高寒濕地草原區(qū)水文特性及路橋設(shè)置研究

呂存杰

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)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(qū)內(nèi)為平坦?fàn)罡咴０? 420～3 700 m，氣候寒冷濕潤(rùn)，降雨量小，日溫差大，地下水埋藏淺且豐富，泥炭沼澤廣泛發(fā)育。由于受氣候變化、環(huán)境變遷、人類活動(dòng)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(shè)更是對(duì)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(guān)段與既有成蘭線接軌，全長(zhǎng)接近500 km，橫跨四川、甘肅、青海3 省，是我國(guó)連接甘青川的第1 條200 km/h(預(yù)留250 km/h)時(shí)速高原鐵路，不僅是國(guó)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(gè)鐵路項(xiàng)目之一。2020 年3 月5 日，該項(xiàng)目四川段啟動(dòng)建設(shè)。四川段始自郎木寺站，途徑若爾蓋花湖至黃勝關(guān)，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(guó)鐵路工程建設(shè)對(duì)濕地生態(tài)功能影響的研究比較少，也缺乏對(duì)濕地生態(tài)功能影響評(píng)價(jià)的系統(tǒng)梳理(吳志勇, 2018; 鄭純宇等, 2017)。從保護(hù)濕地生態(tài)環(huán)境出發(fā)，研究濕地水文特性，合理進(jìn)行工程布置，科學(xué)論證工程建設(shè)與濕地生態(tài)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(tài)功能、經(jīng)濟(jì)功能和社會(huì)功能等多種功能。與工程建設(shè)比較密切相關(guān)的是生態(tài)功能，主要體現(xiàn)在物質(zhì)循環(huán)、調(diào)蓄徑流洪水、補(bǔ)充地下水、調(diào)節(jié)河川徑流和氣候等方面(孫建勝, 2019)。

1.2 生態(tài)功能主要參數(shù)

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

國(guó)內(nèi)先后有學(xué)者對(duì)工程建設(shè)之于濕地生態(tài)功能的影響進(jìn)行了一些研究，由于野外監(jiān)測(cè)難度很大，缺乏足夠的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，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(yùn)營(yíng)，空間和時(shí)間上跨度大，具有一定的累積效應(yīng)。參考國(guó)內(nèi)外一些研究成果，針對(duì)濕地的生態(tài)功能，選取了生態(tài)功能的計(jì)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(shù)系數(shù)。

(2)調(diào)節(jié)氣候功能定量模型：

式中：T為濕地蒸發(fā)水量，α 為系數(shù)，S為濕地面積，F(xiàn)0為水面蒸發(fā)量。

(3)生物棲息功能定量模型：

式中：F為生物適宜度系數(shù)，k為常數(shù)，S、S0為面積，H、H0為水深。

從以上參數(shù)可以看出，影響濕地生態(tài)功能的主要因素是水面面積及水深。從鐵路工程建設(shè)來說，保護(hù)濕地生態(tài)功能，歸根結(jié)底在于保護(hù)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(zhì)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(diào)洪的作用；枯水期水位下降，腐殖土則塌縮，造成表層土質(zhì)上下來回變動(dòng)(圖2)。鐵路工程建設(shè)要充分考慮淺層地下水變動(dòng)的影響及對(duì)路基本體的危害。

1.4 不同路基排水形式對(duì)淺層地下水的影響

鐵路以路基形式穿越濕地，會(huì)對(duì)濕地淺層地下水造成阻隔，匯水側(cè)水位可能較高，另一側(cè)水位可能較低，造成兩側(cè)水位不平衡，易對(duì)路基本體造成危害。目前，國(guó)內(nèi)外在高寒濕地路基地下水水循環(huán)模擬方面研究極少。在郎木寺至川主寺公路改建工程建設(shè)前，為了研究不同的路基排水處理方式對(duì)淺層地下水的水循環(huán)影響，選取了一段公路路基試驗(yàn)段進(jìn)行地下水位觀測(cè)研究，并采用GMS 軟件對(duì)地下水進(jìn)行數(shù)值模擬，以求得不同路基形式對(duì)路基兩側(cè)水流的阻滯作用。試驗(yàn)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(chǎng)模型，得出不同路基形式隨時(shí)間變化的平均水力梯度(王琰等, 2008)，并與無公路時(shí)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(nèi)部水位越低，有利于路基兩側(cè)的水循環(huán)條件。以上模擬研究證明，不同的路基形式對(duì)濕地地下水的阻隔不同。

