低山丘陵区铁路建设工程弃渣场水土保持措施设计

张春晖

（中国铁路设计集团有限公司 机械动力与环境工程设计研究院，天津 300251）

1 概述

随着国家生态文明建设的大力推进，水土保持与生态保护工作进入新时代，预防和治理水土流失受到更广泛的关注。铁路作为国家重要的基础设施和民生工程，在其建设过程中受沿线地形地貌、土壤、施工运距及交通便利性等条件的限制，土石方的区间调配利用难以全部落实，对于无法调配利用的土石方，需设计弃渣场进行存放。对于弃渣场的选址，《中华人民共和国水土保持法》规定，弃土(渣)应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[1]。如果防护措施设计不合理，容易诱发滑坡、崩塌、泥石流等地质灾害，通过实施弃渣场水土保持措施对保证弃渣场及其下游的安全、弃渣场的生态恢复及复垦利用等具有重要的意义[2]。综上，弃渣场水土流失防治是铁路建设项目水土流失防治的重点之一。

以辽西北低山丘陵区的某铁路建设项目为例，着重探讨低山丘陵区不同立地条件下的弃土(渣)场水土保持措施，旨在为同类型铁路建设项目弃土(渣)场水土保持防护措施设计提供参考。

该铁路全长105.603 km，线路由西向东依次经过辽西北低山丘陵区、山间盆地区、中低山区、辽河平原。工程组成主要包括路基工程、桥梁工程、隧道工程、站场工程，其中路基长度31.067 km，桥梁长度46.151 km，隧道长度28.385 km。工程占地834.66 hm2，主体工程共设置弃渣场49处，弃渣量为1 360.16万m3。

2 弃渣场选址分析

2.1 弃渣场选址原则

根据《开发建设项目水土保持技术规范》(GB 50433—2008)中相应规定，弃土(渣)场的选址有3条强制性规定：①弃土(渣)场的设置不得影响周边公共设施、工业企业、居民点等的安全；②涉及河道的，应符合治导规划及防洪行洪的规定，不得在河道、湖泊管理范围内设置弃土(石、渣)场；③禁止在对重要基础设施、人民群众生命财产安全及行洪安全有重大影响的区域布设弃土(石、渣)场[3]。

除此之外，弃土(渣)场的选址还应考虑以下方面：①弃土(渣)场尽量远离水源保护区、自然保护区、文物保护区等敏感区域；②弃土(渣)场尽量不占或少占农田和林地；③弃土(渣)场不宜布设在汇水面积较大的沟道，否则应进行防洪论证；④在山丘区宜选择凹地、荒沟、支毛沟，平原区宜选择凹地、荒地[4]。

2.2 弃渣场适用性分析

2.2.1 凹地型弃渣场

该项目凹地弃渣场是利用取土、采砂、采矿后形成的废弃凹地。弃渣前需核实其容量，弃渣量尽量满足容量要求，弃渣结束后，弃渣面与周围平面齐平，以利于后期的恢复植被或复耕。

2.2.2 坡地型弃渣场

坡地型弃渣场适用于沿山坡堆放、坡度不大于25°且坡面稳定的山坡，多位于沟道两侧地势相对平坦且开阔的台地、缓坡地或削坡取土后形成的台地。此类型弃渣场水土保持措施防护重点在于保障渣场自身稳定及有效排导坡面上游汇水对渣场的影响。针对渣场自身稳定性的防护，宜根据边坡高度及坡度、堆渣量等因素在堆渣坡脚处设置挡渣墙或护脚护坡措施。对于渣场上游及周边有汇水的，宜根据汇水面积、渣场级别及渣场防洪标准等布设截排水沟。弃渣结束后，应对弃渣面进行土地平整并恢复原貌或结合当地政府相关规划妥善处理。

2.2.3 沟道型弃渣场

沟道型弃渣场是低山丘陵区最常见的弃渣场类型，优先选择山间不发育的荒沟、支毛沟，沟底平缓、沟道比降小、汇水面积小、沟道无明显冲刷痕迹、下游无居民点或重要基础设施的沟道。同时，所选沟道应充分考虑施工运距及交通便利性等限制因素。对于该类型弃渣场应同时考虑拦挡及排洪措施，根据渣场的弃渣量、堆渣高度及渣场失事后对主体工程或环境的危害程度确定弃渣场等级，进而确定拦挡及排洪措施等级，同时也可根据现场实际情况提高相应防护措施等级。

