董志塬黄土冲沟溯源侵蚀对银西高铁的影响

2015-03-13张哲

铁道建筑 2015年11期

关键词：冲沟冲刷黄土

张哲

(中铁第一勘察设计院集团有限公司地质路基处，陕西西安 710043)

董志塬黄土冲沟溯源侵蚀对银西高铁的影响

张哲

(中铁第一勘察设计院集团有限公司地质路基处，陕西西安 710043)

董志塬是我国现存最大的黄土塬，因其四周沟壑纵横，且坡陡沟深，溯源侵蚀严重，一直是铁路选线的难题。依据银西高铁的现场勘察资料及收集到的资料，对董志塬黄土冲沟溯源侵蚀影响因素、机理、发展过程及其对铁路工程的影响进行了分析。依据《高速铁路设计规范》(TB 10621—2014)，结合各类工程的设计特点、使用年限以及董志塬的地质状况，确定了黄土冲沟与铁路线路的安全距离，并提出了相应的防治措施，为银西高铁在董志塬上的安全运营提供了保障。

董志塬铁路工程溯源侵蚀安全距离

溯源侵蚀是指水流向其源头方向侵蚀而加长的作用［1］。董志塬位于甘肃省东部，是我国面积最大的黄土塬，四河环绕，塬边沟壑纵横，冲沟溯源侵蚀强烈，对我国十二五规划的重点项目——银川至西安高速铁路的修建运营造成影响。

银西线起于西安，向西北方向延伸至银川，全长约600 km，为时速350 km的高速铁路，设计要求最小半径为9 000 m，最大坡度为20%，无砟轨道地段路基工程沉降不大于30 mm，路桥过渡段不大于5 mm，技术指标十分严格［2］。该线建成后将带动陕西、甘肃两省及宁夏自治区之间的经济协同发展。该线不仅是董志塬上的第一条铁路，也是革命老区庆阳市的首条铁路。因此，有必要对董志塬的黄土冲沟溯源侵蚀机理进行深入研究，查明其对铁路工程的影响，保证铁路工程施工、运营的安全。

1 沿线地质概况

银西线穿越董志塬段起点位于董志塬南缘宁县，终点位于董志塬北缘庆城县，该段铁路长度约80 km。董志塬表层为第四系上更新统风积黄土，中部厚四缘薄，厚约10～20 m，湿陷性严重。其下为巨厚层第四系中更新统风积黄土，厚约50～200 m，夹多层古土壤层，其中董志塬中部最厚约200 m，庆城县及宁县塬边最薄处约50 m。黄土层下部为上第三系红黏土，普遍出露于庆阳以北的大型深切沟内，最厚处约100 m。全区下伏基岩主要为白垩系下统的砂岩夹页岩，基岩面北高南低，最大高差约110 m。区内年平均降水量546.5 mm，且主要集中在 7～9月，占年降水量的58.5%，单次降雨连续时间长达11 d。

董志塬塬面平坦开阔，无滑坡、溜坍等不良地质。四周沟壑区黄土冲沟纵横，滑坡发育。该区位于中朝准地台的陕甘宁台坳的西南部，南以乾县—富平断裂为界，与汾渭地堑相连，西以牛首山—固原断裂为界，与鄂尔多斯台缘褶皱带相邻，少见褶皱和断裂，未见岩浆侵入活动。

2 董志塬黄土冲沟溯源侵蚀影响因素

通过对董志塬黄土冲沟的野外调查及相关资料分析，得出影响溯源侵蚀的主要因素分为自然因素和人为因素［3］。溯源侵蚀的加速发展正是自然因素和人为因素相互作用、相互叠加的结果。

2.1 自然因素

1)大气降水。集中连续的降水为溯源侵蚀的发生提供了集中冲刷和水流下切的条件，并且是导致冲沟发育、塬面萎缩的根本原因。由于每年的降水情况不一样，溯源侵蚀的强度也随之变化，有时一场暴雨沟头便可前进数十米，在没有暴雨的情况下，沟头也许数十年都前进甚微。

2)地形地貌。沟头溯源侵蚀与沟头附近的地形关系密切。如果沟头地形平缓，降水所形成的地表径流可以较为分散地排至沟中，水流冲刷力不足很难对冲沟四周沟壁造成威胁，溯源侵蚀甚微。一般情况下，存在严重溯源侵蚀的沟头前方都有较大的汇水区域，地形多呈簸箕状，除冲沟一侧外，其余地势较高。遇到强降水时，径流集中产生湍急的水流，对沟头进行剧烈的冲刷，造成严重的溯源侵蚀。董志塬发生溯源侵蚀的沟头上方汇水面积非常巨大，一般包括一个或几个村庄及周边耕地，巨大的汇水面积产生了很大的径流量，对沟头造成严重破坏。

