新形勢下鐵路工程水土流失防治探討

莫 斌，朱世海，李 峰，黃鈺涵

(1.中水珠江規(guī)劃勘測設計有限公司，廣東 廣州 510000； 2.廣西大學 林學院，廣西 南寧 530004)

近年來，我國生態(tài)文明建設和美麗中國建設成效舉世矚目，但仍存在一些亟待解決的環(huán)境問題，如工程建設期間的水土流失及生態(tài)修復等。根據(jù)國鐵集團2020年8月發(fā)布的《新時代交通強國鐵路先行規(guī)劃綱要》，到2035年，我國鐵路網(wǎng)規(guī)模將達到20萬km左右，其中高鐵達7萬km左右。截至2021年年底，我國鐵路運營總里程突破15萬km(高鐵突破4萬km)，可見我國鐵路建設規(guī)?？涨熬薮?。目前，我國鐵路建設主要集中在山丘區(qū)，占比達到70%左右。據(jù)統(tǒng)計，每建設1 km的鐵路，會占用 5～7 hm2的土地，并可能產(chǎn)生5 172 t的水土流失[1]。鐵路工程建設往往產(chǎn)生大量的開挖方，松散的堆土如不及時防護，則很容易被雨水沖刷和搬運，特別是在強降雨時很可能引發(fā)滑坡、泥石流等自然災害。鐵路建設會造成許多嚴重的水土流失問題，是生產(chǎn)建設項目水土保持監(jiān)測的重點[2]。此外，近20年來我國大力發(fā)展的高速鐵路已成為鐵路水土流失防治的重中之重。高速鐵路建設參建單位多、施工周期長、施工組織要求高、影響范圍廣，其生態(tài)環(huán)境與水土保持管理也是很大的難題[3-4]。

我國鐵路建設的高速發(fā)展，極大地推動了經(jīng)濟穩(wěn)步向前發(fā)展，使得交通更加便利，同時其建設過程中引發(fā)的諸多水土流失問題也應引起足夠重視。

1 鐵路工程水土流失分析

1.1 鐵路工程水土流失特點

鐵路工程存在單位長度占地面積大，穿越區(qū)域多，結(jié)構(gòu)復雜，施工難度大，工期長等特征，其水土流失特點主要表現(xiàn)在：①水土流失主要發(fā)生在施工前期、中期，特別是在邊坡形成和土方堆置期間；②鐵路工程為線性工程，以鐵路干線為主軸，沿線的取土場、棄土場及施工區(qū)等呈點狀分布在干線兩側(cè)，各場地之間通過施工便道連接，因而水土流失呈河網(wǎng)狀分布；③沿線穿越多種地貌，加上各分區(qū)的施工工藝不同，故其水土流失影響因素、強度等也存在差異；④建設過程中，其水土流失從施工期至自然恢復期，隨著水土保持措施逐漸發(fā)揮效益，地表擾動程度逐漸降低，水土流失會逐漸減弱減少，然而由于降雨年內(nèi)分布不均，所以雨季水土流失相對嚴重；⑤產(chǎn)生的水土流失危害嚴重，原因在于施工過程中破壞了原始地表的水文循環(huán)結(jié)構(gòu)。

此外，高速鐵路項目由于設計精度高，線路通直，所以會遇到難以避讓水土流失易發(fā)區(qū)和不良地質(zhì)段的情況。在水土流失易發(fā)區(qū)和不良地質(zhì)段施工不確定性因素較多，突發(fā)事件的可預見性較低，容易產(chǎn)生大量水土流失和破壞生態(tài)平衡，危害程度顯著，防治難度也大大增加。

