浅析黄土冲沟溯源侵蚀对平庆铁路的影响

2016-12-06周安荔

铁道勘察 2016年5期

关键词：冲沟沟谷黄土

周安荔

(中铁第一勘察设计院集团有限公司，陕西西安 710043)

浅析黄土冲沟溯源侵蚀对平庆铁路的影响

周安荔

(中铁第一勘察设计院集团有限公司，陕西西安 710043)

阐述平庆铁路沿线黄土冲沟溯源侵蚀的影响因素及危害，分析侵蚀形成机理、特征及过程，得出侵蚀年平均速率范围，并提出监测方法。通过工程实例总结了黄土冲沟溯源侵蚀对铁路工程及线路方案的影响，提出可行的防治措施；应合理选择黄土冲沟与铁路线路的安全距离，保证铁路线路的安全，为黄土冲沟地区铁路选线提供科学依据，为类似工程设计提供借鉴。

平庆铁路黄土冲沟溯源侵蚀工程影响安全距离线路方案

平庆铁路位于甘肃中东部，线路东起庆阳市，经镇原县西至平凉市，总体呈东西走向，全长122.4 km。本项目是定西至平凉至庆阳铁路通道的重要组成部分，构筑了兰州至平凉至庆阳间新的运输径路，具有促进区域经济发展、填补路网空白的作用，对促进连片特困地区和革命老区脱贫致富意义重大。

线路依次经过黄土塬、黄土梁峁沟壑区、河谷区三个地貌单元。黄土塬边、梁峁沟壑区冲沟发育，沟谷深切，岸坡高陡，不良地质非常发育，特别是黄土冲沟溯源侵蚀强烈，对工程设置及铁路选线有较大影响。以冲沟溯源侵蚀为研究对象，探讨溯源侵蚀的主要因素、类型、特征及形成机理，得出侵蚀年平均速率，总结黄土冲沟溯源侵蚀对铁路工程及线路方案的影响，合理确定黄土冲沟与铁路线路的安全距离，为该区域铁路选线提供科学依据。

1 沿线地质概况

1.1 地形地貌

线路经过我国黄土高原中心区，区内地貌由塬面、梁峁坡和沟谷组成，塬面(董志塬、孟坝塬、屯子塬、平泉塬、寇家塬、草峰塬等)是主体地貌。塬面向沟谷倾斜，地形起伏大，沟壑纵横，支沟发育，沟谷深切，岸坡高陡，沟壑深30～280 m，平均沟壑密度3.5 km/km2，地貌由正地形的塬面和负地形的沟谷组成。线路穿越黄土梁峁沟壑区长度约78 km，占线路长度60%。沟壑纵横是是该区的地貌特征。

1.2 地层岩性及地质构造

沿线出露地层主要有第四系(Q)黏性土、黏质黄土、砂类土及碎石类土，第三系(N)泥岩、砂岩，白垩系(K)砂岩、泥岩。沿线地表以黄土(黏质黄土)覆盖为主，黄土层厚度不等，其中黄土塬、沟壑梁峁区地表以厚层黄土覆盖，厚度40～100 m，局部大于100 m。该区地质构造不发育。

1.3 气象及水文特征

本区属中温带半干旱气候区，冬季寒冷，夏季炎热，四季分明。年平均气温10.0～10.1 ℃，年平均降水量478.3～546.5 mm，年平均蒸发量1 227.1～1 647.1 mm，土壤最大冻结深度48～82 cm。

地表水主要为泾河及其支流茹河、洪河、蒲河等。地下水主要为第四系孔隙潜水，局部为基岩裂隙水。

1.4 地震动参数

沿线地震动峰值加速度为0.05～0.15g，地震基本烈度为6～7度，地震动反应谱特征周期0.45 s。

2 黄土冲沟溯源侵蚀影响因素

黄土冲沟溯源侵蚀是黄土沟在水流冲刷等外力作用下，土体受冲刷部位蚀离母体，使冲沟向源头侵蚀，并伴随沟谷加宽、下切的现象(见图1)。

图1 黄土冲沟溯源侵蚀典型地貌

2.1 黄土冲沟溯源侵蚀的危害

溯源侵蚀最直接的危害是造成大面积的水土流失及沟谷周边构筑物的破坏，是严重的地质灾害形式之一，具有高隐蔽性、随机性大、破坏性强等特点，常对铁路工程造成破坏，威胁行车安全，造成人员伤亡和经济损失，导致极大的社会不良影响。

2.2 黄土冲沟溯源侵蚀的影响因素

通过收集沿线国土资源部门历史观测资料，运用土壤侵蚀学等理论对平庆线沿线历史时期黄土冲沟地貌演变规律进行分析。沿线黄土冲沟溯源侵蚀的影响因素有自然因素和人为因素，自然因素包括地形地貌、强降雨(降水径流)、土壤性质等；人为因素主要是在沟谷周边不加防护的乱挖乱排、破坏植被等。溯源侵蚀是以上因素相互叠加的结果。

