張哲

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司 地質路基處，陜西 西安 710043)

董志塬黃土沖溝溯源侵蝕對銀西高鐵的影響

張哲

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司 地質路基處，陜西 西安 710043)

董志塬是我國現存最大的黃土塬，因其四周溝壑縱橫，且坡陡溝深，溯源侵蝕嚴重，一直是鐵路選線的難題。依據銀西高鐵的現場勘察資料及收集到的資料，對董志塬黃土沖溝溯源侵蝕影響因素、機理、發(fā)展過程及其對鐵路工程的影響進行了分析。依據《高速鐵路設計規(guī)范》(TB 10621—2014)，結合各類工程的設計特點、使用年限以及董志塬的地質狀況，確定了黃土沖溝與鐵路線路的安全距離，并提出了相應的防治措施，為銀西高鐵在董志塬上的安全運營提供了保障。

董志塬 鐵路工程 溯源侵蝕 安全距離

溯源侵蝕是指水流向其源頭方向侵蝕而加長的作用［1］。董志塬位于甘肅省東部，是我國面積最大的黃土塬，四河環(huán)繞，塬邊溝壑縱橫，沖溝溯源侵蝕強烈，對我國十二五規(guī)劃的重點項目——銀川至西安高速鐵路的修建運營造成影響。

銀西線起于西安，向西北方向延伸至銀川，全長約600 km，為時速350 km的高速鐵路，設計要求最小半徑為9 000 m，最大坡度為20%，無砟軌道地段路基工程沉降不大于30 mm，路橋過渡段不大于5 mm，技術指標十分嚴格［2］。該線建成后將帶動陜西、甘肅兩省及寧夏自治區(qū)之間的經濟協同發(fā)展。該線不僅是董志塬上的第一條鐵路，也是革命老區(qū)慶陽市的首條鐵路。因此，有必要對董志塬的黃土沖溝溯源侵蝕機理進行深入研究，查明其對鐵路工程的影響，保證鐵路工程施工、運營的安全。

1 沿線地質概況

銀西線穿越董志塬段起點位于董志塬南緣寧縣，終點位于董志塬北緣慶城縣，該段鐵路長度約80 km。董志塬表層為第四系上更新統風積黃土，中部厚四緣薄，厚約10～20 m，濕陷性嚴重。其下為巨厚層第四系中更新統風積黃土，厚約50～200 m，夾多層古土壤層，其中董志塬中部最厚約200 m，慶城縣及寧縣塬邊最薄處約50 m。黃土層下部為上第三系紅黏土，普遍出露于慶陽以北的大型深切溝內，最厚處約100 m。全區(qū)下伏基巖主要為白堊系下統的砂巖夾頁巖，基巖面北高南低，最大高差約110 m。區(qū)內年平均降水量546.5 mm，且主要集中在 7～9月，占年降水量的58.5%，單次降雨連續(xù)時間長達11 d。

董志塬塬面平坦開闊，無滑坡、溜坍等不良地質。四周溝壑區(qū)黃土沖溝縱橫，滑坡發(fā)育。該區(qū)位于中朝準地臺的陜甘寧臺坳的西南部，南以乾縣—富平斷裂為界，與汾渭地塹相連，西以牛首山—固原斷裂為界，與鄂爾多斯臺緣褶皺帶相鄰，少見褶皺和斷裂，未見巖漿侵入活動。

2 董志塬黃土沖溝溯源侵蝕影響因素

通過對董志塬黃土沖溝的野外調查及相關資料分析，得出影響溯源侵蝕的主要因素分為自然因素和人為因素［3］。溯源侵蝕的加速發(fā)展正是自然因素和人為因素相互作用、相互疊加的結果。

2.1 自然因素

1)大氣降水。集中連續(xù)的降水為溯源侵蝕的發(fā)生提供了集中沖刷和水流下切的條件，并且是導致沖溝發(fā)育、塬面萎縮的根本原因。由于每年的降水情況不一樣，溯源侵蝕的強度也隨之變化，有時一場暴雨溝頭便可前進數十米，在沒有暴雨的情況下，溝頭也許數十年都前進甚微。