1.2 鐵路工程的水土流失危害

鐵路工程建設引發(fā)的危害可分為直接破壞與間接破壞兩大類，直接破壞表現(xiàn)為施工中對原有土地的挖損與占壓，引發(fā)原有土地利用類型的變化；間接破壞主要是在建設過程中產(chǎn)生揚塵、廢水、噪聲和引發(fā)的水土流失、滑坡等次生危害[5]。鐵路建設破壞了場地內(nèi)的原有設施和地表植被，使土體穩(wěn)定平衡和土壤結(jié)構(gòu)遭到破壞，如不及時處置將產(chǎn)生嚴重危害，具體表現(xiàn)在：①流失的水土混合體具有很強的攜帶力，沖刷及攜帶泥沙混合物，進而加劇侵蝕發(fā)生。泥沙混合物進入沿線河道后增加水體泥沙含量，致使河床淤積抬高，增加防洪壓力。②表層土流失，基巖裸露，降低土壤肥力，影響植被生長及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。③泥沙隨水流進入農(nóng)田，大部分泥沙沉積下來，形成“沙壓農(nóng)田”的情況，損壞耕地資源。④對沿線水源保護區(qū)等環(huán)境敏感區(qū)造成破壞，降低飲用水水質(zhì)，影響水生物生存，且持續(xù)時間長。⑤對植被造成破壞，流失的土石混合體掩埋、切割樹草植物，抑制其生長。⑥減緩鐵路施工進程，破壞主體及施工道路邊坡，增加額外工作量，影響工人正常作業(yè)。⑦縮短鐵路使用壽命，破壞橋梁、隧洞等安全穩(wěn)定，不利于鐵路正常運營等。

由此可見，鐵路工程水土流失危害范圍廣、時間長、代價高。而鐵路建設過程中，由于工期緊張及作業(yè)人員不足等，往往忽略防治措施布設或布設滯后，進而容易引發(fā)嚴重的水土流失。這與生態(tài)文明建設及綠色發(fā)展理念相矛盾，因而其水土流失研究及防治工作應引起足夠重視。

2 鐵路工程水土流失及其防治研究

2.1 主要防治分區(qū)研究

2.1.1 堆放場

表土資源是一種難以再生資源，表土剝離后集中堆放在設定的堆放場，具有相對零散、分布廣的特點，也極易產(chǎn)生水土流失。同時，對于隧道比例大的山區(qū)鐵路工程，需設置的棄渣場較多，分布相對零散，也成為水土流失重點防治及生態(tài)恢復的區(qū)域。

目前關(guān)于堆放場的水土流失研究主要集中在入滲規(guī)律、土壤侵蝕方面。臨時堆土區(qū)隨著降雨強度的增加，土壤入滲率增加，雨強越大，初始入滲率越高，同時徑流量也隨著雨強的增大而增大；其他條件相同時，坡度逐漸增加，使得徑流時間逐漸縮短，同時土壤入滲率也隨坡度的增大而減小[6]。張榮華等[7]研究發(fā)現(xiàn)，棄土棄渣體坡度為30°時坡度對坡面侵蝕量的貢獻率大于雨強貢獻率；而40°時雨強貢獻率明顯超過坡度。李煜等[8]研究棄土存放時間對其坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙的影響，結(jié)果表明在相同降雨強度條件下，新堆積的棄土產(chǎn)生的徑流量最小，隨著堆存時間延長，徑流量不斷增加，最后趨于穩(wěn)定；而在不同降雨條件下，坡面徑流的含沙率隨堆存時間的延長呈現(xiàn)波動性降低，同時累計產(chǎn)沙量也隨棄土堆存時間的延長而逐漸降低。何凡等[9]在研究堆棄土水土流失情況時，發(fā)現(xiàn)其堆放坡度大于40°時土壤坡面侵蝕率很高，整體上隨坡度增加土壤侵蝕量呈現(xiàn)明顯增加趨勢。

關(guān)于堆放場的水土流失研究，主要通過對比不同雨強、坡度和堆存時間等因素，研究其土壤入滲規(guī)律和侵蝕強度，而存放位置、地表組成、周邊來水情況等也會對其水土流失產(chǎn)生較大影響，今后的研究應將這些因素考慮進來，減少因漏項而帶來的研究不足，以綜合反映水土流失特征。

