周安荔

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，陜西西安 710043)

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淺析黃土沖溝溯源侵蝕對(duì)平慶鐵路的影響

周安荔

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，陜西西安 710043)

闡述平慶鐵路沿線黃土沖溝溯源侵蝕的影響因素及危害，分析侵蝕形成機(jī)理、特征及過(guò)程，得出侵蝕年平均速率范圍，并提出監(jiān)測(cè)方法。通過(guò)工程實(shí)例總結(jié)了黃土沖溝溯源侵蝕對(duì)鐵路工程及線路方案的影響，提出可行的防治措施；應(yīng)合理選擇黃土沖溝與鐵路線路的安全距離，保證鐵路線路的安全，為黃土沖溝地區(qū)鐵路選線提供科學(xué)依據(jù)，為類似工程設(shè)計(jì)提供借鑒。

平慶鐵路 黃土沖溝 溯源侵蝕 工程影響 安全距離 線路方案

平慶鐵路位于甘肅中東部，線路東起慶陽(yáng)市，經(jīng)鎮(zhèn)原縣西至平?jīng)鍪?，總體呈東西走向，全長(zhǎng)122.4 km。本項(xiàng)目是定西至平?jīng)鲋翍c陽(yáng)鐵路通道的重要組成部分，構(gòu)筑了蘭州至平?jīng)鲋翍c陽(yáng)間新的運(yùn)輸徑路，具有促進(jìn)區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展、填補(bǔ)路網(wǎng)空白的作用，對(duì)促進(jìn)連片特困地區(qū)和革命老區(qū)脫貧致富意義重大。

線路依次經(jīng)過(guò)黃土塬、黃土梁峁溝壑區(qū)、河谷區(qū)三個(gè)地貌單元。黃土塬邊、梁峁溝壑區(qū)沖溝發(fā)育，溝谷深切，岸坡高陡，不良地質(zhì)非常發(fā)育，特別是黃土沖溝溯源侵蝕強(qiáng)烈，對(duì)工程設(shè)置及鐵路選線有較大影響。以沖溝溯源侵蝕為研究對(duì)象，探討溯源侵蝕的主要因素、類型、特征及形成機(jī)理，得出侵蝕年平均速率，總結(jié)黃土沖溝溯源侵蝕對(duì)鐵路工程及線路方案的影響，合理確定黃土沖溝與鐵路線路的安全距離，為該區(qū)域鐵路選線提供科學(xué)依據(jù)。

1 沿線地質(zhì)概況

1.1 地形地貌

線路經(jīng)過(guò)我國(guó)黃土高原中心區(qū)，區(qū)內(nèi)地貌由塬面、梁峁坡和溝谷組成，塬面(董志塬、孟壩塬、屯子塬、平泉塬、寇家塬、草峰塬等)是主體地貌。塬面向溝谷傾斜，地形起伏大，溝壑縱橫，支溝發(fā)育，溝谷深切，岸坡高陡，溝壑深30～280 m，平均溝壑密度3.5 km/km2，地貌由正地形的塬面和負(fù)地形的溝谷組成。線路穿越黃土梁峁溝壑區(qū)長(zhǎng)度約78 km，占線路長(zhǎng)度60%。溝壑縱橫是是該區(qū)的地貌特征。

1.2 地層巖性及地質(zhì)構(gòu)造

沿線出露地層主要有第四系(Q)黏性土、黏質(zhì)黃土、砂類土及碎石類土，第三系(N)泥巖、砂巖，白堊系(K)砂巖、泥巖。沿線地表以黃土(黏質(zhì)黃土)覆蓋為主，黃土層厚度不等，其中黃土塬、溝壑梁峁區(qū)地表以厚層黃土覆蓋，厚度40～100 m，局部大于100 m。該區(qū)地質(zhì)構(gòu)造不發(fā)育。

1.3 氣象及水文特征

本區(qū)屬中溫帶半干旱氣候區(qū)，冬季寒冷，夏季炎熱，四季分明。年平均氣溫10.0～10.1 ℃，年平均降水量478.3～546.5 mm，年平均蒸發(fā)量1 227.1～1 647.1 mm，土壤最大凍結(jié)深度48～82 cm。

地表水主要為涇河及其支流茹河、洪河、蒲河等。地下水主要為第四系孔隙潛水，局部為基巖裂隙水。

1.4 地震動(dòng)參數(shù)

