青藏高原黄河流域低环境影响公路设计

青藏高原黄河流域低环境影响公路设计

摘要:为高标准落实青藏高原黄河流域的环境保护要求,基于其环境十分脆弱,法律制度、生态红线刚性约束严格、结构可靠性要求高等现状,充分研究了青藏高原高原性气候的典型性及高寒阴湿,昼夜温差大,季节性冻土分布广泛,冻融破坏病害严重,混凝土耐久性等突出问题;在黄河流域高质量发展背景下,在查阅大量相关公路项目设计资料、实地考察已施工工程项目的基础上,详细论述了青藏高原黄河流域高速公路总体路线、路基路面、桥梁涵洞、交安绿化等专业设计原则,形成了青藏高原黄河流域低环境影响公路设计指南。

关键词:青藏高原;黄河流域;高质量发展;高速公路

0引言

在我国,黄河以母亲河著称,是我国第二大河流,对生态安全和经济社会发展发挥着至关重要的作用,青藏高原是其发源地,总长度5464公里,灌溉流经9个省级行政区。黄河流域是国家的主要经济区域,创造了超过全国五分之一的GDP,约230000亿元;同时也构成我国重要的生态保护区,流域内贫困地区较多。黄河流域地形地貌变化较大,中部地区以黄土地为主,海拔1000多米不到2000米,水土流失情况突出;西江源区是由连绵不断的积雪和发育的冰川景观组成的连绵高山,平均海拔4000多米;东部主要为黄河冲积平原,总体海拔西面高,东面低。自第十八届中国共产党全国代表大会以来,中国共产党和国家领导人更加关注黄河流域的环境保护和社会经济发展。2019年9月,在郑州举行研讨会,参加并发表了重要讲话,做出了加强黄河流域的管理和保护,促进黄河流域的高质量发展的重大安排,对重点区域生态保护建设作出重要指示批示,正式提出了“黄河战略”,即将黄河流域的环境保护和高质量发展提升到一项重要的国家战略,地域范围涵盖了三江源、祁连山、秦岭、贺兰山等,战略指出以后应着力加强生态保护治理、保障黄河长治久安、促进全流域高质量发展、改善人民群众生活、保护传承弘扬黄河文化,让黄河成为造福人民的幸福河。[1][2]在黄河流域生态保护和高质量发展中起到重要作用的是高效可持续的基础设施支撑体系,包括公路、铁路等。安全可靠、经济高效、绿色便捷、布局合理的现代化基础设施的构建离不开公路网的建设,公路交通基础设施的布局建设,这将有助于更有效地连接整个黄河流域的主要经济区,使不同流域、城市和地区之间的联系更加密切,并促进人员、物资和信息的自由和畅通无阻的流动。在查阅大量相关公路设计资料和实地考察已施工项目的基础上总结归纳,具体论述公路设计总则。

1青藏高原地区特点

1.1气候地质特点

①大气透明度高,太阳辐射强烈,空气稀薄;寒冷干燥,常年气温较低,春秋短促,温差大,日温差可达20~300C;气压低,氧气含量少是青藏高原地区主要的气候特点。②青藏高原由于特殊的自然状况和多种多样的自然资源,植物和动物也体现出了物种的多样性。山区生态系统在多年来的低温及生长季短的自然环境中呈现出敏感性,不易恢复,一旦遭到人为破坏,在没有人类持续输入能量的情况下,自己在短期内极难恢复甚至无法恢复。③青藏高原地区季节性冻土分布广泛,冻土区冻融循环对工程建设造成极大影响,易产生土冻胀、热融下沉和冰害。山区地段冬季涎流冰分布广泛,一旦地下含水层在公路施工时被截断,含水层中的水可迅速蔓延整个路面,在整个公路路基里面边渗边冻,影响公路里程长达数十米甚至百余米,对公路安全造成严重威胁。[3

