公路建设项目弃渣场排水措施探讨

解 刚，王向东，刘卉芳，殷小琳

(中国水利水电科学研究院，北京 100048)

目前我国的水土流失整体情况、开发建设项目水土保持形势依然严峻[1-3]，这其中的一个重要影响因素是人为因素。公路建设项目引起的水土流失较为严重，“十五”期间由该类项目造成的水土流失量占各类建设项目造成总量的15.1%[4]，而土石方工程是引发和加剧水土流失的重要原因[5]。水土保持法第二十八条明确规定：生产建设活动中排弃的砂、石、土、矸石、尾矿、废渣等应当综合利用；不能综合利用，确需废弃的，应当堆放在水土保持方案确定的专门存放地，并采取措施保证不产生新的危害。由于弃渣对所处位置及周边的生态环境影响较大，弃渣场水土流失综合防治对弃渣场和下游的安全及弃渣场的生态恢复、复垦利用等具有重要的意义，所以弃渣场是公路建设项目水土流失防治的重点之一。

弃渣场不属于公路主体工程，也不属于附属工程，不具有主体功能且不产生经济效益，一般在实施过程中建设单位对其水土流失防治采取的标准低于主体工程，防治措施建设也滞后，且施工、投资、运行管护情况较一般，有些甚至无防护措施，安全隐患较大。据统计，弃渣场的破坏类型多是水毁，因此防洪、排水问题是弃渣场水土流失防治的关键。在半干旱、半湿润和湿润地区，排水工程一般采用浆砌石或混凝土结构，其投资一般占弃渣场防治措施总投资的1/3左右，是植物措施投资的3～8倍，因此弃渣场排水措施不健全，甚至不设置的情况比比皆是。此外，大多数弃渣场截排水沟横断面为矩形或梯形，有些断面过于窄深或宽浅，宽深比不符合水力最优断面要求，造成了工程量和投资的浪费。文献[6-13]探讨了生产建设项目弃渣场的分类及综合防治措施，然而未分析排水措施存在的问题，未对弃渣场截排水沟断面进行优化，相关技术规范中也没有提出断面优化[14]。笔者在掌握大量调查资料的前提下对弃渣场进行了类型划分，在不影响排水措施排水能力的基础上对实例截排水沟断面进行了优化并探讨了截排水沟所处位置对排水措施的不利影响，以期为弃渣场排水设施的布设提供参考。

1 弃渣场弃渣量调查及弃渣场类型划分

根据相关设计资料和现场调查，公路建设项目弃渣场随公路走向特点沿线路两侧呈线型分布。公路工程弃渣场调查见表1，在所调查的弃渣场中弃渣量≥50万m3的约占弃渣场总数的9%。弃渣场多分散在公路沿线两侧的沟坡地中，若排水处理不当，则会产生集中汇流，不仅对公路工程本身的安全造成影响，也可能对周边区域基础设施、居民住宅等造成较大危害。

按照所处地形，一般可将公路弃渣场划分为凹地型、沟道型、坡地型、平地型等4类，此外还有利用取土(砂)后形成的采掘坑存放弃渣的情况。各类型弃渣场的特点见表2。

2 弃渣场排水措施及优化

2.1 排水措施体系

弃渣场的排水措施一般有溢洪道、放水建筑物(卧管、竖井、涵洞)、截水沟、排水沟、排水顺接工程(与自然沟道相接)等。溢洪道、卧管、竖井、涵洞、截排水沟等一般采取浆砌石或混凝土结构，暗管一般为混凝土预制管，挡水埂一般由土夯实而成。截水沟、排水沟在弃渣场排水系统中较为常见，是排水系统的重要组成部分。对于水流较大的沟道弃渣场，应与拦渣坝配套建设溢洪道和放水建筑物。对于上游来水较少的荒沟或坡地弃渣场，应在弃渣场上游布设截水沟，两侧布设急流槽且上游连接截水沟，下游接消力池或沉沙池、排水顺接工程。若在弃渣场拦渣坝或挡土墙顶每隔8～10 m布设一级水平马道平台，则马道内要布设排水沟并与两侧的急流槽顺接。

表1 公路工程弃渣场弃渣情况

表2 公路弃渣场类型及特点

2.2 排水沟断面形式优化

目前弃渣场截水沟、排水沟、急流槽的横断面多为矩形或梯形，但断面宽深比具有一定差异，并不是水力学中的最优断面。过水断面面积相同时，单位长度矩形或梯形断面排水沟所需砌体材料并非最经济，这种断面结构通常会造成工程量和投资的浪费。过水断面面积一定时圆形断面的湿周最小，水力半径最大；由于半圆形与圆形过水断面的水力半径相同，所以在排水明沟的各种横断面形状中，半圆形断面是水力最佳的。但半圆形断面不易施工，尤其是无衬护的土质排水沟，两侧边坡通常难以达到稳定性要求。对于梯形或矩形断面也可以根据过水断面为常数、湿周最小的条件计算出水力最佳断面[15]。

