鐵路工程水土保持防護措施設計

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1工程概況

山區鐵路工程因地形地質、生態環境條件限制，橋隧比例較高，建設開挖過程將產生大量棄渣，除少部分作為道路墊層、混凝土骨料等用于工程外，廢棄的渣料多設置專門的堆放場地等。若棄渣處置不當可能引起大氣污染、水污染，甚至滑坡、泥石流等地質災害的發生。為了降低棄渣對當地環境的污染，并防止水土流失，確保棄渣場及其下游的安全，對棄渣場進行安全防護和水土保持措施設計顯得尤為重要[1-3]。門坎山棄渣場位于CZ鐵路工程DK207+000線路左側某溝谷處，為溝道型棄渣場，主要堆存工程隧道開挖棄渣料，設計堆渣容量約220.0萬m3（松方），最大堆渣高度約96m，最大堆渣長度約654m，最大堆渣寬度約287m，規劃占地面積約9.067hm2。棄渣場頂部高程1636.0m，分別在高程1566.0m、1586.0m、1606.0m、1621.0m處設置寬度為4.0m的馬道。由于本工程棄渣量大，棄渣場所在溝道溝谷深、容量大，意味著溝道匯水量大，防洪及排導工程量大，水土保持措施較復雜。對于溝道型棄渣場，其工程防護措施包括攔擋措施、邊坡防護措施和系統的防洪排導工程措施[4]。依據水土保持工程相關規范[4-5]，結合棄渣場堆渣量、最大堆渣高度和渣場失事對主體工程或環境造成的危害程度，綜合分析確定門坎山棄渣場等級為3級。棄渣場平面布置見圖1所示。

2自然條件

2.1地質條件棄渣場所在地區屬中山地貌，地面海拔高程1540m～1630m，最大高差90m，地形起伏大。渣場可由鄉村道路到達，交通條件較好。渣場兩側地勢陡峻，地表植被茂密，主要以喬木為主，少量灌木。渣場區上覆第四系全新統坡洪積（Q4dl+pl）粉質黏土、坡殘積（Q4dl+el）粉質黏土，下伏基巖三疊系上統須家河組（T3x）泥巖、砂質泥巖夾頁巖。渣場區地層單一，無明顯構造痕跡。渣場區地震動峰值加速度值為0.2g，地震動反應譜特征周期為0.40s。工程場地的地震基本烈度為Ⅷ度。地表水主要為溝水，靠大氣降水及上游補給，向下游及地下排泄。地下水主要為松散堆積體孔隙水、基巖裂隙水。漂石層中富含地下水，測區范圍內地下水主要受大氣降水和地表水補給，與地表水聯系密切，雨季水量較豐富。地下水較發育，水位隨季節變化。渣場區無不良地質及特殊巖土。

2.2水文條件棄渣場的行政區劃屬于四川省雅安市天全縣境內，位于四川盆地西部邊緣地區，棄渣場匯流面積較?。?.682km2），可劃歸為小流域范疇，按照《鐵路工程水文勘測設計規范》（TB10017-99）要求進行流量計算，根據《橋渡水文》查不同重現期系數計算各頻率流量，最后根據計算流量及現場實測水文斷面反算水位。設計洪水成果見表1所示。

3工程防護標準及等級

根據水土保持工程相關規范，綜合分析確定門坎山棄渣場等級為3級，攔渣堤、攔渣壩為3級建筑物，擋渣墻為4級建筑物，排洪工程為3級建筑物。根據建筑物級別，確定攔渣堤（壩）和排洪工程的防洪標準采用50年洪水重現期（取上限）設計，采用100年洪水重現期（取上限）校核。

4棄渣場防護措施

依據“先擋后棄”原則，棄渣場在堆渣前需在渣腳設擋渣墻，控制堆渣坡度分層堆渣，堆渣結束后在渣體與邊坡交匯處設置截水溝，匯集山體坡面來水，并在各級馬道內側設置橫向排水溝，與周邊截水溝相接，將山體及渣體坡面來水共同排至下游。本工程棄渣場位于溝道中部，溝道斷面被渣體攔斷，阻擋上游洪水，除了上述常規防護措施外，需考慮上游溝道洪水的影響，通過利用擋水壩將區間洪水引至排水明渠中，利用排水明渠及下游消能建筑物將其排至下游溝道。

