公路棄土場排水系統設計方案研究及具體案例分析

李金萍

（晉江市路橋建設開發有限公司，福建 晉江362200）

0 引言

公路排水系統包括為排除地表徑流及地下滲流而設置的排水構造設施。排除地面徑流的排水設施除跨越地表河溝的橋涵外，還有排除坡面、路面徑流的截水溝、邊溝、排水溝、急流槽、集水井、消力池、沉砂池等；排除地下滲流的排水設施除排除山體或土體內部地下水的盲溝、滲井外，還有路面排水墊層、排水砂樁、排水平孔及各種防排水材料等。由于公路邊坡排水系統構造相對簡單、工程造價較少，普遍不受重視，目前對公路邊坡排水系統的研究也相對較少，對棄土場排水系統的研究更少，因而對棄土場排水系統進行深入研究。

1 公路排水系統設計的重要性

水對公路路基強度和穩定性有重要的影響。公路排水系統的設計除橋涵構造物應引起設計人員的重視外，其余類似截水溝、邊溝、盲溝、排水平孔等設施由于構造相對簡單、工程造價較少，往往被設計人員當作不重要的附屬工程來看待。同時由于除橋涵外的排水系統在設計階段不能直觀有效做出完善的系統設計，設計人員往往只是設計出通用圖或示意圖，并統計出大概的工程量，沒有針對排水系統進行詳細的設計。排水系統的具體位置和做法需要到施工時根據現場實際情況進行調整或變更增加排水設施。排水系統是否完善全部依靠施工單位的技術水平，而施工單位的技術水平良莠不齊，要么按圖施工、要么排水系統干脆不施工或不完善，造成公路工程完工后，排水設施沒有形成完整的系統，不能及時排除地面及地下水，造成坡面沖刷或受地下水影響邊坡失穩塌方或滑坡。

因此，在設計階段，對邊坡排水系統做出詳細的設計尤其重要，施工單位按圖施工、監理單位按圖監督、驗收部門按圖驗收，才能確保排水系統的實施更加完善，使公路的邊坡避免被地表水沖刷及被地下水影響其邊坡穩定性。

2 棄土場排水系統的特點

棄土場排水系統是公路排水系統的范疇，但棄土場排水系統屬于線外附屬工程，距離主線較遠，是相對獨立的工程，因而棄土場的排水系統具有獨立性。

棄土場屬于線外附屬工程，在設計階段往往只進行選址、提供簡易的做法通用圖，并沒有進行詳細的邊坡防護及排水系統設計。在施工階段，棄土過程一般缺少監督，施工單位亂堆亂棄現象嚴重。因而排水系統具有容易被忽視、缺失不完善的特點。

棄土場一般具備占地較大、堆渣高度高、填筑土類多、壓實度不足、填筑坡率較陡、坡面不修整、排水系統缺失或不完善等特點，因此經常由于匯水面積大、頂面不平整、積水下滲等，造成渣土內部地下水位高，而缺少排水系統，導致大量積水無法及時排出邊坡，引起邊坡變形，嚴重時會導致失穩滑坡。因此，棄土場的排水設施是棄土場的重要組成部分，完善的棄土場的排水系統設計是棄土場邊坡穩定安全、水土保持的關鍵。

