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摘 要：山区高速公路的弃渣场设计是公路工程的重要一环，弃渣场的选址是弃渣场设计的基础。以往的弃渣场设计常常是在线外选取荒沟、荒地等地，弃渣后进行简易的支挡及排水。这种粗放型弃渣方式后期暴露了很多的问题，已不适应新形势下的公路建设需求。随着环境保护、水土流失等治理力度的加大，公路弃渣设计的思路也得到拓展。结合工程经验并借鉴其他行业的弃渣方式，提出了用于拓展公路弃渣的思路及设计方法，以适应新形势下公路建设发展的要求。
关键词：弃渣场;选址;设计;
随着我国基础设施的不断建设，发展与环境之间的矛盾日益突出。随着我国对环境保护、水土保持重视力度的增大，已建及在建的很多高速公路的弃渣场治理及设计亦面对着越来越多的问题及挑战。这些问题贯穿于设计的前期勘测阶段、内业设计阶段以及后续服务等各个阶段。公路建设不可避免地会产生大量废渣，然而这些废渣的可适用堆置场地却越来越少。西南山区具有土地资源宝贵、水环境敏感、地形及地质条件复杂等特点。河沟的坡度较大、林地多、常流水，而一般较平缓的地方，却常是基本农田、经济林地、河流漫滩、宅基地或养殖场等，可适于弃渣的地方较少。随之产生的问题就是在设计阶段，设计人员不得不进行远距离弃渣、高位弃渣、强支挡强防护弃渣设计；到了施工阶段，由于工期及建设成本的制约，常乱弃乱堆，占用生态红线、威胁河道、威胁下游民居或重要的建筑物等，严重时或会引起次生地质灾害。
这些问题主要原因为弃渣场设置不合规及不合理。不合规主要指弃渣设计不符合我国环境保护、水土保持等相关标准规范的要求，这类规范一般都是硬性的、强制性的要求，弃渣场设置必须满足这些规范。不合理主要表现在弃渣场设置的技术、指标等方面，这些要求一般是柔性的，只有好坏程度之分，没有正确与错误之分。
弃渣场相关的设计规范很多，有些为行业规范，有些为国家标准。公路交通行业目前并无有关弃渣场的专门设计规范，但电力、水利、冶金等部门均有行业内相关或专门的设计规范。冶金部门虽然有专门针对排土场(弃渣场)的设计规范且为国家标准，但其中相关排土场的规定更多是适宜于采矿行业，因此在公路弃渣场设计时应以《水土保持工程设计规范》(GB 51018-2014)、《开发建设项目水土保持技术规范》(GB 50433-2008)、《公路环境保护设计规范》(JTG B04-2010)及公路行业内相关的要求为准。当相关设计技术指标没有时，方可以其他规范为辅进行相关设计。
一个好的弃渣场选址其重要性从某种程度上来说远大于内业设计的重要性。弃渣场的选址主要要考虑安全稳定、节约工程投资、减少环境破坏等因素，并降低对周边人民的生活、生产的影响。
山区公路弃渣场首先应在便于路基土石方纵向调配的前提下进行地址选择，按经济运距控制弃土运输距离，从工程总体设计角度优先考虑就近取土、临近弃土的方案，减少运量、运距过大的情况，同时避免大运距造成的便道整修或其他防护工程量的增加。
结合水土保持类规范、弃渣场设计类规范、环境保护类规范以及实际生产中的相关经验总结，弃渣场选择应遵循以下原则。
(1)在初拟的弃渣场方向范围内尽量选择在肚大口小或碗口状地形、荒地、支毛沟等位置，避免占用基本农田、规划用地。
