铁路工程水土保持防护措施设计

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1工程概况

山区铁路工程因地形地质、生态环境条件限制，桥隧比例较高，建设开挖过程将产生大量弃渣，除少部分作为道路垫层、混凝土骨料等用于工程外，废弃的渣料多设置专门的堆放场地等。若弃渣处置不当可能引起大气污染、水污染，甚至滑坡、泥石流等地质灾害的发生。为了降低弃渣对当地环境的污染，并防止水土流失，确保弃渣场及其下游的安全，对弃渣场进行安全防护和水土保持措施设计显得尤为重要[1-3]。门坎山弃渣场位于CZ铁路工程DK207+000线路左侧某沟谷处，为沟道型弃渣场，主要堆存工程隧道开挖弃渣料，设计堆渣容量约220.0万m3（松方），最大堆渣高度约96m，最大堆渣长度约654m，最大堆渣宽度约287m，规划占地面积约9.067hm2。弃渣场顶部高程1636.0m，分别在高程1566.0m、1586.0m、1606.0m、1621.0m处设置宽度为4.0m的马道。由于本工程弃渣量大，弃渣场所在沟道沟谷深、容量大，意味着沟道汇水量大，防洪及排导工程量大，水土保持措施较复杂。对于沟道型弃渣场，其工程防护措施包括拦挡措施、边坡防护措施和系统的防洪排导工程措施[4]。依据水土保持工程相关规范[4-5]，结合弃渣场堆渣量、最大堆渣高度和渣场失事对主体工程或环境造成的危害程度，综合分析确定门坎山弃渣场等级为3级。弃渣场平面布置见图1所示。

2自然条件

2.1地质条件弃渣场所在地区属中山地貌，地面海拔高程1540m～1630m，最大高差90m，地形起伏大。渣场可由乡村道路到达，交通条件较好。渣场两侧地势陡峻，地表植被茂密，主要以乔木为主，少量灌木。渣场区上覆第四系全新统坡洪积（Q4dl+pl）粉质黏土、坡残积（Q4dl+el）粉质黏土，下伏基岩三叠系上统须家河组（T3x）泥岩、砂质泥岩夹页岩。渣场区地层单一，无明显构造痕迹。渣场区地震动峰值加速度值为0.2g，地震动反应谱特征周期为0.40s。工程场地的地震基本烈度为Ⅷ度。地表水主要为沟水，靠大气降水及上游补给，向下游及地下排泄。地下水主要为松散堆积体孔隙水、基岩裂隙水。漂石层中富含地下水，测区范围内地下水主要受大气降水和地表水补给，与地表水联系密切，雨季水量较丰富。地下水较发育，水位随季节变化。渣场区无不良地质及特殊岩土。

2.2水文条件弃渣场的行政区划属于四川省雅安市天全县境内，位于四川盆地西部边缘地区，弃渣场汇流面积较小（5.682km2），可划归为小流域范畴，按照《铁路工程水文勘测设计规范》（TB10017-99）要求进行流量计算，根据《桥渡水文》查不同重现期系数计算各频率流量，最后根据计算流量及现场实测水文断面反算水位。设计洪水成果见表1所示。

3工程防护标准及等级

根据水土保持工程相关规范，综合分析确定门坎山弃渣场等级为3级，拦渣堤、拦渣坝为3级建筑物，挡渣墙为4级建筑物，排洪工程为3级建筑物。根据建筑物级别，确定拦渣堤（坝）和排洪工程的防洪标准采用50年洪水重现期（取上限）设计，采用100年洪水重现期（取上限）校核。

4弃渣场防护措施

依据“先挡后弃”原则，弃渣场在堆渣前需在渣脚设挡渣墙，控制堆渣坡度分层堆渣，堆渣结束后在渣体与边坡交汇处设置截水沟，汇集山体坡面来水，并在各级马道内侧设置横向排水沟，与周边截水沟相接，将山体及渣体坡面来水共同排至下游。本工程弃渣场位于沟道中部，沟道断面被渣体拦断，阻挡上游洪水，除了上述常规防护措施外，需考虑上游沟道洪水的影响，通过利用挡水坝将区间洪水引至排水明渠中，利用排水明渠及下游消能建筑物将其排至下游沟道。