3 棄土場排水系統設計要點

第一，在設計階段，棄土場的選址尤為重要，選址時應充分考慮其他場地的占地屬性、征地的可操作性、施工便道、土石方運距、棄土容量、排水系統、擋渣墻的長度和高度、造價、環保等眾多因素。第二，對地勘報告進行詳細的研讀，盡量詳盡摸清現場水文地質情況。第三，注重與邊坡設計及防護方案相結合。第四，應遵循“防、截、堵、排”的原則，完善地表及坡面排水系統。第五，截水溝、邊溝、排水溝的結構尺寸應能滿足及時排水的水力計算。第六，注重地表水和地下水的滲流引起的邊坡失穩，系統性地設計地下排水設施。第七，地上排水設施和地下排水設施應相互適宜。第八，對地形變化較大的截水溝、排水溝、急流槽應進行縱斷面設計，根據具體坡度較大的段落設置急流槽和消力坎或消力池，防止流速過大水溝被沖刷毀壞。第九，施工便道與坡面平臺及平臺排水溝相結合。第十，邊坡坡頂平緩地帶應將黏性土夯實整平，并設置排水橫坡，現狀邊坡土體裂縫采用黏土進行夯填封閉。第十一，充分考慮施工的可操作性及安全性。第十二，注重現場實地踏勘調查比對設計方案，對施工過程中可能出現的問題進行超前預判，減少將來設計變更。

4 某公路棄土場排水系統設計案例

“水害”是大部分地質災害的誘因，接下來對某公路棄土場的排水系統設計方案研究過程和具體做法展開詳細闡述，進一步論證公路棄土場排水系統的重要性、設計要點和技術措施。

4.1 工程概況

棄土場位于某公路東側約420m，對應線路主線施工里程為K22+250，棄土可從既有K22+820 通道接線進入棄土場。征地面積約為87.5 畝（約58333.33m），整個棄土場由2 個山谷夾1 個小山脊構成。為施工建設時的棄土場，該棄土場于2014 年10 月開工建設時開始容納棄土，至2017 年10 月建成通車后停止容納棄土，總堆渣量約90 萬m，堆渣高度47m。棄土場屬于線外附屬工程，施工圖對該棄土場并沒有進行排水系統的詳細設計，由于各種原因實際棄方量也遠超原設計棄土場容量。受2016 年9 月“莫蘭蒂”臺風的影響，棄土場大部分邊坡沖刷嚴重，造成水土流失，并影響棄土場邊坡穩定安全，邊坡穩定治理并預防水土流失工作顯得尤為重要，如圖1 所示。

圖1 現場施工實拍圖

4.2 設計思路

4.2.1 防護完整性原則

水土流失在現代邊坡治理中顯得尤為重要，遵循相關的水土方案，滿足水土保持專項驗收要求，盡量減少施工過程中引起的水土流失。

4.2.2 安全性原則

棄土場堆渣高度較高，局部坡度較陡，對下方的安全造成一定的威脅，對其采取局部頂部棄土清運、邊坡修整的方案，恢復既有2擋墻排水措施，確保邊坡安全穩定，消除滑坡、塌方等安全隱患。

4.2.3 可操作性原則

受交通條件、地形條件、堆渣條件等因素制約，部分點位治理難度大，需要因地制宜確定治理方案。

4.2.4 經濟性原則

在滿足項目投資的條件下，盡量優化水土保持方案，減少不必要的工程量，降低水土保持費用在整體工程的投資占比，實現良好的經濟效益。

4.3 綜合治理方案設計概況

棄土前在棄土場溝口下方設置1、2擋土墻共兩道。后期又新增棄方。堆土增加后導致部分棄土外溢至擋墻外側。

該次棄土場邊坡穩定及水土保持治理采用卸載和強化排水系統方案。既有1、2擋墻上方邊坡采用四級邊坡進行卸載；同時在坡體內設置仰斜式排水孔排除渣土內地下水，避免渣土堆內因為含水量高、降低土體物理力學指標，造成滑塌，邊坡坡率分別為：2級1∶3、1 級1∶2.5、1 級1∶2。每一級邊坡之間設置3m 寬的馬道，馬道及坡頂平臺設置30cm×30cm 的排水溝。邊坡中部設置一道急流槽，將坡頂平臺及邊坡流水引出棄土場外。在棄土場周邊設置截水溝、盲溝，及時將周邊山體匯水引出棄土場外，同時設計排水平孔將棄渣體內部的地下水引出至平臺邊溝，匯入排水溝或急流槽。邊坡治理、施工便道及排水系統相結合，形成一個完整的棄土場水土保持綜合治理方案。

