解 剛，王向東，劉卉芳，殷小琳

(中國水利水電科學(xué)研究院，北京 100048)

目前我國的水土流失整體情況、開發(fā)建設(shè)項(xiàng)目水土保持形勢依然嚴(yán)峻[1-3]，這其中的一個重要影響因素是人為因素。公路建設(shè)項(xiàng)目引起的水土流失較為嚴(yán)重，“十五”期間由該類項(xiàng)目造成的水土流失量占各類建設(shè)項(xiàng)目造成總量的15.1%[4]，而土石方工程是引發(fā)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(guī)定：生產(chǎn)建設(shè)活動中排棄的砂、石、土、矸石、尾礦、廢渣等應(yīng)當(dāng)綜合利用；不能綜合利用，確需廢棄的，應(yīng)當(dāng)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(chǎn)生新的危害。由于棄渣對所處位置及周邊的生態(tài)環(huán)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(tài)恢復(fù)、復(fù)墾利用等具有重要的意義，所以棄渣場是公路建設(shè)項(xiàng)目水土流失防治的重點(diǎn)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(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益，一般在實(shí)施過程中建設(shè)單位對其水土流失防治采取的標(biāo)準(zhǔn)低于主體工程，防治措施建設(shè)也滯后，且施工、投資、運(yùn)行管護(hù)情況較一般，有些甚至無防護(hù)措施，安全隱患較大。據(jù)統(tǒng)計(jì)，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(guān)鍵。在半干旱、半濕潤和濕潤地區(qū)，排水工程一般采用漿砌石或混凝土結(jié)構(gòu)，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(shè)置的情況比比皆是。此外，大多數(shù)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?qū)挏\，寬深比不符合水力最優(yōu)斷面要求，造成了工程量和投資的浪費(fèi)。文獻(xiàn)[6-13]探討了生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)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(jìn)行優(yōu)化，相關(guān)技術(shù)規(guī)范中也沒有提出斷面優(yōu)化[14]。筆者在掌握大量調(diào)查資料的前提下對棄渣場進(jìn)行了類型劃分，在不影響排水措施排水能力的基礎(chǔ)上對實(shí)例截排水溝斷面進(jìn)行了優(yōu)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(shè)施的布設(shè)提供參考。

1 棄渣場棄渣量調(diào)查及棄渣場類型劃分

根據(jù)相關(guān)設(shè)計(jì)資料和現(xiàn)場調(diào)查，公路建設(shè)項(xiàng)目棄渣場隨公路走向特點(diǎn)沿線路兩側(cè)呈線型分布。公路工程棄渣場調(diào)查見表1，在所調(diào)查的棄渣場中棄渣量≥50萬m3的約占棄渣場總數(shù)的9%。棄渣場多分散在公路沿線兩側(cè)的溝坡地中，若排水處理不當(dāng)，則會產(chǎn)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(qū)域基礎(chǔ)設(shè)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(diǎn)見表2。

2 棄渣場排水措施及優(yōu)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(jié)構(gòu)，暗管一般為混凝土預(yù)制管，擋水埂一般由土夯實(shí)而成。截水溝、排水溝在棄渣場排水系統(tǒng)中較為常見，是排水系統(tǒng)的重要組成部分。對于水流較大的溝道棄渣場，應(yīng)與攔渣壩配套建設(shè)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(yīng)在棄渣場上游布設(shè)截水溝，兩側(cè)布設(shè)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(shè)一級水平馬道平臺，則馬道內(nèi)要布設(shè)排水溝并與兩側(cè)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(diǎn)

2.2 排水溝斷面形式優(yōu)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(xué)中的最優(yōu)斷面。過水?dāng)嗝婷娣e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(jīng)濟(jì)，這種斷面結(jié)構(gòu)通常會造成工程量和投資的浪費(fèi)。過水?dāng)嗝婷娣e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?dāng)嗝娴乃Π霃较嗤栽谂潘鳒系母鞣N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(hù)的土質(zhì)排水溝，兩側(cè)邊坡通常難以達(dá)到穩(wěn)定性要求。對于梯形或矩形斷面也可以根據(jù)過水?dāng)嗝鏋槌?shù)、濕周最小的條件計(jì)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(jì)算采用曼寧公式。當(dāng)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(guān)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(guān)系[15]為

Rm=hm/2

(2)

在設(shè)計(jì)截排水溝斷面時應(yīng)根據(jù)(1)式進(jìn)行斷面設(shè)計(jì)，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?dāng)嗝婷娣e為0.249 m2的漿砌石梯形排水溝斷面，粗糙系數(shù)取0.02，由(1)式可知水力最佳寬深比為1.640，同一過水?dāng)嗝嫦虏煌瑢捝畋扰潘疁狭髁坑?jì)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?dāng)嗝婷娣e0.180 m2，不同寬深比的矩形斷面漿砌石排水溝流量計(jì)算見圖1。

圖1 不同寬深比排水溝流量對比

由圖1可知，當(dāng)過水?dāng)嗝婷娣e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(dāng)寬深比小于最佳寬深比時，隨著寬深比的減小，流量相應(yīng)減小最為明顯。 對不同設(shè)計(jì)流量Q設(shè)、縱比降2%的30 cm厚漿砌石梯形斷面排水溝進(jìn)行橫斷面優(yōu)化計(jì)算。寬深比βm按(1)式計(jì)算，同時根據(jù)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(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見表3。由表3可知，在相同流量下，優(yōu)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(yōu)化計(jì)算結(jié)果

