改建鐵路工程水土保持方案編制探討——以包蘭鐵路惠農至銀川段改建二線工程為例

宋子煒

(中鐵第五勘察設計院集團有限公司,北京 102600)

鐵路作為中國運輸系統的骨干基礎設施,將不斷擴大基礎設施規模[1]。根據《中長期鐵路網規劃》,規劃既有線增建二線1.9×104km,既有線電氣化2.5×104km[2]。水土流失已成為我國的頭號環境問題[3],改建鐵路工程勢必會因施工活動,加劇區域水土流失。因此,針對改建鐵路水土流失特點,有針對性的提出水土保持措施,不但是落實《水土保持法》的重要體現,而且能夠預防和減輕項目實施后對水土保持造成的不良影響[4],對有效防治水土流失,保護水土資源及改善項目區生態環境至關重要[5]。本文以“包蘭鐵路惠農至銀川段改建二線工程”為例,對改建工程水土保持方案編制進行探討。

1 工程概況

1.1 工程規模

包蘭鐵路惠農至銀川段改建二線工程位于寧夏回族自治區石嘴山市、銀川市境內,等級為國鐵I級,設計速度200 km/h,全線總長97.763 km,其中路基 80.32 km,共設車站8處,大橋141.25m/1座,梁式中橋624.03 m/11座。工程占地276.13 hm2,其中永久用地154.86 hm2,臨時用地121.27 hm2。土石方填挖總量 421.87×104m3,填方386.53×104m3,挖方35.34×104m3,無棄方。總投資279 022.4萬元,土建投資252 192萬元,2010年3月開工,2011年9月竣工,總工期1.5 a。

1.2 水土流失特點

本工程具有線路里程長、土石方填挖量大等特點,水土流失特點如下:

(1)挖方工程破壞地表結皮、植被,將會造成地表裸露或半裸露,增加風力侵蝕的物質來源。

(2)填方工程產生的填筑面疏松多孔,若不采取適當的防治措施,一旦遇到暴雨或大風,極易形成面蝕和風蝕。

(3)項目區內硬化面積擴大,促使土壤入滲性能降低,降水形成的地表徑流增加,間接導致水土流失加劇。

(4)施工結束后,水土保持措施體系功能的完全發揮需要2 a時間,在此期間,受大風、降雨等因素影響,仍會形成土壤侵蝕。

2 項目區生態環境特征

項目區地處賀蘭山山前洪積平原、黃河沖積平原地貌區,屬于黃河流域,中溫帶干旱氣候,年均氣溫8.2℃～9.6℃,年均降水量178.9 mm～202.9 mm,降雨集中在7月～9月,年均風速1.0 m/s～3.7 m/s。土壤為灰鈣土、灌淤土、風沙土等類型。

3 水土流失與防治現狀

3.1 水土流失現狀

3.1.1 區域水土流失現狀

賀蘭山山前洪積平原以中度風力侵蝕為主,兼具輕度水力侵蝕,風力侵蝕背景值約3 000 t/km2?a,水力侵蝕背景值1 500 t/km2?a;黃河沖積平原兼具輕度風力侵蝕、微度水力侵蝕,風力侵蝕背景值約 2 250 t/km2?a,水力侵蝕背景值800 t/km2?a。

3.1.2 水土流失成因分析

(1)地形地貌因素:賀蘭山前洪積平原與銀川黃河沖積平原地形平坦、開闊,水系發育,寬淺的季節性沖溝較發育,具備了有利于剝蝕、沖蝕等侵蝕發生發展的地形地貌和侵蝕主應力條件;地表灌溉渠網縱橫交錯,局部為風積沙覆蓋,松散的地表物質、地表覆蓋物稀疏構成了水土流失產生的基礎條件[3]。

(2)氣候因素:降水量集中分布在7月～9月,降水強度大,歷時短,容易產生面蝕;春季與夏初大風天氣較多,此時植被枯萎、土壤表層松散,極易形成風蝕。

(3)人為因素:超載放牧,基本建設增加,耕地裸露面積大,時間長等諸多以及不合理的人類活動,導致水土流失加劇。

3.2 既有包蘭鐵路水土保持分析

根據資料分析和現場調查發現:建設期,既有包蘭鐵路土石方開挖、填筑造成的水土流失較為突出,部分地段由于取土、墾荒產生地表浮沙;運營期水土流失主要集中在路基邊坡。多年來,鐵路部門通過布設砌石護坡、植物防護、機械固沙相等多種治理措施結合,線路兩側已形成寬約30 m～50 m的防護體系,基本消除了風沙危害,有效的控制了水土流失。