3)地层岩性。董志塬地表为第四系上更新统风积黄土，下部为中更新统风积黄土，土层深厚，孔隙大，垂直节理发育，具湿陷性，受雨水浸泡，易形成塌陷，在沟边位置易形成陷穴及陷穴群。陷穴再经雨水浸泡，将进一步发育，经过下陷—崩塌—再下陷—再崩塌，导致陷穴下部联通呈串珠状，并形成宽长的裂缝。遇到暴雨，径流积聚，便会发生大规模的沟边垮塌、崩塌现象。此外，黄土浸水抗冲蚀能力降低。

2.2 人为因素

为避免厂房、民居受塬面大量的积水浸泡，人们把地面径流全部排入无任何防护措施的冲沟，使沟壁发生二次侵蚀。此外，不合理的工厂选址也会影响沟头前进的发生与速度。如宁县洪洞乡张村砖瓦厂、西峰区什社乡任岭村砖瓦厂建在沟头附近，建厂及取土时的乱挖使沟头前进，并破坏了黄土塬面，使汇水区域扩大，汇集了更多的径流，加速了沟头溯源侵蚀。因此，不合理的排泄工程、工厂选址等人为因素也会加速沟头的溯源侵蚀。

3 董志塬黄土冲沟溯源侵蚀机理及过程

3.1 溯源侵蚀机理

董志塬沟头溯源侵蚀主要是水力和重力作用共同影响的结果，可将溯源侵蚀分为以下5种类型［4］:

1)水力冲刷型。强降水产生径流对沟头冲刷，使之下切、侧向掏蚀，并伴随着两岸的沟壁坍塌，使沟头迅速前进。这种侵蚀形式主要是在水流的冲刷力下造成的沟头溯源侵蚀，也是董志塬沟头最普遍的溯源侵蚀类型。

2)陷穴诱发型。由于水流下渗，破坏黄土结构，在沟头或沟壁来水方向形成陷穴，径流沿陷穴继续下渗［5］，从而引起土体整体滑塌或崩塌，造成沟头前进或沟壁扩张。沟边经常形成多个“连珠陷穴”［6］，部分陷穴底部相通形成“土桥”，经过长期的径流冲刷或重力作用，塬面很有可能发生大规模的整体坍塌。

3)裂缝诱发型。地表径流的冲刷及水流下渗作用破坏了沟头土体的稳定性，在沟头或沟壁来水方向首先形成裂缝，径流继续沿裂缝下渗，继而土体会发生整体滑塌或者崩塌［7］，造成沟头的前进或沟壁的扩张。

4)人为诱发型。由于人类的活动直接或间接引起沟头前进。

5)地震诱发型。受“5.12”汶川大地震的影响而发生的沟头和沟壁滑塌、滑坡等现象也比较明显。

通过现场实地调查，将5类溯源侵蚀出现频率及其危害程度总结于表1。

表1 各类溯源侵蚀出现频率及危害程度

从表1可以看出，水力冲刷型是溯源侵蚀最主要的类型，而陷穴诱发型和地震诱发型的危害程度最严重。

3.2 溯源侵蚀过程

溯源侵蚀过程可分为3个阶段:水力冲刷阶段、水力和重力共同作用阶段和重力侵蚀阶段。

1)水力冲刷阶段。降雨初期，地表径流由冲沟沟头流向沟底，使沟头上方塬面发生片状侵蚀，逐渐发展成细沟侵蚀，并造成沟头前进，挟带了大量泥沙的径流继续下切沟床。这一阶段基本以水流的冲刷作用为主。

2)水力和重力共同作用阶段。随着径流对沟床的持续下切，沟坡底脚不断被掏蚀，待沟壁土体不足以支撑自身重量时，便会发生沟壁崩塌和滑塌等重力侵蚀现象，从而引起河道拓宽、沟壁坡度渐趋平缓以及水土流失减缓。但由于径流依然存在，使沟床继续遭受下切、掏蚀，沟床两侧的沟坡再次变得陡直，再次发生一系列的滑塌、崩塌现象。

3)重力侵蚀阶段。洪峰退却径流消失后，沟头和沟壁处的不稳定斜坡或悬空面在黄土受到干湿、冷热、冻融作用下随时可能促发重力侵蚀，且这种重力侵蚀会持续相当长的一段时间，直到沟头处于稳定状态。

4 溯源侵蚀对铁路工程的影响及防治措施

4.1 溯源侵蚀对铁路工程的影响

通过大量的实地调查和模拟计算证实董志塬冲沟沟头侵蚀前进的速度在0.445～6.56 m/年，平均侧蚀速度在0.103～0.636 m/年，平均下切速率在0.032～0.323 m/年［8］。依据规范，客运专线的路基、桥涵及隧道的主体工程的设计使用年限为100年［2］。那么，董志塬冲沟沟头在无任何防护作用下，100年内侵蚀前进的长度可达44.5～656 m，侧蚀宽度可达10.3～63.6 m，下切深度可达3.2～32.3 m，这样可能导致设计时与线路未发生关系的冲沟，对运营中的铁路造成严重的损坏，从而影响铁路运营的安全。