2.3 排水溝(管)結(jié)構(gòu)形式

此外，當(dāng)排水溝斷面采用半圓形時，可以采取預(yù)制結(jié)構(gòu)，把各小段通過砂漿連接起來形成截排水溝。提前預(yù)制截排水溝，可以減少施工區(qū)材料的運(yùn)輸、臨時堆放等，對施工區(qū)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(shè)置的排洪暗管，可采用現(xiàn)澆或預(yù)制混凝土結(jié)構(gòu)的涵管。

2.4 排水設(shè)施的管理、維護(hù)

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(yīng)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(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。應(yīng)在渣體穩(wěn)定后修建排水溝，并對排水溝下的土體充分夯實(shí)，還應(yīng)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(yùn)行。在設(shè)計(jì)和施工中應(yīng)充分考慮陡坡地形對排水溝的影響，增加基礎(chǔ)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(shè)計(jì)、施工中應(yīng)引起足夠的重視。

一般棄渣場管護(hù)都較為薄弱，一旦發(fā)生崩塌、滑坡、泥石流等將造成較嚴(yán)重的人員、財(cái)產(chǎn)損失，所以在運(yùn)行期應(yīng)加強(qiáng)對水土保持措施尤其是排水措施的管護(hù)。應(yīng)重點(diǎn)檢查排水系統(tǒng)是否完善，排水溝道是否有損壞，沉沙、消能措施是否能發(fā)揮作用，尤其是汛前應(yīng)進(jìn)行較為全面的檢查，對不完善和破壞的排水設(shè)施進(jìn)行修復(fù)，清理堵塞排水設(shè)施的雜物、淤泥等，確保安全度汛。

3 結(jié) 語

棄渣場尤其是位于山區(qū)的公路建設(shè)項(xiàng)目棄渣場是生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土流失防治的重點(diǎn)和難點(diǎn)。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(guān)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(yīng)根據(jù)水力學(xué)原理采取水力最佳斷面進(jìn)行優(yōu)化，即水力半徑為水深的1/2，筆者根據(jù)水力最佳斷面對排水溝的優(yōu)化計(jì)算表明優(yōu)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(shè)計(jì)、施工中應(yīng)引起足夠的重視。在運(yùn)行期，應(yīng)加強(qiáng)對截排水措施的管護(hù)，避免棄渣場的水毀破壞。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 水利部，中國科學(xué)院，中國工程院.中國水土流失防治與生態(tài)安全(總卷)[M].北京:科學(xué)出版社，2010:265.

[2] 劉震.從我國水土流失現(xiàn)狀看水土保持生態(tài)建設(shè)布局[J].中國水土保持，2002(6):2-4.

[3] 孫厚才，趙永軍.我國開發(fā)建設(shè)項(xiàng)目水土保持現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].中國水土保持，2007(1):50-52.

[4] 郭索彥，姜德文，趙永軍，等.建設(shè)項(xiàng)目水土流失現(xiàn)狀與綜合治理對策[J].中國水土保持科學(xué)，2008，6(1):51-56.

[5] 姜德文.開發(fā)建設(shè)項(xiàng)目水土保持損益分析研究[M].北京:中國水利水電出版社，2008:84-85.

[6] 史東梅，劉益軍.國家重點(diǎn)公路重慶奉云段高速公路水土保持措施的探討[J].水土保持學(xué)報(bào)，2006，20(3):88-92.

[7] 陳永亮，蔡德志.影響棄渣場穩(wěn)定的因素及針對性治理措施探討[J].西部探礦工程，2009 (12):32-34.

[8] 徐宗永.石籠擋墻在棄渣場防護(hù)工程中的應(yīng)用[J].水土保持應(yīng)用技術(shù)，2009(6):12-13.

[9] 王禹生，萬彩兵.開發(fā)建設(shè)項(xiàng)目棄渣場設(shè)計(jì)探討[J].人民長江，2004，35(10):11-13.

[10] 田育新，李正南，周剛，等.開發(fā)建設(shè)項(xiàng)目借土場、棄渣場的分類、選擇及防護(hù)措施布局[J].水土保持研究，2005，12(2):149-150，153.

[11] 徐永年，田衛(wèi)賓.開發(fā)建設(shè)項(xiàng)目棄渣場設(shè)計(jì)及防洪問題[J].中國水土保持，2003 (3):23-24.

[12] 解剛，王向東，徐永年，等.宜昌至巴東高速公路水土流失特點(diǎn)與防治[C]//中國水利學(xué)會青年科技工作委員會.中國水利學(xué)會第三屆青年科技論壇論文集.鄭州:黃河水利出版社，2007：295-299.

[13] 吳俊，趙峰，張曉平.南水北調(diào)中線一期工程棄土棄渣場布置研究[J].人民長江，2009，40(24):44-45.

[14] GB 50433—2008，開發(fā)建設(shè)項(xiàng)目水土保持技術(shù)規(guī)范[S].

[15] 水力學(xué)與山區(qū)河流開發(fā)保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室.水力學(xué)[M].北京:高等教育出版社，2008：196-199.