(2)要对所选位置处的地质条件、水文条件、环境敏感点等进行调查。选择在地基稳定、山间汇水面积相对比较小的小沟谷；涉及河道时，应符合治导规划及防洪行洪规定，不能对行洪汇水有影响。所选位置应避开滑坡、泥石流、崩塌等地质灾害体，若无法避让，则必须在有效治理的前提下方可使用。弃渣场不得影响周边公共设施、工业企业、居民点等的安全。禁止在对重要基础设施、人民群众生命财产安全有重大影响的地方设置弃渣场。宜避开旅游景区、水库、矿脉、文物、国防设施、动植物保护基地等对环境敏感的地点。
(3)除以上各影响因素外，还应在取得当地政府各部门，尤其是水利、环保等部门对弃渣场设置的书面意见后，方可最终确定弃渣场选址。
近年来，在公路工程建设过程中，涉及弃渣场的工作无一不受到上述因素的制约，甚至制约了设计文件的交付，不仅影响施工的进度，还造成建设成本的大增。
正如引言中所述，西南山区的公路建设中实际可批复适用的弃渣场位置越来越少，这就要求设计在新形势下，紧跟时代步伐、转变观念、拓展弃渣选址思路。结合以往成功的工程案例，可考虑采用结合规划和发展用地型弃渣场、顺河型弃渣场、斜坡型弃渣场、长沟型弃渣场、桥下弃渣场、桥改路基、帮宽路基、河道整治弃渣、沟内淤地坝型弃渣场等新型弃渣方式。
在前期设计外业阶段就要调查附近城镇、村落等的规划和发展用地需求，将弃渣变废为宝，用于当地规划和发展用地的建设。如巴万高速的广衲镇，城镇面积狭小，地形崎岖不平。了解到政府的规划有平整场地、扩展养老院及其他工程用地的想法后，建设单位立即与政府达成了一致意见，签订了弃渣协议，后期顺利完成弃渣，造福了当地发展，见图1。
图1 结合规划和发展用地型弃渣
图2为正习高速沙沟湾弃渣场，该弃渣原为某镇国道旁一荒沟，当地居民将生活垃圾常随意堆置于此。建设单位积极与当地政府部门沟通后达成一致，将此地作为弃渣场使用，后期欲在此设置一文化广场，同时生活垃圾将得到集中处置，解决了环境污染问题。
如图3所示为正习高速某匝道顺河型弃渣场的典型案例。该类弃渣场适用于河谷两侧山体高大陡峻无其他更好弃渣位置时使用。该类弃渣场在设计时要做好充分的水文、地质、安全稳定等勘测或评定。
图2 结合规划和发展用地型弃渣
图3 顺河型弃渣场
如图4所示为巴万高速斜坡型弃渣场。区域环境内河谷唯一、山体高大且交通不便，山体下部局部地段位置相对比较宽缓，在做好充分的水文、地质、安全稳定等勘测或评定后也可作为弃渣场使用。
图4 斜坡型弃渣场
如图5所示，该处路线以桥梁方式跨越，但桥梁前后均为隧道，交通闭塞。沟谷呈深切V型，主沟长度约9.48 km, 坡降大。但两侧出露岩性较好，覆盖层薄。经各方专家讨论比选，最终确定在长沟中某段进行弃渣。
图5 长沟型弃渣场
高速公路设计中，桥梁下方本是公路红线征地范围，梁体下方土地或空间往往并不能得到很好的利用而长期空置。桥梁设计人员又常保守地认为在梁体下方弃渣会对桩柱造成影响而不同意弃渣。对于“一刀切”的惯性思维，应该具体问题具体分析。实际上很多桥梁下方地形地质条件优良，在相关施工工艺改进、保护到位、计算安全稳定的基础上完全可进行弃渣。如图6所示，可先弃渣压实一段时间后再施工桥梁下部结构，在对桥梁墩柱采取套筒保护等措施后完全可以进行弃渣场设置。
图6 桥下弃渣场
施工期桥梁段改为路基段在当前建设模式中比较常见，造成方案变动有节约成本的考虑，也有安全稳定性的考虑。如图7为绵九高速一个桥改路工点。在隧道接桥梁段，当隧道大量弃渣找不到合适弃渣场时，可将桥梁改作路堤。一方面减少了运距，消化了弃渣，另一方面节约了工期。前提是需做好专项安全稳定性评估。另外，在桥梁段若存在诸如滑坡等地质灾害时，根据灾害类型特点等也可将桥梁改成路基，通过弃渣对灾害体进行反压处置。