沟道型弃渣场应采用自下而上分层弃渣，单层弃渣厚度不得超过5 m，严禁从上至下倾倒弃渣。堆渣过程中，每次弃渣完成后应及时平整，并形成倾向内侧的反坡，以防止雨水冲刷。弃渣场下部应堆放抗剪强度高、透水性好的石方弃渣。抗剪强度低、透水性差的石方弃渣或土方弃渣堆放在上部。

2.2.4 弃渣场优缺点比较

弃渣场设计时，可以根据弃渣场区域的地形地貌、地质水文条件及弃渣量选择合理的弃渣场类型，各弃渣场类型的优缺点比较如表1所示。

观察组21名实习生中，对教学模式认同13名、基本认同7名、不认同1名，认同度为95.24%（20/21）；对照组21名实习生中，对教学模式认同7名、基本认同8名、不认同6名，认同度为71.43%（15/21）。相较于对照组，观察组实习生对教学模式的认同度更高，两组比较，差异具有统计学意义（χ2=5.33，P＜0.05）。

根据相关技术规范规定的弃土(渣)场选址原则，结合项目区实际环境特征，优先选用废弃坑塘、低缓坡地及山间不发育支毛沟作为弃渣场选址位置，共设置弃渣场49处，其中凹地弃渣场5处、坡地弃渣场4处、沟道弃渣场40处。

3 弃渣场防护措施设计

项目区水土保持措施总体布局指导思想为：以工程措施为主，植物措施为辅，工程措施和植物措施有机结合，临时性措施保证及时跟进，点、线、面水土流失治理相结合。充分发挥工程措施控制性和时效性，保证在短时期内遏制或减少水土流失，再利用植物措施和土地整治措施蓄水保土，保护新生地表，达到有效防治水土流失、绿化美化周边环境的目的。

表1 各类型弃渣场优缺点比较

3.1 水土保持工程措施

该项目的水土保持工程措施主要有：拦挡工程、排洪与截排水工程、沉砂消能池、碎石盲沟、挡墙铺砌、土地平整工程等。

3.1.1 拦挡工程设计

拦挡工程包括挡渣墙、拦渣坝、拦渣堤、围渣堰等。挡渣墙适用范围最广，坡地型、沟道型、临河型、平地型等各类型渣场都适用，铁路工程弃渣场的拦挡工程设计多采用挡渣墙。设计中拦挡工程轴线的选择，应避开滑坡体、崩塌体、断裂带等不良地质体；同时，拦渣工程原则上只起拦挡作用，不受渣体作用力。

该工程弃渣场遵循“先拦后弃”的原则，堆渣前根据需要修筑挡墙。考虑后期覆土要求，挡墙顶部高程宜高出堆渣起坡点1.0 m，弃渣场堆渣坡比按1:3设计，堆渣时分层碾压密实，后期覆土。弃渣场下部采取混凝土挡墙进行挡护，挡墙胸坡1 : 0.25，背坡1 : 0.25。挡墙基础埋置于冻结深度以下不小于0.25 m。沿墙长每10 ～ 20 m设1道伸缩缝，缝宽0.02 m，缝内沿内、外、顶3边填塞沥青麻筋，塞入深度不小于0.2 m。墙身露出地面部分，沿墙长、墙高每隔2 ～ 3 m，上、下、左、右交错设置泄水孔。

3.1.2 排洪与截排水工程设计

不同类型弃渣场排洪设计标准根据渣场级别确定，对于坡面、渣场自身排水，其标准按3 ～ 5年10 min短历时暴雨设计。当弃渣场数量较多时，同一级别弃渣场的排洪标准应当根据汇水面积及下游保护对象的重要性确定，不宜采用同一设计标准。

该工程渣场边缘设置M10浆砌片石边缘水沟以截排渣场外地表水。渣顶需与原自然沟沟底顺接，确保沟内流水能够通过渣顶水沟及边沟排出，保证排水通畅，并对连接处自然沟沟底采用M10浆砌片石铺砌，铺砌厚度50 cm，宽度5 m。截排水沟出口应延伸至挡渣墙下端，并配套消能沉砂池措施，防止水流冲蚀挡墙及下游土地。

