韋世明,韋明郵,閉雄飛
(廣西桂山高速公路有限公司,廣西 都安 530700)
喀斯特地區(qū)高速公路地形選線方法研究
韋世明,韋明郵,閉雄飛
(廣西桂山高速公路有限公司,廣西 都安 530700)
喀斯特地區(qū)地形條件特殊,公路選線較為困難。針對(duì)該問(wèn)題,文章分析了喀斯特地區(qū)巖溶地貌的個(gè)體形態(tài)和組合形態(tài),提出了喀斯特地區(qū)高速公路地形選線一般原則。將喀斯特地區(qū)選線問(wèn)題進(jìn)一步細(xì)化為孤峰(峰林)平原區(qū)路線選線問(wèn)題、巖溶山區(qū)沿河線和越嶺線路線布設(shè)問(wèn)題,研究三種地形下的選線與布線方法,為喀斯特地區(qū)高速公路選線方法提供參考。
喀斯特地區(qū);高速公路;地形;選線方法
喀斯特(巖溶)地區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜,地形條件特殊,在該地區(qū)進(jìn)行高速公路選線工作難度相對(duì)較大。
近年來(lái),隨著我國(guó)高速公路建設(shè)的逐步發(fā)展,眾多研究人員針對(duì)喀斯特地區(qū)復(fù)雜的地形條件,就地形選線的方法進(jìn)行了總結(jié),取得了豐碩的成果。
就國(guó)內(nèi)目前的研究和工程實(shí)踐分析,仍然存在一些問(wèn)題:(1)缺乏普遍性,往往只針對(duì)于具體項(xiàng)目的具體問(wèn)題而言,并未上升為普遍規(guī)律;(2)缺乏系統(tǒng)性,往往以設(shè)計(jì)的某一目標(biāo)為主導(dǎo),而忽視各設(shè)計(jì)目標(biāo)間的協(xié)調(diào)。
本文以喀斯特地區(qū)高速公路地形選線的方法為主要研究?jī)?nèi)容,分析喀斯特地貌形態(tài)與特點(diǎn),根據(jù)高速公路選線操作手法和考慮因素的要求,將巖溶地貌形態(tài)分為孤峰(峰林)平原區(qū)、山嶺區(qū)進(jìn)行研究,其中山嶺區(qū)分為沿河線和越嶺線。在廣泛收集巖溶地區(qū)高速公路設(shè)計(jì)資料的基礎(chǔ)上,提出喀斯特地區(qū)高速公路地形選線的一般原則,并分別就喀斯特地區(qū)的孤峰(峰林)平原區(qū)選線要點(diǎn)、巖溶山區(qū)沿河線布線要點(diǎn)和越嶺線布線要點(diǎn)進(jìn)行研究和總結(jié)。
1.1 喀斯特地貌形態(tài)與類型[1][2][3][4]
喀斯特地貌的巖溶個(gè)體形態(tài)可分為地表形態(tài)和地下形態(tài)兩種(如圖1所示),與公路工程關(guān)系密切的,有以下幾種:
(1)地表巖溶形態(tài)
包括溶溝和石芽、落水洞、漏斗與洼地、巖溶谷地、峰叢、峰林和殘丘等。
(2)地下巖溶形態(tài)
包括溶洞、暗河(地下河)、洞穴堆積等。
(3)巖溶地貌的組合形態(tài)
主要包括:孤峰(峰林)平原區(qū)、溶丘洼地區(qū)、峰林谷地區(qū)、山地河谷區(qū)。
圖1 巖溶地貌示意圖
1.2 喀斯特地區(qū)公路地形選線一般原則
喀斯特地區(qū),碳酸鹽巖受流水的作用,形成典型的巖溶地貌景觀。從公路路線設(shè)計(jì)角度,按巖溶地貌組合類型,可分為孤峰(峰林)平原區(qū)、溶丘洼地區(qū)、峰林谷地區(qū)、山地河谷區(qū)四種地形特征。按照傳統(tǒng)公路地形選線操作手法,可分為平原區(qū)選線、山嶺區(qū)選線(沿河線、越嶺線、山腰線)、丘陵區(qū)選線。
喀斯特地區(qū)地形選線應(yīng)綜合考慮自然、社會(huì)等多種因素的影響,妥善處理好各方面的關(guān)系,其基本原則如下:
(1)以“多目標(biāo)協(xié)調(diào)”的公路設(shè)計(jì)理念為指導(dǎo),協(xié)調(diào)公路功能、安全、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保、美觀和交通質(zhì)量等多個(gè)公路設(shè)計(jì)目標(biāo)的關(guān)系。