2)地形地貌。溝頭溯源侵蝕與溝頭附近的地形關系密切。如果溝頭地形平緩，降水所形成的地表徑流可以較為分散地排至溝中，水流沖刷力不足很難對沖溝四周溝壁造成威脅，溯源侵蝕甚微。一般情況下，存在嚴重溯源侵蝕的溝頭前方都有較大的匯水區(qū)域，地形多呈簸箕狀，除沖溝一側外，其余地勢較高。遇到強降水時，徑流集中產生湍急的水流，對溝頭進行劇烈的沖刷，造成嚴重的溯源侵蝕。董志塬發(fā)生溯源侵蝕的溝頭上方匯水面積非常巨大，一般包括一個或幾個村莊及周邊耕地，巨大的匯水面積產生了很大的徑流量，對溝頭造成嚴重破壞。

3)地層巖性。董志塬地表為第四系上更新統風積黃土，下部為中更新統風積黃土，土層深厚，孔隙大，垂直節(jié)理發(fā)育，具濕陷性，受雨水浸泡，易形成塌陷，在溝邊位置易形成陷穴及陷穴群。陷穴再經雨水浸泡，將進一步發(fā)育，經過下陷—崩塌—再下陷—再崩塌，導致陷穴下部聯通呈串珠狀，并形成寬長的裂縫。遇到暴雨，徑流積聚，便會發(fā)生大規(guī)模的溝邊垮塌、崩塌現象。此外，黃土浸水抗沖蝕能力降低。

2.2 人為因素

為避免廠房、民居受塬面大量的積水浸泡，人們把地面徑流全部排入無任何防護措施的沖溝，使溝壁發(fā)生二次侵蝕。此外，不合理的工廠選址也會影響溝頭前進的發(fā)生與速度。如寧縣洪洞鄉(xiāng)張村磚瓦廠、西峰區(qū)什社鄉(xiāng)任嶺村磚瓦廠建在溝頭附近，建廠及取土時的亂挖使溝頭前進，并破壞了黃土塬面，使匯水區(qū)域擴大，匯集了更多的徑流，加速了溝頭溯源侵蝕。因此，不合理的排泄工程、工廠選址等人為因素也會加速溝頭的溯源侵蝕。

3 董志塬黃土沖溝溯源侵蝕機理及過程

3.1 溯源侵蝕機理

董志塬溝頭溯源侵蝕主要是水力和重力作用共同影響的結果，可將溯源侵蝕分為以下5種類型［4］:

1)水力沖刷型。強降水產生徑流對溝頭沖刷，使之下切、側向掏蝕，并伴隨著兩岸的溝壁坍塌，使溝頭迅速前進。這種侵蝕形式主要是在水流的沖刷力下造成的溝頭溯源侵蝕，也是董志塬溝頭最普遍的溯源侵蝕類型。

2)陷穴誘發(fā)型。由于水流下滲，破壞黃土結構，在溝頭或溝壁來水方向形成陷穴，徑流沿陷穴繼續(xù)下滲［5］，從而引起土體整體滑塌或崩塌，造成溝頭前進或溝壁擴張。溝邊經常形成多個“連珠陷穴”［6］，部分陷穴底部相通形成“土橋”，經過長期的徑流沖刷或重力作用，塬面很有可能發(fā)生大規(guī)模的整體坍塌。

3)裂縫誘發(fā)型。地表徑流的沖刷及水流下滲作用破壞了溝頭土體的穩(wěn)定性，在溝頭或溝壁來水方向首先形成裂縫，徑流繼續(xù)沿裂縫下滲，繼而土體會發(fā)生整體滑塌或者崩塌［7］，造成溝頭的前進或溝壁的擴張。

4)人為誘發(fā)型。由于人類的活動直接或間接引起溝頭前進。

5)地震誘發(fā)型。受“5.12”汶川大地震的影響而發(fā)生的溝頭和溝壁滑塌、滑坡等現象也比較明顯。

通過現場實地調查，將5類溯源侵蝕出現頻率及其危害程度總結于表1。

表1 各類溯源侵蝕出現頻率及危害程度

從表1可以看出，水力沖刷型是溯源侵蝕最主要的類型，而陷穴誘發(fā)型和地震誘發(fā)型的危害程度最嚴重。

3.2 溯源侵蝕過程

溯源侵蝕過程可分為3個階段:水力沖刷階段、水力和重力共同作用階段和重力侵蝕階段。

1)水力沖刷階段。降雨初期，地表徑流由沖溝溝頭流向溝底，使溝頭上方塬面發(fā)生片狀侵蝕，逐漸發(fā)展成細溝侵蝕，并造成溝頭前進，挾帶了大量泥沙的徑流繼續(xù)下切溝床。這一階段基本以水流的沖刷作用為主。

