高寒濕地草原區水文特性及路橋設置研究

呂存杰

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司，陜西 西安710043）

四川若爾蓋濕地位于青藏高原東北部，是世界上第一大高原沼澤濕地。區內為平坦狀高原，海拔3 420～3 700 m，氣候寒冷濕潤，降雨量小，日溫差大，地下水埋藏淺且豐富，泥炭沼澤廣泛發育。由于受氣候變化、環境變遷、人類活動的影響，若爾蓋濕地面臨著全面惡化的境地，草原加速退化，水域面積不斷縮小(張船紅等, 2019)，日益增多的工程建設更是對草原濕地造成了極大的破壞。

新西成鐵路自西寧開始，至成都松潘縣黃勝關段與既有成蘭線接軌，全長接近500 km，橫跨四川、甘肅、青海3 省，是我國連接甘青川的第1 條200 km/h(預留250 km/h)時速高原鐵路，不僅是國家“八縱八橫”高速鐵路主通道蘭廣通道的重要組成部分，也是“十三五”交通扶貧“雙百工程”中16 個鐵路項目之一。2020 年3 月5 日，該項目四川段啟動建設。四川段始自郎木寺站，途徑若爾蓋花湖至黃勝關，大部分線路位于平均海拔3 500 m 以上、地下水埋藏很淺的若爾蓋濕地，線路走向如圖1 所示。

目前，我國鐵路工程建設對濕地生態功能影響的研究比較少，也缺乏對濕地生態功能影響評價的系統梳理(吳志勇, 2018; 鄭純宇等, 2017)。從保護濕地生態環境出發，研究濕地水文特性，合理進行工程布置，科學論證工程建設與濕地生態的相互影響，是西成鐵路亟待解決的問題。

1 濕地水文特性

1.1 濕地功能

濕地具有生態功能、經濟功能和社會功能等多種功能。與工程建設比較密切相關的是生態功能，主要體現在物質循環、調蓄徑流洪水、補充地下水、調節河川徑流和氣候等方面(孫建勝, 2019)。

1.2 生態功能主要參數

圖1 四川段線路走向Fig.1 Railway trend of Sichuan section

國內先后有學者對工程建設之于濕地生態功能的影響進行了一些研究，由于野外監測難度很大，缺乏足夠的基礎數據，理論和定性分析居多，定量分析較少，而且鐵路工程從施工至運營，空間和時間上跨度大，具有一定的累積效應。參考國內外一些研究成果，針對濕地的生態功能，選取了生態功能的計算定量模型，可分以下3 類：

(1)蓄洪功能定量模型：

式中：R為濕地可蓄洪量（m3），S為濕地面積（m2），H 為水深(m)，M為常數系數。

(2)調節氣候功能定量模型：

式中：T為濕地蒸發水量，α 為系數，S為濕地面積，F0為水面蒸發量。

(3)生物棲息功能定量模型：

式中：F為生物適宜度系數，k為常數，S、S0為面積，H、H0為水深。

從以上參數可以看出，影響濕地生態功能的主要因素是水面面積及水深。從鐵路工程建設來說，保護濕地生態功能，歸根結底在于保護濕地面積和保證濕地淺層水系連通(吳玉琴等, 2020)。

1.3 濕地淺層地下水

圖2 軟弱土層及水位線示意圖Fig.2 Diagram of soft soil layer and water level line

若爾蓋濕地上層覆蓋厚約0.5 ～3.0 m 的腐殖土，土質松散，易分解，夾雜植物根莖。淺層地下水埋深0.4 ～2 m，豐水期腐殖土遇水膨脹，起到蓄水調洪的作用；枯水期水位下降，腐殖土則塌縮，造成表層土質上下來回變動(圖2)。鐵路工程建設要充分考慮淺層地下水變動的影響及對路基本體的危害。