根据沟头溯源侵蚀的发展形态可从以下3个方面探究其对铁路工程的影响。

1)沟头前进对铁路工程的影响。如果线路距离冲沟沟头44.5～656 m(图1)，那么在无防护的情况下，沟头可能前进至线路位置，对工程产生不利影响。若此时线路为路基工程(图2)，沟头侵蚀将会造成路基坡脚失稳、排水沟等设施垮塌，若不及时进行防护，必将导致路基整体垮塌，甚至被冲沟一分为二，引起重大安全事故。如果为桥梁工程，冲沟沟头的前进也将会对桥墩造成冲刷影响，冲蚀桩周土，导致桩体不稳，影响整座桥梁的稳定。

图1 线路方向与沟头方向斜交(单位:m)

图2 沟头溯源侵蚀对路基工程的影响

2)冲沟侧蚀对铁路工程的影响。如果线路以桥梁形式跨越一冲沟(图3)，桥台内侧距沟边10.3～63.6 m，那么在无防护的情况下，冲沟两侧可能侧蚀至桥台位置，冲蚀桥台周围的土，使桥台四周裸露，甚至可能使整个桥台处于临空状态(图4)，最后导致桥梁失稳。若线路与冲沟平行，且距离在10.3～63.6 m，也需考虑冲沟侧蚀对工程的影响。

3)冲沟下切对铁路工程的影响。如果线路以隧道形式下穿一冲沟(图5)，隧道拱顶与沟心距离介于3.2～32.3 m，那么在沟心无防护的情况下，冲沟沟心可能下切至隧道拱顶，使衬砌裸露，随时可能发生冒顶、涌水。董志塬上的冲沟一般深100～200 m，从沟边很难看清沟心情况，此种较隐蔽的危害一旦发生，后果不堪设想。此外，若桥梁工程中的桥墩位于沟心位置，也应考虑冲沟下切的影响。

图3 线路跨越冲沟(单位:m)

图4 冲沟侧蚀对桥台的影响

图5 冲沟下切对隧道工程的影响

4.2 防治措施

为了保证铁路的运营安全，最大限度地减小黄土冲沟溯源侵蚀带来的危害，通常采取以下两种措施:保证拟定线路与黄土冲沟间的安全距离;设置防护设施。

在项目前期选线时，根据铁路工程设计使用年限内沟头的溯源侵蚀程度确定拟定线路与黄土冲沟间的安全距离。在不对冲沟采取额外防护的情况下，需保证以下5点:

1)当线路走向与两侧冲沟走向垂直或斜交时，主要考虑冲沟沟头溯源侵蚀的前进趋势，保证路基坡脚排水沟外侧及桥梁墩台外侧距沟头的距离＞656 m;

2)当线路以桥梁形式跨越冲沟时，主要考虑冲沟侧蚀趋势，保证跨越冲沟的桥台内侧至沟边的距离＞63.6 m;

3)当线路走向平行于黄土冲沟两侧时，主要考虑冲沟侧蚀趋势，保证路基坡脚排水沟外侧及桥梁墩台外侧距沟边的距离＞63.6 m。

4)在冲沟沟心设置桥墩时，主要考虑冲沟下切趋势，保证沟心墩台下基桩长度比计算设计时增加32.3 m，并适当进行冲刷防护;

5)当线路以隧道形式下穿冲沟时，主要考虑冲沟下切趋势，保证沟心至隧道洞顶的距离＞32.3 m。

通过多年的地质勘察，以上原则在实地选线时很难保证。其主要原因是:①董志塬黄土冲沟极其发育，高速铁路平面半径≥9 000 m;②黄土冲沟两侧滑坡错落发育，线路为绕避不良地质，选线十分困难。

结合以上两点，保证线路与冲沟的安全距离不切实际，因此必须对冲沟进行实时监测，必要时采取防护措施:

1)对线路两侧656 m范围内可能与其相交的冲沟沟头进行监控量测，并每年进行一次数据比较，当沟头与线路距离＜70 m时，应立刻对沟头进行防护，可以采用修筑涝池或防护埂分散地表径流［9］。设施的修筑要依照地形特征，容积以能容纳设计最大洪水量为准。若地表防护效果不明显，应及时对沟头坡面进行坡面防护，确保沟头不再前进。

2)对线路两侧63.6 m范围内与线路走向平行的冲沟沟边进行防护，可以采用修筑涝池或防护埂拦蓄分散地表径流，从而达到减缓侧蚀的目的。若桥台距沟边＜10 m，应直接对两侧沟边进行坡面防护，保证墩台稳定。

3)对线路下穿及沟心布墩的冲沟沟底，应修筑沟底谷坊，抬高侵蚀基准面，防止沟床下切。在经济和地质条件允许的情况下，要选取合适的沟底地段设置淤地坝［10］，将泥沙就地拦蓄，削减洪峰，调节径流。淤地坝的位置选取以尽量靠近沟头和工程量最小为原则［11］。

此外，在保障运输成本和考虑环境保护的情况下，可将隧道弃土填放至影响线路的冲沟沟头，并平整压实，即能延缓冲沟的溯源侵蚀，保障铁路运营安全，又为当地居民扩展了土地面积、方便了交通。