2)水力和重力共同作用階段。隨著徑流對溝床的持續(xù)下切，溝坡底腳不斷被掏蝕，待溝壁土體不足以支撐自身重量時，便會發(fā)生溝壁崩塌和滑塌等重力侵蝕現象，從而引起河道拓寬、溝壁坡度漸趨平緩以及水土流失減緩。但由于徑流依然存在，使溝床繼續(xù)遭受下切、掏蝕，溝床兩側的溝坡再次變得陡直，再次發(fā)生一系列的滑塌、崩塌現象。

3)重力侵蝕階段。洪峰退卻徑流消失后，溝頭和溝壁處的不穩(wěn)定斜坡或懸空面在黃土受到干濕、冷熱、凍融作用下隨時可能促發(fā)重力侵蝕，且這種重力侵蝕會持續(xù)相當長的一段時間，直到溝頭處于穩(wěn)定狀態(tài)。

4 溯源侵蝕對鐵路工程的影響及防治措施

4.1 溯源侵蝕對鐵路工程的影響

通過大量的實地調查和模擬計算證實董志塬沖溝溝頭侵蝕前進的速度在0.445～6.56 m/年，平均側蝕速度在0.103～0.636 m/年，平均下切速率在0.032～0.323 m/年［8］。依據規(guī)范，客運專線的路基、橋涵及隧道的主體工程的設計使用年限為100年［2］。那么，董志塬沖溝溝頭在無任何防護作用下，100年內侵蝕前進的長度可達44.5～656 m，側蝕寬度可達10.3～63.6 m，下切深度可達3.2～32.3 m，這樣可能導致設計時與線路未發(fā)生關系的沖溝，對運營中的鐵路造成嚴重的損壞，從而影響鐵路運營的安全。

根據溝頭溯源侵蝕的發(fā)展形態(tài)可從以下3個方面探究其對鐵路工程的影響。

1)溝頭前進對鐵路工程的影響。如果線路距離沖溝溝頭44.5～656 m(圖1)，那么在無防護的情況下，溝頭可能前進至線路位置，對工程產生不利影響。若此時線路為路基工程(圖2)，溝頭侵蝕將會造成路基坡腳失穩(wěn)、排水溝等設施垮塌，若不及時進行防護，必將導致路基整體垮塌，甚至被沖溝一分為二，引起重大安全事故。如果為橋梁工程，沖溝溝頭的前進也將會對橋墩造成沖刷影響，沖蝕樁周土，導致樁體不穩(wěn)，影響整座橋梁的穩(wěn)定。

圖1 線路方向與溝頭方向斜交(單位:m)

圖2 溝頭溯源侵蝕對路基工程的影響

2)沖溝側蝕對鐵路工程的影響。如果線路以橋梁形式跨越一沖溝(圖3)，橋臺內側距溝邊10.3～63.6 m，那么在無防護的情況下，沖溝兩側可能側蝕至橋臺位置，沖蝕橋臺周圍的土，使橋臺四周裸露，甚至可能使整個橋臺處于臨空狀態(tài)(圖4)，最后導致橋梁失穩(wěn)。若線路與沖溝平行，且距離在10.3～63.6 m，也需考慮沖溝側蝕對工程的影響。

3)沖溝下切對鐵路工程的影響。如果線路以隧道形式下穿一沖溝(圖5)，隧道拱頂與溝心距離介于3.2～32.3 m，那么在溝心無防護的情況下，沖溝溝心可能下切至隧道拱頂，使襯砌裸露，隨時可能發(fā)生冒頂、涌水。董志塬上的沖溝一般深100～200 m，從溝邊很難看清溝心情況，此種較隱蔽的危害一旦發(fā)生，后果不堪設想。此外，若橋梁工程中的橋墩位于溝心位置，也應考慮沖溝下切的影響。

圖3 線路跨越沖溝(單位:m)

圖4 沖溝側蝕對橋臺的影響

圖5 沖溝下切對隧道工程的影響

4.2 防治措施

為了保證鐵路的運營安全，最大限度地減小黃土沖溝溯源侵蝕帶來的危害，通常采取以下兩種措施:保證擬定線路與黃土沖溝間的安全距離;設置防護設施。

在項目前期選線時，根據鐵路工程設計使用年限內溝頭的溯源侵蝕程度確定擬定線路與黃土沖溝間的安全距離。在不對沖溝采取額外防護的情況下，需保證以下5點:

