不同護坡模式下的高路塹邊坡水土流失研究

摘要 通過測定不同護坡模式（A區拱形骨架護坡，B區拱形骨架+植草護坡，C區拱形骨架+六棱磚護坡，D區拱形骨架+六棱磚+植草護坡）下的水土流失狀況，篩選出適宜該研究區的護坡模式。結果表明：不同護坡模式下土壤結構產生了一些變化，其中A區的土壤容重增幅最大（11.96%），C區次之，B區第三，增幅分別為8.55%和6.84%，而D區增幅最小（3.42%）。A、B、C和D區均以面狀侵蝕為主，其中A區比B區分布有更多的侵蝕溝，且A區比B區侵蝕更深; C區和D區以六棱磚為單元形成上深、下淺的侵蝕狀態，且C區比D區侵蝕更深。4種護坡模式下的土壤侵蝕模數表現為A區>C區>B區>D區，且土壤侵蝕模數隨著時間的推移呈逐漸下降的趨勢。拱形骨架+六棱磚+植草護坡模式的防護效益最優。采用該護坡模式能夠有效改善土壤結構，減少水土流失。因此，建議在類似地區采用該護坡模式，以提高邊坡的穩定性和安全性。

關鍵詞 護坡模式;高路塹;水土流失;土壤侵蝕模數

中圖分類號 S29? 文獻標識碼 A? 文章編號 0517-6611（2022）05-0178-03

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2022.05.045

開放科學（資源服務）標識碼（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 寧夏回族自治區重點研發計劃項目（2019BFG02013）;中國中鐵股份有限公司引導項目（2016-KJ015-Z013-03）。

作者簡介 姜勇軍（1989—），男，湖南邵陽人，工程師，從事鐵路建設技術工作。

收稿日期 2021-07-09

鐵路工程的建設對于促進當地經濟發展具有重要的推動作用，但鐵路工程不可避免地會對當地生態環境產生一定的影響。如果不及時采取有效措施，不僅會加劇環境問題，而且會對鐵路安全運營產生很大的威脅，危及人民財產安全。

線路工程中，路塹和路堤邊坡區段經常存在水土流失、邊坡失穩等現象。目前常用的護坡模式有拱形骨架護坡、菱形骨架護坡、六棱磚護坡、錨索框架護坡以及植草護坡等單一或多種組合護坡模式[1-5]，以維持邊坡的穩定性。然而，對不同護坡模式下水土流失狀況的研究較少，尤其是在高路塹和高路堤區段。水土流失的危害主要有土壤剝蝕、肥力減退、污染水質、泥沙下泄、堵塞渠道、嚴重時沖毀線路設施、危及行車安全[6-7]。筆者選取了4種不同護坡模式，對高路塹邊坡路段的水土流失狀況進行了研究，篩選出適宜該區段的護坡模式，提高邊坡的水土保持效益，維持邊坡的穩定性。

1 研究方法

1.1 研究區概況

研究區位于寧夏回族自治區吳忠市境內，試驗地選擇在其境內的某鐵路路塹邊坡區域。該路塹邊坡為黃土邊坡，坡度較陡，坡度約48°。該區域地處西北內陸，屬于中溫帶干旱、半干旱氣候地區，具有明顯的大陸性特征：四季分明，氣候干燥，蒸發強烈，降水集中，大氣透明度好，云量少，日照充分，熱量豐富，溫差較大，無霜期短，風沙較多;多年平均氣溫9.3 ℃;歷年平均降水量184.6～273.5 mm，年平均降雨日數為46.5 d，降雨集中在每年7—8月。太陽輻射年總量約619.92 kJ/cm2。

1.2 護坡模式

路塹邊坡區域采用4種不同的護坡模式，如圖1所示。其中，工程護坡模式2種，分別為拱形骨架護坡和拱形骨架+空心六棱磚護坡模式;工程護坡與生態護坡相結合的模式2種，分別為拱形骨架+植草護坡和拱形骨架+空心六棱磚+植草的護坡模式。

①拱形骨架護坡主要是利用混凝土拱形骨架將長大坡面分成由骨架支撐的若干小塊，起到支撐和穩固坡面的作用。通過拱形骨架將坡面分成若干小窗格后，很大程度上減少了溜坍體的厚度和范圍，且拱形骨架可以有效阻止土體的滑動，防治坡面土體產生大范圍溜坍。該研究中拱形骨架的拱頂至底部之間的垂直距離為3 m。該護坡模式下的監測區域為A區。

