不同护坡模式下的高路堑边坡水土流失研究

摘要 通过测定不同护坡模式（A区拱形骨架护坡，B区拱形骨架+植草护坡，C区拱形骨架+六棱砖护坡，D区拱形骨架+六棱砖+植草护坡）下的水土流失状况，筛选出适宜该研究区的护坡模式。结果表明：不同护坡模式下土壤结构产生了一些变化，其中A区的土壤容重增幅最大（11.96%），C区次之，B区第三，增幅分别为8.55%和6.84%，而D区增幅最小（3.42%）。A、B、C和D区均以面状侵蚀为主，其中A区比B区分布有更多的侵蚀沟，且A区比B区侵蚀更深; C区和D区以六棱砖为单元形成上深、下浅的侵蚀状态，且C区比D区侵蚀更深。4种护坡模式下的土壤侵蚀模数表现为A区>C区>B区>D区，且土壤侵蚀模数随着时间的推移呈逐渐下降的趋势。拱形骨架+六棱砖+植草护坡模式的防护效益最优。采用该护坡模式能够有效改善土壤结构，减少水土流失。因此，建议在类似地区采用该护坡模式，以提高边坡的稳定性和安全性。

关键词 护坡模式;高路堑;水土流失;土壤侵蚀模数

中图分类号 S29  文献标识码 A  文章编号 0517-6611（2022）05-0178-03

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2022.05.045

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Study on Water and Soil Erosion of Deep Cutting Slope under Different Slope Protection Modes

JIANG Yong-jun

（Nanchang Railway Engineering Co.，Ltd.，China Railway 24th Bureau Group，Nanchang，Jiangxi  330000）

Abstract We determined the soil and water erosion conditions under different slope protection modes to select the suitable slope protection modes for the study area.The results showed that the soil structure changed under different slope protection modes （A，arch skeleton slope protection;B，arch+hexagonal brick slope protection;C，arch+grass slope protection;D，arch+hexagonal brick+grass planting，the same below）.The largest increase amplitude of soil bulk density was the largest（11.96%） in area A，followed by area C（8.55%） and area B （6.84%），and the increase amplitude of soil bulk density was the lowest （3.42%） in area D.Area A，B，C and D were dominated by areal erosion.There were more erosion gullies in area A than in area B，and the erosion in area A was deeper than that in area B.The erosion state in area C and D was formed by hexagonal brick，and the erosion in area C was deeper than that in area D.The soil erosion modulus of four different slope protection types was  A>C>B>D，and the soil erosion modulus decreased gradually with time.The slope protection mode of arch+hexagonal brick+planting grass had the best protection benefits，which could effectively improve the soil structure and reduce soil erosion.Therefore，area D was suggested to be used in similar regions，so as to improve the stability and safety of slope.

Key words Slope protection mode;Deep cutting;Water and soil erosion;Soil erosion modulus

基金項目 宁夏回族自治区重点研发计划项目（2019BFG02013）;中国中铁股份有限公司引导项目（2016-KJ015-Z013-03）。

作者简介 姜勇军（1989—），男，湖南邵阳人，工程师，从事铁路建设技术工作。

收稿日期 2021-07-09

铁路工程的建设对于促进当地经济发展具有重要的推动作用，但铁路工程不可避免地会对当地生态环境产生一定的影响。如果不及时采取有效措施，不仅会加剧环境问题，而且会对铁路安全运营产生很大的威胁，危及人民财产安全。

线路工程中，路堑和路堤边坡区段经常存在水土流失、边坡失稳等现象。目前常用的护坡模式有拱形骨架护坡、菱形骨架护坡、六棱砖护坡、锚索框架护坡以及植草护坡等单一或多种组合护坡模式[1-5]，以维持边坡的稳定性。然而，对不同护坡模式下水土流失状况的研究较少，尤其是在高路堑和高路堤区段。水土流失的危害主要有土壤剥蚀、肥力减退、污染水质、泥沙下泄、堵塞渠道、严重时冲毁线路设施、危及行车安全[6-7]。笔者选取了4种不同护坡模式，对高路堑边坡路段的水土流失状况进行了研究，筛选出适宜该区段的护坡模式，提高边坡的水土保持效益，维持边坡的稳定性。

1 研究方法

1.1 研究区概况

研究区位于宁夏回族自治区吴忠市境内，试验地选择在其境内的某铁路路堑边坡区域。该路堑边坡为黄土边坡，坡度较陡，坡度约48°。该区域地处西北内陆，属于中温带干旱、半干旱气候地区，具有明显的大陆性特征：四季分明，气候干燥，蒸发强烈，降水集中，大气透明度好，云量少，日照充分，热量丰富，温差较大，无霜期短，风沙较多;多年平均气温9.3 ℃;历年平均降水量184.6～273.5 mm，年平均降雨日数为46.5 d，降雨集中在每年7—8月。太阳辐射年总量约619.92 kJ/cm2。

