新形勢下鐵路工程水土流失防治探討

莫 斌，朱世海，李 峰，黃鈺涵

(1.中水珠江規劃勘測設計有限公司，廣東 廣州 510000； 2.廣西大學 林學院，廣西 南寧 530004)

近年來，我國生態文明建設和美麗中國建設成效舉世矚目，但仍存在一些亟待解決的環境問題，如工程建設期間的水土流失及生態修復等。根據國鐵集團2020年8月發布的《新時代交通強國鐵路先行規劃綱要》，到2035年，我國鐵路網規模將達到20萬km左右，其中高鐵達7萬km左右。截至2021年年底，我國鐵路運營總里程突破15萬km(高鐵突破4萬km)，可見我國鐵路建設規模空前巨大。目前，我國鐵路建設主要集中在山丘區，占比達到70%左右。據統計，每建設1 km的鐵路，會占用 5～7 hm2的土地，并可能產生5 172 t的水土流失[1]。鐵路工程建設往往產生大量的開挖方，松散的堆土如不及時防護，則很容易被雨水沖刷和搬運，特別是在強降雨時很可能引發滑坡、泥石流等自然災害。鐵路建設會造成許多嚴重的水土流失問題，是生產建設項目水土保持監測的重點[2]。此外，近20年來我國大力發展的高速鐵路已成為鐵路水土流失防治的重中之重。高速鐵路建設參建單位多、施工周期長、施工組織要求高、影響范圍廣，其生態環境與水土保持管理也是很大的難題[3-4]。

我國鐵路建設的高速發展，極大地推動了經濟穩步向前發展，使得交通更加便利，同時其建設過程中引發的諸多水土流失問題也應引起足夠重視。

1 鐵路工程水土流失分析

1.1 鐵路工程水土流失特點

鐵路工程存在單位長度占地面積大，穿越區域多，結構復雜，施工難度大，工期長等特征，其水土流失特點主要表現在：①水土流失主要發生在施工前期、中期，特別是在邊坡形成和土方堆置期間；②鐵路工程為線性工程，以鐵路干線為主軸，沿線的取土場、棄土場及施工區等呈點狀分布在干線兩側，各場地之間通過施工便道連接，因而水土流失呈河網狀分布；③沿線穿越多種地貌，加上各分區的施工工藝不同，故其水土流失影響因素、強度等也存在差異；④建設過程中，其水土流失從施工期至自然恢復期，隨著水土保持措施逐漸發揮效益，地表擾動程度逐漸降低，水土流失會逐漸減弱減少，然而由于降雨年內分布不均，所以雨季水土流失相對嚴重；⑤產生的水土流失危害嚴重，原因在于施工過程中破壞了原始地表的水文循環結構。

此外，高速鐵路項目由于設計精度高，線路通直，所以會遇到難以避讓水土流失易發區和不良地質段的情況。在水土流失易發區和不良地質段施工不確定性因素較多，突發事件的可預見性較低，容易產生大量水土流失和破壞生態平衡，危害程度顯著，防治難度也大大增加。

1.2 鐵路工程的水土流失危害

鐵路工程建設引發的危害可分為直接破壞與間接破壞兩大類，直接破壞表現為施工中對原有土地的挖損與占壓，引發原有土地利用類型的變化；間接破壞主要是在建設過程中產生揚塵、廢水、噪聲和引發的水土流失、滑坡等次生危害[5]。鐵路建設破壞了場地內的原有設施和地表植被，使土體穩定平衡和土壤結構遭到破壞，如不及時處置將產生嚴重危害，具體表現在：①流失的水土混合體具有很強的攜帶力，沖刷及攜帶泥沙混合物，進而加劇侵蝕發生。泥沙混合物進入沿線河道后增加水體泥沙含量，致使河床淤積抬高，增加防洪壓力。②表層土流失，基巖裸露，降低土壤肥力，影響植被生長及農業生產。③泥沙隨水流進入農田，大部分泥沙沉積下來，形成“沙壓農田”的情況，損壞耕地資源。④對沿線水源保護區等環境敏感區造成破壞，降低飲用水水質，影響水生物生存，且持續時間長。⑤對植被造成破壞，流失的土石混合體掩埋、切割樹草植物，抑制其生長。⑥減緩鐵路施工進程，破壞主體及施工道路邊坡，增加額外工作量，影響工人正常作業。⑦縮短鐵路使用壽命，破壞橋梁、隧洞等安全穩定，不利于鐵路正常運營等。