(2)喀斯特地區(qū)地形選線應(yīng)與地質(zhì)選線相結(jié)合,充分考慮線位的巖溶地質(zhì)發(fā)育條件,對(duì)繞避和穿越方案進(jìn)行綜合比選。
(3)喀斯特地區(qū)一般土地資源較為寶貴。路線布設(shè)時(shí),要少占田地,盡量不占高產(chǎn)田、經(jīng)濟(jì)作物田和經(jīng)濟(jì)林園等。對(duì)沿線必須占用的田地,應(yīng)按國(guó)家有關(guān)法規(guī),做好造地還田等規(guī)劃和必要的設(shè)計(jì)。
(4)喀斯特地區(qū)風(fēng)景優(yōu)美,路線布設(shè)時(shí),應(yīng)充分考慮與周圍環(huán)境、景觀的協(xié)調(diào),靈活布設(shè)路基斷面,合理選用平縱線形指標(biāo)。
(5)喀斯特地區(qū),受到地形、地質(zhì)、城鎮(zhèn)村莊等條件制約,走廊帶資源受限,路線布設(shè)需綜合協(xié)調(diào)路線與各種線路工程的關(guān)系。
(6)喀斯特地區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱,路線在布設(shè)時(shí),應(yīng)本著“生態(tài)優(yōu)先”的原則,協(xié)調(diào)公路各設(shè)計(jì)目標(biāo)的關(guān)系。
(7)路線設(shè)計(jì)應(yīng)注意立體線形設(shè)計(jì)中平、縱、橫面的舒順、合理配合,不應(yīng)輕易采用最小或極限指標(biāo),也不應(yīng)片面追求高指標(biāo)。
2.1 孤峰(峰林)平原區(qū)選線環(huán)境分析及路線特點(diǎn)
從地形及公路選線特點(diǎn)考慮,孤峰(峰林)平原區(qū)選線環(huán)境具有以下特點(diǎn):
(1)孤峰(峰林)平原區(qū)的孤峰和殘丘,是喀斯特平原區(qū)難得的景觀資源,路線布設(shè)時(shí)應(yīng)盡量考慮繞避。
(2)孤峰(峰林)平原區(qū)地表水豐富,地下水埋藏較淺,多存在軟土地基等不良地質(zhì)現(xiàn)象。
(3)孤峰(峰林)平原區(qū)一般較為狹小,總體區(qū)域不大,土地資源寶貴,路線在布設(shè)時(shí)應(yīng)充分考慮。
(4)孤峰(峰林)平原區(qū)低洼平坦地帶有較多的土層覆蓋,基巖下的隱伏巖溶極易導(dǎo)致巖溶地面塌陷,破壞地基穩(wěn)定,危及安全。
孤峰(峰林)平原區(qū)環(huán)境特點(diǎn)決定了路線具有如下特點(diǎn):
孤峰(峰林)平原區(qū)地形對(duì)路線限制不大,路線的基本線形應(yīng)短直順暢,路線布設(shè)應(yīng)在符合路線走向的前提下正確處理對(duì)地形、地物、不良地質(zhì)路段的避讓與穿越,以平面為主安排路線(如圖2所示)??λ固仄皆瓍^(qū)路線面臨的工程地質(zhì)突出問(wèn)題在于基底穩(wěn)定。
圖2 孤峰(峰叢)平原區(qū)繞避障礙物方法示意圖
孤峰(峰林)平原區(qū)選線,先把路線總方向內(nèi)所規(guī)定經(jīng)過(guò)的地點(diǎn)作為大的控制點(diǎn);然后在大控制點(diǎn)間進(jìn)行實(shí)地勘察,建立起一系列中間控制點(diǎn)。路線一般應(yīng)由一個(gè)控制點(diǎn)直達(dá)另一個(gè)控制點(diǎn),不做任意扭曲。
2.2 孤峰(峰林)平原區(qū)選線要點(diǎn)
(1)孤峰(峰林)平原區(qū)布線既不片面求直而占用大量農(nóng)田,也不片面強(qiáng)調(diào)不占某塊田而使路線彎曲過(guò)多。但在可能的條件下要做到少占或不占高產(chǎn)田。