沿線地震動(dòng)峰值加速度為0.05～0.15g，地震基本烈度為6～7度，地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期0.45 s。

2 黃土沖溝溯源侵蝕影響因素

黃土沖溝溯源侵蝕是黃土溝在水流沖刷等外力作用下，土體受沖刷部位蝕離母體，使沖溝向源頭侵蝕，并伴隨溝谷加寬、下切的現(xiàn)象(見(jiàn)圖1)。

圖1 黃土沖溝溯源侵蝕典型地貌

2.1 黃土沖溝溯源侵蝕的危害

溯源侵蝕最直接的危害是造成大面積的水土流失及溝谷周邊構(gòu)筑物的破壞，是嚴(yán)重的地質(zhì)災(zāi)害形式之一，具有高隱蔽性、隨機(jī)性大、破壞性強(qiáng)等特點(diǎn)，常對(duì)鐵路工程造成破壞，威脅行車安全，造成人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失，導(dǎo)致極大的社會(huì)不良影響。

2.2 黃土沖溝溯源侵蝕的影響因素

通過(guò)收集沿線國(guó)土資源部門歷史觀測(cè)資料，運(yùn)用土壤侵蝕學(xué)等理論對(duì)平慶線沿線歷史時(shí)期黃土沖溝地貌演變規(guī)律進(jìn)行分析。沿線黃土沖溝溯源侵蝕的影響因素有自然因素和人為因素，自然因素包括地形地貌、強(qiáng)降雨(降水徑流)、土壤性質(zhì)等；人為因素主要是在溝谷周邊不加防護(hù)的亂挖亂排、破壞植被等。溯源侵蝕是以上因素相互疊加的結(jié)果。

(1)地形因素

主要影響因素是地形地貌(溝頭兩側(cè)高中間低地形、坡形坡長(zhǎng)、坡度)及匯水面積等，其中坡度的影響最大。平慶線匯水區(qū)域坡度一般為 3°～10°，在此范圍內(nèi)，坡長(zhǎng)越長(zhǎng)，徑流越強(qiáng)，造成的溯源侵蝕越嚴(yán)重。

(2)降雨因素

區(qū)內(nèi)年平均降水量478.3～546.5 mm，但變化大，大部分集中于7～9月(占年降水量的58.5%)，降雨具有集中、強(qiáng)度高的特點(diǎn)，是形成溯源侵蝕的必要條件。集中連續(xù)的強(qiáng)降雨形成的徑流是沖溝侵蝕的直接誘因。

(3)土壤因素

沿線土壤為黏質(zhì)黃土，土層深厚，土質(zhì)疏松(顆粒多在0.02～0.05 mm間，粉粒占60%～70%)，黏?？紫堵蚀?主要是大孔隙、細(xì)孔隙和毛細(xì)孔隙，孔隙率達(dá)30%～50%)，垂直節(jié)理發(fā)育，抗剪強(qiáng)度低。

沿線土壤具自重濕陷性，在坡面、沖溝及溝頭由雨水沿垂直節(jié)理不斷沖蝕而形成陷穴(陷穴群)，陷穴呈串珠、蜂窩狀分布，直徑0.5～15 m，深度8～20 m，部分陷穴通到溝心，空間分布較復(fù)雜，對(duì)坡面穩(wěn)定影響較大，易發(fā)生溝邊垮塌、崩塌，造成溝頭的前進(jìn)或溝壁的擴(kuò)張。

(4)植被因素

植物可有效提高土壤的抗蝕性，是防止土壤侵蝕的天然屏障。植物根系能起到固結(jié)土體，枝桿落葉起到截流、調(diào)節(jié)徑流速度的作用。區(qū)內(nèi)生態(tài)環(huán)境脆弱，是國(guó)家級(jí)水土流失重點(diǎn)預(yù)防區(qū)和治理區(qū)，沿線植被稀疏，溝谷零星分布灌喬木。

(5)人為因素

溝頭土地過(guò)度開(kāi)發(fā)和不加防護(hù)措施的泄水排洪、植被破壞等人為因素會(huì)加速溝頭的溯源侵蝕。

3 黃土沖溝溯源侵蝕形成機(jī)理特征及侵蝕過(guò)程

3.1 黃土沖溝溯源侵蝕形成機(jī)理

黃土沖溝是區(qū)域典型的負(fù)地貌類型，溝蝕是平慶線常見(jiàn)的黃土侵蝕形式，通常是受徑流動(dòng)力和自身重力共同作用下形成。黃土沖溝侵蝕表現(xiàn)為沿溝頭的溯源侵蝕、溝岸的橫向侵蝕和溝底的下切侵蝕。按照其形成機(jī)理分為水力沖刷、陷穴誘發(fā)、裂縫誘發(fā)、地震誘發(fā)和人為誘發(fā)等類型。