2.1.2 工程邊坡

鐵路工程施工會產(chǎn)生較多的高陡邊坡，包含路基邊坡、路橋交接處邊坡、隧道洞口仰坡等。由于邊坡高差較大，容易在大雨、集中水流、外部壓力或震動等因素作用下引發(fā)嚴重的水土流失問題，進而誘發(fā)滑坡、坍塌、泥石流等自然災害。

針對工程邊坡的水土流失問題，國內(nèi)外學者對其流失主要形式、影響因素及入滲性能方面進行了大量研究。曹鵬會[10]通過降雨觀測試驗發(fā)現(xiàn)路塹邊坡的次降雨土壤流失量與次降雨最大30 min降雨強度呈冪函數(shù)關(guān)系。鄭美蘭[11]通過在紅壤地區(qū)的試驗發(fā)現(xiàn)鐵路邊坡侵蝕的產(chǎn)流過程以超滲產(chǎn)流為主，這與土壤結(jié)構(gòu)變化密切相關(guān)，整體上路堤邊坡產(chǎn)流和產(chǎn)沙間存在極其顯著的相關(guān)性。徐學選等[12]通過對次降雨條件下溝坡道路的土壤侵蝕模數(shù)進行研究，結(jié)果表明其土壤侵蝕模數(shù)在45～64 kg/m2之間，而對水平型和凸型路堤采取抗蝕防護工程，如在路邊挖蓄水槽、設擋土埂等措施，減沙效益在80%以上。另有學者研究發(fā)現(xiàn)隨著雨強增大，坡面侵蝕形式由雨滴擊濺侵蝕向溝蝕發(fā)展，坡度因子對總侵蝕量的貢獻率降低[13]。此外，水土保持設施本身若穩(wěn)定性不好也常是增加侵蝕產(chǎn)沙量的一種因素。

工程邊坡的水土流失研究，主要通過人工模擬降雨試驗，計算土壤流失量，總結(jié)水土流失規(guī)律，但不同施工階段其邊坡緊實度和覆蓋度差異較大，邊坡的坡度、坡長及土壤類型均有所差別。今后的研究需結(jié)合不同邊坡緊實度和實施的防護措施，以及邊坡的坡度、坡長、土壤類型等開展，以便能夠較全面地研究其水土流失規(guī)律。

2.2 鐵路工程水土流失防治措施研究

目前，對鐵路建設過程中的水土流失防治措施可分為工程、植物和臨時防護措施。工程防護相對牢固，但存在造價高、二次擾動顯著、受地形地勢限制等眾多缺陷，因此在工程防護措施基礎上我國推進發(fā)展植物防護措施。據(jù)研究，當草本覆蓋度達到76.5%以上時，土壤侵蝕強度會降至微度水平[14]。臨時防護措施造價低，且在施工期間水土流失防治效果明顯，也很受工程建設者的歡迎。

我國較早引進了液態(tài)噴播、草皮卷植草等新型播種和防護技術(shù)。在植物選擇方面，需綜合權(quán)衡防護效益、生態(tài)安全等多因素指標。如通過對成灌高鐵沿線植物品種和類型進行調(diào)查，總結(jié)出167對呈正相關(guān)的植物種配置組合，為區(qū)域高鐵邊坡植被恢復建設提供了科學指導[15]?？紤]到山區(qū)鐵路和高速鐵路建設需要對邊坡等區(qū)域進行重點防護，以避免水土流失導致滑坡等災害，工程防護和植物防護綜合應用得到廣泛推廣。張永江等[16]針對晉陜蒙接壤鐵路工程建設提出工程與植物相結(jié)合的邊坡防護方式，對高路塹沙坡路段采用覆壓固沙、中型邊坡采用沙柳網(wǎng)格植物防護、低路堤沙坡則采用覆網(wǎng)種草防護?？拷降亍⒑庸刃藿ǖ蔫F路路基會頻繁地受到水流的沖擊侵蝕、山體滑坡和泥石流等威脅，工程防護和植物防護相結(jié)合成為首選方案。臨時防護往往容易被忽略，其實施應貫穿于整個施工期，包含臨時攔擋、臨時排水、臨時覆蓋等。工程施工過程中，及時落實臨時防護措施，降低雨水沖刷強度和沖刷范圍，可有效減少水土流失。