4.1挡渣措施为防止堆渣过程中产生的滚石滚出设计堆渣范围，造成水土流失从而影响下游沟道，沿渣体坡脚线设置混凝土挡渣墙进行拦挡。挡渣墙为重力式，顶部高程1546.0m，顶宽2.5m，面坡1:0.05，背坡1:0.4，墙后采用回填石渣夯实，挡渣墙总高度7.0m（基础埋深约2.0m）。为防止因地基不均匀沉陷及温度变化引起墙体裂缝，沿挡墙纵轴线方向每隔10m设一变形缝，缝宽20mm，缝内沿内、外、顶三侧填塞沥青木板，嵌入深度不小于0.2m。在挡渣墙墙体中设置两排排水孔，排水孔比降5%，沿水平方向间距2.0m、竖直方向间距1.0m，梅花型布置，孔内预埋A100mm的PVC管材，墙背孔口设排水反滤包。挡墙基础置于漂石土层，基础承载力约0.25MPa，应对开挖后挡墙基础进行压实处理，处理后的挡墙基础承载力应不小于0.3MPa。

4.2截排水措施为避免施工期暴雨降水形成的山坡地表水对弃渣体的冲刷，在弃渣场周边及各平台马道设置截排水沟，截水沟防御暴雨标准采用10年一遇24h最大降雨量。在弃渣场左侧设置M10浆砌石截水沟，截排渣场左侧山体坡面来水，净尺寸0.8m×0.5m（宽×高），梯形断面，边坡坡比1:1；在弃渣场边坡各级马道内侧设置M10浆砌石排水沟，将渣体表面积水引至截水沟中，净尺寸0.4m×0.5m（宽×高），矩形断面。在弃渣场右侧修建排水明渠截住右侧山体坡面来水，排导至下游沟道，排水明渠详见“沟水治理”章节。

4.3边坡防护措施弃渣场堆渣边坡坡比为1：1.8，分别在高程1566.0m、1586.0m、1606.0m、1621.0m设置4.0m宽马道，为保证渣场边坡稳定，采用C25混凝土框格梁进行护坡，框格梁间、排距2.0m×2.0m，梁断面为0.3m×0.3m。4.4沟水治理设计本工程为沟道型弃渣场，所在沟道中天然来流量较大，为确保弃渣场的安全运行，需进行沟水治理设计。沟水治理设施由沟道上游挡水坝、右岸排水明渠及其消能建筑物组成，通过挡水坝将上游沟水引导至排水明渠中，并通过明渠台阶消能将其排泄至下游沟道中。挡水坝、排水明渠为3级建筑物，设计洪水标准为50年一遇洪水重现期，相应流量为136.7m3/s，校核洪水标准为100年一遇洪水重现期，相应流量为153.10m3/s。

4.4.1挡水坝在弃渣场上游沟道内设置挡水坝，采用C25重力式混凝土结构，坝顶宽度1.5m，内侧边坡1:1.6，外侧边坡直立，挡水坝最大高度10.5m（基础埋深2.0m），在挡水坝中部布置6.5m高、6.0m宽的排水通道。挡水坝基础设置2排帷幕灌浆孔，孔深6.0m，排距1.0m，孔距1.5m。基础及侧向边坡均设置4.5m长的C25锚筋，间排距1.0m，梅花型布置。4.4.2排水明渠排水明渠沿着弃渣场右侧山体设置，渠道外侧边墙采用重力式，内侧边墙采用贴坡式，排水明渠全长843.32m，采用C25混凝土结构，起点与挡水坝平顺连接。其中，明渠缓坡段（0+000.00~0+496.66）平均纵坡0.41%，过流断面6m×5m~6m×4.5m（宽×高），明渠底板厚1.5m，在基础及边墙侧布置C25，L=4.5m，间排距2.0m的锚筋，入岩3.5m；明渠陡坡段（0+496.66~0+809.90）分四段，根据天然地面坡度设置，平均纵坡13%~50%，采用台阶式设置，台阶高度1.0m，在明渠底板及边墙基础布置C25，L=4.5m，间排距2.0m的锚筋，入岩3.5m，与出口消能设施衔接。明渠出口段（0+809.90~0+843.32）采用跌水消能，对明渠出口上下游一定范围采用C35混凝土护底，岸坡采用C25贴坡混凝土挡墙护岸，底板及边墙基础布置C25，L=9.0m，间排距1.0m的锚筋，入岩8.0m。