孤峰(峰林)平原區(qū)的地貌特點(diǎn)多為殘丘、峰林、峰叢環(huán)繞下的平原微丘地形,路線在布設(shè)時(shí),可將線位布設(shè)于殘丘、峰叢坡腳。
(2)孤峰(峰叢)平原區(qū)高速公路選線應(yīng)盡量避免穿越城鎮(zhèn)、工礦區(qū)及較密集的居民點(diǎn),以繞避為主。但考慮到沿線城鎮(zhèn)出入要求,既應(yīng)做到“靠村不進(jìn)村,利民不擾民”,也要通過(guò)修建支路和規(guī)劃集散公路,承擔(dān)居民的出行需求。在避讓局部障礙時(shí),要注意線形的連續(xù)舒順。
(3)孤峰(峰叢)平原區(qū)選線應(yīng)將孤峰作為重要景觀節(jié)點(diǎn)進(jìn)行考慮,路線在布設(shè)時(shí)應(yīng)考慮繞避;對(duì)于峰叢和峰林,路線也應(yīng)繞避為主,可將路線布設(shè)于峰叢、峰林和殘丘山腳下,必須開(kāi)挖時(shí),應(yīng)考慮植物恢復(fù)措施,最大限度地保證景觀資源的完整性。
(4)孤峰(峰叢)平原區(qū)路線應(yīng)短直。為了繞避障礙而使路線偏離短直方向時(shí),必須盡早繞避,盡量減少曲線數(shù)目,并力求減小偏角,采用大而平緩的平曲線。
(5)孤峰(峰叢)平原區(qū)突出的巖溶地質(zhì)問(wèn)題表現(xiàn)在地面塌陷,路線方案布設(shè)要點(diǎn)如下[5][6]:
①線路避開(kāi)取水點(diǎn)可能形成的最大下降漏斗范圍。
②路線宜選在覆蓋土較厚的地段。
④路線遠(yuǎn)離構(gòu)造線或以最大交角通過(guò)。
⑤設(shè)計(jì)路線標(biāo)高要高于最高地下水位或降低路線標(biāo)高于基巖中挖方通過(guò)。
⑥路線宜避開(kāi)多元土層結(jié)構(gòu)地段。
⑦路線宜避開(kāi)地表水與地下水變化幅度較大的地段。
⑧路線宜避開(kāi)近期發(fā)生過(guò)巖溶地面塌陷的地段。
⑨巖溶塌陷易發(fā)區(qū),路線應(yīng)以填方通過(guò),力求保留原覆蓋土厚度。
(6)處理好路線與橋位的關(guān)系。特大橋是路線基本走向的控制點(diǎn),大橋原則上應(yīng)服從路線總方向并滿足橋頭接線的要求,橋路綜合考慮。中、小橋和涵洞位置應(yīng)服從路線走向。
3.1 巖溶山區(qū)沿河線環(huán)境及路線特點(diǎn)
巖溶山區(qū)沿河線按河谷及河谷兩側(cè)地貌特點(diǎn),可分為巖溶U形河谷區(qū)(峰林谷地區(qū)、溶丘洼地區(qū))、巖溶V形河谷區(qū)(山地河谷區(qū))。
(1)巖溶U形河谷區(qū)主要特點(diǎn)在于洼地、谷地與溶丘、峰林、峰叢相間并存。覆蓋層多分布于洼地、谷地中,其他部位基巖裸露。洼地、谷地中常發(fā)育有落水洞、漏斗等垂直巖溶形態(tài),并常與暗河聯(lián)通。路線在布設(shè)時(shí),應(yīng)考慮河岸選擇及繞避或穿越峰林、溶丘等問(wèn)題,前者屬于沿河線問(wèn)題,后者則屬于越嶺線問(wèn)題。
(2)巖溶V形河谷區(qū)河流多呈深谷,階地狹窄,河床陡峻。有些地區(qū)峽谷深切、峰巒高聳,山頂與谷底的相對(duì)高差可達(dá)數(shù)百米以上,其地形與一般山地峽谷相似。高速公路在經(jīng)過(guò)時(shí),多采用隧道群或縱向橋的方式通過(guò)。
(3)巖溶U形河谷區(qū)是山區(qū)人口聚居和便于耕作之地,路線在通過(guò)時(shí),必須處理與村鎮(zhèn)、農(nóng)田之間的關(guān)系。同時(shí),這種地形又是線性工程(鐵路、地方道路、高壓線等)合適的線路走廊帶,高速公路在通過(guò)時(shí),須協(xié)調(diào)與線性工程之間的相互關(guān)系。
