張文偉

(中土集團福州勘察設(shè)計研究院有限公司 福建福州 350000)

1 引言

中東尤其是伊朗、阿聯(lián)酋國家大部分城市區(qū)域為沙漠地區(qū)，地勢廣闊平坦；同時處于干旱亞熱帶氣候區(qū)，全年炎熱干旱，雨季集中在每年11～5月且雨量較大。當(dāng)?shù)胤植急容^廣泛的筑路材料為風(fēng)積砂，風(fēng)積砂級配單一、通常以細砂為主。采用該種材料填筑路基，在當(dāng)?shù)貧夂颦h(huán)境下，易產(chǎn)生風(fēng)蝕、雨水沖刷等病害，因此，需考慮對邊坡進行防護。

國內(nèi)針對沙漠路堤段所采用的邊坡工程防護主要為漿砌片石或者混凝土護坡、碎石包邊土等方式[1]；植物防護主要采用客土噴播以及三維土工網(wǎng)植草技術(shù)，防沖刷效果較好[2-3]。除此外，近年來采用各種加固劑、加固材料用于邊坡土體固化增加其防沖刷效果，取得了一定成就[4]。

但中東沙漠地區(qū)獲取碎石、混凝土成本高，全年氣候炎熱以及政策要求難以實施植物防護。主要成分是中細砂與高黏粒含量的Gatch料作為當(dāng)?shù)亓硪环N分布較為廣泛且易獲取的填料，摻水拌和壓實后具有防沖刷特性，可作為包邊土設(shè)計使用，且維修養(yǎng)護方法簡單，成本低。缺點是不能徹底解決風(fēng)蝕及雨水沖刷的問題，若未及時維修養(yǎng)護，可能引起路基本體結(jié)構(gòu)性破壞，影響路基正常使用。為有效地評價Gatch料作為鐵路路基包邊土的可行性，本文以阿聯(lián)酋地區(qū)某鐵路項目為例，通過對路堤邊坡的侵蝕性評價方法進行討論，并基于該評價方法建立了相應(yīng)的監(jiān)測-維護方案。同時，對該評價-監(jiān)測-維護方案體系的應(yīng)用效果進行驗證，為類似工程項目實施提供一定借鑒意義。

2 路堤易侵蝕性評價方法

對路堤邊坡易侵蝕性的評價是監(jiān)測-維護方案的前提條件，一段路基的易侵蝕性越高則其監(jiān)測頻率和修復(fù)成本越高，因此必須將路基段各個條件因素考慮在內(nèi)對其易侵蝕性作出合理評價。

20世紀(jì)70年代，美國農(nóng)業(yè)部提出了基于因降雨造成的平均土壤流失的侵蝕方程(USLE)[5]，其公式如下所示:

式中，A為單位面積土壤流失值；R為降雨徑流因素；K為某一類土體易侵蝕系數(shù)，與填料性質(zhì)直接相關(guān)(主要是級配)；L為邊坡長度因素；S為邊坡率因素；C為邊坡上覆蓋層因素，其與邊坡的植被覆蓋相關(guān)；P為支護因素，主要取決于相關(guān)防侵蝕措施。

該侵蝕方程在世界范圍內(nèi)廣泛使用，并在上世紀(jì)80年代后美國研究人員基于該方程提出了多種預(yù)測模型，在一定程度上對邊坡沖刷侵蝕進行了預(yù)測[6-7]；國內(nèi)自上世紀(jì)90年代起開始嘗試USLE在國內(nèi)的應(yīng)用，提出了基于水力學(xué)的坡面沖刷公式，基于沖刷能量的坡面沖刷強度等理論公式[8-9]。

在實際工程實踐中，只需要得到路堤段的相對易侵蝕性以確定其監(jiān)測-修復(fù)措施而無需絕對值，且需要注意的是:沿線的降水量難以量化；相同的鐵路項目設(shè)計中，路堤的坡率以及防護措施是固定的；中東沙漠地區(qū)路堤邊坡不存在植被覆蓋。

考慮到上述因素，本文將土壤流失方程作出簡化得出相對易侵蝕系數(shù)V:

式中，L為邊坡長度因素；E為填料易侵蝕性因素，V、L、E都為無量綱量。

簡化后方程表示同一鐵路項目下某段路基的相對易侵蝕系數(shù)只受到其邊坡長度以及其Gatch填料性質(zhì)影響。

在實際工程實踐中，由不同取土場得來的Gatch料其級配與細粒含量不同進而造成其易侵蝕性不同，因此原易侵蝕系數(shù)K在工程實踐中不再適用[10]，為了細分量化不同性質(zhì)的Gatch料的易侵蝕性，本文重新定義了填料易侵蝕性因素E，其值需要通過Gatch料質(zhì)量系數(shù)(QI)公式求得[11]:

式中，P0.063mm細粒含量用百分比表示；D50為填料的平均粒度；PI塑性指數(shù)用百分比表示；a、b、c分別為加權(quán)系數(shù)，根據(jù)實踐中三個系數(shù)對填料質(zhì)量影響的重要程度，分別取值 0.5、0.2、0.3。