該方案共卸載土方約6 萬m，坡體平整約2 萬m，棄方清運至北側墳墓區域，進行分層碾壓處理。施工圖設計主要內容為棄土場頂面及坡面平整、土方整治、平面弧形擋土墻、排水工程、綠化工程等水土保持措施及臨時施工便道。本文主要介紹排水系統設計，邊坡穩定分析。

4.4 排水系統設計

4.4.1 排水工程總體布置

棄土場的排水設施是棄土場的重要組成部分，完善排水系統設計是棄土場邊坡穩定安全、水土保持的關鍵。該案例棄土場的排水工程總體布置如圖2、圖3 所示，通過設置水溝體表排水、盲溝深層排水、PVC-U 排水管坡體排水等措施，構成棄土場完善的排水體系。

圖2 棄土場總體平面布局

圖3 棄土場治理效果

在棄土場四周設置截水溝，將山體雨水引流至既有水溝內。當縱坡≥10%時，截水溝設置成急流槽形式。既有2擋土墻上方邊坡中部設置3急流槽，將坡頂平臺及邊坡流水引出棄土場外。棄土場北側匯水面積較小，采用50cm×50cm 矩形排水溝。分為A型和B 型兩種，在截水溝入口設置八字墻，沿截水溝主線長3m，側墻傾斜角度30。急流槽分為1～4四種。馬道及坡頂平臺設置30cm×30cm 的排水溝，用于收集坡面匯水。墓地-池塘之間，設置一道80cm×80cm 盲溝。

通過PVC-U 排水管進行坡體排水，PVC-U 排水管長20～70m，橫向間距5m/3m。既有2擋土墻在距離墻底0.8m 高的位置，潛孔鉆開孔插入直徑75mm 的PVC-U 排水管，長16m，橫向間距3m。

4.4.2 水力水文計算

（1）洪峰流量計算

因計算時相關洪水資料缺失，故采用經驗公式進行計算。

公路科學研究所經驗公式：

匯水面積小于10km時：

式（1）中：k 為徑流模數，該項目重現期按50 年，東南沿海地區的徑流模數k=22×1.2=26.4；n 為面積參數，當F＜1km時，n=1；當1＜F＜10km時，東南沿海地區取0.75。

計算結果如表1 所示。

表1 洪峰流量計算表

（2）溝渠斷面水力要素計算

式（2）中：ω 為過水斷面面積（m）；x 為濕周（m）。

式（3）中：

b

為底寬（m）；

m

為溝渠邊坡坡率。

式（4）中：v 為平均流速(m/s)；

i

為渠底縱坡；

C

為謝才系數；

R

為水力半徑（m）。

式（5）中：

n

為渠壁糙率，查給水排水設計手冊附錄28。

假定斷面可通過流量：

根據計算確定的水溝斷面尺寸為：0.5m×0.5m 排水 溝，流 速2.16m/s、流 量0.54m/s；A 型 截 水 溝1.5m×1.2m，流速4.86m/s、流量8.76m/s；B 型截水溝0.8m×0.8m，流速5.34m/s、流量3.54m/s；1急流槽1.25m×0.8m，流速11.57m/s、流量11.57m/s，溝渠可通過流量均大于洪峰流量。

4.4.3 排水溝與截水溝設計

（1）縱斷面設計

由于棄土場截水溝、排水溝、急流槽地形變化大，需進行縱斷面設計，才能根據具體坡度較大的段落設計急流槽和消力坎或消力池。依據現場實際情況，普通段排水坡度1.0%～3.5%，急流槽段排水坡度22%。

（2）施工注意事項

排水溝和截水溝施工前需清表50cm，渠底1m 深度以內的壓實度不小于95%。

4.4.4 盲溝設計

池塘北側屬于低洼地帶，無法從明溝排除，因此在墓地-池塘設置一道80cm×80cm 矩形盲溝，將池塘北側墓地及棄土場坡底水流引至A 型截水溝。再經由1急流槽引至棄土場外側。