(4)河谷地帶地質(zhì)條件較為復(fù)雜,多發(fā)育有漏斗、落水洞、溶洞和巖溶泉等,河谷底部雨季受洪水威脅比較大,路線在布設(shè)時(shí),應(yīng)充分考慮地質(zhì)條件及河流水文條件。
3.2 巖溶山區(qū)沿河線選線要點(diǎn)
從宏觀路線方案布設(shè)或走廊帶選擇的角度,沿河線首先應(yīng)解決河谷選擇問(wèn)題。因而,本文針對(duì)巖溶山區(qū)沿河線選線特點(diǎn),主要研究河谷選擇、河岸選線、線位布設(shè)與高度選擇、路線與暗河的關(guān)系四個(gè)主要問(wèn)題。
3.2.1 河谷選擇
巖溶山區(qū)河谷可分為U形河谷和V形河谷。U形河谷區(qū)農(nóng)田村鎮(zhèn)、各種線性工程較為密集,高速公路通過(guò)時(shí)常占用大量農(nóng)田和造成大量拆遷,且必須處理與各種線性工程的關(guān)系。V形河谷受強(qiáng)烈新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)上升影響,垂直通道發(fā)育很深,巖溶強(qiáng)烈發(fā)育,對(duì)道路工程影響較大。
在路線方案選擇過(guò)程中,應(yīng)從工程地質(zhì)、征地拆遷、工程難易及造價(jià)以及與各種線性工程之間的關(guān)系等方面對(duì)路線方案進(jìn)行比選。一般情況下,應(yīng)優(yōu)先選擇U形河谷地帶通過(guò)。
3.2.2 河岸選擇
河岸選擇時(shí)應(yīng)充分調(diào)查,掌握路線所經(jīng)區(qū)域的自然特征和村鎮(zhèn)分布情況,充分利用有利的一岸,必要時(shí)跨河換岸,繞避艱巨工程或利用地形提高線形標(biāo)準(zhǔn)??λ固氐貐^(qū)河岸選擇一般有以下要點(diǎn):
(1)路線應(yīng)選擇在巖溶發(fā)育較弱的一岸。
(2)以側(cè)蝕作用發(fā)育于谷坡上的層狀巖溶地帶,路線宜靠山里通過(guò)。
(3)巖溶區(qū)高速公路河岸選擇應(yīng)充分考慮河谷兩側(cè)村莊分布、工農(nóng)業(yè)發(fā)展、地方道路、人文自然景觀等因素。
3.2.3 線位布設(shè)與高度選擇
沿河線分為低線和高線。從路線布設(shè)方法來(lái)看,對(duì)U形河谷,有沿河岸、直穿田、靠山腳、山腰布設(shè)等方式;對(duì)V形河谷,則有縱向橋、隧道穿越、路基穿越等方式。路線在布設(shè)時(shí)要點(diǎn)如下:
(1)在溶丘洼地和峰林谷地區(qū)(U形河谷區(qū)),高速公路宜靠山布設(shè),設(shè)計(jì)高程略高于洪水位。
(2)山地河谷區(qū)(V形河谷區(qū)),路線應(yīng)提高設(shè)計(jì)高程,離開(kāi)排泄帶。
(3)對(duì)于V形河谷地貌或谷地資源較為寶貴的情況下,路線在通過(guò)時(shí),可采用縱向橋的方式布設(shè)通過(guò),以減少對(duì)山體的開(kāi)挖及占地、拆遷。
(4)路線布設(shè)時(shí)應(yīng)充分考慮當(dāng)?shù)爻擎?zhèn)規(guī)劃,避免直穿,盡量選擇在城鎮(zhèn)邊緣通過(guò)。
(5)沿河線高線(斜坡地帶路線),在選線時(shí)還應(yīng)注意選擇在以下部位:
①斜坡地帶路線宜于垂直滲流帶及負(fù)地形間通過(guò)。
②巖溶斜坡地帶,路線宜靠外于安全帶中通過(guò)。條件困難時(shí),路線可走行于安全帶中,如下頁(yè)圖3所示。
圖3 路線通過(guò)斜坡安全帶示意圖
③碳酸鹽巖與非碳酸鹽巖間互組成的斜坡地區(qū),路線還可選擇于巖溶裂隙水帶中和非碳酸鹽巖中通過(guò),如圖4所示。
圖4 路線通過(guò)斜坡巖溶裂隙水帶示意圖
3.2.4 路線跨越暗河時(shí)布設(shè)要點(diǎn)
