淺析黃土沖溝溯源侵蝕對平慶鐵路的影響

周安荔

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司，陜西西安 710043)

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淺析黃土沖溝溯源侵蝕對平慶鐵路的影響

周安荔

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司，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，分析侵蝕形成機理、特征及過程，得出侵蝕年平均速率范圍，并提出監(jiān)測方法。通過工程實例總結了黃土沖溝溯源侵蝕對鐵路工程及線路方案的影響，提出可行的防治措施；應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)鐵路選線提供科學依據(jù)，為類似工程設計提供借鑒。

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，線路東起慶陽市，經(jīng)鎮(zhèn)原縣西至平?jīng)鍪校傮w呈東西走向，全長122.4 km。本項目是定西至平?jīng)鲋翍c陽鐵路通道的重要組成部分，構筑了蘭州至平?jīng)鲋翍c陽間新的運輸徑路，具有促進區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展、填補路網(wǎng)空白的作用，對促進連片特困地區(qū)和革命老區(qū)脫貧致富意義重大。

線路依次經(jīng)過黃土塬、黃土梁峁溝壑區(qū)、河谷區(qū)三個地貌單元。黃土塬邊、梁峁溝壑區(qū)沖溝發(fā)育，溝谷深切，岸坡高陡，不良地質非常發(fā)育，特別是黃土沖溝溯源侵蝕強烈，對工程設置及鐵路選線有較大影響。以沖溝溯源侵蝕為研究對象，探討溯源侵蝕的主要因素、類型、特征及形成機理，得出侵蝕年平均速率，總結黃土沖溝溯源侵蝕對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依據(jù)。

1 沿線地質概況

1.1 地形地貌

線路經(jīng)過我國黃土高原中心區(qū)，區(qū)內地貌由塬面、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地形的溝谷組成。線路穿越黃土梁峁溝壑區(qū)長度約78 km，占線路長度60%。溝壑縱橫是是該區(qū)的地貌特征。

1.2 地層巖性及地質構造

沿線出露地層主要有第四系(Q)黏性土、黏質黃土、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)地質構造不發(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 地震動參數(shù)

沿線地震動峰值加速度為0.05～0.15g，地震基本烈度為6～7度，地震動反應譜特征周期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筑物的破壞，是嚴重的地質災害形式之一，具有高隱蔽性、隨機性大、破壞性強等特點，常對鐵路工程造成破壞，威脅行車安全，造成人員傷亡和經(jīng)濟損失，導致極大的社會不良影響。

2.2 黃土沖溝溯源侵蝕的影響因素

通過收集沿線國土資源部門歷史觀測資料，運用土壤侵蝕學等理論對平慶線沿線歷史時期黃土沖溝地貌演變規(guī)律進行分析。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、強降雨(降水徑流)、土壤性質等；人為因素主要是在溝谷周邊不加防護的亂挖亂排、破壞植被等。溯源侵蝕是以上因素相互疊加的結果。

(1)地形因素

主要影響因素是地形地貌(溝頭兩側高中間低地形、坡形坡長、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，坡長越長，徑流越強，造成的溯源侵蝕越嚴重。

(2)降雨因素

區(qū)內年平均降水量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、強度高的特點，是形成溯源侵蝕的必要條件。集中連續(xù)的強降雨形成的徑流是沖溝侵蝕的直接誘因。

(3)土壤因素

沿線土壤為黏質黃土，土層深厚，土質疏松(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、細孔隙和毛細孔隙，孔隙率達30%～50%)，垂直節(jié)理發(fā)育，抗剪強度低。

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，空間分布較復雜，對坡面穩(wěn)定影響較大，易發(fā)生溝邊垮塌、崩塌，造成溝頭的前進或溝壁的擴張。

(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土體，枝桿落葉起到截流、調節(jié)徑流速度的作用。區(qū)內生態(tài)環(huán)境脆弱，是國家級水土流失重點預防區(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