(1)水力沖刷型

黃土具有水敏性，遇水后抗蝕性迅速降低。水力沖刷是強(qiáng)降雨形成的徑流對(duì)溝頭的沖刷、側(cè)向淘蝕和溝底的下切，并伴隨溝壁坍塌、滑塌，使溝頭前進(jìn)，每次強(qiáng)降雨可前進(jìn)數(shù)米。這種侵蝕主要引起溝頭侵蝕，常發(fā)生在主溝或者支溝溝頭，是沖溝侵蝕的第一階段。水力沖刷是平慶線溝頭最普遍的溯源侵蝕形式。

(2)陷穴誘發(fā)型

黃土的滲透性較強(qiáng)，沿線黃土具濕陷性，從而引起濕陷變形，表現(xiàn)在溝谷周邊形成黃土漏斗或陷坑。陷穴受雨水、徑流的入滲形成串珠，進(jìn)而形成張裂縫，遇到徑流后土體會(huì)發(fā)生坍塌、滑塌或崩塌，導(dǎo)致溝頭前進(jìn)、溝岸擴(kuò)張(見(jiàn)圖2)。

圖2 陷穴誘發(fā)型形成示意

(3)裂縫誘發(fā)型

黃土垂直節(jié)理發(fā)育，土體被分割成塊體的結(jié)構(gòu)面，破壞了土體的整體性和連續(xù)性，增大了土體的滲透力，易在溝道邊形成細(xì)小的裂隙，雨水沿裂隙下滲發(fā)育成裂縫，裂縫受徑流作用后發(fā)生坍塌、滑塌或崩塌，造成溝頭前進(jìn)或溝岸擴(kuò)張(見(jiàn)圖3)。

圖3 裂縫誘發(fā)型形成示意

(4)地震誘發(fā)型

沿線屬高強(qiáng)度地震區(qū)，受地震的影響而發(fā)生的溝頭和溝壁滑塌、滑坡等現(xiàn)象比較明顯。

(5)人為誘發(fā)型

隨著人類活動(dòng)的加強(qiáng)，人們常將溝頭周邊的土地過(guò)度開(kāi)發(fā)利用，破壞了植被，并將地面徑流排入無(wú)防護(hù)的沖溝內(nèi)，人為加速了侵蝕強(qiáng)度。

從平慶線沖溝溯源侵蝕分析，水力沖刷是溯源侵蝕的根源，陷穴和裂縫誘發(fā)危害程度最高，人為誘發(fā)加劇了侵蝕強(qiáng)度。

3.2 黃土沖溝溯源侵蝕特征及發(fā)生過(guò)程

土壤是侵蝕的主體，土體的力學(xué)參數(shù)(土壤內(nèi)聚力、內(nèi)摩擦角、土壤容重、顆粒組成及結(jié)構(gòu)等)、水理特性(滲水性、收縮膨脹性、崩解性等)和力學(xué)特性(抗剪強(qiáng)度、濕陷性等)決定著土壤的可蝕性。從時(shí)序上分為水力沖刷、水力重力共同作用和重力侵蝕三個(gè)過(guò)程。

(1)水力沖刷階段

侵蝕溝形成的初始階段，主要是徑流水平方向的剪切力大于土壤抗剪力，導(dǎo)致侵溝向長(zhǎng)發(fā)展，過(guò)程為濺蝕—面蝕(或片蝕)—潛蝕—溝蝕—沖蝕，其特點(diǎn)是溝谷發(fā)展極快，溝底狹窄，溝槽呈“V”形。

(2)水力和重力共同作用階段

黃土大孔隙及垂直節(jié)理構(gòu)造發(fā)育是水力和重力侵蝕的主因，表現(xiàn)為徑流對(duì)溝底的下切，溝腳掏蝕，當(dāng)溝壁土體在自身重力作用下失穩(wěn)時(shí)，便發(fā)生溝壁崩塌和滑塌，形成重力侵蝕。同時(shí)，徑流使溝床下切，溝岸坡變陡，溝岸頻發(fā)滑塌、崩塌。該階段水力和重力侵蝕交互作用，橫斷面呈“U ”形，侵蝕切入母質(zhì)，形成侵蝕溝系，且具有隨機(jī)性、突發(fā)性的特點(diǎn)。水流剪切是溝道下切的動(dòng)力，溝頭侵蝕改變了溝的長(zhǎng)度，溝岸侵蝕則影響著溝的寬度。