图7 桥改路型弃渣场
该类弃渣场可以考虑在互通匝道环形区、三角区或宽阔沟谷敞口地段应用，也可结合改路等进行弃渣，并根据弃渣量的大小、地形地质、改建条件等考虑帮宽的范围，如图8所示。
图8 帮宽型弃渣场
山区河道有时绵延曲折，不断冲刷已有山体及弃渣场，极容易造成滑坡等灾害。在这类地形中，可结合截弯取直、拓宽反压回头段等措施进行弃渣，如图9所示。
图9 河道整治型弃渣场
弃渣场位置选定后，其设计的主要流程步骤如图10所示。
图10 弃渣场设计流程
弃渣场位置选定后要对其场地地形进行测量并绘制1∶1 000或1∶500地形图。获取准确的地形图是整个弃渣场设计的基础。在此基础上进行相关的地质调绘并布置相关的勘探点，根据勘探结果绘制相关的地质剖面图。地质剖面线一般以弃土后可能的滑动主轴为主，根据弃渣场级别高低、场地的复杂程度布置一条或多条辅助剖面。各剖面线间距一般为30～50 m, 以便对弃土稳定性进行预判。拦挡工程的位置需单独布置并绘制横向剖面图，以便对拦挡结构形式、尺寸、埋深等进行详细设计。
弃渣场按照地形条件、与河(沟)道相对位置、洪水处理方式，可分为沟道型、临河型、坡地型、平地型、库区型等5种类型。根据弃渣场的类型特点在坡脚位置可选用拦渣堤、拦渣坝或拦渣墙等建筑物进行支挡。弃渣场的级别一般根据3个因素分为5个级别。3个因素分别为堆渣量、堆渣高度及渣场失事对主体工程或环境造成的危害程度。具体分类可参考《水土保持工程设计规范》(GB 51018-2014)表5.7.1。但是在《冶金矿山排土场设计规范》(GB 51119-2015)中，对其级别的划分是根据3个因素分为4个级别。3个因素分别为场地条件、堆置高度和排土容积。两本规范均为国家标准，在级别划分时是有所区别和侧重的，在公路行业中采用前者进行划分即可。
弃渣场级别以及拦挡建筑物类别判定后，则需要对其相应的抗滑安全系数、拦挡建筑物级别及排洪级别进行判定。弃渣场抗滑安全系数主要与弃渣场稳定性计算方法、计算工况及弃渣场级别有关。
当采用简化毕肖普法、摩根斯顿-普赖斯法计算时，抗滑稳定安全系数不应小于表1中所列数值。
表1 弃渣场抗滑稳定安全系数
应用情况
各级别弃渣场的抗滑稳定安全系数
4、5
正常应用
1.35
1.30
1.25
1.20
非常应用
1.15
1.15
1.10
1.15
当采用瑞典圆弧法、改良圆弧法计算时，抗滑稳定安全系数不应小于表2中所列数值。
表2 弃渣场抗滑稳定安全系数
应用情况
各级别弃渣场的抗滑稳定安全系数
4、5
正常应用
1.25
1.20
1.20
1.15
非常应用
1.10
1.10
1.05
1.05
拦挡建筑物级别主要与弃渣场级别、拦挡建筑物的类型有关。实际使用时可采用表3进行判定。
表3 弃渣场拦挡建筑物级别
弃渣场级别
拦挡工程级别
排洪工程级别
拦渣堤工程
拦渣坝工程
拦渣墙工程
由表3可以看出，弃渣场的排洪级别等级与弃渣场级别是一致的。表3奠定了在弃渣场设计时支挡及排水工程安全富余程度的级别，对整个弃渣场的建设成本有着很大的影响，因此在设计时必须细致判定。拦挡工程的级别确定后若采用拦渣墙进行支挡，则拦渣墙需满足抗滑移稳定及抗倾覆稳定的要求，同时地基承载力应该满足设计要求。需要注意的是，同一级别的拦渣墙在不同的地基类型及计算工况下安全系数取值是不一致的，具体要求可参照《水土保持工程设计规范》(GB 51018-2014)5.7.5节相关表格及条款说明。
