阿联酋沙漠重载铁路路基边坡降水侵蚀评价方法及修复方案研究

张文伟

(中土集团福州勘察设计研究院有限公司 福建福州 350000)

1 引言

中东尤其是伊朗、阿联酋国家大部分城市区域为沙漠地区，地势广阔平坦；同时处于干旱亚热带气候区，全年炎热干旱，雨季集中在每年11～5月且雨量较大。当地分布比较广泛的筑路材料为风积砂，风积砂级配单一、通常以细砂为主。采用该种材料填筑路基，在当地气候环境下，易产生风蚀、雨水冲刷等病害，因此，需考虑对边坡进行防护。

国内针对沙漠路堤段所采用的边坡工程防护主要为浆砌片石或者混凝土护坡、碎石包边土等方式[1]；植物防护主要采用客土喷播以及三维土工网植草技术，防冲刷效果较好[2-3]。除此外，近年来采用各种加固剂、加固材料用于边坡土体固化增加其防冲刷效果，取得了一定成就[4]。

但中东沙漠地区获取碎石、混凝土成本高，全年气候炎热以及政策要求难以实施植物防护。主要成分是中细砂与高黏粒含量的Gatch料作为当地另一种分布较为广泛且易获取的填料，掺水拌和压实后具有防冲刷特性，可作为包边土设计使用，且维修养护方法简单，成本低。缺点是不能彻底解决风蚀及雨水冲刷的问题，若未及时维修养护，可能引起路基本体结构性破坏，影响路基正常使用。为有效地评价Gatch料作为铁路路基包边土的可行性，本文以阿联酋地区某铁路项目为例，通过对路堤边坡的侵蚀性评价方法进行讨论，并基于该评价方法建立了相应的监测-维护方案。同时，对该评价-监测-维护方案体系的应用效果进行验证，为类似工程项目实施提供一定借鉴意义。

2 路堤易侵蚀性评价方法

对路堤边坡易侵蚀性的评价是监测-维护方案的前提条件，一段路基的易侵蚀性越高则其监测频率和修复成本越高，因此必须将路基段各个条件因素考虑在内对其易侵蚀性作出合理评价。

20世纪70年代，美国农业部提出了基于因降雨造成的平均土壤流失的侵蚀方程(USLE)[5]，其公式如下所示:

式中，A为单位面积土壤流失值；R为降雨径流因素；K为某一类土体易侵蚀系数，与填料性质直接相关(主要是级配)；L为边坡长度因素；S为边坡率因素；C为边坡上覆盖层因素，其与边坡的植被覆盖相关；P为支护因素，主要取决于相关防侵蚀措施。

该侵蚀方程在世界范围内广泛使用，并在上世纪80年代后美国研究人员基于该方程提出了多种预测模型，在一定程度上对边坡冲刷侵蚀进行了预测[6-7]；国内自上世纪90年代起开始尝试USLE在国内的应用，提出了基于水力学的坡面冲刷公式，基于冲刷能量的坡面冲刷强度等理论公式[8-9]。

在实际工程实践中，只需要得到路堤段的相对易侵蚀性以确定其监测-修复措施而无需绝对值，且需要注意的是:沿线的降水量难以量化；相同的铁路项目设计中，路堤的坡率以及防护措施是固定的；中东沙漠地区路堤边坡不存在植被覆盖。

考虑到上述因素，本文将土壤流失方程作出简化得出相对易侵蚀系数V:

式中，L为边坡长度因素；E为填料易侵蚀性因素，V、L、E都为无量纲量。

简化后方程表示同一铁路项目下某段路基的相对易侵蚀系数只受到其边坡长度以及其Gatch填料性质影响。

在实际工程实践中，由不同取土场得来的Gatch料其级配与细粒含量不同进而造成其易侵蚀性不同，因此原易侵蚀系数K在工程实践中不再适用[10]，为了细分量化不同性质的Gatch料的易侵蚀性，本文重新定义了填料易侵蚀性因素E，其值需要通过Gatch料质量系数(QI)公式求得[11]:

式中，P0.063mm细粒含量用百分比表示；D50为填料的平均粒度；PI塑性指数用百分比表示；a、b、c分别为加权系数，根据实践中三个系数对填料质量影响的重要程度，分别取值 0.5、0.2、0.3。

通过上式可知Gatch料质量系数(QI)越高，填料易侵蚀因素E越低。

经过工程实践和设计经验总结，相对易侵蚀系数V可通过表1得出。

表1 边坡相对易侵蚀性系数V取值

通过表1可以量化边坡的相对易侵蚀性，并将其分为3个等级，从V1～V3其易侵蚀性逐渐增高。同时应注意:边坡易侵蚀性是随着填料和路堤高度线性变化的，可以通过统计方法确定整段路堤的易侵蚀性；该评价方法作为预测性评价，需要在实际检测-维护工程实践中对其评价结果作出修正。

3 监测方案

在局部15 cm的侵蚀深度不会破坏铁路路堤正常使用的前提下，监测-修复方案通过监测Gatch包边土层的冲刷侵蚀情况并进行相应的修复工作，以保证路堤路基本体不会产生结构性破坏进而影响铁路正常使用。

3.1 监测频率

监测频率与边坡易侵蚀性评价结果正相关。在工程实践中发现，对于易侵蚀性V3等级的Gatch包边土层会在雨季强降水后出现最大10 cm深的冲沟，因此针对V3等级的路堤段采用每年4次的监测频率。而V2以及V1的路堤段通过实际监测可发现其受侵蚀破坏程度不高，因此其监测频率递减，分别采用每年2次以及1次的监测频率。

此外应注意，通过多年气象报告统计可知中东地区雨季集中在12～5月份，尤其3～5月降水量最高，冲刷侵蚀破坏基本发生在强降水之后，因此对于监测活动的安排应符合两条原则:

(1)应在每一年的旱季进行一次监测活动，以评估边坡保护层在整个雨季后的冲刷破坏程度，进而决定需要采取的修复措施；

(2)其余的监测活动应集中在雨季进行，对于V3等级的边坡需在强降水后及时监测并采取修复措施，保证冲沟深度不会超出15 cm，影响铁路正常使用。

3.2 侵蚀评估

评估边坡破坏程度的准确性决定了采取的修复方案合理性。监测方式主要是人工巡查并对边坡的冲刷侵蚀情况作出目测评估，以确认边坡冲刷侵蚀破坏类型及破坏程度，并对应采取的措施作出建议。为能够精确评估边坡冲刷侵蚀破坏程度，本文将其分为5个等级(S0～S4)。

S0(表面轻微侵蚀):侵蚀表现为非常细小的细沟(0～2 cm深)，深度较浅，发育不良。这些细沟的间距通常超过5 m，偶尔可以在斜坡底部发现少量的碎屑堆积，可不作处理继续监测。

S1(细沟):细沟由轻微侵蚀发育形成，细沟间距1～5 m，深2～5 cm。在细沟所在路堤坡脚会发现少量碎屑堆积物。应平整路肩并采取排水措施，继续监测。

S2(深冲沟):由细沟持续冲刷侵蚀发育而来，通过坡面侵蚀搬运于坡脚形成堆积扇。具体表现为5～15 cm深的沟道，沿着斜坡发育，间距小于1 m，坡脚存在明显堆积扇。应平整路肩并采取排水措施，并采用R1级修复方案。

S3(冲沟网):由深冲沟持续侵蚀发育而来，形成大于15 cm深度的交错网状冲沟，并在坡脚形成重叠的堆积扇。对路堤边坡产生明显破坏并影响铁路正常使用。应平整路肩并采取排水措施，并采用R1级修复方案。

S4(坡面滑塌):长时间降雨或暴雨期间，坡面会发生滑塌破坏(破坏面深度通常在1.2 m以下)。在回填材料符合设计要求以及保证监测频率下一般不会出现S4级的边坡破坏。在这种破坏情况下应采用下文的R2级修复方案。