通過上式可知Gatch料質(zhì)量系數(shù)(QI)越高，填料易侵蝕因素E越低。

經(jīng)過工程實踐和設(shè)計經(jīng)驗總結(jié)，相對易侵蝕系數(shù)V可通過表1得出。

表1 邊坡相對易侵蝕性系數(shù)V取值

通過表1可以量化邊坡的相對易侵蝕性，并將其分為3個等級，從V1～V3其易侵蝕性逐漸增高。同時應(yīng)注意:邊坡易侵蝕性是隨著填料和路堤高度線性變化的，可以通過統(tǒng)計方法確定整段路堤的易侵蝕性；該評價方法作為預(yù)測性評價，需要在實際檢測-維護工程實踐中對其評價結(jié)果作出修正。

3 監(jiān)測方案

在局部15 cm的侵蝕深度不會破壞鐵路路堤正常使用的前提下，監(jiān)測-修復(fù)方案通過監(jiān)測Gatch包邊土層的沖刷侵蝕情況并進行相應(yīng)的修復(fù)工作，以保證路堤路基本體不會產(chǎn)生結(jié)構(gòu)性破壞進而影響鐵路正常使用。

3.1 監(jiān)測頻率

監(jiān)測頻率與邊坡易侵蝕性評價結(jié)果正相關(guān)。在工程實踐中發(fā)現(xiàn)，對于易侵蝕性V3等級的Gatch包邊土層會在雨季強降水后出現(xiàn)最大10 cm深的沖溝，因此針對V3等級的路堤段采用每年4次的監(jiān)測頻率。而V2以及V1的路堤段通過實際監(jiān)測可發(fā)現(xiàn)其受侵蝕破壞程度不高，因此其監(jiān)測頻率遞減，分別采用每年2次以及1次的監(jiān)測頻率。

此外應(yīng)注意，通過多年氣象報告統(tǒng)計可知中東地區(qū)雨季集中在12～5月份，尤其3～5月降水量最高，沖刷侵蝕破壞基本發(fā)生在強降水之后，因此對于監(jiān)測活動的安排應(yīng)符合兩條原則:

(1)應(yīng)在每一年的旱季進行一次監(jiān)測活動，以評估邊坡保護層在整個雨季后的沖刷破壞程度，進而決定需要采取的修復(fù)措施；

(2)其余的監(jiān)測活動應(yīng)集中在雨季進行，對于V3等級的邊坡需在強降水后及時監(jiān)測并采取修復(fù)措施，保證沖溝深度不會超出15 cm，影響鐵路正常使用。

3.2 侵蝕評估

評估邊坡破壞程度的準(zhǔn)確性決定了采取的修復(fù)方案合理性。監(jiān)測方式主要是人工巡查并對邊坡的沖刷侵蝕情況作出目測評估，以確認邊坡沖刷侵蝕破壞類型及破壞程度，并對應(yīng)采取的措施作出建議。為能夠精確評估邊坡沖刷侵蝕破壞程度，本文將其分為5個等級(S0～S4)。

S0(表面輕微侵蝕):侵蝕表現(xiàn)為非常細小的細溝(0～2 cm深)，深度較淺，發(fā)育不良。這些細溝的間距通常超過5 m，偶爾可以在斜坡底部發(fā)現(xiàn)少量的碎屑堆積，可不作處理繼續(xù)監(jiān)測。

S1(細溝):細溝由輕微侵蝕發(fā)育形成，細溝間距1～5 m，深2～5 cm。在細溝所在路堤坡腳會發(fā)現(xiàn)少量碎屑堆積物。應(yīng)平整路肩并采取排水措施，繼續(xù)監(jiān)測。

S2(深沖溝):由細溝持續(xù)沖刷侵蝕發(fā)育而來，通過坡面侵蝕搬運于坡腳形成堆積扇。具體表現(xiàn)為5～15 cm深的溝道，沿著斜坡發(fā)育，間距小于1 m，坡腳存在明顯堆積扇。應(yīng)平整路肩并采取排水措施，并采用R1級修復(fù)方案。

S3(沖溝網(wǎng)):由深沖溝持續(xù)侵蝕發(fā)育而來，形成大于15 cm深度的交錯網(wǎng)狀沖溝，并在坡腳形成重疊的堆積扇。對路堤邊坡產(chǎn)生明顯破壞并影響鐵路正常使用。應(yīng)平整路肩并采取排水措施，并采用R1級修復(fù)方案。

S4(坡面滑塌):長時間降雨或暴雨期間，坡面會發(fā)生滑塌破壞(破壞面深度通常在1.2 m以下)。在回填材料符合設(shè)計要求以及保證監(jiān)測頻率下一般不會出現(xiàn)S4級的邊坡破壞。在這種破壞情況下應(yīng)采用下文的R2級修復(fù)方案。