1.4 不同路基排水形式對淺層地下水的影響

鐵路以路基形式穿越濕地，會對濕地淺層地下水造成阻隔，匯水側水位可能較高，另一側水位可能較低，造成兩側水位不平衡，易對路基本體造成危害。目前，國內外在高寒濕地路基地下水水循環模擬方面研究極少。在郎木寺至川主寺公路改建工程建設前，為了研究不同的路基排水處理方式對淺層地下水的水循環影響，選取了一段公路路基試驗段進行地下水位觀測研究，并采用GMS 軟件對地下水進行數值模擬，以求得不同路基形式對路基兩側水流的阻滯作用。試驗段路基分別采用了黏土換填、塑料排水板、片石換填、碎石樁和盲溝路基幾種形式，通過建立地下水流場模型，得出不同路基形式隨時間變化的平均水力梯度(王琰等, 2008)，并與無公路時的平均水力梯度(20.63‰)相比得出水力梯度差(表1)。

從表1 可以看出，不同形式的路基平均水力梯度有差異，水力梯度越小，路基內部水位越低，有利于路基兩側的水循環條件。以上模擬研究證明，不同的路基形式對濕地地下水的阻隔不同。

郎川公路地下水循環試驗的地點正是若爾蓋濕地，鐵路路基與公路路基雖在填料及基礎處理措施方面有所不同，但在進行鐵路路基設計時，仍可借鑒其試驗結論，并依照鐵路路基設計規范進一步研究不同的路基排水形式，降低對地下水平衡的影響。

1.5 濕地對橋涵水文設計的影響

排水不暢是濕地形成的主要原因之一，而鐵路建設又必須首要解決排洪和排地表水問題。以若爾蓋濕地某處澤西納為例(圖3)。從圖3 可以看出，國道G213 和右側山體之間，形成弧形包圍，水流無出路，在低洼處積聚，久而久之形成濕地。根據濕地生態功能所述，濕地具有蓄水調洪的功能。在進行橋涵水文計算時得出的水位會存在一定偏差，僅靠此進行工程水文設計，指導性欠妥。必須輔以大量現場實地調查，觀察水位變動線及水流方向，對糙率系數進行調整來修正水文計算，從而減少濕地生態功能對橋涵水文設計的誤差影響。

表1 不同路基特性系數及水力梯度Table 1 Characteristic coefficient and hydraulic gradient of different Subgrade

圖 3 澤西納濕地平面圖Fig.3 Zexina wetland plan

2 路橋設置對比研究

若爾蓋濕地平坦開闊，局部有丘陵，該段線路是全線地勢起伏最小的一段，軌面與地面高差普遍在6 ～15 m，也是可以降低全線工程總投資的重要地段，探索合理的工程布置形式以及其對濕地環保的影響程度，對指導西成鐵路工程設計具有重要意義。

該段大部分線路處于牧區，根據與當地政府簽訂的立交協議，要求預留一定密度的畜牧通道；另外，若爾蓋濕地屬于國家級濕地保護區，環保要求非常高，所以，路橋設置分別從經濟性、環保性、功能性和施工等方面綜合考慮確定。西成鐵路在進行初步設計時，選取了一段1 km 左右線路為研究對象，對該段分別以路基和橋梁工程兩種通過方式進行詳細的對比分析。

2.1 鐵路標準

鐵路等級為Ⅰ級；正線數目為雙線；設計速度為預留250 km/h；線間距4.6 m；該段線路長1 km，直線；活載為鐵路ZK 荷載；工后沉降控制值：路基不超過100 mm；橋梁50 mm。

2.2 地質概況

根據地質報告可知，該段地層主要為第4 系全新統沖積沼澤沉積腐殖土，沖積粉質黏土、粉土、粉砂、細砂、中砂、粗砂和細圓礫土；第4 系上更新統沖積粉質黏土、粉土、粉砂、細砂、中砂、粗砂、細圓礫土和細角礫土。腐殖土層平均厚2.0 m，下方大部分為軟弱土層，如粉土、粉質黏土及含有液化性的粉細砂類土等，中間夾有部分細圓礫土或細角礫土。軟土地層承載力低，壓縮性高，不宜直接作為持力層(表2)。該段地層地震動峰值加速度為0.15 g(相當于地震基本烈度7 度)，地震動反應譜周期為0.45 s，場地類別Ⅱ類。土壤最大凍結深度78 cm。

