阿聯(lián)酋沙漠重載鐵路路基邊坡降水侵蝕評價(jià)方法及修復(fù)方案研究

張文偉

(中土集團(tuán)福州勘察設(shè)計(jì)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?yàn)樯衬貐^(qū)，地勢廣闊平坦；同時(shí)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(xì)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(jìn)行防護(hù)。

國內(nèi)針對沙漠路堤段所采用的邊坡工程防護(hù)主要為漿砌片石或者混凝土護(hù)坡、碎石包邊土等方式[1]；植物防護(hù)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(shí)施植物防護(hù)。主要成分是中細(xì)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(shí)后具有防沖刷特性，可作為包邊土設(shè)計(jì)使用，且維修養(yǎng)護(hù)方法簡單，成本低。缺點(diǎn)是不能徹底解決風(fēng)蝕及雨水沖刷的問題，若未及時(shí)維修養(yǎng)護(hù)，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(jià)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(xiàng)目為例，通過對路堤邊坡的侵蝕性評價(jià)方法進(jìn)行討論，并基于該評價(jià)方法建立了相應(yīng)的監(jiān)測-維護(hù)方案。同時(shí)，對該評價(jià)-監(jiān)測-維護(hù)方案體系的應(yīng)用效果進(jìn)行驗(yàn)證，為類似工程項(xiàng)目實(shí)施提供一定借鑒意義。

2 路堤易侵蝕性評價(jià)方法

對路堤邊坡易侵蝕性的評價(jià)是監(jiān)測-維護(hù)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(gè)條件因素考慮在內(nèi)對其易侵蝕性作出合理評價(jià)。

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(hù)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(jìn)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(qiáng)度等理論公式[8-9]。

在實(shí)際工程實(shí)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(xiàng)目設(shè)計(jì)中，路堤的坡率以及防護(hù)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(xiàng)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(shí)際工程實(shí)踐中，由不同取土場得來的Gatch料其級配與細(xì)粒含量不同進(jìn)而造成其易侵蝕性不同，因此原易侵蝕系數(shù)K在工程實(shí)踐中不再適用[10]，為了細(xì)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(xì)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(shí)踐中三個(gè)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(shí)踐和設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)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(gè)等級，從V1～V3其易侵蝕性逐漸增高。同時(shí)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(jì)方法確定整段路堤的易侵蝕性；該評價(jià)方法作為預(yù)測性評價(jià)，需要在實(shí)際檢測-維護(hù)工程實(shí)踐中對其評價(jià)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(jìn)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(jìn)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(jià)結(jié)果正相關(guān)。在工程實(shí)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(qiáng)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(shí)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(bào)告統(tǒng)計(jì)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(qiáng)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(jìn)行一次監(jiān)測活動，以評估邊坡保護(hù)層在整個(gè)雨季后的沖刷破壞程度，進(jìn)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(jìn)行，對于V3等級的邊坡需在強(qiáng)降水后及時(shí)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(rèn)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(gè)等級(S0～S4)。

S0(表面輕微侵蝕):侵蝕表現(xiàn)為非常細(xì)小的細(xì)溝(0～2 cm深)，深度較淺，發(fā)育不良。這些細(xì)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(xì)溝):細(xì)溝由輕微侵蝕發(fā)育形成，細(xì)溝間距1～5 m，深2～5 cm。在細(xì)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(xì)溝持續(xù)沖刷侵蝕發(fā)育而來，通過坡面侵蝕搬運(yùn)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(cuò)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(shí)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(jì)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(shí)踐中通?？砂凑招枨笾谱鞅O(jiān)測表，將監(jiān)測時(shí)間、范圍以及評估結(jié)果記錄在內(nèi)。同時(shí)在工程實(shí)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(diǎn)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(shí)以保證其壓實(shí)度，開挖回填范圍不小于壓實(shí)機(jī)寬度以便于施工。

通過工程實(shí)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(jì)要求填料并壓實(shí)。坡面5～10 cm深度細(xì)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(jì)要求填料并壓實(shí)。

R2:坡頂侵蝕凹槽應(yīng)從底部10 cm深度處移除，回填設(shè)計(jì)要求填料并壓實(shí)。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(jì)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(jìn)行的維護(hù)工程是清除沿線風(fēng)沙堆積以保證鐵路正常運(yùn)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(shí)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(hù)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(hù)工程，實(shí)現(xiàn)全年維護(hù)工作無沖突。

5 工程實(shí)踐

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

5.1 邊坡易侵蝕性評價(jià)

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(jìn)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(jì)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(shí)踐保守估計(jì)，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(jì)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(jìn)入強(qiáng)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(jìn)行了現(xiàn)場監(jiān)測，路堤坡面存在5～10 cm細(xì)溝，局部路段出現(xiàn)沖溝網(wǎng)，侵蝕破壞程度達(dá)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(jìn)行移除，回填設(shè)計(jì)要求填料并壓實(shí)。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(jì)要求填料并壓實(shí)，壓實(shí)采用鋼輥壓實(shí)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(jià)方法，并以該方法為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)了完整的監(jiān)測-修復(fù)方案，通過工程實(shí)踐證明:邊坡易侵蝕性評價(jià)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(jià)路堤邊坡易侵蝕性；提出的監(jiān)測-修復(fù)方案針對性強(qiáng)，評價(jià)方法簡單準(zhǔn)確并且充分利用中東地區(qū)后期維護(hù)工程特點(diǎn)，成本低且效果明顯。該評價(jià)方法可為中東地區(qū)鐵路路基邊坡防護(hù)方案提供有意義的參考。