郎川公路地下水循環(huán)試驗(yàn)的地點(diǎn)正是若爾蓋濕地，鐵路路基與公路路基雖在填料及基礎(chǔ)處理措施方面有所不同，但在進(jìn)行鐵路路基設(shè)計(jì)時(shí)，仍可借鑒其試驗(yàn)結(jié)論，并依照鐵路路基設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)一步研究不同的路基排水形式，降低對(duì)地下水平衡的影響。

1.5 濕地對(duì)橋涵水文設(shè)計(jì)的影響

排水不暢是濕地形成的主要原因之一，而鐵路建設(shè)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(guó)道G213 和右側(cè)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(jù)濕地生態(tài)功能所述，濕地具有蓄水調(diào)洪的功能。在進(jìn)行橋涵水文計(jì)算時(shí)得出的水位會(huì)存在一定偏差，僅靠此進(jìn)行工程水文設(shè)計(jì)，指導(dǎo)性欠妥。必須輔以大量現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地調(diào)查，觀察水位變動(dòng)線及水流方向，對(duì)糙率系數(shù)進(jìn)行調(diào)整來修正水文計(jì)算，從而減少濕地生態(tài)功能對(duì)橋涵水文設(shè)計(jì)的誤差影響。

表1 不同路基特性系數(shù)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(shè)置對(duì)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(shì)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(duì)濕地環(huán)保的影響程度，對(duì)指導(dǎo)西成鐵路工程設(shè)計(jì)具有重要意義。

該段大部分線路處于牧區(qū)，根據(jù)與當(dāng)?shù)卣炗喌牧⒔粎f(xié)議，要求預(yù)留一定密度的畜牧通道；另外，若爾蓋濕地屬于國(guó)家級(jí)濕地保護(hù)區(qū)，環(huán)保要求非常高，所以，路橋設(shè)置分別從經(jīng)濟(jì)性、環(huán)保性、功能性和施工等方面綜合考慮確定。西成鐵路在進(jìn)行初步設(shè)計(jì)時(shí)，選取了一段1 km 左右線路為研究對(duì)象，對(duì)該段分別以路基和橋梁工程兩種通過方式進(jìn)行詳細(xì)的對(duì)比分析。

2.1 鐵路標(biāo)準(zhǔn)

鐵路等級(jí)為Ⅰ級(jí)；正線數(shù)目為雙線；設(shè)計(jì)速度為預(yù)留250 km/h；線間距4.6 m；該段線路長(zhǎng)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(zhì)概況

根據(jù)地質(zhì)報(bào)告可知，該段地層主要為第4 系全新統(tǒng)沖積沼澤沉積腐殖土，沖積粉質(zhì)黏土、粉土、粉砂、細(xì)砂、中砂、粗砂和細(xì)圓礫土；第4 系上更新統(tǒng)沖積粉質(zhì)黏土、粉土、粉砂、細(xì)砂、中砂、粗砂、細(xì)圓礫土和細(xì)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(zhì)黏土及含有液化性的粉細(xì)砂類土等，中間夾有部分細(xì)圓礫土或細(xì)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(dòng)峰值加速度為0.15 g(相當(dāng)于地震基本烈度7 度)，地震動(dòng)反應(yīng)譜周期為0.45 s，場(chǎng)地類別Ⅱ類。土壤最大凍結(jié)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(shè)置

根據(jù)地形條件及線路高程計(jì)算，線路在1.0 km范圍內(nèi)填土高約7 ～13 m，地勢(shì)南高北低，水流由右側(cè)匯向線路左側(cè)。下面分別以路基方案和橋梁方案進(jìn)行分析。