]1.2人文特点

青藏高原地区除了壮丽的自然景观,同时拥有丰富的历史人文资源、独特的民俗文化,地方居民多以放牧为主[4]。

2总体设计思路

总体设计中,应充分吸收国内外公路建设的成功经验,道路建设的所有阶段,包括规划、调查、设计、建造、运营和维护中均需要遵循生态保护核心概念;综合考虑项目建设的自然、人力、经济和社会因素;统筹公路与环境、其他运输方式之间的关系;通过合理选择线位、灵活选用技术指标、节约集约利用资源、开展路域环境整治、提高工业化建造水平等工作提升项目品质;完善公路服务功能,在公路建设的每一个细节均考虑低环境公路建设理念,从根本上提升公路服务供给品质。围绕“生态保护”和“高质量发展”的双重要求,坚持贯彻“绿色公路、品质公路”总体设计理念,倡导生态先行,通过总体设计构建高速公路生态保护体系,再结合公路服务功能需求,在各专业设计中加以实现,因地制宜,打造公路与自然更协调,公路与发展更匹配的高品质公路工程。在查阅大量青藏高原高速公路设计资料及实地考察已施工公路在基础上,总结归纳,形成了青藏高原黄河流域低环境影响公路设计指南。

2.1设计原则

2.1.1生态优先、低碳绿色

坚定不移的贯彻“绿水青山就是金山银山”,顺应自然、尊重规律。秉承“对生态环境最小的影响就是最大的保护,最小的破坏就是最大的尊重”的发展理念,体现在建设中保护,在保护中发展的策略。公路工程建设、管理、运营、养护及全寿命周期的每一步都融合绿色发展的要求。要正确处理发展和保护的关系,认真审视考量道路建设、生态影响、能源消耗、污染排放、资源使用和运营效率之间的关系,以便尽量减少能源消耗,尽量减少污染排放,尽量减少对环境的影响,尽量减少资源的使用,获得尽可能最好的工程设计,提高运输服务的效率,在道路规划、勘测、设计、建造、运营、维修等各个阶段最大限度地实现严格的外部限制和道路内部供应之间的真正平衡。

2.1.2融入自然、去人工化

在公路工程建设和生态环境之间找到平衡点,通过避免公路高填深挖、倡导以桥代路等方式减轻人为活动对生态系统的影响和破坏。结合地形条件,灵活选用路线平纵面指标,做到公路低填浅挖,推行生态防护措施,将公路融入高山、草原、湿地、森林等生态系统,最大限度降低圬工用量,去除人工化,使公路融入自然,打造“路在景中延、车在绿中行、人在画中游”的绿色公路。

2.1.3质量为本,品质提升

旨在建立高质量的、可持续的、安全的、经济上可行的、无害环境的、群众接受的智慧工程,应秉持“安全、耐久、节约、和谐、低碳、环保”理念。紧抓“黄河战略”机遇,通过提升设计理念、实施精准管理、严格控制施工质量,充分利用科技手段、贯彻高质量的、可持续的、安全的、经济上可行的、无害环境的、群众接受的绿色智慧工程。

2.1.4因地制宜,分类施策

黄河流域地域狭长,沿线地形地貌等自然条件大相径庭,生态建设重点也截然不同,根据公路工程沿线不同的人文因素、环境因素、区域特征等,可将公路划分为不同段落秉持不同设计理念进行设计,入境问俗,在工程措施的相关性、有效性,保护和管理分区域分类上持续推进。

2.1.5科技引领、智慧高效

促进在调查、设计、建造和维护的所有阶段的科技应用,包括智能选线、三维规划技术、移动互联网、大数据、云计算、人工智能和实体联网,以反映智能道路的良好发展。

2.2设计要点

2.2.1低路堤、缓边坡融入自然的线形设计

公路走廊资源的合理利用要坚持长远、全面观点,统筹规划公路与铁路、电力、水利等共用廊道资源,减少对耕地的占用,避免占用基本农田,争取社会资源最优使用。总体设计应贯彻“不破坏就是最大的保护”生态理念,在满足规范标准的前提下,研究采用低路基方案,做到地形选线、地质选线、环保选线,做到公路低填浅挖;秉持隧道早进晚出准则,最大限度减少工程建设对自然生态的破坏,降低生态恢复治理难度,采用生态型防护,减少人工痕迹。