②拱形骨架+空心六棱磚護坡與拱形骨架護坡模式類似，其不同點主要是在由骨架分割成的小窗格內鑲嵌空心六棱磚，進一步維護窗格內土體的穩定性。該護坡模式下的監測區域為C區。

③拱形骨架+植草護坡模式是在拱形骨架分割后的小窗格內移栽灌木植株，并撒播草種。在拱形骨架支撐和維持基本穩定的基礎上，通過生態修復的手段，提高土體的黏聚性，增強土體穩定性。該護坡模式下的監測區域為B區。④拱形骨架+空心六棱磚+植草護坡模式是在拱形骨架+空心六棱磚護坡的基礎上，在空心六棱磚內栽植灌木，并撒播草種。該護坡模式下的監測區域為D區。

1.3 土壤侵蝕模數測定

1.3.1 監測點位置。

為減少監測點受人為因素和其他因素的干擾，監測區域均選在邊坡中部位置，即邊坡中部的拱形骨架區域內進行監測。

1.3.2 監測方法。

由于受立地條件和框架結構等因素的影響，不宜采用建立徑流場的方法進行監測，因此選用地面定位監測的方法（即釘樁法）進行監測[8]。

拱形骨架+六棱磚護坡模式，從拱底1排的六棱磚開始，在六棱磚的中部插入直徑0.5 cm、長30.0 cm的鋼釬，沿鉛垂方向打入坡面，距坡面均留5.0 cm;然后，每間隔1排插入鋼釬。其余3種護坡模式中的鋼釬布設位置和間距與拱形骨架+六棱磚護坡模式保持一致。通過監測釘帽距地面的高度，計算土壤侵蝕厚度和土壤侵蝕量。

在每種護坡模式中平行布設5個地面組定位監測場。

1.3.3 監測時間。每隔1個生長期進行1次監測，監測2個生長周期土壤侵蝕量的變化情況。

1.3.4 計算方法。按照以下公式計算土壤侵蝕量：

E=S×H×cosθ/1 000（1）

式中，E為土壤侵蝕量（m3）;S為坡面面積（m2）;H為土壤侵蝕深度（mm）;θ為斜坡坡度（°）。

2 結果與分析

2.1 不同護坡模式下的土壤容重變化

初期土壤容重為開始時A、B、C和D區所有監測樣方內測得的土壤表層平均容重;Ⅰ期和Ⅱ期土壤容重是指分別經過1個和2個生長周期后測得的各監測區域土壤容重。

由圖2可知，4個監測區域內的土壤容重隨著時間的推移均明顯提高，其中A區土壤容重增幅最大，D區增幅最小。相較于初期，Ⅰ期土壤容重增幅大小表現為A區（9.40%）>C區（5.98%）>B區（5.12%）>D區（2.56%），且A區和C區的土壤達到偏緊的狀態，不利于植被恢復。相較于Ⅰ期，Ⅱ期土壤容重增幅大小表現為C區（2.42%）>A區（2.34%）>B區（1.63%）>D區（0.83%）。隨著時間的推移，土壤容重的增幅明顯變小。整體來看，A區土壤容重的增幅最大（11.96%），C區（8.55%）次之，B區（6.84%）第三，D區增幅最小（3.42%）。

土壤容重除了與土壤質地類型、土壤結構及有機質含量有關外，還受到外界因素的影響，如降水、人為活動等[9]。Ⅰ期土壤容重相較于初期增幅較大，其主要原因可能是受降水等侵蝕活動的影響，在外界水壓力的作用下，土壤孔隙被小粒徑的土顆粒填實，致使土壤容重產生較大的變化。Ⅱ期土壤容重相較于Ⅰ期增幅減小，其原因可能是多方面的：①Ⅰ期土壤孔隙填實程度較高，Ⅱ期在水壓力的作用下孔隙填實程度減弱;②土壤表層出現不同程度的物理結皮現象，而物理結皮在一定程度上維持了土體的穩定性。