1.2 护坡模式

路堑边坡区域采用4种不同的护坡模式，如图1所示。其中，工程护坡模式2种，分别为拱形骨架护坡和拱形骨架+空心六棱砖护坡模式;工程护坡与生态护坡相结合的模式2种，分别为拱形骨架+植草护坡和拱形骨架+空心六棱砖+植草的护坡模式。

①拱形骨架护坡主要是利用混凝土拱形骨架将长大坡面分成由骨架支撑的若干小块，起到支撑和稳固坡面的作用。通過拱形骨架将坡面分成若干小窗格后，很大程度上减少了溜坍体的厚度和范围，且拱形骨架可以有效阻止土体的滑动，防治坡面土体产生大范围溜坍。该研究中拱形骨架的拱顶至底部之间的垂直距离为3 m。该护坡模式下的监测区域为A区。

②拱形骨架+空心六棱砖护坡与拱形骨架护坡模式类似，其不同点主要是在由骨架分割成的小窗格内镶嵌空心六棱砖，进一步维护窗格内土体的稳定性。该护坡模式下的监测区域为C区。

③拱形骨架+植草护坡模式是在拱形骨架分割后的小窗格内移栽灌木植株，并撒播草种。在拱形骨架支撑和维持基本稳定的基础上，通过生态修复的手段，提高土体的黏聚性，增强土体稳定性。该护坡模式下的监测区域为B区。④拱形骨架+空心六棱砖+植草护坡模式是在拱形骨架+空心六棱砖护坡的基础上，在空心六棱砖内栽植灌木，并撒播草种。该护坡模式下的监测区域为D区。

1.3 土壤侵蚀模数测定

1.3.1 监测点位置。

为减少监测点受人为因素和其他因素的干扰，监测区域均选在边坡中部位置，即边坡中部的拱形骨架区域内进行监测。

1.3.2 监测方法。

由于受立地条件和框架结构等因素的影响，不宜采用建立径流场的方法进行监测，因此选用地面定位监测的方法（即钉桩法）进行监测[8]。

拱形骨架+六棱砖护坡模式，从拱底1排的六棱砖开始，在六棱砖的中部插入直径0.5 cm、长30.0 cm的钢钎，沿铅垂方向打入坡面，距坡面均留5.0 cm;然后，每间隔1排插入钢钎。其余3种护坡模式中的钢钎布设位置和间距与拱形骨架+六棱砖护坡模式保持一致。通过监测钉帽距地面的高度，计算土壤侵蚀厚度和土壤侵蚀量。

在每种护坡模式中平行布设5个地面组定位监测场。

1.3.3 监测时间。每隔1个生长期进行1次监测，监测2个生长周期土壤侵蚀量的变化情况。

1.3.4 计算方法。按照以下公式计算土壤侵蚀量：

E=S×H×cosθ/1 000（1）

式中，E为土壤侵蚀量（m3）;S为坡面面积（m2）;H为土壤侵蚀深度（mm）;θ为斜坡坡度（°）。

2 结果与分析

2.1 不同护坡模式下的土壤容重变化

初期土壤容重为开始时A、B、C和D区所有监测样方内测得的土壤表层平均容重;Ⅰ期和Ⅱ期土壤容重是指分别经过1个和2个生长周期后测得的各监测区域土壤容重。

由图2可知，4个监测区域内的土壤容重随着时间的推移均明显提高，其中A区土壤容重增幅最大，D区增幅最小。相较于初期，Ⅰ期土壤容重增幅大小表现为A区（9.40%）>C区（5.98%）>B区（5.12%）>D区（2.56%），且A区和C区的土壤达到偏紧的状态，不利于植被恢复。相较于Ⅰ期，Ⅱ期土壤容重增幅大小表现为C区（2.42%）>A区（2.34%）>B区（1.63%）>D区（0.83%）。随着时间的推移，土壤容重的增幅明显变小。整体来看，A区土壤容重的增幅最大（11.96%），C区（8.55%）次之，B区（6.84%）第三，D区增幅最小（3.42%）。

土壤容重除了与土壤质地类型、土壤结构及有机质含量有关外，还受到外界因素的影响，如降水、人为活动等[9]。Ⅰ期土壤容重相较于初期增幅较大，其主要原因可能是受降水等侵蚀活动的影响，在外界水压力的作用下，土壤孔隙被小粒径的土颗粒填实，致使土壤容重产生较大的变化。Ⅱ期土壤容重相较于Ⅰ期增幅减小，其原因可能是多方面的：①Ⅰ期土壤孔隙填实程度较高，Ⅱ期在水压力的作用下孔隙填实程度减弱;②土壤表层出现不同程度的物理结皮现象，而物理结皮在一定程度上维持了土体的稳定性。