在工程實踐中通?？砂凑招枨笾谱鞅O(jiān)測表，將監(jiān)測時間、范圍以及評估結(jié)果記錄在內(nèi)。同時在工程實踐中若遇到侵蝕破壞較嚴(yán)重的路堤段或者降水情況較往年更嚴(yán)重的情況下，可適當(dāng)提高監(jiān)測頻率，保證邊坡不會出現(xiàn)S3及以上的破壞。

4 修復(fù)方案

修復(fù)工程應(yīng)分為坡頂沖刷侵蝕起始點的修復(fù)以及坡面沖溝侵蝕面的修復(fù)兩部分。應(yīng)注意采用濕法壓實以保證其壓實度，開挖回填范圍不小于壓實機寬度以便于施工。

通過工程實踐，本文針對不同等級的邊坡侵蝕破壞等級提出了兩種修復(fù)方案。

R1:坡頂侵蝕凹槽應(yīng)從底部10 cm深度處移除，回填設(shè)計要求填料并壓實。坡面5～10 cm深度細溝無需修復(fù)，繼續(xù)保持監(jiān)測；10～15 cm沖溝左右兩側(cè)50 cm范圍內(nèi)移除至15 cm深度，回填設(shè)計要求填料并壓實。

R2:坡頂侵蝕凹槽應(yīng)從底部10 cm深度處移除，回填設(shè)計要求填料并壓實。坡面應(yīng)明確不穩(wěn)定區(qū)，并對不穩(wěn)定區(qū)包邊土全部移除重新按照設(shè)計要求施工。

需要注意的是，相較于危害較輕的邊坡沖刷侵蝕的監(jiān)測修復(fù)工程，沙漠路堤段主要進行的維護工程是清除沿線風(fēng)沙堆積以保證鐵路正常運營。根據(jù)氣象資料(見圖1)，雨季主要集中在11～5月，而風(fēng)沙危害較大的月份集中在春夏季節(jié)(3～10月)，二者時間上略有重疊。

圖1 降水與風(fēng)沙季節(jié)性分布示意

因此在采用本文提出的監(jiān)測-修復(fù)方案情況下，后期維護可以在雨季完成沖刷侵蝕的監(jiān)測修復(fù)，而在其他季節(jié)完成清除風(fēng)沙的維護工程，實現(xiàn)全年維護工作無沖突。

5 工程實踐

以某中東地區(qū)鐵路工程項目10 km路堤段作為工程實踐，以驗證本文提出的邊坡易侵蝕評價方法的準(zhǔn)確性以及檢測-維護方案的可行性。

5.1 邊坡易侵蝕性評價

首先通過該段路堤Gatch填料性質(zhì)確定填料質(zhì)量系數(shù)QI，進而確定易侵蝕性因素E值，其取值如表2所示。

表2 填料易侵蝕性因素E值

在得到E值后將邊坡高度考慮在內(nèi)，通過表1計算得到邊坡易侵蝕性系數(shù)V值如圖2所示。

圖2 邊坡易侵蝕性系數(shù)示意

可以從圖2看出該段路堤處于V3等級的路堤段較多，根據(jù)工程實踐保守估計，可將該段路堤整體確定為V3等級，即該段路堤整體易侵蝕性較高，抗沖刷能力差。

5.2 監(jiān)測-修復(fù)方案

基于該段路堤整體易侵蝕性等級為V3，初步計劃雨季集中監(jiān)測3次并在旱季開始后監(jiān)測1次。在該段施工完成后的4～5月份進入強降雨季，其中出現(xiàn)一周降水5 d的高頻率降水情況。4月份結(jié)束后進行了現(xiàn)場監(jiān)測，路堤坡面存在5～10 cm細溝，局部路段出現(xiàn)沖溝網(wǎng)，侵蝕破壞程度達到S3，如圖3所示。該監(jiān)測結(jié)果與預(yù)測的邊坡易侵蝕性等級V3相符，說明該評測方法可靠。

圖3 邊坡沖刷侵蝕破壞

監(jiān)測評估完成后采用R1級修復(fù)方案，對坡頂侵蝕凹槽進行移除，回填設(shè)計要求填料并壓實。坡面10～15 cm沖溝左右兩側(cè)50 cm范圍內(nèi)移除至15 cm深度，回填設(shè)計要求填料并壓實，壓實采用鋼輥壓實至最佳狀態(tài)。修復(fù)后如圖4所示。

圖4 邊坡修復(fù)后

6 結(jié)論

本文基于土壤流失方程提出一種邊坡易侵蝕性評價方法，并以該方法為基礎(chǔ)設(shè)計了完整的監(jiān)測-修復(fù)方案，通過工程實踐證明:邊坡易侵蝕性評價方法很好地結(jié)合了中東地區(qū)包邊土填料特性，能夠準(zhǔn)確地評價路堤邊坡易侵蝕性；提出的監(jiān)測-修復(fù)方案針對性強，評價方法簡單準(zhǔn)確并且充分利用中東地區(qū)后期維護工程特點，成本低且效果明顯。該評價方法可為中東地區(qū)鐵路路基邊坡防護方案提供有意義的參考。