5弃渣场稳定性分析

5.1渣场边坡稳定性弃渣场抗滑稳定计算考虑正常运用工况和非常运用工况。正常运用工况为渣体填筑至顶部高程1636.00m，采用排水明渠将沟水引至下游；非常运用工况为弃渣场在运用工况下遭遇Ⅷ度（地震动峰值加速度为0.2g，地震动反应谱特征周期为0.40s）地震，本文采用拟静力法分析地震荷载的作用，且只考虑水平向地震惯性力，地震作用效应折减系数取0.25。弃渣场的稳定性计算利用Roc⁃scienceslide软件，采用极限平衡法中的简化毕肖普法进行分析，其考虑了土条侧面的作用力，不考虑条件的剪应力，并假定各土条底部滑动面上的抗滑安全系数相同，即等于整个滑动面的平均安全系数。门坎山弃渣场典型断面稳定计算成果见图2、图3所示。由图可知，弃渣场在正常运用工况和非常运用工况下，渣体边坡抗滑稳定安全系数分别为1.26和1.12，大于规范要求的稳定安全系数允许值，即认为本弃渣场边坡处于稳定状态。

5.2挡墙稳定性本文采用理正岩土软件，在正常运用工况和非常运用（地震）工况下，对挡渣墙进行稳定性分析。计算结果表明，在正常运用工况和非常运用（地震）工况下，挡渣墙的抗滑、抗倾覆稳定安全系数及地基允许应力均满足规范要求，设计是合理的。

6结论

铁路工程建设过程中将产生大量弃渣，为了有效控制水土流失，降低堆渣对周围环境的影响，堆存过程中需对弃渣场进行水土保持防护措施设计。本文以CZ铁路工程门坎山沟道型弃渣场为例，进行水土保持措施防护设计。本文所述沟道型渣场在堆渣过程中依据“先挡后弃、排导结合”的原则，在坡脚设置挡渣墙拦挡弃渣，弃渣体及两岸山体表面来水通过截排水沟汇至下游。利用挡水坝、右岸排水明渠泄流及台阶跌水消能的方式进行沟水治理，顺利将上游沟道洪水排泄至下游。最终堆渣完成后，弃渣场下游坡面采用混凝土框格梁进行防护。通过对弃渣场及挡渣墙的稳定性分析，验证了所选弃渣场边坡坡比、台阶高度、框格梁护坡方式和混凝土挡渣墙防护是安全合理的。因此，沟道型弃渣场系统性的水土保持措施，可为同类型工程设计提供借鉴与参考。

参考文献

[1]陈永,黄英豪.山区铁路弃渣防护技术及资源化利用现状[J].再生资源与循环经济,2020,13(12):26-31.

[2]陈柯霖,卿伟宸,朱勇.浅论环保新形势下艰险山区弃渣场系统设计[J].高速铁路技术,2020,11(05):87-91.

[3]王冠琪.铁路工程沟道弃渣场选址及工程措施布设分析[J].四川建筑,2015,35(04):133-135.

[4]GB51018-2014,水土保持工程设计规范[S].[5]SL575-2012,水利水电工程水土保持技术规范[S].

作者:吴莹 胡志鹏 周顺文 单位:中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司