4.4.5 邊坡坡體排水

在坡體排水施工操作時，施工人員利用鉆孔機械將

φ

75mmPVC-U 排水管插入坡體內。PVC-U 排水管長20～70m，橫向間距5m/3m，傾斜10%。既有2擋土墻底部0.8m 高的位置，先用潛孔鉆取孔，再利用圓鋼管將PVC-U 排水管插入墻背后，橫向間距3m。直徑75mmPVC-U 排水管應滿管鉆孔，封堵管頭。PVC-U 排水管應外包滲水土工布，防止排水孔堵塞，如圖4 所示。

圖4 邊坡坡體排水斷面示意圖

仰斜式排水孔施工工藝流程：施工準備—測量放樣—機具安裝與調試—鉆孔施工—鉆孔、鋼管同步跟進—成孔自檢—安裝透水管、拔出鋼管—終孔。

4.4.6 排水工程重要細節設計

（1）排水溝每15m 需設置一道施工縫，縫底墊一層塑料薄膜，縫內填塞瀝青木絲板，縫頂面用砂漿抹平。

（2）當排水溝溝底縱坡大于等于10% 時，需設置成急流槽形式。急流槽出口設置消力池，消力檻底部需預留直徑8 的泄水孔，以利水流中斷時排泄消力池內的積水。

（3）棄土場坡頂平臺及區域II 回填頂面，均需回填30cm 厚黏土，防止雨水由坡體進入棄土場內部。

（4）仰斜式排水孔施工中如遇多處塌孔，108×5mm 圓鋼管數量可以適當增加。

（5）施工中若排水孔較深，圓鋼管拔出困難時，應采用側壁開孔的鋼花管，保證坡體排水。

（6）坡頂平緩地帶地表滲水容易進入土體內部，填筑土體類別不一致時，產生土體局部裂縫，雨水將沿裂縫滲入土體，掏蝕土體，造成邊坡破壞，必須進行黏土夯填并設置排水橫坡，并對既有坡面裂縫采用黏土夯填封閉。

4.4.7 實現效果和性能評價

地質災害大部分為“水害”誘發，進而造成大面積滑坡，因此應利用施工便道設計、巖土邊坡穩定設計、巖土邊坡內排水設計、擋墻設計、路基地表排水設計、施工組織設計等多專業相結合，綜合擬定一個施工便道與卸載平臺相結合、地下排水系統與路側排水溝組成的完善的排水系統，新建擋墻平面采用非常規的弧形設計，改善結構受力條件，同時減少擋墻高度，降低工程造價。卸載土方原地棄方，減少運距的工程技術安全可靠、經濟節約、施工難度小、工期短。該棄土場設計了完善的地表及地下排水系統，施工過程中均嚴格按照設計圖紙施工，通過水土保持專項驗收。至今沒有出現沖刷的病害，水土保持良好。如圖5所示。

圖5 竣工驗收前棄土場地表排水設施和綠化效果

5 結語

通過對公路排水系統重要性及棄土場排水系統的特點分析，總結出棄土場排水系統設計要點，針對具體案例詳細闡述設計要點、處理技術措施，對實現效果和性能進行評價，進一步說明了公路及棄土場邊坡排水系統的重要性和研究成果的實際效果，同時體現了多專業融合的綜合性邊坡治理理念，大幅度節約工程造價、縮短工期，值得推廣應用。

公路及棄土場排水設施雖然構造簡單，在整個公路項目中的造價占比較小，但排水設施對路基邊坡、擋墻及路面結構的安全性和耐久性起著關鍵性的作用，完善的公路排水系統設計尤為重要。希望廣大公路參建者能夠引起重視，完善排水系統設計，落實排水設施的施工到位，減少水土流失，保持項目周邊的生態環境。