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

3 黃土沖溝溯源侵蝕形成機理特征及侵蝕過程

3.1 黃土沖溝溯源侵蝕形成機理

黃土沖溝是區(qū)域典型的負地貌類型，溝蝕是平慶線常見的黃土侵蝕形式，通常是受徑流動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。水力沖刷是強降雨形成的徑流對溝頭的沖刷、側向淘蝕和溝底的下切，并伴隨溝壁坍塌、滑塌，使溝頭前進，每次強降雨可前進數(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，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，進而形成張裂縫，遇到徑流后土體會發(fā)生坍塌、滑塌或崩塌，導致溝頭前進、溝岸擴張(見圖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構面，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，造成溝頭前進或溝岸擴張(見圖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

隨著人類活動的加強，人們常將溝頭周邊的土地過度開發(fā)利用，破壞了植被，并將地面徑流排入無防護的沖溝內，人為加速了侵蝕強度。

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)加劇了侵蝕強度。

3.2 黃土沖溝溯源侵蝕特征及發(fā)生過程

土壤是侵蝕的主體，土體的力學參數(shù)(土壤內聚力、內摩擦角、土壤容重、顆粒組成及結構等)、水理特性(滲水性、收縮膨脹性、崩解性等)和力學特性(抗剪強度、濕陷性等)決定著土壤的可蝕性。從時序上分為水力沖刷、水力重力共同作用和重力侵蝕三個過程。

(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，導致侵溝向長發(fā)展，過程為濺蝕—面蝕(或片蝕)—潛蝕—溝蝕—沖蝕，其特點是溝谷發(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)理構造發(fā)育是水力和重力侵蝕的主因，表現(xiàn)為徑流對溝底的下切，溝腳掏蝕，當溝壁土體在自身重力作用下失穩(wěn)時，便發(fā)生溝壁崩塌和滑塌，形成重力侵蝕。同時，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，形成侵蝕溝系，且具有隨機性、突發(fā)性的特點。水流剪切是溝道下切的動力，溝頭侵蝕改變了溝的長度，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，其特點是蝕持續(xù)時間長，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。通過收集沿線國土資源部門的歷史地貌演變資料，結合現(xiàn)場勘察，平慶線侵蝕活動主要為現(xiàn)代侵蝕。通過科學分析，溝頭前進速率為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。隨著人類防護意識的加強，侵蝕速率有趨低的可能。

3.3 黃土沖溝溯源侵蝕監(jiān)測方法

做好溯源侵蝕的防治工作，需采用恰當?shù)谋O(jiān)測方法，積累大量有效的數(shù)據(jù)，進行科學的分析，以指導工程設計。目前常用的監(jiān)測方法有測量法、侵蝕針法、數(shù)字地圖法、航片解譯法等。監(jiān)測方法須根據(jù)研究地區(qū)的特征(包括范圍、地形地貌、水系等)、項目精度要求等選取適當?shù)姆椒ā１竟こ滩捎脷v史地貌演變規(guī)律，并將地形調查與航片解譯相結合，達到了項目的精度要求，說明監(jiān)測方法應該是根據(jù)項目精度要求，選擇一種或幾種方法的有機結合。

4 黃土沖溝溯源侵蝕對鐵路工程及線路方案的影響案例

通過對黃土溝谷侵蝕誘因、類型、機理的綜合分析，得出了侵溝溝頭、溝底下切及側蝕速率。鐵路主體工程使用年限為100年，因此橋梁、隧道、路基等工程設計需考慮100年內溝谷侵蝕量，確保鐵路在壽命期內安全。溝頭溯源侵蝕對鐵路工程主要有溝頭前進、沖溝側蝕和沖溝下切三方面的影響。

4.1 溝頭侵蝕對鐵路工程的影響

清水溝為董志塬西側支溝，線路于溝頭以路基工程通過，該溝溝頭呈樹枝狀，支溝發(fā)育。通過歷史資料、現(xiàn)場勘察，溝頭前進速率為6.5 m/a。線路若在推測侵蝕線以內，該段路基工程存在安全隱患，為確保工程安全，該段線路應走行在推測侵蝕線以外(見圖4)。