3.3 本工程可借鑒經驗

通過對既有鐵路、公路、輸氣管道等線性工程的調查,以下經驗可供借鑒:

(1)施工過程加強防護措施,如堆土、堆料四周采用草袋擋護;區塊狀單元周邊布設臨時排水溝、沉淀池等措施;風沙較大地區,采用防塵網臨時覆蓋。

(2)站場周邊布設排水溝,站場內采取喬、灌、草相結合植物防護措施。

(3)取土場高陡邊坡需進行削坡處理,并進行造林、撒播草籽綠化。

(4)適宜的植物包括刺槐(Robinia pseudoacacia L)、新疆楊(Populus bolleana Lauche)、沙棗(Elaeagnus angustifolia L.)、國槐(Sophora japonica Linn.)、檉柳(Tamarix chinensis)等品種。

4 水土保持措施體系構建

4.1 防治責任范圍

按照《開發建設項目水土保持技術規范》的規定,本工程水土流失防治責任范圍429.23 hm2。其中項目建設區276.13 hm2,直接影響區范圍采用類比分析法確定,即類比其他線路工程,確定直接影響范圍包括:路基、站場、取土場、施工場地周邊各5m;施工便道兩側各2 m;橋梁上游20 m,下游30 m,涵洞上下游各10 m;拆遷安置區,共計 156.29 hm2。水土流失防治責任主體為蘭州鐵路局。

4.2 水土流失預測

進行水土流失預測時,應充分考慮不同區域的水土流失特點,采取分區域分別預估[6]。對開發建設項目可能造成的水土流失形式、危害和水土流失量進行預估和推測,為水土保持措施布局提供依據[7]。通過數學模型、經驗公式、類比分析等方法計算得出本工程擾動原生地表面積276.13 hm2;損壞水土保持設施270.80 hm2;水土流失總量43 957.29 t,其中風蝕36 087.21 t、水蝕7 870.08 t。施工期新增水土流失量占新增總量的68.08%(圖1)是水土流失重點時段;路基、取土場等為水土流失重點區域(圖2)。

圖1 不同時段新增水土流失量比例

圖2 各防治分區新增水土流失量比例

4.3 水土保持措施體系構建

4.3.1 指導思想

以工程措施為主、植物措施和臨時措施為輔,三者有機結合,構建經濟、合理、高效的水土流失防治體系,使項目新增水土流失得到有效控制,促進工程建設與項目區生態環境的協調發展。

4.3.2 防治措施布設原則

“預防為主、全面規劃、綜合防治、因地制宜、加強管理、注重效益”原則;“三同時”原則;技術合理、經濟可行原則;綜合防治與重點突出原則;生態效益、社會效益、經濟效益相結合的原則。

4.3.3 防治分區

按照地貌類型劃分為賀蘭山山前洪積平原區、黃河沖積平原區;按照工程特點,進一步劃分為主體工程防治區(路基、站場、橋梁)、取土場防治區和大臨工程防治區(施工便道、施工生產生活區)。

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4.3.4 水土保持防治體系構建

4.3.4.1 工程措施

(1)由于表層土腐殖質含量較高,達不到填料要求的各防治分區,需在施工前對表土進行剝離、收集、保存,作為后期綠化或復耕土料。

(2)路基邊坡采取拱形骨架防護,浸水路堤坡腳設置擋墻收坡,路基外側設置排水溝、沉砂池;風沙區坡面采用粘性土包坡或載砌卵石的防護措施。

(3)完善各站場區域排水措施。

(4)橋梁防洪設計采用1/100的洪水頻率,橋頭錐體采取M7.5漿砌片石防護。

(5)取土場周邊設置截排水溝、沉砂池,順接至已有溝渠;取土完畢后,按照1∶1.5進行削坡。

4.3.4.2 植物措施

(1)植物選擇:植被建設工程是開發建設項目水土保持方案設計的重要部分[8],植物選擇應按照“因地制宜、因害設防、適地適樹”的原則,選擇抗逆性優良、易于管理的鄉土植物或已經適應當地環境的植物品種,可考慮新疆楊(Populus bolleana Lauche)、臭椿(Ailanthus altissima)、刺槐(Robinia pseudoacacia)、檸條(Caragana intermedia)、檉柳(Tamarix chinensis)、紫穗槐(Amorpha fruticosa)、紫花苜蓿(Medicago sativa)、無芒雀麥(Bromus inermis)、冰草(Agropyron cristatum)、蜀葵(Althaea rosea)等植物。