4.1擋渣措施為防止堆渣過程中產生的滾石滾出設計堆渣范圍，造成水土流失從而影響下游溝道，沿渣體坡腳線設置混凝土擋渣墻進行攔擋。擋渣墻為重力式，頂部高程1546.0m，頂寬2.5m，面坡1:0.05，背坡1:0.4，墻后采用回填石渣夯實，擋渣墻總高度7.0m（基礎埋深約2.0m）。為防止因地基不均勻沉陷及溫度變化引起墻體裂縫，沿擋墻縱軸線方向每隔10m設一變形縫，縫寬20mm，縫內沿內、外、頂三側填塞瀝青木板，嵌入深度不小于0.2m。在擋渣墻墻體中設置兩排排水孔，排水孔比降5%，沿水平方向間距2.0m、豎直方向間距1.0m，梅花型布置，孔內預埋A100mm的PVC管材，墻背孔口設排水反濾包。擋墻基礎置于漂石土層，基礎承載力約0.25MPa，應對開挖后擋墻基礎進行壓實處理，處理后的擋墻基礎承載力應不小于0.3MPa。

4.2截排水措施為避免施工期暴雨降水形成的山坡地表水對棄渣體的沖刷，在棄渣場周邊及各平臺馬道設置截排水溝，截水溝防御暴雨標準采用10年一遇24h最大降雨量。在棄渣場左側設置M10漿砌石截水溝，截排渣場左側山體坡面來水，凈尺寸0.8m×0.5m（寬×高），梯形斷面，邊坡坡比1:1；在棄渣場邊坡各級馬道內側設置M10漿砌石排水溝，將渣體表面積水引至截水溝中，凈尺寸0.4m×0.5m（寬×高），矩形斷面。在棄渣場右側修建排水明渠截住右側山體坡面來水，排導至下游溝道，排水明渠詳見“溝水治理”章節。

4.3邊坡防護措施棄渣場堆渣邊坡坡比為1：1.8，分別在高程1566.0m、1586.0m、1606.0m、1621.0m設置4.0m寬馬道，為保證渣場邊坡穩定，采用C25混凝土框格梁進行護坡，框格梁間、排距2.0m×2.0m，梁斷面為0.3m×0.3m。4.4溝水治理設計本工程為溝道型棄渣場，所在溝道中天然來流量較大，為確保棄渣場的安全運行，需進行溝水治理設計。溝水治理設施由溝道上游擋水壩、右岸排水明渠及其消能建筑物組成，通過擋水壩將上游溝水引導至排水明渠中，并通過明渠臺階消能將其排泄至下游溝道中。擋水壩、排水明渠為3級建筑物，設計洪水標準為50年一遇洪水重現期，相應流量為136.7m3/s，校核洪水標準為100年一遇洪水重現期，相應流量為153.10m3/s。

4.4.1擋水壩在棄渣場上游溝道內設置擋水壩，采用C25重力式混凝土結構，壩頂寬度1.5m，內側邊坡1:1.6，外側邊坡直立，擋水壩最大高度10.5m（基礎埋深2.0m），在擋水壩中部布置6.5m高、6.0m寬的排水通道。擋水壩基礎設置2排帷幕灌漿孔，孔深6.0m，排距1.0m，孔距1.5m。基礎及側向邊坡均設置4.5m長的C25錨筋，間排距1.0m，梅花型布置。4.4.2排水明渠排水明渠沿著棄渣場右側山體設置，渠道外側邊墻采用重力式，內側邊墻采用貼坡式，排水明渠全長843.32m，采用C25混凝土結構，起點與擋水壩平順連接。其中，明渠緩坡段（0+000.00~0+496.66）平均縱坡0.41%，過流斷面6m×5m~6m×4.5m（寬×高），明渠底板厚1.5m，在基礎及邊墻側布置C25，L=4.5m，間排距2.0m的錨筋，入巖3.5m；明渠陡坡段（0+496.66~0+809.90）分四段，根據天然地面坡度設置，平均縱坡13%~50%，采用臺階式設置，臺階高度1.0m，在明渠底板及邊墻基礎布置C25，L=4.5m，間排距2.0m的錨筋，入巖3.5m，與出口消能設施銜接。明渠出口段（0+809.90~0+843.32）采用跌水消能，對明渠出口上下游一定范圍采用C35混凝土護底，岸坡采用C25貼坡混凝土擋墻護岸，底板及邊墻基礎布置C25，L=9.0m，間排距1.0m的錨筋，入巖8.0m。

