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(zhì)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(zhì)路基處，陜西 西安 710043)

董志塬是我國現(xiàn)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(jù)銀西高鐵的現(xiàn)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(jù)《高速鐵路設計規(guī)范》(TB 10621—2014)，結(jié)合各類工程的設計特點、使用年限以及董志塬的地質(zhì)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(shù)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(jīng)濟協(xié)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(zhì)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(tǒng)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(tǒng)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(nèi)，最厚處約100 m。全區(qū)下伏基巖主要為白堊系下統(tǒng)的砂巖夾頁巖，基巖面北高南低，最大高差約110 m。區(qū)內(nèi)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(zhì)。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(diào)查及相關(guān)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(jié)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(shù)十米，在沒有暴雨的情況下，溝頭也許數(shù)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(guān)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(cè)外，其余地勢較高。遇到強降水時，徑流集中產(chǎn)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(chǎn)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(tǒng)風積黃土，下部為中更新統(tǒng)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(jīng)雨水浸泡，將進一步發(fā)育，經(jīng)過下陷—崩塌—再下陷—再崩塌，導致陷穴下部聯(lián)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(xiàn)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(jié)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(chǎn)生徑流對溝頭沖刷，使之下切、側(cè)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(jié)構(gòu)，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(jīng)常形成多個“連珠陷穴”［6］，部分陷穴底部相通形成“土橋”，經(jīng)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(xiàn)象也比較明顯。

通過現(xiàn)場實地調(diào)查，將5類溯源侵蝕出現(xiàn)頻率及其危害程度總結(jié)于表1。

表1 各類溯源侵蝕出現(xiàn)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(xiàn)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(cè)的溝坡再次變得陡直，再次發(fā)生一系列的滑塌、崩塌現(xiàn)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(diào)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(cè)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(jù)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(nèi)侵蝕前進的長度可達44.5～656 m，側(cè)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(guān)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(jù)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(chǎn)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(cè)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(nèi)側(cè)距溝邊10.3～63.6 m，那么在無防護的情況下，沖溝兩側(cè)可能側(cè)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(cè)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?jīng)_溝(單位:m)

圖4 沖溝側(cè)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(jù)鐵路工程設計使用年限內(nèi)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(cè)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(cè)及橋梁墩臺外側(cè)距溝頭的距離＞656 m;

2)當線路以橋梁形式跨越?jīng)_溝時，主要考慮沖溝側(cè)蝕趨勢，保證跨越?jīng)_溝的橋臺內(nèi)側(cè)至溝邊的距離＞63.6 m;

3)當線路走向平行于黃土沖溝兩側(cè)時，主要考慮沖溝側(cè)蝕趨勢，保證路基坡腳排水溝外側(cè)及橋梁墩臺外側(cè)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?shù)木嚯x＞32.3 m。

通過多年的地質(zhì)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(cè)滑坡錯落發(fā)育，線路為繞避不良地質(zhì)，選線十分困難。

結(jié)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(cè)656 m范圍內(nèi)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(shù)據(jù)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(cè)63.6 m范圍內(nèi)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(cè)蝕的目的。若橋臺距溝邊＜10 m，應直接對兩側(cè)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(jīng)濟和地質(zhì)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(diào)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?shù)鼐用駭U展了土地面積、方便了交通。

5 結(jié)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(jīng)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(jù)線路與沖溝的關(guān)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(xiàn)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(zhì)學［M］.北京:地質(zhì)出版社，2010.

［2］國家鐵路局.TB 10621—2014 高速鐵路設計規(guī)范［S］.北京:中國鐵道出版社，2013.

［3］陳紹宇，許建民，王文龍，等.黃土高塬溝壑區(qū)董志塬溝頭溯源侵蝕特征及其防治途徑［J］.水土保持通報，2009 (4):37-41.

［4］陳紹宇，許建民，王文龍，等.高塬溝壑區(qū)董志塬溝頭溯源侵蝕典型調(diào)查研究［J］.中國農(nóng)學通報，2009，25(9):258-263.

［5］朱顯謨.黃土區(qū)的洞穴侵蝕［J］.人民黃河，1958(3):43-44.

［6］朱顯謨.涇河流域土壤侵蝕現(xiàn)象及其演變［J］.土壤學報，1954，2(4):209-222.

［7］韓鵬，倪晉仁，李天宏，等.細溝發(fā)育過程中的溯源侵蝕與溝壁崩塌［J］.應用基礎與工程科學學報，2002，10(2): 115-124.

［8］姚文波.歷史時期董志源地貌演變過程及其成因［D］.西安:陜西師范大學，2009.

［9］蔣定生.黃土高原水土流失與治理模式［M］.北京:中國水利水電出版社，1996.

［10］中國國家標準化管理委員會.GB/T 16453.3—2008 水土保持綜合治理技術(shù)規(guī)范 溝壑治理技術(shù)［S］.北京:中國標準出版社，2009.

［11］張勝利，吳祥云.水土保持工程學［M］.北京:科學出版社，2012.

(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