由此可見，鐵路工程水土流失危害范圍廣、時間長、代價高。而鐵路建設過程中，由于工期緊張及作業人員不足等，往往忽略防治措施布設或布設滯后，進而容易引發嚴重的水土流失。這與生態文明建設及綠色發展理念相矛盾，因而其水土流失研究及防治工作應引起足夠重視。

2 鐵路工程水土流失及其防治研究

2.1 主要防治分區研究

2.1.1 堆放場

表土資源是一種難以再生資源，表土剝離后集中堆放在設定的堆放場，具有相對零散、分布廣的特點，也極易產生水土流失。同時，對于隧道比例大的山區鐵路工程，需設置的棄渣場較多，分布相對零散，也成為水土流失重點防治及生態恢復的區域。

目前關于堆放場的水土流失研究主要集中在入滲規律、土壤侵蝕方面。臨時堆土區隨著降雨強度的增加，土壤入滲率增加，雨強越大，初始入滲率越高，同時徑流量也隨著雨強的增大而增大；其他條件相同時，坡度逐漸增加，使得徑流時間逐漸縮短，同時土壤入滲率也隨坡度的增大而減小[6]。張榮華等[7]研究發現，棄土棄渣體坡度為30°時坡度對坡面侵蝕量的貢獻率大于雨強貢獻率；而40°時雨強貢獻率明顯超過坡度。李煜等[8]研究棄土存放時間對其坡面產流產沙的影響，結果表明在相同降雨強度條件下，新堆積的棄土產生的徑流量最小，隨著堆存時間延長，徑流量不斷增加，最后趨于穩定；而在不同降雨條件下，坡面徑流的含沙率隨堆存時間的延長呈現波動性降低，同時累計產沙量也隨棄土堆存時間的延長而逐漸降低。何凡等[9]在研究堆棄土水土流失情況時，發現其堆放坡度大于40°時土壤坡面侵蝕率很高，整體上隨坡度增加土壤侵蝕量呈現明顯增加趨勢。

關于堆放場的水土流失研究，主要通過對比不同雨強、坡度和堆存時間等因素，研究其土壤入滲規律和侵蝕強度，而存放位置、地表組成、周邊來水情況等也會對其水土流失產生較大影響，今后的研究應將這些因素考慮進來，減少因漏項而帶來的研究不足，以綜合反映水土流失特征。

2.1.2 工程邊坡

鐵路工程施工會產生較多的高陡邊坡，包含路基邊坡、路橋交接處邊坡、隧道洞口仰坡等。由于邊坡高差較大，容易在大雨、集中水流、外部壓力或震動等因素作用下引發嚴重的水土流失問題，進而誘發滑坡、坍塌、泥石流等自然災害。

針對工程邊坡的水土流失問題，國內外學者對其流失主要形式、影響因素及入滲性能方面進行了大量研究。曹鵬會[10]通過降雨觀測試驗發現路塹邊坡的次降雨土壤流失量與次降雨最大30 min降雨強度呈冪函數關系。鄭美蘭[11]通過在紅壤地區的試驗發現鐵路邊坡侵蝕的產流過程以超滲產流為主，這與土壤結構變化密切相關，整體上路堤邊坡產流和產沙間存在極其顯著的相關性。徐學選等[12]通過對次降雨條件下溝坡道路的土壤侵蝕模數進行研究，結果表明其土壤侵蝕模數在45～64 kg/m2之間，而對水平型和凸型路堤采取抗蝕防護工程，如在路邊挖蓄水槽、設擋土埂等措施，減沙效益在80%以上。另有學者研究發現隨著雨強增大，坡面侵蝕形式由雨滴擊濺侵蝕向溝蝕發展，坡度因子對總侵蝕量的貢獻率降低[13]。此外，水土保持設施本身若穩定性不好也常是增加侵蝕產沙量的一種因素。

工程邊坡的水土流失研究，主要通過人工模擬降雨試驗，計算土壤流失量，總結水土流失規律，但不同施工階段其邊坡緊實度和覆蓋度差異較大，邊坡的坡度、坡長及土壤類型均有所差別。今后的研究需結合不同邊坡緊實度和實施的防護措施，以及邊坡的坡度、坡長、土壤類型等開展，以便能夠較全面地研究其水土流失規律。

2.2 鐵路工程水土流失防治措施研究

目前，對鐵路建設過程中的水土流失防治措施可分為工程、植物和臨時防護措施。工程防護相對牢固，但存在造價高、二次擾動顯著、受地形地勢限制等眾多缺陷，因此在工程防護措施基礎上我國推進發展植物防護措施。據研究，當草本覆蓋度達到76.5%以上時，土壤侵蝕強度會降至微度水平[14]。臨時防護措施造價低，且在施工期間水土流失防治效果明顯，也很受工程建設者的歡迎。

