區(qū)公路排水工程的順接工程設(shè)計補(bǔ)充

修建山區(qū)、丘陵區(qū)的公路，常受到洪水的威脅，如不妥善地將山區(qū)洪水排走，將會影響公路行車安全。當(dāng)遇到溝道或河道時，往往不能沿公路走向設(shè)計排水工程，此時需要沿山體修筑截排水設(shè)施。丘陵區(qū)地形起伏較大，洪水排泄過程中勢能轉(zhuǎn)化為動能，流速增大，對下游河道或溝道進(jìn)行嚴(yán)重的沖刷。因此，丘陵區(qū)公路需要特別注意對排水工程補(bǔ)充順接工程。順接工程能夠在控制的局部溝段內(nèi)，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(bǔ)充設(shè)計的順接工程消力池進(jìn)行消能，消力池末端采用護(hù)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(shè)計消力池109座。其中，路基工程防治區(qū)急流槽末端設(shè)計20座，橋涵工程防治區(qū)截水溝末端設(shè)計63座，隧道工程防治區(qū)截水溝末端設(shè)計4座，取土場防治區(qū)馬道排水溝末端設(shè)計17座，棄渣場截水溝末端設(shè)計5座。

消力池典型設(shè)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(nèi)側(cè)為垂直坡，外側(cè)坡度為1∶0.4。消力池下游設(shè)護(hù)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(shè)計見圖3。

圖3 消力池典型設(shè)計圖Fig.3 Typical design of stilling pool

3.5 關(guān)于投資預(yù)算中種苗補(bǔ)植費(fèi)的計算

高速公路在穿越半干旱地區(qū)時，由于當(dāng)?shù)貧夂蚋珊?、寒冷、土層稀薄、地形多變及人為破壞等因素，?dǎo)致水土保持林草植被措施建設(shè)受到很大影響。因此，在半干旱區(qū)布設(shè)植物防護(hù)時，需要考慮種苗補(bǔ)植。水土保持方案編制單位進(jìn)行投資預(yù)算中時，需要注意植物措施費(fèi)的組成，除了苗木種子費(fèi)、栽植栽種費(fèi)以外，還需另加種苗補(bǔ)植費(fèi)。種苗補(bǔ)植費(fèi)按苗木種子費(fèi)與種植費(fèi)之和的15%～20%計列，具體取值還需結(jié)合半干旱區(qū)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(qū)，項目的植物措施費(fèi)需由苗木種子費(fèi)、栽植栽種費(fèi)和種苗補(bǔ)植費(fèi)3項組成。種苗補(bǔ)植費(fèi)按苗木種子費(fèi)與栽植栽種費(fèi)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(nèi)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(jīng)單獨審查，以確定方案實施的詳細(xì)投資額［12］。投資概算可為單位建設(shè)項目成本管理、成本控制及水行政主管部門依法監(jiān)督提供依據(jù)。

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

4 結(jié)語

本文結(jié)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(jié)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(dāng)高速公路穿越不同的地貌類型時，應(yīng)根據(jù)項目區(qū)的地形地貌及水土流失特點進(jìn)行水土流失防治分區(qū)。

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

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

(4)對于北方干旱半干旱地區(qū)的水土保持方案編制的投資預(yù)算，要注意結(jié)合當(dāng)?shù)氐淖匀画h(huán)境條件等各項因素，進(jìn)行種苗補(bǔ)植費(fèi)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?？茖W(xué)校學(xué)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(shè)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(nèi)蒙古土壤侵蝕研究——遙感技術(shù)在內(nèi)蒙古土壤侵蝕研究中的應(yīng)用［M］.北京:科學(xué)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(fā)建設(shè)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(yīng)用［J］.中國水土保持，2008，(4):42－45.(SHI Li-ming，F(xiàn)U 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(shè)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(nèi)蒙古水土流失現(xiàn)狀與治理對策［J］.內(nèi)蒙古林業(yè)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(guān)向群.隧道洞口景觀設(shè)計研究［J］.土木工程學(xué)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(zhèn)國.水力學(xué)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(nèi)蒙古高速公路水土保持方案編制研究［J］.安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，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(shè)水土保持方案投資概算編制［J］.甘肅水利水電技術(shù)，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 ))