坦桑尼亞公路項目沖溝形成研究分析及危害處理措施

劉增龍

（中國土木工程集團(tuán)，北京 100038）

1 工程概況

本文涉及的工程Mafinga-Igawa 公路位于坦桑尼亞伊林加省內(nèi)Idetero 村附近，北接埃及亞歷山大港，南連南非得維多利亞港，號稱“非洲經(jīng)濟(jì)大動脈”，交通運輸較為繁忙，設(shè)計為雙向單車道。沖溝與道路位置圖如圖1 所示。

圖1 沖溝與道路位置圖

為了避免沖溝的繼續(xù)擴(kuò)大對道路的安全性形成危害，現(xiàn)場進(jìn)行實地勘察、測繪作業(yè)以及對土質(zhì)進(jìn)行取樣，然后通過對現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，從而對沖溝的形成做出判斷，并為阻止沖溝的進(jìn)一步侵蝕及采取的有效保護(hù)措施提供依據(jù)【1】。

2 土樣材料分析

現(xiàn)場共布置 14 個點（長 2m、寬2m、深2m）進(jìn)行土樣采集。土樣分為 2 種類型：1～8 為腐泥土，9～14 為紅土。

2.1 土樣的含水量和塑性指數(shù)

本項目土樣的塑性指數(shù)為8.7～18.4，塑限的范圍為30.5～39.8。由此可知，沖溝的形成是由于土壤結(jié)構(gòu)以外的其他因素，即土壤的含水量對沖溝的形成影響很小。

2.2 土的內(nèi)摩擦角和黏聚力

結(jié)合相關(guān)土樣采集數(shù)據(jù)，腐泥土內(nèi)摩擦角值為20°～34°，紅土的內(nèi)摩擦角值為22°～30°，二者類似；而腐泥土的內(nèi)聚力值為 16～61kN/m2，紅土的內(nèi)聚力值為 23～39kN/m2，腐泥土的內(nèi)聚力分布不均勻，且部分土樣內(nèi)聚力值低，即紅土的黏結(jié)力偏中，若紅土流失會加劇腐泥土的侵蝕作用。

2.3 土樣篩分實驗

土壤可蝕性是指土壤對侵蝕性的敏感性。可蝕性是土壤質(zhì)地、骨料穩(wěn)定性、剪切強(qiáng)度、滲透能力、有機(jī)和化學(xué)成分的函數(shù)。在本節(jié)中，可蝕性因子是根據(jù)Wishmeier 等人（1971 年）開發(fā)的經(jīng)驗公式估算的。可蝕性因子公式見式（1）：

式中，fp為粒度參數(shù)；Pom為有機(jī)物百分比，本文取值為0；Sstruc為土壤結(jié)構(gòu)指數(shù)，土壤結(jié)構(gòu)分為：非常細(xì)的顆粒狀土壤，細(xì)粒土壤，等或粗粒狀土壤，塊狀、板狀或塊狀土壤；fperm為剖面滲透度，分別有以下幾種情況：滲透非常緩慢、滲透緩慢、滲透緩慢至中度、滲透適度、滲透中度至快速、滲透快速，本文出現(xiàn)的情況為滲透適度。

其中，粒度參數(shù)由式（2）計算：

式中，Psilt為粉土百分比，%；Pclay為黏土百分比，%。

根據(jù)土壤結(jié)構(gòu)指數(shù)的劃分，腐泥土的結(jié)構(gòu)指數(shù)劃分為4，紅土的結(jié)構(gòu)指數(shù)劃分為3。

根據(jù)顆粒的大小，可以將篩分后的土分為：黏土（0～0.002mm）；粉土（0.002～0.063mm）；沙土（0.063～2.0mm）；砂礫（2.0～63mm）。通過對土樣進(jìn)行篩分和可蝕性因子計算，可知絕大部分土樣的可蝕性等級高，即容易被侵蝕。