在一定條件下，土壤容重越高，土壤結構就越緊密，土體水源涵養功能減弱，其產生的地表徑流量就越大[10]，且不利于植被的生長。在同一時期內，對不同護坡模式下的土壤容重進行比較，發現A區土壤容重較C區更高，B區土壤容重較D區更高，表明拱形骨架+六棱磚的組合護坡模式比單一的拱形骨架護坡模式較好，更有利于改善土壤結構;A區土壤容重較B區更高，C區土壤容重較D區更高，表明工程+生態防護對土壤的改良效果要優于單一的工程防護效果。究其原因，可能是由于六棱磚在一定程度上分散了地表徑流，使水壓力減小，減弱了土壤孔隙的填實作用，從而使土壤容重的增幅減小。植被的覆蓋作用同樣減小了地表水壓力，且植物根系改善了土壤結構，增加了土壤孔隙，從而使土壤容重增幅降低[11]。

2.2 不同護坡模式下的土壤侵蝕狀態

不同護坡模式下的土壤侵蝕狀態有不同的表現形式，其中A區主要以面狀侵蝕為主，且分布有大小不一的淺溝，位于拱形骨架中線區域附近的淺溝較深。受拱形骨架的保護，靠近骨架區域的土壤侵蝕厚度較小;B區侵蝕類型與A區相似，但侵蝕深度與A區相比較小，受植被因素的影響，侵蝕溝較為彎曲，侵蝕狀態如圖3a所示;由于區域內土體被六棱磚分割成若干小塊，C區形成了以六棱磚為單元、上深下淺的侵蝕狀態，即六棱磚內上部區域侵蝕較深，下部區域侵蝕較淺，其主要原因是由于六棱磚體的阻隔以及水流沖刷和土體自重的作用形成了上深下淺的侵蝕狀態;D區侵蝕狀態與C區類似，但侵蝕深度較小，侵蝕狀態如圖3b所示。

從圖4可以看出，不同護坡模式下的土壤侵蝕厚度不同，其中A區侵蝕厚度最大，D區侵蝕厚度最小， C區侵蝕厚度略高于B區。與Ⅰ期相比，Ⅱ期各區域內土壤侵蝕厚度均明顯下降，A、B、C、D區分別減少1.7、1.1、1.5和1.3 cm，各區域下降幅度大小表現為A區（32.69%）

2.3 不同護坡模式下的土壤侵蝕模數

由圖5可知，不同護坡模式下的土壤侵蝕模數不同。整體來看，A區的土壤侵蝕模數最高，C區其次，B區第三，D區土壤侵蝕模數最小，這表明不同護坡模式對邊坡水土流失的防護效果不同。A區土壤侵蝕模數雖然最高，但是拱形骨架也具有一定的防護作用。骨架護坡在一定程度上還起到分流降水的作用，使降水沿坡面順坡而下，有效阻止了路基坡面雨水的匯集。骨架的阻滯作用使水流流速減小，沖刷力減弱。

B區的土壤侵蝕模數明顯低于C區，表明在防治土壤侵蝕方面，植被的防護作用要明顯優于六棱磚。其主要原因是由于植被防護作用是多方位的：①地上植被的覆蓋作用可以減弱降水對地面的濺蝕和沖刷作用;②地下植被的根系具有固結作用，使土體聯結在一起，增強土體的穩定性和抗沖性[12];③植被可以吸收和消耗一部分降水，從而減少和分散地表徑流，使得植被防護下的土體侵蝕模數較低。六棱磚的防護作用相對較弱，主要是起阻隔作用，保護土體不被沖刷和分散徑流作用，但在降水量較大時其防護效果較差，土體易被沖刷。

D區的土壤侵蝕模數最小，該護坡模式集合了前3種護坡模式的優點，既有拱形骨架和六棱磚的阻滯和分隔作用，又有植被的防護作用，因此其土壤侵蝕模數最小，防護效果要優于前3種護坡模式。Ⅰ期D區土壤侵蝕模數也較高，為2.104 9萬t/（km2·a）。

3 結論

不同護坡模式下的土壤結構、侵蝕狀態和土壤侵蝕模數存在較大的差異。單一工程護坡模式的防護效果要弱于多種工程組合護坡模式;工程+植被護坡模式下的防護效果要優于單一工程護坡模式;在防治土壤侵蝕方面，六棱磚的防護作用要弱于植被的防護作用。整體來看，拱形骨架+六棱磚+植草護坡模式下D區的防護效果最優，土壤容重增幅、土壤侵蝕厚度和土壤侵蝕模數均最小，可以有效減緩坡面的水土流失狀況，改善土壤結構，促進植被的生長，保持邊坡土體的穩定，減少安全隱患。但是，D區在前期侵蝕模數較大，因此在后期研究中應對其鋪設方式進行改進或增加輔助措施，以提高該模式下的前期防護效果。

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