在一定条件下，土壤容重越高，土壤结构就越紧密，土体水源涵养功能减弱，其产生的地表径流量就越大[10]，且不利于植被的生长。在同一时期内，对不同护坡模式下的土壤容重进行比较，发现A区土壤容重较C区更高，B区土壤容重较D区更高，表明拱形骨架+六棱砖的组合护坡模式比单一的拱形骨架护坡模式较好，更有利于改善土壤结构;A区土壤容重较B区更高，C区土壤容重较D区更高，表明工程+生态防护对土壤的改良效果要优于单一的工程防护效果。究其原因，可能是由于六棱砖在一定程度上分散了地表径流，使水压力减小，减弱了土壤孔隙的填实作用，从而使土壤容重的增幅减小。植被的覆盖作用同样减小了地表水压力，且植物根系改善了土壤结构，增加了土壤孔隙，从而使土壤容重增幅降低[11]。

2.2 不同护坡模式下的土壤侵蚀状态

不同护坡模式下的土壤侵蚀状态有不同的表现形式，其中A区主要以面状侵蚀为主，且分布有大小不一的浅沟，位于拱形骨架中线区域附近的浅沟较深。受拱形骨架的保护，靠近骨架区域的土壤侵蚀厚度较小;B区侵蚀类型与A区相似，但侵蚀深度与A区相比较小，受植被因素的影响，侵蚀沟较为弯曲，侵蚀状态如图3a所示;由于区域内土体被六棱砖分割成若干小块，C区形成了以六棱砖为单元、上深下浅的侵蚀状态，即六棱砖内上部区域侵蚀较深，下部区域侵蚀较浅，其主要原因是由于六棱砖体的阻隔以及水流冲刷和土体自重的作用形成了上深下淺的侵蚀状态;D区侵蚀状态与C区类似，但侵蚀深度较小，侵蚀状态如图3b所示。

从图4可以看出，不同护坡模式下的土壤侵蚀厚度不同，其中A区侵蚀厚度最大，D区侵蚀厚度最小， C区侵蚀厚度略高于B区。与Ⅰ期相比，Ⅱ期各区域内土壤侵蚀厚度均明显下降，A、B、C、D区分别减少1.7、1.1、1.5和1.3 cm，各区域下降幅度大小表现为A区（32.69%）

2.3 不同护坡模式下的土壤侵蚀模数

由图5可知，不同护坡模式下的土壤侵蚀模数不同。整体来看，A区的土壤侵蚀模数最高，C区其次，B区第三，D区土壤侵蚀模数最小，这表明不同护坡模式对边坡水土流失的防护效果不同。A区土壤侵蚀模数虽然最高，但是拱形骨架也具有一定的防护作用。骨架护坡在一定程度上还起到分流降水的作用，使降水沿坡面顺坡而下，有效阻止了路基坡面雨水的汇集。骨架的阻滞作用使水流流速减小，冲刷力减弱。

B区的土壤侵蚀模数明显低于C区，表明在防治土壤侵蚀方面，植被的防护作用要明显优于六棱砖。其主要原因是由于植被防护作用是多方位的：①地上植被的覆盖作用可以减弱降水对地面的溅蚀和冲刷作用;②地下植被的根系具有固结作用，使土体联结在一起，增强土体的稳定性和抗冲性[12];③植被可以吸收和消耗一部分降水，从而减少和分散地表径流，使得植被防护下的土体侵蚀模数较低。六棱砖的防护作用相对较弱，主要是起阻隔作用，保护土体不被冲刷和分散径流作用，但在降水量较大时其防护效果较差，土体易被冲刷。

D区的土壤侵蚀模数最小，该护坡模式集合了前3种护坡模式的优点，既有拱形骨架和六棱砖的阻滞和分隔作用，又有植被的防护作用，因此其土壤侵蚀模数最小，防护效果要优于前3种护坡模式。Ⅰ期D区土壤侵蚀模数也较高，为2.104 9万t/（km2·a）。

3 结论

不同护坡模式下的土壤结构、侵蚀状态和土壤侵蚀模数存在较大的差异。单一工程护坡模式的防护效果要弱于多种工程组合护坡模式;工程+植被护坡模式下的防护效果要优于单一工程护坡模式;在防治土壤侵蚀方面，六棱砖的防护作用要弱于植被的防护作用。整体来看，拱形骨架+六棱砖+植草护坡模式下D区的防护效果最优，土壤容重增幅、土壤侵蚀厚度和土壤侵蚀模数均最小，可以有效减缓坡面的水土流失状况，改善土壤结构，促进植被的生长，保持边坡土体的稳定，减少安全隐患。但是，D区在前期侵蚀模数较大，因此在后期研究中应对其铺设方式进行改进或增加辅助措施，以提高该模式下的前期防护效果。

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