淺談山區高速公路棄土場選址和設計

張 昊

（湖北省交通規劃設計院股份有限公司,湖北 武漢 430050）

0 引言

山區高速公路由于地形陡峭，線性指標較高，難以做到填挖平衡，且一般挖方遠大于填方，由此帶來了大量棄方，必須設置足夠的棄土場對這些棄方進行消納。棄土場雖然僅僅是公路建設的附屬工程，但如果設計單位對其重視程度不夠，考慮因素不足，加之施工單位為方便施工，管理不嚴，極有可能在工程建設或運營時帶來水土流失、垮塌變形等一些次生災害。如2015 年底深圳渣土場發生的特大滑坡，造成巨大的生命財產損失，引起廣大工程建設及管理人員的深刻反思。該文結合十巫高速公路鄖西至鮑峽段的棄土場設計，探討總結了棄土場的選址、方案選擇、穩定性分析等設計要點，為類似山區高速公路的相關設計提供經驗。

1 工程概況

十巫高速公路鄖西至鮑峽段湖北省十堰市西北部，路線走廊總體呈南北向，全長34.84 km，橋隧比約為70%。項目區位于秦巴山區腹地，區內山高坡陡，溝壑縱橫，河谷切割較深。路線主要經過構造剝蝕低山—丘陵、構造剝蝕低山地貌類型，山體主要由各類變質巖夾少量沉積巖構成。該項目全線路基棄方約250 萬m3，隧道棄渣約150 萬m3，合計需棄土約400 萬m3，沿線共設置22 處棄土場。

2 棄土場選址要點

2.1 安全性

棄土場的安全性為選址時首要的考慮因素。根據《水土保持工程設計規范》[1]的規定，嚴禁在對重要基礎設施、人民群眾生命財產安全及行洪安全有重大影響的區域布設棄渣場?；诎踩紤]，棄土場選址時應注意以下幾點[2-3]：

（1）應避開滑坡、不穩定斜坡等不良地質條件段，不宜在泥石流易發區設置棄土場。

（2）不宜設置在匯水面積和流量大、溝谷縱坡陡且出口不宜攔截的溝道。

（3）不應危害公路鐵路等重要構造物的安全，棄土場坡腳應與構造物留有一定的安全防護距離。

（4）沿河岸布置時，不得影響河道正常防洪行洪，必要時應在臨河一側設置支擋結構以防止沖刷。

（5）對于地面斜坡較陡的棄土場應加強穩定性分析，合理設置支擋措施。

2.2 經濟性

經濟性是棄土選址當中的主要控制因素，經濟性主要體現在棄土運距。棄土場的選址和容量應結合土石方數量、路線周邊道路及便道情況、不可跨越的江河及長隧道位置等綜合考慮，合理規劃棄土路線，選擇綜合運量最少的方案。一般來說，施工單位可接受棄土運距不宜超過10 km，如果運距太遠，成本過高，在工程實施上容易遇到困難。但是，也不可為了盲目追求短運距，降低成本而不利于路基后期運營安全。

2.3 環境影響

棄土場的設置對當地環境有著較大的影響。對于自然環境，主要是可能造成水土流失、植被減少等。對于人文環境，主要是棄土場施工過程中帶來的機械噪聲、廢氣廢物、水源污染等。因此，從環境角度考慮，棄土場選址應做到：

（1）應盡可能地利用山谷荒地，盡量減少對耕地、經濟林地的占用，節約土地資源。

（2）宜避開較大的居民點或保證足夠的距離，減少對居民生活的影響，避免影響飲用及排灌設施。

（3）原則上不宜在景區范圍內設置棄土場，盡量把棄土場布置在公路的視野之外，并做好表土的綠化。

2.4 其他

其他因素主要是應充分考慮當地政府和群眾的合理訴求，盡量減少因設置棄土場對墳地、電力電線、房屋等的拆遷數量，處理好工程建設與當地人民利益的矛盾。部分棄土場可結合當地的土地規劃進行設置，與棄土造田、加固河堤、修筑宅基地等一并考慮。如該項目3 標段10#棄土場沿河道兩岸臺地棄方并壓實，形成較寬的平地，用于當地拆遷房的安置，在山區土地資源寶貴的情形下不失為一種好的方案。

3 棄土場設計方案

3.1 集中棄土場設置

根據《水土保持工程設計規范》，棄土場按地形條件、與河溝相對位置、洪水處理方式等可分為溝道型、臨河型、坡地型、平地型、庫區型五種類型。該項目集中棄土場的設置主要采用了溝道型，并且盡量選擇肚大口小、上游匯水面積小的支溝，此時鎖口簡單，只需設置一道擋土墻，支擋工程費用較低，棄土場穩定性也較好。以1標段5#棄土場為例，典型棄土場布置如圖1 所示。