我國較早引進了液態噴播、草皮卷植草等新型播種和防護技術。在植物選擇方面，需綜合權衡防護效益、生態安全等多因素指標。如通過對成灌高鐵沿線植物品種和類型進行調查，總結出167對呈正相關的植物種配置組合，為區域高鐵邊坡植被恢復建設提供了科學指導[15]。考慮到山區鐵路和高速鐵路建設需要對邊坡等區域進行重點防護，以避免水土流失導致滑坡等災害，工程防護和植物防護綜合應用得到廣泛推廣。張永江等[16]針對晉陜蒙接壤鐵路工程建設提出工程與植物相結合的邊坡防護方式，對高路塹沙坡路段采用覆壓固沙、中型邊坡采用沙柳網格植物防護、低路堤沙坡則采用覆網種草防護。靠近山地、河谷修建的鐵路路基會頻繁地受到水流的沖擊侵蝕、山體滑坡和泥石流等威脅，工程防護和植物防護相結合成為首選方案。臨時防護往往容易被忽略，其實施應貫穿于整個施工期，包含臨時攔擋、臨時排水、臨時覆蓋等。工程施工過程中，及時落實臨時防護措施，降低雨水沖刷強度和沖刷范圍，可有效減少水土流失。

我國陸地跨越多個氣候帶，太陽凈輻射、降水、蒸散發等氣候條件差異顯著，因此在選用植物種類時首先應因地制宜，優先選用本土植物以提高適應性，避免人為因素導致的植物入侵或水土不服。堅持綠色發展、生態優先的理念，充分了解項目區特點和植物種生態學特性，結合立地條件營造適宜的生長環境，以保證成活率和發揮生態效益。

3 鐵路工程水土保持生態文明建設

水土保持是生態文明建設的重要內容和基礎性工作，也是我國必須長期堅持的一項基本國策。隨著生態文明建設貫穿于經濟建設、政治建設、文化建設、社會建設全過程，我國對水土保持生態文明建設提出了更高的要求。鐵路工程在建設過程中存在擾動地表強烈，損毀植被面積大，水土流失嚴重，危害范圍廣，生態恢復耗時長等問題，應秉持綠色發展理念，積極踐行生態文明建設思想。

近年來，我國對鐵路工程踐行生態文明建設思想也開展了一系列舉措，并取得了不錯成效。如浩吉鐵路、成蘭鐵路建設等，其經過的山區多為貧窮地區，通過表土保存、綜合調運，將棄渣處置與地方需求緊密結合，荒溝廢坑得到高標準復耕、復綠，在實現農民增收的同時，鐵路沿線景觀效果得到大大提升。另外也為地方水利設施、交通道路等興建提供充足材料，資源得到再次利用。當前，我國鐵路建設進入高速發展階段，未來很長的一段時間，仍需新建一批鐵路項目以推動我國社會向前發展，故對鐵路工程水土流失及其防治進行研究顯得尤為重要。將人與自然和諧共處、休戚與共的理念融入鐵路建設的全過程，以建設綠色鐵路工程為導向，才能向著美好而長遠的道路前進。

4 結 論

基于鐵路建設的高速發展和生態文明建設的要求，水土保持研究需協同進步，而實現該目標需進行針對性試驗研究。即在傳統水土保持研究的基礎上，對于鐵路建設水土流失的線性特征和生態恢復性，兼顧經濟性和效益性的原則，開展科學試驗研究。而目前研究仍缺乏全過程多因素的對比試驗，缺乏針對性的研究成果和成熟的理論。未來研究需圍繞鐵路工程邊坡的綠色防護、生態效益等深入開展，通過長期監測試驗優化邊坡防護技術。針對挖填邊坡、表土堆放區、棄渣場等不同區域開展防治措施的對比研究，識別分區水土流失特征，改進防護措施布設，避免單一而陳舊的防護形式。而不同氣候類型、不同地質條件，對沿線鐵路進行分段防護，在確保防護效益的同時，優化植物防護措施的生態適宜性。同時，針對水土流失危害進行溯源、追蹤、拓展研究，從根本上理清水土流失的因果關系，完善生態風險損益指標，探討防治水土流失、保護生態新舉措。通過開展山區鐵路、高速鐵路等不同類型鐵路建設的水土流失對比研究，進而完善水土流失防治措施體系，升級工程防護和植物防護的技術指標，為推動鐵路工程水土流失科學防治提供技術支持。