阿聯酋沙漠重載鐵路路基邊坡降水侵蝕評價方法及修復方案研究

張文偉

(中土集團福州勘察設計研究院有限公司 福建福州 350000)

1 引言

中東尤其是伊朗、阿聯酋國家大部分城市區域為沙漠地區，地勢廣闊平坦；同時處于干旱亞熱帶氣候區，全年炎熱干旱，雨季集中在每年11～5月且雨量較大。當地分布比較廣泛的筑路材料為風積砂，風積砂級配單一、通常以細砂為主。采用該種材料填筑路基，在當地氣候環境下，易產生風蝕、雨水沖刷等病害，因此，需考慮對邊坡進行防護。

國內針對沙漠路堤段所采用的邊坡工程防護主要為漿砌片石或者混凝土護坡、碎石包邊土等方式[1]；植物防護主要采用客土噴播以及三維土工網植草技術，防沖刷效果較好[2-3]。除此外，近年來采用各種加固劑、加固材料用于邊坡土體固化增加其防沖刷效果，取得了一定成就[4]。

但中東沙漠地區獲取碎石、混凝土成本高，全年氣候炎熱以及政策要求難以實施植物防護。主要成分是中細砂與高黏粒含量的Gatch料作為當地另一種分布較為廣泛且易獲取的填料，摻水拌和壓實后具有防沖刷特性，可作為包邊土設計使用，且維修養護方法簡單，成本低。缺點是不能徹底解決風蝕及雨水沖刷的問題，若未及時維修養護，可能引起路基本體結構性破壞，影響路基正常使用。為有效地評價Gatch料作為鐵路路基包邊土的可行性，本文以阿聯酋地區某鐵路項目為例，通過對路堤邊坡的侵蝕性評價方法進行討論，并基于該評價方法建立了相應的監測-維護方案。同時，對該評價-監測-維護方案體系的應用效果進行驗證，為類似工程項目實施提供一定借鑒意義。

2 路堤易侵蝕性評價方法

對路堤邊坡易侵蝕性的評價是監測-維護方案的前提條件，一段路基的易侵蝕性越高則其監測頻率和修復成本越高，因此必須將路基段各個條件因素考慮在內對其易侵蝕性作出合理評價。

20世紀70年代，美國農業部提出了基于因降雨造成的平均土壤流失的侵蝕方程(USLE)[5]，其公式如下所示:

式中，A為單位面積土壤流失值；R為降雨徑流因素；K為某一類土體易侵蝕系數，與填料性質直接相關(主要是級配)；L為邊坡長度因素；S為邊坡率因素；C為邊坡上覆蓋層因素，其與邊坡的植被覆蓋相關；P為支護因素，主要取決于相關防侵蝕措施。

該侵蝕方程在世界范圍內廣泛使用，并在上世紀80年代后美國研究人員基于該方程提出了多種預測模型，在一定程度上對邊坡沖刷侵蝕進行了預測[6-7]；國內自上世紀90年代起開始嘗試USLE在國內的應用，提出了基于水力學的坡面沖刷公式，基于沖刷能量的坡面沖刷強度等理論公式[8-9]。

在實際工程實踐中，只需要得到路堤段的相對易侵蝕性以確定其監測-修復措施而無需絕對值，且需要注意的是:沿線的降水量難以量化；相同的鐵路項目設計中，路堤的坡率以及防護措施是固定的；中東沙漠地區路堤邊坡不存在植被覆蓋。

考慮到上述因素，本文將土壤流失方程作出簡化得出相對易侵蝕系數V:

式中，L為邊坡長度因素；E為填料易侵蝕性因素，V、L、E都為無量綱量。

簡化后方程表示同一鐵路項目下某段路基的相對易侵蝕系數只受到其邊坡長度以及其Gatch填料性質影響。

在實際工程實踐中，由不同取土場得來的Gatch料其級配與細粒含量不同進而造成其易侵蝕性不同，因此原易侵蝕系數K在工程實踐中不再適用[10]，為了細分量化不同性質的Gatch料的易侵蝕性，本文重新定義了填料易侵蝕性因素E，其值需要通過Gatch料質量系數(QI)公式求得[11]:

式中，P0.063mm細粒含量用百分比表示；D50為填料的平均粒度；PI塑性指數用百分比表示；a、b、c分別為加權系數，根據實踐中三個系數對填料質量影響的重要程度，分別取值 0.5、0.2、0.3。

通過上式可知Gatch料質量系數(QI)越高，填料易侵蝕因素E越低。

經過工程實踐和設計經驗總結，相對易侵蝕系數V可通過表1得出。

表1 邊坡相對易侵蝕性系數V取值

通過表1可以量化邊坡的相對易侵蝕性，并將其分為3個等級，從V1～V3其易侵蝕性逐漸增高。同時應注意:邊坡易侵蝕性是隨著填料和路堤高度線性變化的，可以通過統計方法確定整段路堤的易侵蝕性；該評價方法作為預測性評價，需要在實際檢測-維護工程實踐中對其評價結果作出修正。

3 監測方案

在局部15 cm的侵蝕深度不會破壞鐵路路堤正常使用的前提下，監測-修復方案通過監測Gatch包邊土層的沖刷侵蝕情況并進行相應的修復工作，以保證路堤路基本體不會產生結構性破壞進而影響鐵路正常使用。

3.1 監測頻率

監測頻率與邊坡易侵蝕性評價結果正相關。在工程實踐中發現，對于易侵蝕性V3等級的Gatch包邊土層會在雨季強降水后出現最大10 cm深的沖溝，因此針對V3等級的路堤段采用每年4次的監測頻率。而V2以及V1的路堤段通過實際監測可發現其受侵蝕破壞程度不高，因此其監測頻率遞減，分別采用每年2次以及1次的監測頻率。

此外應注意，通過多年氣象報告統計可知中東地區雨季集中在12～5月份，尤其3～5月降水量最高，沖刷侵蝕破壞基本發生在強降水之后，因此對于監測活動的安排應符合兩條原則:

(1)應在每一年的旱季進行一次監測活動，以評估邊坡保護層在整個雨季后的沖刷破壞程度，進而決定需要采取的修復措施；

(2)其余的監測活動應集中在雨季進行，對于V3等級的邊坡需在強降水后及時監測并采取修復措施，保證沖溝深度不會超出15 cm，影響鐵路正常使用。

3.2 侵蝕評估

評估邊坡破壞程度的準確性決定了采取的修復方案合理性。監測方式主要是人工巡查并對邊坡的沖刷侵蝕情況作出目測評估，以確認邊坡沖刷侵蝕破壞類型及破壞程度，并對應采取的措施作出建議。為能夠精確評估邊坡沖刷侵蝕破壞程度，本文將其分為5個等級(S0～S4)。

S0(表面輕微侵蝕):侵蝕表現為非常細小的細溝(0～2 cm深)，深度較淺，發育不良。這些細溝的間距通常超過5 m，偶爾可以在斜坡底部發現少量的碎屑堆積，可不作處理繼續監測。

S1(細溝):細溝由輕微侵蝕發育形成，細溝間距1～5 m，深2～5 cm。在細溝所在路堤坡腳會發現少量碎屑堆積物。應平整路肩并采取排水措施，繼續監測。

S2(深沖溝):由細溝持續沖刷侵蝕發育而來，通過坡面侵蝕搬運于坡腳形成堆積扇。具體表現為5～15 cm深的溝道，沿著斜坡發育，間距小于1 m，坡腳存在明顯堆積扇。應平整路肩并采取排水措施，并采用R1級修復方案。

S3(沖溝網):由深沖溝持續侵蝕發育而來，形成大于15 cm深度的交錯網狀沖溝，并在坡腳形成重疊的堆積扇。對路堤邊坡產生明顯破壞并影響鐵路正常使用。應平整路肩并采取排水措施，并采用R1級修復方案。

S4(坡面滑塌):長時間降雨或暴雨期間，坡面會發生滑塌破壞(破壞面深度通常在1.2 m以下)。在回填材料符合設計要求以及保證監測頻率下一般不會出現S4級的邊坡破壞。在這種破壞情況下應采用下文的R2級修復方案。