以往的公路弃渣场基本都为圬工结构的拦渣墙甚至抗滑桩等，这种拦挡结构在新弃渣形式和条件下，有的并不一定经济或者适宜。因此在以后设计中可考虑采用碾压土石坝、淤地坝、谷坊、铅丝笼坝、溢流坝等新颖结构解决山高谷深、沟内常流水或施工困难等条件下的弃渣难题。如图11～图13所示，这些拦挡结构在公路建设中应用很少，但在采矿、冶金等行业应用较多，且效果很好。
图11 碾压土石坝拦挡
图12 谷坊拦挡
图13 铅丝笼拦渣坝
弃渣场的防洪标准主要是针对拦挡工程而言，排水标准主要是针对截排水措施而言。
对于防洪标准主要应根据建筑物级别按照表4进行选取。
拦挡堤(围渣堰)、拦挡坝不仅要满足设计、校核防洪标准的要求，拦渣堤防洪标准还应该满足河道管理及防洪要求。当拦挡工程失效后对周边或下游建筑物可能造成重大危害时，2级以下拦渣堤、拦渣坝、排洪工程的设计防洪标准可按表4提高一级。
对于弃渣场排水标准，当排水设施为永久性工程时排水标准采用3年一遇～5年一遇的5 min～10 min短历时暴雨。
表4 弃渣场拦挡工程防洪标准
拦渣堤(坝)工程级别
排洪工程级别
防洪的标准(重现期)/年
山区、丘陵区
平原区、滨海区
设计
校核
设计
校核
100
200
50
100
100～50
200～100
50～30
100～50
50～30
100～50
30～20
50～30
30～20
50～30
20～10
30～20
20～10
30～20
10
20
根据排水标准进行降雨强度、径流量计算，并对排水设施的流量及流速进行校核。
降雨强度qp,t可根据标准降雨强度等值线图和有关转化系数按照下式进行计算。
qp,t=cpctq5,10
式中：q5,10为5年重现期和10 min降雨历时的标准降雨强度(mm/min);cp为重现期的转化系数，为设计降雨重现期降雨强度qp与标准重现期降雨强度q5的比值；ct为降雨历时的转化系数。
根据上式可计算得到一定重现期值的降雨强度。
设计径流量Q可按照下式进行计算确定。
Q=16.5ψqp,tF
式中：Q为设计径流量(m3/s);qp,t为设计重现期p、降雨历时t内的平均降雨强度(mm/min);ψ为径流系数；F为汇水面积。
根据上式可计算得到一定重现期值的水流径流量值。
排水设施采用暗沟和管时，其最小允许流速为0.75 m/s。管的最大允许流速为：金属管取10 m/s; 非金属管取5 m/s。
排水设施采用明沟形式时，明沟的最小允许流速为0.4 m/s, 明沟的最大允许流速(表5)可根据沟壁材料和水深修正系数(表6)确定。
贵州某高速公路施工时，由于地处山区，造成大量弃渣无处堆放。施工单位为了赶工期在某山坡山腰较缓地段设置了弃渣场。弃渣前原始总体地貌如图14所示。
表5 明沟的最大允许流速
明沟类别
亚砂土
亚黏土
干砌片石
浆砌片石
黏土
草皮护面
水泥混凝土
允许最大流速/(m/s)
0.8
1.0
2.0
3.0
1.2
1.6
4.0
表6 最大允许流速的水深修正系数
水深h/m
h≤0.4
0.4<h≤1
1<h≤2
h>2
修正系数
0.85
1.00
1.25
1.40
图14 弃渣场原始地形地貌
场地缓坡地带上下均有一小型冲沟贯穿。地貌单元属于构造剥蚀低山丘陵地貌，地形总体呈上陡下缓之势(东高西低),坡度为10°～20°。上覆土层主要为第四系全新统残坡积的含角砾黏土，硬塑状，角砾含量约20%;下伏基岩以三叠系的砂泥岩为主，强～中风化，揭露岩体总体较完整。该地地质构造简单，区域稳定性较好。下游冲沟流程较短，汇水面积小，流量小，地下水主要以松散层孔隙水及基岩裂隙水为主，地下水相对贫乏。