2.2.2最低生态影响线形设计路线设计

宜尽量保持区域自然水系的原有水文及山势,宜桥则桥,宜隧则隧,尽量避免高填深挖对生态环境的破坏。对自然横坡较陡的山坡或走廊狭窄的沟谷路段,充分研究左、右分离式路基,高低分离式路基、半幅路基半幅桥、半山桥、顺河桥等设计方案,将环境影响降到最低。高原草甸区重点研究应用低矮路基方案,结合区域季节性冻土特征,路基设置隔断层、保温层等措施后,尽量降低路基高度,控制填方规模,减少取土环境破坏。路线布设充分利用微地形,采用桥梁、天桥、涵洞等各种形式动物通道,保证项目沿线自然生态平衡、动物的安全迁徙,实现公路与自然的平衡。

2.2.3少借零弃、综合利用的土石方设计

青藏高原地区生态脆弱,是黄河上游一个重要的水道区,需要高度的环境保护,取弃土场设置困难,路基填料缺乏,路基设计应尽力追求“填挖平衡”,加强土石方统筹调配,根据不同路段要求,将隧道弃渣及路基开挖土石方统一规划、分类使用、合理调运,尽量做到“少挖方、零弃方”,通过路基填筑、基底处理、隧道洞门空地填平、立交区微地形改造等方式,最大限度消纳隧道弃渣。

2.2.4保持水路通畅、预防冻融病害的特殊路基设计

考虑公路建设对水域的阻隔造成的水生态环境改变,设计应保持原地基滤水和透水功能,不阻断原水路通道,统筹解决好水环境疏与通的关系。预防长距离湿地路基不均匀沉降,根据不同区域因地制宜的研究采用桩板式路基、预应力管桩、碎石桩、换填改良及透水层等多种技术方案,保持原地基滤水和透水功能,提升地基承载能力,解决湿地路基沉降问题。充分认识高原高寒高湿地区不良地质对公路的不利影响,尤其是冻融循环条件下的路基、防护自然风化损坏,精细控制路基填土高度,优选路基填料,合理设置隔断层、保温层,保持原地基滤水和透水功能,避免路基冻融病害。

2.2.5永临结合、统筹考虑建养的场地设计

在高海拔地区很难恢复植被,因此在这些地区,临时设施的土地,如预制建筑、钢铁厂、混合工厂和车站,应尽可能限制在服务区、停车场、停泊区和养护区等永久利用土地范围内;避免临时用地大面积破坏高原植被;临时用电与永久用电同步规划设计,并与附近电网有机结合;将部分施工便道作为改移农道进行设计,融入沿线既有低等级路网,有效节约资源。保护原始植物、湿地生态系统、地表土壤资源、自然地貌和临时土地的生态恢复,注重表土资源的剥离、堆储及利用,提高资源利用率。

2.2.6结合环境特点,推广长寿命路面设计

青藏高原海拔高、温差大,高寒多风,对路面结构要求异常严格,应在降低对环境的干扰与实现排放的背景下,延长路面设计寿命,减少维修次数。在结构设计方面,应结合长寿命路面服役特点,基于路面性能,优化结构设计组合;在材料设计方面,注重耐低温、抗老化材料的应用,加强表面层与中下面层的精细化设计。2.2.7提升耐久性、推广桥梁及小型构件的装配化设计道路项目针对高海拔、低气压、昼夜、低季节性气温和空气含氧量低的气候特点,提出了全生命周期的概念,推行标准化设计、工业化预制、装配化施工,推广应用钢桥、装配式涵洞、桥梁上下部结构预制、小型构件预制,提高混凝土性能,改良混凝土抗冻性、抗渗性等性能,按需进行混凝土保温养生;全面发挥工厂生产的优势,减少施工时间,保质保量,降低环境影响;适度推广应用钢结构桥梁,如小半径匝道桥,大跨度桁架桥等,通过合理的结构组合设计、科学的材料选择、高质量的施工工艺,提升高海拔地区桥梁建造水平。