1)當線路走向與兩側沖溝走向垂直或斜交時，主要考慮沖溝溝頭溯源侵蝕的前進趨勢，保證路基坡腳排水溝外側及橋梁墩臺外側距溝頭的距離＞656 m;

2)當線路以橋梁形式跨越沖溝時，主要考慮沖溝側蝕趨勢，保證跨越沖溝的橋臺內側至溝邊的距離＞63.6 m;

3)當線路走向平行于黃土沖溝兩側時，主要考慮沖溝側蝕趨勢，保證路基坡腳排水溝外側及橋梁墩臺外側距溝邊的距離＞63.6 m。

4)在沖溝溝心設置橋墩時，主要考慮沖溝下切趨勢，保證溝心墩臺下基樁長度比計算設計時增加32.3 m，并適當進行沖刷防護;

5)當線路以隧道形式下穿沖溝時，主要考慮沖溝下切趨勢，保證溝心至隧道洞頂的距離＞32.3 m。

通過多年的地質勘察，以上原則在實地選線時很難保證。其主要原因是:①董志塬黃土沖溝極其發(fā)育，高速鐵路平面半徑≥9 000 m;②黃土沖溝兩側滑坡錯落發(fā)育，線路為繞避不良地質，選線十分困難。

結合以上兩點，保證線路與沖溝的安全距離不切實際，因此必須對沖溝進行實時監(jiān)測，必要時采取防護措施:

1)對線路兩側656 m范圍內可能與其相交的沖溝溝頭進行監(jiān)控量測，并每年進行一次數據比較，當溝頭與線路距離＜70 m時，應立刻對溝頭進行防護，可以采用修筑澇池或防護埂分散地表徑流［9］。設施的修筑要依照地形特征，容積以能容納設計最大洪水量為準。若地表防護效果不明顯，應及時對溝頭坡面進行坡面防護，確保溝頭不再前進。

2)對線路兩側63.6 m范圍內與線路走向平行的沖溝溝邊進行防護，可以采用修筑澇池或防護埂攔蓄分散地表徑流，從而達到減緩側蝕的目的。若橋臺距溝邊＜10 m，應直接對兩側溝邊進行坡面防護，保證墩臺穩(wěn)定。

3)對線路下穿及溝心布墩的沖溝溝底，應修筑溝底谷坊，抬高侵蝕基準面，防止溝床下切。在經濟和地質條件允許的情況下，要選取合適的溝底地段設置淤地壩［10］，將泥沙就地攔蓄，削減洪峰，調節(jié)徑流。淤地壩的位置選取以盡量靠近溝頭和工程量最小為原則［11］。

此外，在保障運輸成本和考慮環(huán)境保護的情況下，可將隧道棄土填放至影響線路的沖溝溝頭，并平整壓實，即能延緩沖溝的溯源侵蝕，保障鐵路運營安全，又為當地居民擴展了土地面積、方便了交通。

5 結論

1)董志塬沖溝溯源侵蝕對銀西高鐵影響巨大。大氣降水、地形地貌及地層巖性為沖溝溯源侵蝕的重要影響因素。

2)溯源侵蝕可分為水力沖刷型、陷穴誘發(fā)型、裂縫誘發(fā)型、人為誘發(fā)型及地震誘發(fā)型，其中以水力沖刷型最為常見，陷穴誘發(fā)型和地震誘發(fā)型最為嚴重。

3)溯源侵蝕通常經過水力沖刷階段、水力和重力共同作用階段和重力侵蝕階段。其中水力和重力共同作用階段為主要階段，也是溯源侵蝕的重要階段。

4)進行鐵路選線時應根據線路與沖溝的關系，選擇避讓的安全距離。若無法避讓時應采取必要的防護措施。

董志塬沖溝溯源侵蝕是一個長久且持續(xù)的現象，不容小覷。在鐵路勘察及選線時，必須以鐵路安全為前提，采用發(fā)展的眼光，客觀面對和解決問題，以保障鐵路的安全運營。

［1］夏邦棟.普通地質學［M］.北京:地質出版社，2010.

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(責任審編 葛全紅)

U212.22

:ADOI:10.3969/j.issn.1003-1995.2015.11.23

2015-04-10;

:2015-09-25

張哲(1985— )，男，工程師，碩士。

1003-1995(2015)11-0076-04