施工单位弃土后的照片如图15所示。弃土完成后，在经历几场大雨后，弃渣场上游沉陷开裂明显，弃渣场坡脚鼓胀，且出水量较大，如图16所示。
为防止事态进一步发展，施工单位紧急报告相关单位，建设单位立即组织相关专家对现场进行了踏勘并提出了临时应急措施，同时开展了勘测设计准备工作。
图15 弃渣场弃土后照片
图16 弃土完成后坡脚照片
通过对弃渣场进行勘测表明，弃渣场主要依附于基底浅层软土滑面进行滑动，设计可采用堆填土滑坡的处理思路进行治理，并遵循水土保持相关规范的要求。最终采用的治理方案主要为坡面卸载整形+坡脚支挡+坡面防护+坡体截排水的综合治理措施。
治理前需对弃渣场进行分类并分级。从所处地形看弃渣场属于沟道型，根据堆渣量、堆渣高度及渣场失事对主体工程或环境造成的危害程度，确定该弃渣场属于2级弃渣场，拦挡工程建筑物级别为3级。对应的弃渣场抗滑稳定安全系数在正常工况和非正常工况下分别取1.3和1.15。经过反算结合室内试验，潜在滑带土的天然抗剪黏聚力取18 kPa, 内摩擦角取平均值为12°;其饱和抗剪黏聚力取16.2 kPa, 内摩擦角取平均值为10.8°。
拦挡结构基底抗滑稳定安全系数在两种工况下分别取1.3和1.1,抗倾覆稳定安全系数分别取1.5和1.4。弃渣场若按照渣场级别取防洪标准值，则偏于保守且不符合实际情况，故取值可按照排水标准，即设计降雨重现期取15年。弃渣场汇水面积为0.49 km2,弃渣场周界处排洪沟的纵比降为0.11。
对弃渣场主滑断面进行分析计算后，在工况1状态下稳定性系数为1.267,在工况2状态下稳定性系数为1.098。工况1和工况2均不满足相关规范对安全稳定性系数的要求。治理后对支挡建筑物的稳定安全系数及排水设施能力均进行了复核验算，拦渣墙的设计大样图如图17所示。
图17 弃渣场拦渣墙大样
对滑动及抗倾覆稳定安全系数进行计算，结果如表7所示。
表7 弃渣场拦渣墙稳定安全系数
应用情况
规范值
计算值
是否满足规范
拦渣墙基底抗滑稳定安全系数
拦渣墙抗倾覆稳定安全系数
拦渣墙基底抗滑稳定安全系数
拦渣墙抗倾覆稳定安全系数
正常应用
1.3
1.5
1.4
2.1
满足
非常应用
1.1
1.4
1.2
1.8
满足
经计算，水流从坡面到排水沟出口整个过程历时为20.3 min, 降雨强度计算值为2.07 mm/min, 设计径流量计算值为2.8 m3/s, 排水沟流速为2.8 m/s, 校核结果均满足规范要求。排水设施尺寸如图18所示。
图1 8 截排水沟
弃渣场经过治理后的典型断面如图19所示。从治理到现在已近3年时间，该弃渣场到目前一直处于稳定状态，并与周围环境融为一体。
图19 治理后典型横断面
山区高速公路弃渣场的选址受到很多的因素影响，一个好的弃渣场选址在环保、安全、经济、工期等方面均具有很大的优势。若弃渣场选址不好，那么设计难度和成本可能会大幅增加，有时甚至因难以治理而只能弃用，造成巨大的浪费和不良影响。选址是设计的基础，好的选址能更好地满足和运用相关规范指标，更大程度地减少建设成本，更易于融入当地环境，对设计起到事半功倍的效果。
[1] 姜吉湘，等.山区公路弃渣场选址及其设计方式分析[J].工程建设与探讨，2018,(11):146.