2.2.8以解决抗冻保温、防止渗漏为重点的隧道设计

以提高隧道耐久性为导向,优化隧道抗冻设防段衬砌结构形状,使结构受力均匀平顺,减小冻胀力的破坏作用;明确衬砌混凝土标号、配合比、抗渗等级、保护层厚度、养护措施等耐久性指标,确保施工便利、保质保量;旨在洞穴内外建立一个齐整顺畅和易于维护的水流系统,需对地表和地下水的所有方面进行安全处理,断层破碎带等不良地质段实行动态设计,避免结构出现薄弱点;有针对性地开展高海拔隧道质量通病防治设计,此外,还应适当考虑运营保养阶段的结构,确定是否可能对其进行维修和更换,从而使其寿命延长,更加经久耐用。

2.2.9敏感水环境保护工程设计

针对建设项目交通特征、车流量等,结合公路沿线敏感水体和饮用水源取水口分布情况,制定分级分类敏感水体保护措施,防止简单的“一刀切”式的“PVC管道+应急池”保护工程措施。桥梁段敏感水环境保护设计中应重点做好收集池的防冻胀和远程管控设计、危险品运输事故识别与应急响应系统设计等相关内容;路基段敏感水环境保护设计中应重点做好路面径流的生态截留、净化和零排放等,可采用下沉式缓冲带、生态边沟等技术措施。

2.2.10强化项目建设全过程动态设计

青藏高原高寒、阴湿、地质复杂,局部路段存在气候变化剧烈、地质条件多样化、地质特性多变化的特点。为保证工程质量,提升工程品质,提升公路建设项目管理,加强对隧道围岩、软基深度和范围、桥梁桩基长度、路基挡墙基底承载力等专业的建设全过程动态设计,利用建设过程中获得新的信息及监测信息进行跟踪,对原设计进行修改、优化、完善。

2.2.11高寒高海拔隧道设计

隧道选线除考虑地形与地质条件外,尚应充分考虑隧址区气象因素,隧道方案应综合考虑风向、气温、最大冻结深度等自然环境的影响,合理选择隧道海拔高度与隧道规模。隧道进出口段不宜设超高的平曲线,隧道轴线宜与隧址区风向垂直或大角度相交;洞口及洞门设计应与周边自然环境相协调。洞口宜布设在阳坡面、不易积雪、易于排水的位置,并根据地形、风向合理确定洞口防雪保温措施,宜适当接长明洞;积雪或风吹雪影响的路堑中的洞口外两侧宜设置不小于5m宽的积雪、堆雪平台;洞口与风向小角度相交时,宜设置防雪保温棚洞,防雪保温棚洞设置长度宜按3~5s行程控制,条件许可宜接长明洞;隧道进出口路面宜增设防滑、防结冰措施。

3结束语

作为一项部级别的战略,黄河高质量生态系统保护和发展已经刻不容缓,而其中关键要素的青藏高原,其有着非常脆弱的环境,而公路建设与社会经济的发展有着密切联系,对经济具有极大推动作用,公路建设在考虑经济、技术指标的同时,应着力降低工程建设对生态环境的影响,使公路融入自然,捍卫高原净土。公路工程项目建设对当地环境有着一定的破坏,秉持合理的总体设计原则进行青藏高原区高速公路设计,对降低公路建设及运营使用阶段对环境影响有着直接联系。对了提升青藏高原地区公路设计总体质量,提出了上述几点设计原则,为后期同地区高速公路设计做出正确的引导。

作者:姜有鑫 郭旺旺 单位:甘肃省交通规划勘察设计院股份有限公司