(3)重力侵蝕階段

溝岸不穩(wěn)定斜坡或懸空面在降水、地表徑流、黃土干濕、冷熱、凍融等作用下，土體失去平衡而產(chǎn)生位移，其特點(diǎn)是蝕持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，溝壁呈垂直狀，溝底較平緩。該階段主要發(fā)生橫向侵蝕，使沖溝加寬。

(4)侵蝕速率

侵蝕速率主要取決于沖溝溝頭附近匯流面積、土壤與地形條件、采取的水土保持措施、降雨強(qiáng)度及發(fā)生的頻次等。

確定溝谷侵蝕速率，必須依靠多年數(shù)據(jù)集累。通過(guò)收集沿線國(guó)土資源部門的歷史地貌演變資料，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)勘察，平慶線侵蝕活動(dòng)主要為現(xiàn)代侵蝕。通過(guò)科學(xué)分析，溝頭前進(jìn)速率為0.44～6.5 m/a，下切速率0.03～0.32 m/a，加寬速率為0.10～0.64 m/a。隨著人類防護(hù)意識(shí)的加強(qiáng)，侵蝕速率有趨低的可能。

3.3 黃土沖溝溯源侵蝕監(jiān)測(cè)方法

做好溯源侵蝕的防治工作，需采用恰當(dāng)?shù)谋O(jiān)測(cè)方法，積累大量有效的數(shù)據(jù)，進(jìn)行科學(xué)的分析，以指導(dǎo)工程設(shè)計(jì)。目前常用的監(jiān)測(cè)方法有測(cè)量法、侵蝕針?lè)ā?shù)字地圖法、航片解譯法等。監(jiān)測(cè)方法須根據(jù)研究地區(qū)的特征(包括范圍、地形地貌、水系等)、項(xiàng)目精度要求等選取適當(dāng)?shù)姆椒?。本工程采用歷史地貌演變規(guī)律，并將地形調(diào)查與航片解譯相結(jié)合，達(dá)到了項(xiàng)目的精度要求，說(shuō)明監(jiān)測(cè)方法應(yīng)該是根據(jù)項(xiàng)目精度要求，選擇一種或幾種方法的有機(jī)結(jié)合。

4 黃土沖溝溯源侵蝕對(duì)鐵路工程及線路方案的影響案例

通過(guò)對(duì)黃土溝谷侵蝕誘因、類型、機(jī)理的綜合分析，得出了侵溝溝頭、溝底下切及側(cè)蝕速率。鐵路主體工程使用年限為100年，因此橋梁、隧道、路基等工程設(shè)計(jì)需考慮100年內(nèi)溝谷侵蝕量，確保鐵路在壽命期內(nèi)安全。溝頭溯源侵蝕對(duì)鐵路工程主要有溝頭前進(jìn)、沖溝側(cè)蝕和沖溝下切三方面的影響。

4.1 溝頭侵蝕對(duì)鐵路工程的影響

清水溝為董志塬西側(cè)支溝，線路于溝頭以路基工程通過(guò)，該溝溝頭呈樹(shù)枝狀，支溝發(fā)育。通過(guò)歷史資料、現(xiàn)場(chǎng)勘察，溝頭前進(jìn)速率為6.5 m/a。線路若在推測(cè)侵蝕線以內(nèi)，該段路基工程存在安全隱患，為確保工程安全，該段線路應(yīng)走行在推測(cè)侵蝕線以外(見(jiàn)圖4)。

圖4 溝頭侵蝕地形示意

4.2 側(cè)蝕對(duì)鐵路工程的影響

南小河溝是董志塬塬邊的黃土沖溝，為蒲河較大支溝。地層主要為第四系黏質(zhì)黃土，黃土具Ⅱ級(jí)自重濕陷性(濕陷土層厚度12.0～17.0 m)，土壤具弱膨脹性，地震動(dòng)峰值加速度為0.05g。沖溝呈“V”形，兩岸地形破碎，岸坡陡立(坡面坡度達(dá)35%～40%)。受多年侵蝕作用，工程地質(zhì)條件較差，溝谷坡面滑坡、錯(cuò)落、溜坍、黃土陷穴發(fā)育。受此影響，溝谷側(cè)蝕嚴(yán)重。