2.3.1 路基方案 路基方案依照《鐵路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB10001-2016)中高速鐵路設(shè)計(jì)速度250 km/h 標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，路基面為三角形路拱，寬度13.4 m，由路基中心線向兩側(cè)設(shè)4%的人字排水坡。路基基床表層采用級(jí)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(wěn)定性的主要因素之一，大多數(shù)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(tǒng)。地質(zhì)顯示，表層存在2 m 厚度左右的軟弱層，最經(jīng)濟(jì)的方案是拋填片石(應(yīng)忠旺, 2014)，但由于位于高寒地區(qū)，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(guó)家級(jí)環(huán)保區(qū)，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(qiáng)的復(fù)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(zhǎng)15 ～20 m；路堤基底設(shè)置滲水土墊層，保證路基兩側(cè)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(dāng)?shù)卣炗喌男竽镣ǖ绤f(xié)議要求：200 ～300 m 線路范圍內(nèi)至少設(shè)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(shè)置3 處排洪兼畜牧通道涵洞。

從滿足環(huán)保要求考慮，實(shí)施前對(duì)草皮進(jìn)行移植并養(yǎng)護(hù)，用于路基邊坡、區(qū)間綠色通道的防護(hù)以及裸露地表的植被恢復(fù)。實(shí)施后邊坡采用骨架護(hù)坡，護(hù)坡內(nèi)種植灌木。通過采取上述措施，最大程度減少路基工程對(duì)高原濕地功能性生態(tài)環(huán)境的影響。

2.3.2 橋梁方案 承臺(tái)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(jì)30 孔橋。梁部采用部頒預(yù)制有砟簡(jiǎn)支箱梁，橋墩采用圓端形實(shí)體墩，墩徑2.1 m。由地質(zhì)條件可知，地層大部分為軟弱土層，且細(xì)砂、粗砂等砂類土具有液化性，明挖、挖井等剛性基礎(chǔ)沉降不能滿足要求。經(jīng)計(jì)算，基礎(chǔ)選用6 根直徑1.0 m的鉆孔樁，平均樁長(zhǎng)47 m。由于地下水位較高，承臺(tái)開挖時(shí)采用鋼圍堰防護(hù)，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(duì)濕地的破壞。橋墩選型盡量統(tǒng)一，選用定型鋼模板，一次立模，一次澆筑完成。模板均在鋼結(jié)構(gòu)廠制作完成，現(xiàn)場(chǎng)僅需布置鋼筋加工場(chǎng)地。梁部全部在梁場(chǎng)預(yù)制，利用架橋機(jī)架設(shè)施工，進(jìn)一步減少施工場(chǎng)地。

圖5 承臺(tái)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(shù)量 路基方案主要工程數(shù)量見表3。比較段線路長(zhǎng)按980 m 計(jì)，路基方案數(shù)量包括3 座孔徑6 m 涵洞；橋梁方案按照30 孔橋梁計(jì)算。

橋梁方案主要工程數(shù)量見表4。經(jīng)工程造價(jià)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(jià)節(jié)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(duì)比分析

2.4.1 工程造價(jià) 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(jià)差異不大，需要進(jìn)一步研究細(xì)化。橋梁方案工程造價(jià)主要體現(xiàn)在梁部、橋墩和基礎(chǔ)。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(duì)荷載和工程數(shù)量的影響有限，基礎(chǔ)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(hù)和占地面積等工程數(shù)量，所以，將軟土區(qū)填土高度按照6 m、7 m、8 m、10 m、12 m 劃分為5 個(gè)路基段落(舒小龍, 2016)，分別測(cè)算后，路基工程造價(jià)見表5。

由表5 可知，當(dāng)填土高度大于10 m 時(shí)，路基工程造價(jià)達(dá)到5.83 萬元/m(含涵洞造價(jià)0.45 萬元/m)，已經(jīng)十分接近橋梁方案。填土高度越大，路基方案的造價(jià)越高。