一般而言，截排水沟中的水流为恒定均匀流或渐变流，流量计算采用曼宁公式。当断面为梯形或矩形时，水力最佳断面条件下的宽深比βm与边坡比m的关系为[15]

(1)

式中：βm为宽深比；bm为排水沟底宽；hm为水深；m为边坡比。

水力最佳断面条件下水力半径Rm与水深hm的关系[15]为

Rm=hm/2

(2)

在设计截排水沟断面时应根据(1)式进行断面设计，采用水力最佳断面，减少工程量和投资。

例如，对于较为常见的边坡比为1 ∶0.2、沟底纵坡比为2%、过水断面面积为0.249 m2的浆砌石梯形排水沟断面，粗糙系数取0.02，由(1)式可知水力最佳宽深比为1.640，同一过水断面下不同宽深比排水沟流量计算见图1。矩形断面水力最佳宽深比为2.0，对于相同的沟底纵坡比2%、过水断面面积0.180 m2，不同宽深比的矩形断面浆砌石排水沟流量计算见图1。

图1 不同宽深比排水沟流量对比

由图1可知，当过水断面面积一定，梯形或矩形断面宽深比为水力最佳时的排水沟流量最大；当宽深比小于最佳宽深比时，随着宽深比的减小，流量相应减小最为明显。 对不同设计流量Q设、纵比降2%的30 cm厚浆砌石梯形断面排水沟进行横断面优化计算。宽深比βm按(1)式计算，同时根据曼宁公式可知梯形断面水力最佳边坡比m一般为0.58左右，在此按m=0.50进行优化计算，计算结果见表3。由表3可知，在相同流量下，优化后单位长度排水沟工程量可减少3.23%～9.92%，工程量减少较为显著。

表3 梯形断面优化计算结果

2.3 排水沟(管)结构形式

此外，当排水沟断面采用半圆形时，可以采取预制结构，把各小段通过砂浆连接起来形成截排水沟。提前预制截排水沟，可以减少施工区材料的运输、临时堆放等，对施工区的扰动面积也会很少。上游汇水较多的弃渣场常在渣体底部设置的排洪暗管，可采用现浇或预制混凝土结构的涵管。

2.4 排水设施的管理、维护

渣场平台、高陡坡面上的排水沟比其他位置更易损坏，在弃渣场平台上修建排水沟应注意渣体的不均匀沉降和土体的移动挤压可能给排水沟带来损坏。在堆放初期，渣体比较松散，随着降水下渗和在自身重力作用下土体逐渐沉降和移动，最终达到稳定状态。应在渣体稳定后修建排水沟，并对排水沟下的土体充分夯实，还应在排水沟上留出足够的沉降缝，以免土体的错动造成排水沟的破坏。在高陡坡面上修建纵向排水沟尤其是延伸排水工程，常常由于高陡坡面土体的不均匀沉降造成排水沟的破坏，使排水措施不能正常运行。在设计和施工中应充分考虑陡坡地形对排水沟的影响，增加基础砂砾垫层的厚度，采取较多的沉降缝。松散渣体、高陡坡面等特殊位置的不均匀沉降都可能对排水沟造成不利影响，在设计、施工中应引起足够的重视。

一般弃渣场管护都较为薄弱，一旦发生崩塌、滑坡、泥石流等将造成较严重的人员、财产损失，所以在运行期应加强对水土保持措施尤其是排水措施的管护。应重点检查排水系统是否完善，排水沟道是否有损坏，沉沙、消能措施是否能发挥作用，尤其是汛前应进行较为全面的检查，对不完善和破坏的排水设施进行修复，清理堵塞排水设施的杂物、淤泥等，确保安全度汛。

3 结 语

弃渣场尤其是位于山区的公路建设项目弃渣场是生产建设项目水土流失防治的重点和难点。水毁是弃渣场破坏的重要形式之一，所以排水措施是弃渣场水土流失综合治理的关键措施之一。排水措施的常见形式有截水沟、排水沟、急流槽、消力池、沉沙池及排水顺接工程等。截排水沟断面一般为梯形或矩形，应根据水力学原理采取水力最佳断面进行优化，即水力半径为水深的1/2，笔者根据水力最佳断面对排水沟的优化计算表明优化后工程量减少较为显著。位于松散渣体、高陡坡面等特殊位置的截排水沟，会受到地面不均匀沉降的不利影响，造成截排水沟破坏，在设计、施工中应引起足够的重视。在运行期，应加强对截排水措施的管护，避免弃渣场的水毁破坏。

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