3 現(xiàn)場測繪和數(shù)據(jù)分析

本文對靠近沖溝公路兩側(cè)的斷面進(jìn)行測量研究。采用常規(guī)的電阻率斷層掃描法（CERT），對調(diào)查區(qū)域進(jìn)行概括分析，通過采集的數(shù)據(jù)，使用RES 2D 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，然后生成二維圖形，根據(jù)激發(fā)極化（IP）對風(fēng)化剖面的深度和地質(zhì)材料的分布做出判斷：該區(qū)域的地質(zhì)風(fēng)化深度已經(jīng)超過20m，風(fēng)化物質(zhì)為腐泥土和紅土2 種材料。

4 地表水對沖溝侵蝕的影響

該地區(qū)位于坦桑尼亞高原的熱帶地區(qū)，熱帶氣候以干濕季節(jié)為特征。雨季為12 月~次年5 月，12 月~次年3 月的最大降雨量為255mm/d，旱季為6~11 月。

4.1 水分嶺數(shù)字高程模型

利用數(shù)字高程模型的水分嶺得到河流和流域，如圖2所示。

圖2 研究區(qū)和周圍的分水嶺

由圖2 可知，該地區(qū)形成了幾個流域，而沖溝是該流域溪流的組成部分。

4.2 地表徑流特征

根據(jù)研究區(qū)的水流流向和分水嶺高程模型，將研究區(qū)周圍區(qū)域分為7 個地塊。

由Rossmiller 提出的特定假設(shè)公式，即在特定降雨量和規(guī)定時間內(nèi)，整個流域的降雨量為均勻分布的，該區(qū)域的地表徑流量Q 可根據(jù)式（3）計算得出：

式中，C 為徑流系數(shù)，本文研究區(qū)域土壤較為密集，植被覆蓋較為稀疏，坡較陡，取最大值0.95；I 為降雨強(qiáng)度，mm/h，選擇最大的降雨量用作集流時間內(nèi)的降雨量，即255mm/h；A 為流域面積，hm2。

具體計算結(jié)果如表1 所示。

表1 研究區(qū)域的地表徑流量

由表1 可知，單位時間內(nèi)流進(jìn)該區(qū)域的地表水徑流量非常大，通常排水量要比地表徑流量多25%。

5 分析總結(jié)

根據(jù)本文的數(shù)據(jù)分析以及當(dāng)?shù)氐慕涤昵闆r可知，沖溝的侵蝕是由于地表雨水不斷對研究區(qū)域的土壤進(jìn)行沖刷形成。

1）研究區(qū)的土壤在潮濕時表現(xiàn)出不穩(wěn)定性，雖然塑性指數(shù)高，有較高的塑性特征，但在物理性能上表現(xiàn)出的黏結(jié)性較差，即容易被外力帶走。

2）根據(jù)分水嶺的高程模型分析，研究區(qū)域周圍的雨水會流向研究區(qū)域，加速了沖溝的侵蝕。

3）地下水和地表水會削弱腐泥土的內(nèi)聚強(qiáng)度，表面紅土的流失會加劇腐泥土的侵蝕，也造成了沖溝侵蝕的加劇。

6 結(jié)語

綜上所述，由于沖溝的位置距離公路路基較近，為阻止沖溝的進(jìn)一步侵蝕，保護(hù)公路的路基安全，提出以下2 點建議：

1）沿著靠近公路的沖溝周邊做混凝土截水溝【2】，將沖溝周邊流向沖溝的雨水安全輸送到其他地方，降低該區(qū)域地表水徑流量，防止沖溝侵蝕的加劇。

2）靠近公路一側(cè)的沖溝邊坡進(jìn)行清理并做錨桿加固，然后再做擋土墻，將已經(jīng)嚴(yán)重侵蝕的沖溝邊坡進(jìn)行穩(wěn)定處理【3】，從而保護(hù)公路路基的安全。