5棄渣場穩定性分析

5.1渣場邊坡穩定性棄渣場抗滑穩定計算考慮正常運用工況和非常運用工況。正常運用工況為渣體填筑至頂部高程1636.00m，采用排水明渠將溝水引至下游；非常運用工況為棄渣場在運用工況下遭遇Ⅷ度（地震動峰值加速度為0.2g，地震動反應譜特征周期為0.40s）地震，本文采用擬靜力法分析地震荷載的作用，且只考慮水平向地震慣性力，地震作用效應折減系數取0.25。棄渣場的穩定性計算利用Roc?scienceslide軟件，采用極限平衡法中的簡化畢肖普法進行分析，其考慮了土條側面的作用力，不考慮條件的剪應力，并假定各土條底部滑動面上的抗滑安全系數相同，即等于整個滑動面的平均安全系數。門坎山棄渣場典型斷面穩定計算成果見圖2、圖3所示。由圖可知，棄渣場在正常運用工況和非常運用工況下，渣體邊坡抗滑穩定安全系數分別為1.26和1.12，大于規范要求的穩定安全系數允許值，即認為本棄渣場邊坡處于穩定狀態。

5.2擋墻穩定性本文采用理正巖土軟件，在正常運用工況和非常運用（地震）工況下，對擋渣墻進行穩定性分析。計算結果表明，在正常運用工況和非常運用（地震）工況下，擋渣墻的抗滑、抗傾覆穩定安全系數及地基允許應力均滿足規范要求，設計是合理的。

6結論

鐵路工程建設過程中將產生大量棄渣，為了有效控制水土流失，降低堆渣對周圍環境的影響，堆存過程中需對棄渣場進行水土保持防護措施設計。本文以CZ鐵路工程門坎山溝道型棄渣場為例，進行水土保持措施防護設計。本文所述溝道型渣場在堆渣過程中依據“先擋后棄、排導結合”的原則，在坡腳設置擋渣墻攔擋棄渣，棄渣體及兩岸山體表面來水通過截排水溝匯至下游。利用擋水壩、右岸排水明渠泄流及臺階跌水消能的方式進行溝水治理，順利將上游溝道洪水排泄至下游。最終堆渣完成后，棄渣場下游坡面采用混凝土框格梁進行防護。通過對棄渣場及擋渣墻的穩定性分析，驗證了所選棄渣場邊坡坡比、臺階高度、框格梁護坡方式和混凝土擋渣墻防護是安全合理的。因此，溝道型棄渣場系統性的水土保持措施，可為同類型工程設計提供借鑒與參考。

參考文獻

[1]陳永,黃英豪.山區鐵路棄渣防護技術及資源化利用現狀[J].再生資源與循環經濟,2020,13(12):26-31.

[2]陳柯霖,卿偉宸,朱勇.淺論環保新形勢下艱險山區棄渣場系統設計[J].高速鐵路技術,2020,11(05):87-91.

[3]王冠琪.鐵路工程溝道棄渣場選址及工程措施布設分析[J].四川建筑,2015,35(04):133-135.

[4]GB51018-2014,水土保持工程設計規范[S].[5]SL575-2012,水利水電工程水土保持技術規范[S].

作者:吳瑩 胡志鵬 周順文 單位:中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司