(2)栽植方式:①路基護坡工程內栽植灌木、撒播草籽;路基外側栽植1排喬木、2排灌木,喬木株距2.0m,灌木株行距1.5m×1.5 m,每3km換一組樹種。連續養護2 a;站場工程防治區,按照新增用地的20%進行綠化設計,喬、灌、草混合配置,面積比例為3∶5∶2;橋梁防治區,混播紫花苜蓿、無芒雀麥、冰草進行綠化。②取土場防治區,栽植檸條、紫穗槐,林下撒播紫花苜蓿、無芒雀麥、冰草、蜀葵,恢復植被覆蓋。③施工結束后,不可復耕或交由地方使用的大臨工程,進行場地平整后,栽植灌木、林下撒播草籽,恢復植被覆蓋。

4.3.4.3 臨時措施

(1)橋梁橋墩鉆孔前修建泥漿池1座(需做防滲處理)、沉淀池2座,串聯并用,泥漿經沉淀后循環使用,浮土和沉淀池出渣在干化堆積場脫水,沉淀池出水排入附近溝渠。沉淀池長×寬×深為2 m×2 m×2 m,三合土錘面。

(2)臨時堆土存放時間較長,土壤結構疏松,易受水蝕和風蝕,應布設臨時擋護。臨時堆土高度應控制在3 m以內,邊坡1∶1.5,坡腳壘砌填土草袋擋墻,其他裸露面人工拍實,并覆蓋密目網。草袋擋墻梯形斷面,高1.0 m、頂寬0.5 m、底寬1.5m,堆砌時應相互咬合、搭接,搭接長度不小于草袋長度的1/3。

(3)施工便道兩側、施工生產生活區周邊布設土質排水溝,梯形斷面,規格為底寬0.3 m、頂寬0.5 m、深0.4 m,排水溝出口處設置沉沙池,順接至周邊溝渠。

4.4 水土保持效益分析

通過方案實施,本工程擾動土地整治率達到95.14%,水土流失總治理度達到92.52%,土壤流失控制比1,攔渣率96.72%,林草植被恢復率90.11%,林草覆蓋率 27.04%,各指標均達到水土流失防治二級標準。水土流失影響綜合指數0.1568,低于鐵路建設項目平均值0.3000[9],根據水土保持損益分析,工程可行。

5 結 論

(1)本工程基本符合水土保持相關法律法規和技術規范要求,不存在水土保持制約性因素,水土保持方案實施后,將有利于改善沿線生態環境和水土保持現狀。

(2)通過本方案編制,可以看出,既有鐵路與擬建工程在水土流失成因、特點等方面極其相似,因此,既有鐵路水土保持現狀調查對于指導改建工程水土方案的編制具有十分重要的指導意義,主要體現在:①有利于分析改建工程水土流失特點,確定水土流失重點時段和區域。②改建工程水土保持措施布設,可以充分借鑒既有鐵路水土保持的成功經驗,摒棄失敗教訓,不但經濟合理性得到提高,而且防治效果得到預先驗證。例如工程措施規格、布設方式、植物品種等,均可直接借鑒。③有利于改建工程水土保持監測方案設計。既有鐵路工程水土保持監測成果不但可以為本方案水土流失預測提供依據,而且其合理性分析,可作為改建工程水土保持監測的重要依據。④既有鐵路水土保持現狀調查,可以通過現場踏勘、資料收集和專題遙感等方式進行。其中資料收集具有簡便、直接、快捷、可靠等特點,可供收集的資料包括技術文件、科研成果、管理人員和專家咨詢意見等方面。

(3)水土保持方案編制作為改建鐵路工程環境保護的重要一環,應予以充分重視,特別是應充分吸收既有工程水土流失治理經驗和教訓,不斷深入、總結、提高,最終達到促進鐵路、經濟、社會協調發展的目的。

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[3]楊艷,陳敬云,陳紹倫.促進水土保持方案編報工作的幾種措施[J].中國水土保持,2005,(5):17.

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[7]許永長,劉俊民.黃土高原公路建設中的水土流失成因及預估研究[J].水利與建筑工程學報,2009,7(4):50-53.

[8]劉佳麗,許飛進,舒琦雯,等.從景觀規劃設計角度探討水土保持方案植被建設工程的設計[J].中國水土保持,2009,(8):20-21.

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