（1）估算洪峰流量。根据《水土保持工程设计规范》，截排水设计流量计算采用5年一遇10 min短历时设计暴雨，计算公式为

式中：QB为设计最大洪峰流量，m3/s；q为设计重现期和降雨历时内的平均降雨强度，mm/min(通过查阅标准降雨强度等值线图和有关转换系数，确定q值为2.1 mm/ min)；F为截水沟上游集水面积，km2；φ为径流系数，本次取0.6。

（2）截排水沟断面尺寸确定。根据设计最大洪峰流量，按下式对截水沟断面尺寸进行试算，即

式中：Q为设计降水的坡面最大径流量，m3/s；A为截水沟断面面积，m2；C为谢才系数；R为水力半径，m；i为截水沟比降。

截(排)水沟用浆砌石浆砌筑，每隔10 ～ 15 m设置1道宽约2 cm的伸缩缝，截水沟采用浆砌片石衬砌，衬砌厚度35 cm，浆砌片石底部砂垫层15 cm，断面型式为梯形断面，边坡系数m为1 : 1，糙率n为0.025，底坡i为0.02。经计算确定截(排)水沟断面尺寸，保证渣场截(排)水沟断面能够满足过水需求，即Q＞QB。

3.1.3 沉砂消能池

根据《水土保持工程设计规范》，截(排)水沟出口处地面起伏较大，为与原排水系统连接并防止水流冲刷下游，需设置消能设施。设计采取在截(排)水沟与天然排水系统衔接处设置沉砂消能池。沉砂消能池的宽度宜为相连排水沟宽度的2倍，长度宜为池体宽度的2倍。

3.1.4 碎石盲沟

弃渣场底部沿沟底设置碎石盲沟，以引排渗入弃渣场内的地下水。挡墙与盲沟相接处，预留2根PVC透水管，保证盲沟水顺利排出。

3.1.5 挡墙铺砌

为防止水流冲刷挡墙，在挡墙墙顶与渣体连接处铺设4 m宽、50 cm厚的M10浆砌片石铺砌，在挡渣墙墙底与地表面连接铺砌2 m宽、50 cm厚的M10浆砌片石。

3.1.6 土地平整工程

弃渣前先对表土进行剥离，弃渣堆置完成后进行土地平整，回覆表土，适当夯实。占地类型为耕地的，后期进行复耕。

3.2 水土保持植物措施

根据该项目区气候条件、地形地貌、土壤类型及地方水土保持经验等，弃渣场进行植被恢复应尽量恢复原貌，优先选择乡土树种和已经适应本地环境的引进种。

弃渣结束后，对弃渣场顶部和坡面种植灌木树种，行间撒播混合草种。灌木树种以紫穗槐为主，株行距1.0×1.0 m，每穴2株；草种选用紫花苜蓿、草木樨、黑麦草等，撒播密度60 kg/hm2。栽植后及时浇透水1次，以确保苗木成活。栽植前两年需要加强抚育管理，定期进行施肥、防治病虫害等管养工作，以利于苗木生长。

3.3 水土保持临时措施

弃渣场前期剥离的表土存放在渣场用地范围之内，外侧边坡采取编织袋挡护坡脚的临时防护措施，堆置高度不高于4 m，堆置边坡比控制在1 : 1.5 ～ 1 : 2.0，临时挡土墙断面型式为高×顶宽×底宽= 1.0 m×0.5 m×1.5 m的梯形断面，堆砌时采用编织袋装表土，拦挡过程应相互咬合、搭接，搭接长度不小于编织袋长度的1/3。堆土表层拍实、撒水，由于表土堆放时间较长，堆放期间裸露面覆盖密目网，四周设置临时土质排水沟及简易沉砂池。

4 结束语

弃渣场是铁路建设中对生态环境影响较大的附属工程，对于穿越山区的铁路项目，弃渣场的数量多、分布广，弃渣活动较为频繁，单个弃渣场的弃渣量较大，如果弃渣场选址及防护措施不到位将会造成比较严重的水土流失[5]。通过严格执行弃渣场选址原则，落实弃渣场的水土保持防护措施设计，可以最大程度降低弃渣场的生态环境风险。根据所在区域自然环境特征和铁路工程的实际情况，将该铁路工程弃渣场分为凹地型、沟道型、坡地型3种类型，并优先推荐凹地型弃渣场。根据不同弃渣场类型，采取有针对性的工程措施、植物措施、临时措施，因地制宜、因害设防，统一规划，科学实施，合理控制扰动范围，有效防止弃渣场使用过程中发生的水土流失，减轻对周边生态环境的影响。