在工程實踐中通?？砂凑招枨笾谱鞅O測表，將監測時間、范圍以及評估結果記錄在內。同時在工程實踐中若遇到侵蝕破壞較嚴重的路堤段或者降水情況較往年更嚴重的情況下，可適當提高監測頻率，保證邊坡不會出現S3及以上的破壞。

4 修復方案

修復工程應分為坡頂沖刷侵蝕起始點的修復以及坡面沖溝侵蝕面的修復兩部分。應注意采用濕法壓實以保證其壓實度，開挖回填范圍不小于壓實機寬度以便于施工。

通過工程實踐，本文針對不同等級的邊坡侵蝕破壞等級提出了兩種修復方案。

R1:坡頂侵蝕凹槽應從底部10 cm深度處移除，回填設計要求填料并壓實。坡面5～10 cm深度細溝無需修復，繼續保持監測；10～15 cm沖溝左右兩側50 cm范圍內移除至15 cm深度，回填設計要求填料并壓實。

R2:坡頂侵蝕凹槽應從底部10 cm深度處移除，回填設計要求填料并壓實。坡面應明確不穩定區，并對不穩定區包邊土全部移除重新按照設計要求施工。

需要注意的是，相較于危害較輕的邊坡沖刷侵蝕的監測修復工程，沙漠路堤段主要進行的維護工程是清除沿線風沙堆積以保證鐵路正常運營。根據氣象資料(見圖1)，雨季主要集中在11～5月，而風沙危害較大的月份集中在春夏季節(3～10月)，二者時間上略有重疊。

圖1 降水與風沙季節性分布示意

因此在采用本文提出的監測-修復方案情況下，后期維護可以在雨季完成沖刷侵蝕的監測修復，而在其他季節完成清除風沙的維護工程，實現全年維護工作無沖突。

5 工程實踐

以某中東地區鐵路工程項目10 km路堤段作為工程實踐，以驗證本文提出的邊坡易侵蝕評價方法的準確性以及檢測-維護方案的可行性。

5.1 邊坡易侵蝕性評價

首先通過該段路堤Gatch填料性質確定填料質量系數QI，進而確定易侵蝕性因素E值，其取值如表2所示。

表2 填料易侵蝕性因素E值

在得到E值后將邊坡高度考慮在內，通過表1計算得到邊坡易侵蝕性系數V值如圖2所示。

圖2 邊坡易侵蝕性系數示意

可以從圖2看出該段路堤處于V3等級的路堤段較多，根據工程實踐保守估計，可將該段路堤整體確定為V3等級，即該段路堤整體易侵蝕性較高，抗沖刷能力差。

5.2 監測-修復方案

基于該段路堤整體易侵蝕性等級為V3，初步計劃雨季集中監測3次并在旱季開始后監測1次。在該段施工完成后的4～5月份進入強降雨季，其中出現一周降水5 d的高頻率降水情況。4月份結束后進行了現場監測，路堤坡面存在5～10 cm細溝，局部路段出現沖溝網，侵蝕破壞程度達到S3，如圖3所示。該監測結果與預測的邊坡易侵蝕性等級V3相符，說明該評測方法可靠。

圖3 邊坡沖刷侵蝕破壞

監測評估完成后采用R1級修復方案，對坡頂侵蝕凹槽進行移除，回填設計要求填料并壓實。坡面10～15 cm沖溝左右兩側50 cm范圍內移除至15 cm深度，回填設計要求填料并壓實，壓實采用鋼輥壓實至最佳狀態。修復后如圖4所示。

圖4 邊坡修復后

6 結論

本文基于土壤流失方程提出一種邊坡易侵蝕性評價方法，并以該方法為基礎設計了完整的監測-修復方案，通過工程實踐證明:邊坡易侵蝕性評價方法很好地結合了中東地區包邊土填料特性，能夠準確地評價路堤邊坡易侵蝕性；提出的監測-修復方案針對性強，評價方法簡單準確并且充分利用中東地區后期維護工程特點，成本低且效果明顯。該評價方法可為中東地區鐵路路基邊坡防護方案提供有意義的參考。