表2 各土層承載力取值Table 2 Valuation of bearing capacity of each soil layer

2.3 工程設置

根據地形條件及線路高程計算，線路在1.0 km范圍內填土高約7 ～13 m，地勢南高北低，水流由右側匯向線路左側。下面分別以路基方案和橋梁方案進行分析。

2.3.1 路基方案 路基方案依照《鐵路路基設計規范》(TB10001-2016)中高速鐵路設計速度250 km/h 標準執行，路基面為三角形路拱，寬度13.4 m，由路基中心線向兩側設4%的人字排水坡。路基基床表層采用級配碎石填筑，基床底層采用A、B 組填料，基床下采用C 組填料。

水是引起路基沉降變形及穩定性的主要因素之一，大多數既有線路路基變形都是由于排水不暢造成侵蝕，因此，路基方案首先要排除地表水和地下水的影響，形成良好的排水系統。地質顯示，表層存在2 m 厚度左右的軟弱層，最經濟的方案是拋填片石(應忠旺, 2014)，但由于位于高寒地區，土層受溫度影響，沉降量不易控制；另一方面若爾蓋濕地屬于國家級環保區，石料獲取較為困難。最終采取將表層0.6 m 挖除換填滲水土，用螺釘樁加強的復合地基處理方案；螺釘樁采用正方形布置，樁徑0.4 m，樁間距2.0 m，樁長15 ～20 m；路堤基底設置滲水土墊層，保證路基兩側淺層地下水滲流自由、通暢。地基處理斷面見圖4。

圖 4 地基處理示意圖Fig.4 Foundation treatment diagram

從滿足功能性考慮，與當地政府簽訂的畜牧通道協議要求：200 ～300 m 線路范圍內至少設置1 處畜牧通道，孔徑6 m，凈高不小于3.0 m。本段線路需設置3 處排洪兼畜牧通道涵洞。

從滿足環保要求考慮，實施前對草皮進行移植并養護，用于路基邊坡、區間綠色通道的防護以及裸露地表的植被恢復。實施后邊坡采用骨架護坡，護坡內種植灌木。通過采取上述措施，最大程度減少路基工程對高原濕地功能性生態環境的影響。

2.3.2 橋梁方案 承臺樁基及鋼板樁圍堰平面布置如圖5 所示。橋梁方案采用32 m 常用跨度布孔，本段范圍共計30 孔橋。梁部采用部頒預制有砟簡支箱梁，橋墩采用圓端形實體墩，墩徑2.1 m。由地質條件可知，地層大部分為軟弱土層，且細砂、粗砂等砂類土具有液化性，明挖、挖井等剛性基礎沉降不能滿足要求。經計算，基礎選用6 根直徑1.0 m的鉆孔樁，平均樁長47 m。由于地下水位較高，承臺開挖時采用鋼圍堰防護，垂直開挖，隔墩施工，抽拔倒用。一方面有利施工，一方面也減少對濕地的破壞。橋墩選型盡量統一，選用定型鋼模板，一次立模，一次澆筑完成。模板均在鋼結構廠制作完成，現場僅需布置鋼筋加工場地。梁部全部在梁場預制，利用架橋機架設施工，進一步減少施工場地。

圖5 承臺及鋼圍堰平面布置圖Fig.5 Plan layout of cushion cap and steel cofferdam

2.3.3 主要工程數量 路基方案主要工程數量見表3。比較段線路長按980 m 計，路基方案數量包括3 座孔徑6 m 涵洞；橋梁方案按照30 孔橋梁計算。

橋梁方案主要工程數量見表4。經工程造價估算，路基方案約5 624 萬元(含3 座涵洞約430 萬)，橋梁方案約5 782 萬元。路基方案總造價節省了約160萬元，路基每延米5.73 萬元，橋梁每延米5.90 萬元。