圖4 溝頭侵蝕地形示意

4.2 側蝕對鐵路工程的影響

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黃土，黃土具Ⅱ級自重濕陷性(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35%～40%)。受多年侵蝕作用，工程地質條件較差，溝谷坡面滑坡、錯落、溜坍、黃土陷穴發(fā)育。受此影響，溝谷側蝕嚴重。

該處以橋梁跨越南小河溝，橋臺位于溝岸頂面。根據(jù)現(xiàn)場勘察，結合歷史側蝕成果，側蝕速率高達0.65 m/a，側蝕主要對該橋橋臺位置產(chǎn)生影響。為此結合地形地質條件對該橋孔跨形式進行了合理布設，橋臺選擇布置在推測側蝕線以外65 m的塬面上，避免了因側蝕使橋臺裸露，甚至使橋臺處于臨空狀態(tài)，導致橋梁失穩(wěn)的安全隱患(見圖5、圖6)。

圖5 沖溝側蝕地形示意

圖6 沖溝側蝕橋臺布置示意

4.3 沖溝下切對鐵路工程的影響

平慶線地處黃土溝壑梁峁區(qū)高達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，隨時可能發(fā)生冒頂，導致鐵路運營安全事故發(fā)生。為此，選線時需根據(jù)沖溝下切速率，結合工程安全需要，確保沖溝淺埋隧道拱頂距離達到安全值(見圖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水方向攔蓄、分散徑流，達到鞏固溝岸的目的；溝底措施是在溝底修筑地壩和引洪漫地，削減洪峰，調節(jié)徑流，防止溝床下切。

采用工程措施與植被防護的有機結合，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，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 結論

(1)溝頭溯源侵蝕是黃土溝壑梁峁區(qū)主要地質災害之一，其發(fā)生受多因素制約且具有高隱蔽性和隨機性，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合的方法，通過對黃土沖溝溯源侵蝕特征及形成機理、侵蝕過程及監(jiān)測方法的研究，得出本工程黃土溝谷溝頭、下切、側侵年平均速率范圍。

(3)通過工程實例總結了黃土沖溝溯源侵蝕對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依據(jù)，為類似地區(qū)工程設計提供借鑒。

[1] 中鐵第一勘察設計院集團有限公司.平慶線可行性研究地質說明書[R].西安：中鐵一院，2015

[2] 周福軍.平慶鐵路不同地貌單元滑坡分布規(guī)律研究[J].建筑與工程，2016(13)：21-22

[3] 張哲.董志塬黃土沖溝溯源侵蝕對銀西高鐵的影響[J].鐵道建筑，2015(11)：76-79

[4] 張文杰，等.黃土高原丘陵溝壑區(qū)切溝侵蝕與地形關系分析[J].地球信息科學學報，2014(1)：88-92

[5] 李鎮(zhèn).黃土高原切溝發(fā)育監(jiān)測方法與侵燭模型研究[D].北京：北京林業(yè)大學，2015(6)

[6] 王龍生，等.黃土坡面細溝形態(tài)變化及其與流速之間的關系[J].農業(yè)工程學報，2014(6)：110-115

[7] 沈海鷗，等.黃土坡面細溝侵蝕形態(tài)試驗[J].生態(tài) 學報，2014(10)：5514-5521

[8] 張永東，等.黃土陡坡細溝侵蝕動態(tài)發(fā)育過程及其發(fā)生臨界動力條件試驗研究[J].泥沙研究，2013(2)：25-32

[9] 房江鋒.黃土節(jié)理杭剪強度和滲透性試臉研究及工程應用[D].西安：西安建筑科技大學，2010

[10]凈文常.黃土地區(qū)路基病害分析及防治措施研究[J].城市道橋與防洪，2008(6)：22-23

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)于上海鐵道學院鐵道工程專業(yè)，工學學士，高級工程師。

1672-7479(2016)05-0045-04

P642.13+1； U212.32

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