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

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

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

2.4.2 環(huán)保方面 路基方案占地面積大，對(duì)濕地草原的破壞更大；路基方案對(duì)濕地水文連通影響較大，而橋梁方案對(duì)水流阻隔小；橋下施工后植被易恢復(fù)，橋下廊道更開放，更有利于動(dòng)物通行，對(duì)動(dòng)植物生態(tài)保護(hù)更好；路基坡面防護(hù)要結(jié)合植物防護(hù)，后期養(yǎng)護(hù)成本高；受環(huán)保影響，路基填料缺乏，且運(yùn)距遠(yuǎn)。從環(huán)保角度考慮，橋梁方案更適合若爾蓋國(guó)家級(jí)濕地保護(hù)區(qū)。

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(xí)性和活動(dòng)范圍；而橋梁跨徑大、占地小，對(duì)濕地生態(tài)功能的擾動(dòng)相對(duì)較輕，更能保證生態(tài)功能的完整實(shí)現(xiàn)(肖曉妮, 2007)。

2.4.4 施工方面 從施工來說，橋梁方案預(yù)制程度高，工廠作業(yè)集中，現(xiàn)場(chǎng)施工作業(yè)面小，對(duì)濕地的破壞范圍小。

2.4.5 小結(jié) 從經(jīng)濟(jì)性方面來看，根據(jù)對(duì)比研究，在填土高度≤8 m 時(shí)，采用路基方案更優(yōu)；填土高度＞8 m 時(shí)，宜采用橋梁形式；當(dāng)填土高度8 ～10 m時(shí)，需綜合考慮地質(zhì)情況、沉降控制、避免出現(xiàn)短路基等因素，合理選擇路橋設(shè)置方式。從環(huán)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(qū)的工程實(shí)施。

3 橋梁環(huán)保施工措施

3.1 減少對(duì)現(xiàn)狀的干擾和破壞

首先合理規(guī)劃施工組織，精簡(jiǎn)施工步驟，減少施工占地，如：基礎(chǔ)施工采用鋼圍堰防護(hù)，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(yù)埋排水管，保證兩側(cè)水系連通等。

3.2 合理進(jìn)行棄渣、泥漿和廢水等排放

環(huán)保區(qū)附近嚴(yán)禁設(shè)棄渣場(chǎng)，施工產(chǎn)生的泥漿、棄渣等可設(shè)置幾組大型鋼箱作為臨時(shí)泥漿池，并及時(shí)外運(yùn)(程昊, 2009)。

3.3 開展推廣預(yù)制裝配式技術(shù)

開展裝配式橋墩、承臺(tái)和管樁的研究和應(yīng)用，減少現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)時(shí)間。目前，和若鐵路橋墩及涵洞工程預(yù)制裝配技術(shù)已取得階段性應(yīng)用成果，并完成了管樁現(xiàn)場(chǎng)工藝和荷載試驗(yàn)。西成鐵路可進(jìn)一步研究裝配式技術(shù)在高寒鐵路上的應(yīng)用。

4 結(jié)論

本文結(jié)合國(guó)內(nèi)外研究，闡述了若爾蓋濕地的水文特性，找出了生態(tài)功能與工程建設(shè)的相互影響。從路基和橋梁方案的詳細(xì)對(duì)比可以得出以下結(jié)論：

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

(2)線路縱坡應(yīng)結(jié)合路橋設(shè)置分析結(jié)論、軟弱地層厚度等進(jìn)行設(shè)計(jì)，合理控制工程投資。

(3)路基段的排水方式和基礎(chǔ)處理決定路基工程造價(jià)及對(duì)濕地地下水平衡的影響程度，應(yīng)做進(jìn)一步研究?jī)?yōu)化。

(4)在設(shè)計(jì)和施工的舉措上，提出了在高寒濕地鐵路上應(yīng)用推廣預(yù)制裝配式技術(shù)的研究方向，為環(huán)保區(qū)施工建設(shè)提供新的思路。