2.4 方案對比分析

2.4.1 工程造價 本段1 km 線路填土高平均在10 m 左右，若全部以路基或橋通過，總體造價差異不大，需要進一步研究細化。橋梁方案工程造價主要體現在梁部、橋墩和基礎。隨著填土高度的增加，梁部不受高度影響，橋墩圬工每延米僅增加11.34 m3，對荷載和工程數量的影響有限，基礎受填土高影響也較小。填土高度直接影響路基方案地基處理、邊坡防護和占地面積等工程數量，所以，將軟土區填土高度按照6 m、7 m、8 m、10 m、12 m 劃分為5 個路基段落(舒小龍, 2016)，分別測算后，路基工程造價見表5。

由表5 可知，當填土高度大于10 m 時，路基工程造價達到5.83 萬元/m(含涵洞造價0.45 萬元/m)，已經十分接近橋梁方案。填土高度越大，路基方案的造價越高。

表3 路基方案主要工程數量表Table 3 Main quantities of subgrade scheme

表4 橋梁方案主要工程數量表Table 4 Main quantities of bridge scheme

表5 不同填土高路基工程造價表Table 5 Engineering cost table of subgrade with different filling height

2.4.2 環保方面 路基方案占地面積大，對濕地草原的破壞更大；路基方案對濕地水文連通影響較大，而橋梁方案對水流阻隔小；橋下施工后植被易恢復，橋下廊道更開放，更有利于動物通行，對動植物生態保護更好；路基坡面防護要結合植物防護，后期養護成本高；受環保影響，路基填料缺乏，且運距遠。從環保角度考慮，橋梁方案更適合若爾蓋國家級濕地保護區。

2.4.3 功能性 前述已知，路基的永久性占地使得空間被分割，改變了濕地生物的生活習性和活動范圍；而橋梁跨徑大、占地小，對濕地生態功能的擾動相對較輕，更能保證生態功能的完整實現(肖曉妮, 2007)。

2.4.4 施工方面 從施工來說，橋梁方案預制程度高，工廠作業集中，現場施工作業面小，對濕地的破壞范圍小。

2.4.5 小結 從經濟性方面來看，根據對比研究，在填土高度≤8 m 時，采用路基方案更優；填土高度＞8 m 時，宜采用橋梁形式；當填土高度8 ～10 m時，需綜合考慮地質情況、沉降控制、避免出現短路基等因素，合理選擇路橋設置方式。從環保性、功能性及施工方面來看，橋梁方案更適合在濕地草原區的工程實施。

3 橋梁環保施工措施

3.1 減少對現狀的干擾和破壞

首先合理規劃施工組織，精簡施工步驟，減少施工占地，如：基礎施工采用鋼圍堰防護，避免大面積放坡開挖；橋墩隔墩施工，不破壞兩墩間地表；橋下施工便道采用滲水填料，隔段預埋排水管，保證兩側水系連通等。

3.2 合理進行棄渣、泥漿和廢水等排放

環保區附近嚴禁設棄渣場，施工產生的泥漿、棄渣等可設置幾組大型鋼箱作為臨時泥漿池，并及時外運(程昊, 2009)。

3.3 開展推廣預制裝配式技術

開展裝配式橋墩、承臺和管樁的研究和應用，減少現場作業時間。目前，和若鐵路橋墩及涵洞工程預制裝配技術已取得階段性應用成果，并完成了管樁現場工藝和荷載試驗。西成鐵路可進一步研究裝配式技術在高寒鐵路上的應用。

4 結論

本文結合國內外研究，闡述了若爾蓋濕地的水文特性，找出了生態功能與工程建設的相互影響。從路基和橋梁方案的詳細對比可以得出以下結論：

(1)濕地草原區由于較深軟土地層的影響以及路基工程對濕地的較大干擾，西成鐵路若爾蓋濕地環保區宜大部分以橋梁方式通過，局部設置路基。

(2)線路縱坡應結合路橋設置分析結論、軟弱地層厚度等進行設計，合理控制工程投資。

(3)路基段的排水方式和基礎處理決定路基工程造價及對濕地地下水平衡的影響程度，應做進一步研究優化。

(4)在設計和施工的舉措上，提出了在高寒濕地鐵路上應用推廣預制裝配式技術的研究方向，為環保區施工建設提供新的思路。