(1)地形因素

主要影响因素是地形地貌(沟头两侧高中间低地形、坡形坡长、坡度)及汇水面积等，其中坡度的影响最大。平庆线汇水区域坡度一般为 3°～10°，在此范围内，坡长越长，径流越强，造成的溯源侵蚀越严重。

(2)降雨因素

区内年平均降水量478.3～546.5 mm，但变化大，大部分集中于7～9月(占年降水量的58.5%)，降雨具有集中、强度高的特点，是形成溯源侵蚀的必要条件。集中连续的强降雨形成的径流是冲沟侵蚀的直接诱因。

(3)土壤因素

沿线土壤为黏质黄土，土层深厚，土质疏松(颗粒多在0.02～0.05 mm间，粉粒占60%～70%)，黏粒孔隙率大(主要是大孔隙、细孔隙和毛细孔隙，孔隙率达30%～50%)，垂直节理发育，抗剪强度低。

沿线土壤具自重湿陷性，在坡面、冲沟及沟头由雨水沿垂直节理不断冲蚀而形成陷穴(陷穴群)，陷穴呈串珠、蜂窝状分布，直径0.5～15 m，深度8～20 m，部分陷穴通到沟心，空间分布较复杂，对坡面稳定影响较大，易发生沟边垮塌、崩塌，造成沟头的前进或沟壁的扩张。

(4)植被因素

植物可有效提高土壤的抗蚀性，是防止土壤侵蚀的天然屏障。植物根系能起到固结土体，枝杆落叶起到截流、调节径流速度的作用。区内生态环境脆弱，是国家级水土流失重点预防区和治理区，沿线植被稀疏，沟谷零星分布灌乔木。

(5)人为因素

沟头土地过度开发和不加防护措施的泄水排洪、植被破坏等人为因素会加速沟头的溯源侵蚀。

3 黄土冲沟溯源侵蚀形成机理特征及侵蚀过程

3.1 黄土冲沟溯源侵蚀形成机理

黄土冲沟是区域典型的负地貌类型，沟蚀是平庆线常见的黄土侵蚀形式，通常是受径流动力和自身重力共同作用下形成。黄土冲沟侵蚀表现为沿沟头的溯源侵蚀、沟岸的横向侵蚀和沟底的下切侵蚀。按照其形成机理分为水力冲刷、陷穴诱发、裂缝诱发、地震诱发和人为诱发等类型。

(1)水力冲刷型

黄土具有水敏性，遇水后抗蚀性迅速降低。水力冲刷是强降雨形成的径流对沟头的冲刷、侧向淘蚀和沟底的下切，并伴随沟壁坍塌、滑塌，使沟头前进，每次强降雨可前进数米。这种侵蚀主要引起沟头侵蚀，常发生在主沟或者支沟沟头，是冲沟侵蚀的第一阶段。水力冲刷是平庆线沟头最普遍的溯源侵蚀形式。

(2)陷穴诱发型

黄土的渗透性较强，沿线黄土具湿陷性，从而引起湿陷变形，表现在沟谷周边形成黄土漏斗或陷坑。陷穴受雨水、径流的入渗形成串珠，进而形成张裂缝，遇到径流后土体会发生坍塌、滑塌或崩塌，导致沟头前进、沟岸扩张(见图2)。

图2 陷穴诱发型形成示意

(3)裂缝诱发型

黄土垂直节理发育，土体被分割成块体的结构面，破坏了土体的整体性和连续性，增大了土体的渗透力，易在沟道边形成细小的裂隙，雨水沿裂隙下渗发育成裂缝，裂缝受径流作用后发生坍塌、滑塌或崩塌，造成沟头前进或沟岸扩张(见图3)。

图3 裂缝诱发型形成示意

(4)地震诱发型

沿线属高强度地震区，受地震的影响而发生的沟头和沟壁滑塌、滑坡等现象比较明显。

(5)人为诱发型

随着人类活动的加强，人们常将沟头周边的土地过度开发利用，破坏了植被，并将地面径流排入无防护的冲沟内，人为加速了侵蚀强度。

从平庆线冲沟溯源侵蚀分析，水力冲刷是溯源侵蚀的根源，陷穴和裂缝诱发危害程度最高，人为诱发加剧了侵蚀强度。

3.2 黄土冲沟溯源侵蚀特征及发生过程

土壤是侵蚀的主体，土体的力学参数(土壤内聚力、内摩擦角、土壤容重、颗粒组成及结构等)、水理特性(渗水性、收缩膨胀性、崩解性等)和力学特性(抗剪强度、湿陷性等)决定着土壤的可蚀性。从时序上分为水力冲刷、水力重力共同作用和重力侵蚀三个过程。

(1)水力冲刷阶段

侵蚀沟形成的初始阶段，主要是径流水平方向的剪切力大于土壤抗剪力，导致侵沟向长发展，过程为溅蚀—面蚀(或片蚀)—潜蚀—沟蚀—冲蚀，其特点是沟谷发展极快，沟底狭窄，沟槽呈“V”形。