在工程实践中通常可按照需求制作监测表，将监测时间、范围以及评估结果记录在内。同时在工程实践中若遇到侵蚀破坏较严重的路堤段或者降水情况较往年更严重的情况下，可适当提高监测频率，保证边坡不会出现S3及以上的破坏。

4 修复方案

修复工程应分为坡顶冲刷侵蚀起始点的修复以及坡面冲沟侵蚀面的修复两部分。应注意采用湿法压实以保证其压实度，开挖回填范围不小于压实机宽度以便于施工。

通过工程实践，本文针对不同等级的边坡侵蚀破坏等级提出了两种修复方案。

R1:坡顶侵蚀凹槽应从底部10 cm深度处移除，回填设计要求填料并压实。坡面5～10 cm深度细沟无需修复，继续保持监测；10～15 cm冲沟左右两侧50 cm范围内移除至15 cm深度，回填设计要求填料并压实。

R2:坡顶侵蚀凹槽应从底部10 cm深度处移除，回填设计要求填料并压实。坡面应明确不稳定区，并对不稳定区包边土全部移除重新按照设计要求施工。

需要注意的是，相较于危害较轻的边坡冲刷侵蚀的监测修复工程，沙漠路堤段主要进行的维护工程是清除沿线风沙堆积以保证铁路正常运营。根据气象资料(见图1)，雨季主要集中在11～5月，而风沙危害较大的月份集中在春夏季节(3～10月)，二者时间上略有重叠。

图1 降水与风沙季节性分布示意

因此在采用本文提出的监测-修复方案情况下，后期维护可以在雨季完成冲刷侵蚀的监测修复，而在其他季节完成清除风沙的维护工程，实现全年维护工作无冲突。

5 工程实践

以某中东地区铁路工程项目10 km路堤段作为工程实践，以验证本文提出的边坡易侵蚀评价方法的准确性以及检测-维护方案的可行性。

5.1 边坡易侵蚀性评价

首先通过该段路堤Gatch填料性质确定填料质量系数QI，进而确定易侵蚀性因素E值，其取值如表2所示。

表2 填料易侵蚀性因素E值

在得到E值后将边坡高度考虑在内，通过表1计算得到边坡易侵蚀性系数V值如图2所示。

图2 边坡易侵蚀性系数示意

可以从图2看出该段路堤处于V3等级的路堤段较多，根据工程实践保守估计，可将该段路堤整体确定为V3等级，即该段路堤整体易侵蚀性较高，抗冲刷能力差。

5.2 监测-修复方案

基于该段路堤整体易侵蚀性等级为V3，初步计划雨季集中监测3次并在旱季开始后监测1次。在该段施工完成后的4～5月份进入强降雨季，其中出现一周降水5 d的高频率降水情况。4月份结束后进行了现场监测，路堤坡面存在5～10 cm细沟，局部路段出现冲沟网，侵蚀破坏程度达到S3，如图3所示。该监测结果与预测的边坡易侵蚀性等级V3相符，说明该评测方法可靠。

图3 边坡冲刷侵蚀破坏

监测评估完成后采用R1级修复方案，对坡顶侵蚀凹槽进行移除，回填设计要求填料并压实。坡面10～15 cm冲沟左右两侧50 cm范围内移除至15 cm深度，回填设计要求填料并压实，压实采用钢辊压实至最佳状态。修复后如图4所示。

图4 边坡修复后

6 结论

本文基于土壤流失方程提出一种边坡易侵蚀性评价方法，并以该方法为基础设计了完整的监测-修复方案，通过工程实践证明:边坡易侵蚀性评价方法很好地结合了中东地区包边土填料特性，能够准确地评价路堤边坡易侵蚀性；提出的监测-修复方案针对性强，评价方法简单准确并且充分利用中东地区后期维护工程特点，成本低且效果明显。该评价方法可为中东地区铁路路基边坡防护方案提供有意义的参考。