圖1 1 標段5#棄土場平面圖

需要注意的是，由于該項目路線主要臨河溝沿山腰布線，路線下方空間受限，因此許多棄土場只能設置在路線上游。由于棄土場施工時很難達到設計要求的壓實度，長期來看存在發生變形或推移的可能性，另外棄土場棄方時產生的大塊滾石的滾動也會對已建成的主線路基、橋梁墩臺產生不利影響。因此，在加強棄土場防護的同時，也必須對棄土場坡腳與路線邊緣的安全防護距離做出一定要求。理論上安全防護距離與渣土的性質、棄方高度、地形坡度等均有關系，參考《水利水電工程水土保持技術規范》[4]的規定，對于棄渣場與公路的安全防護距離為1.0H～1.5H，H為棄渣場設計堆置總高度。因此出于安全性考慮，該項目棄土場坡腳線與主線邊緣均保證不小于50 m 的安全距離。

3.2 與主線路基結合考慮

在不影響主線安全的前提下，棄土場可與公路主線填方邊坡相結合，統籌考慮。

一是可以布設在高填方路基坡腳，利用棄土對路堤進行反壓，既達到了消化了棄方的目的，又增強了路堤的穩定性。如1 標段2#棄土場（見圖2），主線在該處為高填方路基，按8 m 一級，坡率1 ∶2.00 進行放坡，邊坡高度超過40 m，對路基的穩定性提出了較高的要求?？紤]到地形較為平坦，在路堤坡腳以外設置棄土反壓，棄渣填至路基第三級邊坡坡腳處，在消化棄方的同時提高了該處高填方路基的穩定性。

圖2 1 標段2#棄土場剖面圖

二是可以利用主線高填路基填筑形成的洼地設置棄土場（也可稱作填平區[5]），如1 標段3#棄土場（見圖3）。該棄土場不僅能夠消化棄方，而且填平后可以復耕利用，達到了節約用地的效果。此外主線涵洞標高可以相應抬高，減小了涵長，節約了主體工程數量。因此，在山區高速棄土方案設計中應盡可能利用這些可以填平的位置消納棄方。但設計中應注意，為防止雨水通過較松散的棄渣體滲入主線路基，使得主線路基土長時間浸水軟化，強度和穩定性降低。一般應要求該類棄土場達到或接近路基的壓實度，棄土施工可與路基施工同步進行。同時應做好棄土場的截排水措施，兩側設置截水溝，表層用黏土封層封閉，必要時底部可設置碎石盲溝。

圖3 1 標段3#棄土場剖面圖

4 棄土場穩定性分析

棄土場的穩定性分析是棄土場選址和設計的重要內容之一，是棄土場安全性的基本保障，決定了棄土場的支擋形式及規模，同時也影響了棄土方案的經濟性。

目前規范上多采用簡化畢肖普法分析棄土場的自身穩定或棄土場與地基的整體穩定性。此外，當地面坡度較陡時，棄土場還可能沿斜坡地基或軟弱層帶滑動失穩，此時穩定系數可采用不平衡推力法計算[6]。

以1 標段5#為例，該棄土場原地面為強—中風化絹云母石英片巖，棄渣體為附近主線路塹挖方材料，以中—強風化片巖為主。根據棄土場剖面圖建立分析模型如圖4，各巖土層參數如表1 所示。

圖4 棄土場穩定性分析模型

表1 巖土物理力學參數建議值

當分析棄土場自身穩定性時，最不利滑面為潛在滑動面1，當分析棄土場沿斜坡地基或軟弱層滑動的穩定性時，計算滑面為清表后的原地面，即潛在滑動面2，分析結果見表2。

表2 棄土場穩定性計算結果

由此可見，該棄土場在兩種情況下的穩定系數均滿足要求，只需設置常規的攔渣墻防護即可。

5 總結

該文總結了十巫高速公路鄖西至鮑峽段棄土場的設計經驗，歸納得出的主要結論如下：

（1）棄土場選址應考慮安全性、經濟性、環境影響及其他因素，其中安全性是首要考慮因素，經濟性是主要控制因素。

（2）當棄土場設置在路線上游時，必須保證符合坡腳與主線邊緣安全防護距離的要求。棄土場設計中有條件時可結合路基填筑一起考慮，一方面可利用棄土對路堤進行反壓，在消化棄方的同時又增強了路堤的穩定性；另一方面利用填平區棄土可節約用地，降低工程造價。

（3）棄土場的穩定性計算包含棄土場自身穩定性以及棄土場沿斜坡地基或軟弱層滑動的穩定性兩方面，分別推薦采用簡化畢肖普法和不平衡推力法進行計算，二者的穩定安全系數均需滿足相關的規范要求。