(2)水力和重力共同作用阶段

黄土大孔隙及垂直节理构造发育是水力和重力侵蚀的主因，表现为径流对沟底的下切，沟脚掏蚀，当沟壁土体在自身重力作用下失稳时，便发生沟壁崩塌和滑塌，形成重力侵蚀。同时，径流使沟床下切，沟岸坡变陡，沟岸频发滑塌、崩塌。该阶段水力和重力侵蚀交互作用，横断面呈“U ”形，侵蚀切入母质，形成侵蚀沟系，且具有随机性、突发性的特点。水流剪切是沟道下切的动力，沟头侵蚀改变了沟的长度，沟岸侵蚀则影响着沟的宽度。

(3)重力侵蚀阶段

沟岸不稳定斜坡或悬空面在降水、地表径流、黄土干湿、冷热、冻融等作用下，土体失去平衡而产生位移，其特点是蚀持续时间长，沟壁呈垂直状，沟底较平缓。该阶段主要发生横向侵蚀，使冲沟加宽。

(4)侵蚀速率

侵蚀速率主要取决于冲沟沟头附近汇流面积、土壤与地形条件、采取的水土保持措施、降雨强度及发生的频次等。

确定沟谷侵蚀速率，必须依靠多年数据集累。通过收集沿线国土资源部门的历史地貌演变资料，结合现场勘察，平庆线侵蚀活动主要为现代侵蚀。通过科学分析，沟头前进速率为0.44～6.5 m/a，下切速率0.03～0.32 m/a，加宽速率为0.10～0.64 m/a。随着人类防护意识的加强，侵蚀速率有趋低的可能。

3.3 黄土冲沟溯源侵蚀监测方法

做好溯源侵蚀的防治工作，需采用恰当的监测方法，积累大量有效的数据，进行科学的分析，以指导工程设计。目前常用的监测方法有测量法、侵蚀针法、数字地图法、航片解译法等。监测方法须根据研究地区的特征(包括范围、地形地貌、水系等)、项目精度要求等选取适当的方法。本工程采用历史地貌演变规律，并将地形调查与航片解译相结合，达到了项目的精度要求，说明监测方法应该是根据项目精度要求，选择一种或几种方法的有机结合。

4 黄土冲沟溯源侵蚀对铁路工程及线路方案的影响案例

通过对黄土沟谷侵蚀诱因、类型、机理的综合分析，得出了侵沟沟头、沟底下切及侧蚀速率。铁路主体工程使用年限为100年，因此桥梁、隧道、路基等工程设计需考虑100年内沟谷侵蚀量，确保铁路在寿命期内安全。沟头溯源侵蚀对铁路工程主要有沟头前进、冲沟侧蚀和冲沟下切三方面的影响。

4.1 沟头侵蚀对铁路工程的影响

清水沟为董志塬西侧支沟，线路于沟头以路基工程通过，该沟沟头呈树枝状，支沟发育。通过历史资料、现场勘察，沟头前进速率为6.5 m/a。线路若在推测侵蚀线以内，该段路基工程存在安全隐患，为确保工程安全，该段线路应走行在推测侵蚀线以外(见图4)。

图4 沟头侵蚀地形示意

4.2 侧蚀对铁路工程的影响

南小河沟是董志塬塬边的黄土冲沟，为蒲河较大支沟。地层主要为第四系黏质黄土，黄土具Ⅱ级自重湿陷性(湿陷土层厚度12.0～17.0 m)，土壤具弱膨胀性，地震动峰值加速度为0.05g。冲沟呈“V”形，两岸地形破碎，岸坡陡立(坡面坡度达35%～40%)。受多年侵蚀作用，工程地质条件较差，沟谷坡面滑坡、错落、溜坍、黄土陷穴发育。受此影响，沟谷侧蚀严重。

该处以桥梁跨越南小河沟，桥台位于沟岸顶面。根据现场勘察，结合历史侧蚀成果，侧蚀速率高达0.65 m/a，侧蚀主要对该桥桥台位置产生影响。为此结合地形地质条件对该桥孔跨形式进行了合理布设，桥台选择布置在推测侧蚀线以外65 m的塬面上，避免了因侧蚀使桥台裸露，甚至使桥台处于临空状态，导致桥梁失稳的安全隐患(见图5、图6)。

图5 冲沟侧蚀地形示意

图6 冲沟侧蚀桥台布置示意

4.3 冲沟下切对铁路工程的影响

平庆线地处黄土沟壑梁峁区高达78 km，受地形条件控制，工程桥隧相连，线路不可避免地在黄土冲沟下以隧道工程穿越。由于沿线冲沟深切，导致冲沟处隧道浅埋，但黄土冲沟存在下切，若冲沟下切至隧道拱顶，使衬砌裸露，随时可能发生冒顶，导致铁路运营安全事故发生。为此，选线时需根据冲沟下切速率，结合工程安全需要，确保冲沟浅埋隧道拱顶距离达到安全值(见图7)。