(1)路線高程低于暗河時(shí),有三種可選方案。①路線在暗河下游,可將頂板揭開(kāi),設(shè)橋涵通過(guò);②以長(zhǎng)路塹通過(guò),挖方工程大,路基排水需特殊處理;③以隧道通過(guò),水文地質(zhì)條件不佳,頂板也要求有足夠厚度。實(shí)際工作中,可根據(jù)具體條件進(jìn)行選擇。如圖5所示。
圖5 路線高程低于暗河示意圖
(2)路線高程接近于暗河標(biāo)高時(shí),應(yīng)將路線選定在暗河出口下游穩(wěn)定地層通過(guò)。當(dāng)受條件限制時(shí),最好揭開(kāi)暗河,以橋涵代替路基通過(guò)。如圖6所示。
圖6 路線高程接近暗河標(biāo)高示意圖
(3)路線高程高于暗河時(shí),如果暗河頂板巖層較完整且有足夠厚度,可采用低填或淺挖方式通過(guò),如頂板巖層厚度太薄,應(yīng)對(duì)路基底下部的暗河加固。如圖7所示。
圖7 路線高程高于暗河標(biāo)高示意圖
喀斯特地貌山區(qū),谷地、洼地與峰叢、峰林、孤峰、殘丘交錯(cuò)混雜,因而本文所研究的喀斯特地貌山區(qū)高速公路越嶺線與一般地區(qū)越嶺線在選線要點(diǎn)存在主要差異在于:
(1)一般地區(qū)越嶺線分水嶺通常是必須翻越的地形障礙。
(2)喀斯特地區(qū)峰林谷地、殘丘洼地中分水嶺并不連續(xù),路線布設(shè)時(shí)可考慮繞避與穿越兩種方案。穿越時(shí),需考慮越嶺方案,峰林、殘丘的地形特點(diǎn)多不具備展線特點(diǎn),高速公路通常采用隧道穿越方式通過(guò)。
考慮到巖溶山區(qū)地質(zhì)、地形特點(diǎn),巖溶山區(qū)越嶺線選線要點(diǎn)如下:
(1)對(duì)于峰林、峰叢地區(qū),高速公路選線與一般地區(qū)越嶺線選線要點(diǎn)類似,仍需考慮埡口選擇、過(guò)嶺高程選擇及展線方式等問(wèn)題,但對(duì)于埡口的地質(zhì)條件應(yīng)慎重論證。
(2)峰林谷地、溶丘洼地區(qū),路線在翻越分水嶺時(shí),應(yīng)合理處理繞避與越嶺問(wèn)題。避免隧道、橋梁等艱巨工程,也避免開(kāi)挖山體造成的環(huán)境、景觀破壞。路線繞避居民耕地和住所時(shí),多沿山腳布設(shè)。
(3)路線宜避開(kāi)埡口中心,選在地質(zhì)條件好的一側(cè)通過(guò)。
(4)路線通過(guò)分水嶺地區(qū),常以隧道通過(guò)為主,宜選在地下水分水嶺地帶通過(guò)。
(5)不能在縱向巖溶水地下分水嶺地帶通過(guò)時(shí),位置宜選在巖溶負(fù)地形間通過(guò)。
河池至都安高速公路肯仁村至涼峒段,初步設(shè)計(jì)中初步確定了K線和B線方案(如圖8所示)。K線方案經(jīng)那倫村沿山腳至拉甫后,在U形開(kāi)闊河谷內(nèi)布線,僅需在方案起終點(diǎn)處布設(shè)隧道3座。B線方案從肯仁村后向西南方向布線,選擇另一個(gè)河谷走廊帶布線,由圖8可見(jiàn),該河谷為V形峽谷,峽谷兩側(cè)峰叢林立,無(wú)開(kāi)闊地形適合布線,需采用橋隧結(jié)合的方式布線,設(shè)隧道6座,大橋3座,其中BK17+355~BK20+300段以4座隧道組成的隧道群方式穿越峽谷,工程艱巨。K線方案雖然占地較多,與水泡水庫(kù)存在干擾,但路線短捷、順暢,工程量及造價(jià)較低,且在K16+200處有利于服務(wù)區(qū)的布設(shè)。因此,在初步設(shè)計(jì)外業(yè)驗(yàn)收后,舍棄B線方案[7]。