我國陸地跨越多個氣候帶，太陽凈輻射、降水、蒸散發(fā)等氣候條件差異顯著，因此在選用植物種類時首先應因地制宜，優(yōu)先選用本土植物以提高適應性，避免人為因素導致的植物入侵或水土不服。堅持綠色發(fā)展、生態(tài)優(yōu)先的理念，充分了解項目區(qū)特點和植物種生態(tài)學特性，結(jié)合立地條件營造適宜的生長環(huán)境，以保證成活率和發(fā)揮生態(tài)效益。

3 鐵路工程水土保持生態(tài)文明建設

水土保持是生態(tài)文明建設的重要內(nèi)容和基礎性工作，也是我國必須長期堅持的一項基本國策。隨著生態(tài)文明建設貫穿于經(jīng)濟建設、政治建設、文化建設、社會建設全過程，我國對水土保持生態(tài)文明建設提出了更高的要求。鐵路工程在建設過程中存在擾動地表強烈，損毀植被面積大，水土流失嚴重，危害范圍廣，生態(tài)恢復耗時長等問題，應秉持綠色發(fā)展理念，積極踐行生態(tài)文明建設思想。

近年來，我國對鐵路工程踐行生態(tài)文明建設思想也開展了一系列舉措，并取得了不錯成效。如浩吉鐵路、成蘭鐵路建設等，其經(jīng)過的山區(qū)多為貧窮地區(qū)，通過表土保存、綜合調(diào)運，將棄渣處置與地方需求緊密結(jié)合，荒溝廢坑得到高標準復耕、復綠，在實現(xiàn)農(nóng)民增收的同時，鐵路沿線景觀效果得到大大提升。另外也為地方水利設施、交通道路等興建提供充足材料，資源得到再次利用。當前，我國鐵路建設進入高速發(fā)展階段，未來很長的一段時間，仍需新建一批鐵路項目以推動我國社會向前發(fā)展，故對鐵路工程水土流失及其防治進行研究顯得尤為重要。將人與自然和諧共處、休戚與共的理念融入鐵路建設的全過程，以建設綠色鐵路工程為導向，才能向著美好而長遠的道路前進。

4 結(jié) 論

基于鐵路建設的高速發(fā)展和生態(tài)文明建設的要求，水土保持研究需協(xié)同進步，而實現(xiàn)該目標需進行針對性試驗研究。即在傳統(tǒng)水土保持研究的基礎上，對于鐵路建設水土流失的線性特征和生態(tài)恢復性，兼顧經(jīng)濟性和效益性的原則，開展科學試驗研究。而目前研究仍缺乏全過程多因素的對比試驗，缺乏針對性的研究成果和成熟的理論。未來研究需圍繞鐵路工程邊坡的綠色防護、生態(tài)效益等深入開展，通過長期監(jiān)測試驗優(yōu)化邊坡防護技術(shù)。針對挖填邊坡、表土堆放區(qū)、棄渣場等不同區(qū)域開展防治措施的對比研究，識別分區(qū)水土流失特征，改進防護措施布設，避免單一而陳舊的防護形式。而不同氣候類型、不同地質(zhì)條件，對沿線鐵路進行分段防護，在確保防護效益的同時，優(yōu)化植物防護措施的生態(tài)適宜性。同時，針對水土流失危害進行溯源、追蹤、拓展研究，從根本上理清水土流失的因果關(guān)系，完善生態(tài)風險損益指標，探討防治水土流失、保護生態(tài)新舉措。通過開展山區(qū)鐵路、高速鐵路等不同類型鐵路建設的水土流失對比研究，進而完善水土流失防治措施體系，升級工程防護和植物防護的技術(shù)指標，為推動鐵路工程水土流失科學防治提供技術(shù)支持。