該處以橋梁跨越南小河溝，橋臺(tái)位于溝岸頂面。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘察，結(jié)合歷史側(cè)蝕成果，側(cè)蝕速率高達(dá)0.65 m/a，側(cè)蝕主要對(duì)該橋橋臺(tái)位置產(chǎn)生影響。為此結(jié)合地形地質(zhì)條件對(duì)該橋孔跨形式進(jìn)行了合理布設(shè)，橋臺(tái)選擇布置在推測(cè)側(cè)蝕線以外65 m的塬面上，避免了因側(cè)蝕使橋臺(tái)裸露，甚至使橋臺(tái)處于臨空狀態(tài)，導(dǎo)致橋梁失穩(wěn)的安全隱患(見(jiàn)圖5、圖6)。

圖5 沖溝側(cè)蝕地形示意

圖6 沖溝側(cè)蝕橋臺(tái)布置示意

4.3 沖溝下切對(duì)鐵路工程的影響

平慶線地處黃土溝壑梁峁區(qū)高達(dá)78 km，受地形條件控制，工程橋隧相連，線路不可避免地在黃土沖溝下以隧道工程穿越。由于沿線沖溝深切，導(dǎo)致沖溝處隧道淺埋，但黃土沖溝存在下切，若沖溝下切至隧道拱頂，使襯砌裸露，隨時(shí)可能發(fā)生冒頂，導(dǎo)致鐵路運(yùn)營(yíng)安全事故發(fā)生。為此，選線時(shí)需根據(jù)沖溝下切速率，結(jié)合工程安全需要，確保沖溝淺埋隧道拱頂距離達(dá)到安全值(見(jiàn)圖7)。

圖7 沖溝下切與隧道工程布置示意

5 黃土沖溝溯源侵蝕防治措施

溯源侵蝕防治措施分為塬面措施和溝底措施。塬面措施是在溝頭上方來(lái)水方向攔蓄、分散徑流，達(dá)到鞏固溝岸的目的；溝底措施是在溝底修筑地壩和引洪漫地，削減洪峰，調(diào)節(jié)徑流，防止溝床下切。

采用工程措施與植被防護(hù)的有機(jī)結(jié)合，建立塬面與溝底綜合防御體系是有效的防治措施，常用的防治措施有圍堰林帶式、澇池圍墻式、分段蓄水堰式等。平慶線擬采用防治措施如下：

(1)塬面侵溝頭地形為扇面且坡向均勻(坡度小于5%)的溝頭設(shè)圍堰、修筑蓄水堰、種植林草等，起到在溝頭阻止徑流的作用。

(2)塬面侵溝頭以上為荒地時(shí)，采用在溝頭分段修筑蓄水堰(高2～4 m的小土壩)，用于蓄存徑流，起到鞏固溝岸的作用。

(3)溝底防治措施：主要方式是修筑溝底谷坊，防止溝床下切。

6 結(jié)論

(1)溝頭溯源侵蝕是黃土溝壑梁峁區(qū)主要地質(zhì)災(zāi)害之一，其發(fā)生受多因素制約且具有高隱蔽性和隨機(jī)性，常給鐵路工程造成安全隱患。

(2)采用理論分析與野外勘察相結(jié)合的方法，通過(guò)對(duì)黃土沖溝溯源侵蝕特征及形成機(jī)理、侵蝕過(guò)程及監(jiān)測(cè)方法的研究，得出本工程黃土溝谷溝頭、下切、側(cè)侵年平均速率范圍。

(3)通過(guò)工程實(shí)例總結(jié)了黃土沖溝溯源侵蝕對(duì)平慶線工程及線路方案的影響，并提出了防治措施，為平慶線選線提供科學(xué)依據(jù)，為類似地區(qū)工程設(shè)計(jì)提供借鑒。

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Analysis on the Effect of the Loess Ravine Regions’ Head-Erosion on the Pingqing Line

ZHOU Anli

2016-07-04

周安荔(1966—)，男，1991年畢業(yè)于上海鐵道學(xué)院鐵道工程專業(yè)，工學(xué)學(xué)士，高級(jí)工程師。

1672-7479(2016)05-0045-04

P642.13+1； U212.32

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