崇左至靖西高速公路峒牌電站至力行段,如圖9所示,初步設(shè)計(jì)布設(shè)了K線、C4線、C5線三個(gè)方案。K線方案隧道穿越湖潤(rùn)鎮(zhèn)與同德鄉(xiāng)間的分水嶺后,主要沿山腳布設(shè),其間穿過(guò)峰叢間埡口(峽谷)至比較線終點(diǎn)。C4線方案穿越湖潤(rùn)鎮(zhèn)與同德鄉(xiāng)間的分水嶺后,沿山腳布設(shè)與現(xiàn)有二級(jí)公路走向一致,至比較段終點(diǎn)。C5方案起點(diǎn)段繞避分水嶺,沿山腳布設(shè)至叫逢屯后進(jìn)入山地越嶺,以橋隧結(jié)合方式穿越后,與C4線基本重合至終點(diǎn)。三個(gè)方案在路線不同路段分別考慮了繞避與越嶺方案,以達(dá)到保護(hù)環(huán)境、降低造價(jià)、線形流暢等目標(biāo)。經(jīng)綜合比選,K線方案在橋隧構(gòu)造物、拆遷房屋及對(duì)二級(jí)公路的影響方面占優(yōu),推薦K線方案[8]。
圖8 河都高速公路K線與B線方案比選平面縮圖
圖9 崇左至靖西高速公路峒牌電站至力行段路線方案平面圖
(1)對(duì)喀斯特地區(qū)地貌形態(tài)進(jìn)行了全面分析,提出了該地區(qū)高速公路地形選線一般原則??蔀榭λ固氐貐^(qū)高速公路選線提供決策支持。
(2)將地形劃分為孤峰(峰林)平原區(qū)和巖溶山區(qū)。分別研究了孤峰(峰林)平原區(qū)路線選線問(wèn)題、巖溶山區(qū)沿河線和越嶺線路線布設(shè)問(wèn)題。
(3)地形選線是多目標(biāo)協(xié)調(diào)問(wèn)題,在工程實(shí)踐中,需全面掌握區(qū)域地質(zhì)地形資料,綜合分析,多方比選。
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Study on Expressway Terrain Route Selection Method in Karst Area
WEI Shi-ming,WEI Ming-you,BI Xiong-fei
(Guangxi Guishan Expressway Co.,Ltd.,Du’an,Guangxi,530700)
The terrain condition is special in karst area,thus the highway route selection is difficult.In view of this problem,this article analyzed the individual form and combination form of karst topography,and proposed the general principle of expressway terrain route selection in karst area.The route selection problem in karst area was further subdivided into the route selection problem in single peak(peak forest)plain area,the layout of route along the river and the line across the ridge in karst mountain area,and studied the route selection and routing method under three kinds of terrain,thereby providing the reference for expressway route selection method in karst area.
Karst area;Expressway;Terrain;Route selection method
韋世明(1968—),高級(jí)工程師,主要從事高速公路工程技術(shù)管理工作;
韋明郵(1967—),高級(jí)工程師,主要從事高速公路工程技術(shù)管理工作;
閉雄飛(1980—),主要從事高速公路工程管理工作。
U412.32
A
10.13282/j.cnki.wccst.2016.11.008
1673-4874(2016)11-0042-06
2016-10-26