川西高山地區工程創面土體結構特性分析

對川西高山地區的工程創面植被恢復現狀進行了現場調研，并開展了創面表層土體的土壤結構試驗研究，利用分形維數分析了創面土體的土壤結構特性。現場調研和試驗分析結果表明：①當前高山工程創面的生態修復尚未引起重視，存在大量的裸露創面，存在威脅道路安全運營的隱患；②當前所采用的雙層主動防護網具有較好的攔截落石的作用，但在防止創面沖蝕、促進創面生態修復方面效果不突出；③在缺少防護的工程創面中廣泛存在“生態島”的現象，該現象表明高山區生態脆弱的關鍵因素在于表層營養土的脆弱，而不在于植物生存能力的脆弱，為植物的次生演化提供良好的表層土壤環境是保證工程創面的生態修復的前提。

高山地區； 工程創面； 生態恢復； 土壤結構； “生態島”

P642.21 A

［定稿日期］2021-12-29

［作者簡介］陳發勇（1996—），男，本科，從事巖土工程方面的研究工作。

川西地區地處我國第一臺階與第二臺階的過渡區域，此區域內高山林立、河流密布，地形地勢情況復雜［1］。復雜的地形地勢造就了獨特的氣候環境，降雨不均、短時強降雨現象突出，道路沿線泥石流、滑坡、落石等各類地質災害頻發，裸露的工程創面隨處可見。

對道路安全運營構成隱患的邊坡可按照成因分為自然邊坡［2-3］和施工創面［4］2類。本文對川西高山區工程創面恢復現狀的考察結果進行了簡要介紹，結合該區域的降雨、地質情況，使用統計分析、分形維數等數學方法對創面植被的恢復形態、創面土體的結構特性進行了分析。在此基礎上研究了現有防護措施存在的問題、裸露創面在淺層失穩過程中形成的“生態島”現象對改進工程防護的啟示。所得考察結果、試驗結果可為西南高山區工程創面的生態修復、生態防護提供參考。

1 研究區域

1.1 區域概況

根據川西地區的氣候區劃，選取3個考察點，分別是：巴朗山地區、疙瘩梁子地區和爐霍地區。巴朗山地區土壤多為原位風化形成，土層較薄，包含大量強風化泥巖、砂巖，一旦破壞了表層植被，極易產生創面沖蝕、創面擴張的現象。疙瘩梁子-松林口區域表層土多為泥巖、砂巖強風化生成的原位土，或者為古河床經過地質運動形成的砂質土。不管是原位土還是地質運動形成的砂質土均包含大量大直徑的塊石、卵石。一旦表層植被（草甸、灌木）被破壞，在重力作用下砂土及其包裹的卵石會不斷往下溜滑，形成大片難以修復的工程創面。

爐霍地區降雨多為短時強降雨，因此對坡面的沖蝕作用十分明顯。

當工程創面無法愈合時，在各種風化作用下（風、降水、霜凍等），大塊卵石會發生溜滑，并裹挾大量砂土發生失穩，致使創面日益擴大。隨即使得包含植被的表層土產生懸空段，隨著懸空段的增加，在重力作用下創面頂部的表層土會從主體脫落，導致創面面積擴大（特別是對于高山草甸）。對于一些斜坡較緩、具備一定附著條件的工程創面，表層土滑落后會貼附在創面上，形成類似于島嶼的“生態島”。生態島鏈可以作為一個緩沖帶，能夠有效攔截大塊卵石，減弱卵石在溜滑過程中對砂土的裹挾作用，如圖1所示。

1.2 研究方法

本文多用的研究方法為現場調研結合室內試驗，分析川西高山地區工程創面的恢復狀態與土體結構特征。在調研植物群落、生長狀態方面，采用樣方法對植物狀態進行統計評價；在評價土體結構特征方面，使用分形維數定量描述土體結構特征。根據ISSS的土壤質地分類系統，土壤粒徑小于0.002 mm的為黏土，0.002～0.02 mm的為粉土，0.02～2 mm的為砂土。根據楊培嶺等學者建立的土體顆粒級配與土體顆粒級配之間的數學關系：

logW（r

式中：W（r

現有研究表明，工程創面的土壤容易遭受雨水和風力的侵蝕，而粒徑較小的土粒更容易遭受沖蝕。而分形維數的減小表征了土壤黏土成分和粉土成分含量的減小以及砂土成分的增加。因此可以使用分形維數評估不同狀態下表層土體的被沖蝕程度。

2 結果與分析

2.1 防護措施對創面水土保持的影響

主動網防護是當前在高山地區廣泛采用的工程措施防護措施。該項措施在攔截落石方面效果較為突出，但是在防止水土流失方面作用并不突出，在巴朗山、疙瘩梁子、爐霍等多個地區的邊坡均出現了沖蝕溝，如圖2所示。為了進一步量化分析當前防護措施的防護效果，取典型創面土樣，得到了有防護網和沒有防護網的工程創面的坡腳、坡頂、植生層土的顆粒級配數據，在此基礎上得到了土體的分形維數，具體如表1所示。

分形維數與土體顆粒土質成分配比的關系如表1所示。結合表1數據，可得結論：①表層土與坡頂、坡腳土的顆粒級配差異大。在沒有人工修復的前提下，對于高山地區的包含大量卵石、塊石的創面很難形成適宜植物次生演化的土壤；②表層土與坡頂、坡腳土的分形維數差異顯著。坡頂、坡腳的分形維數顯著低于表層土，說明該創面容易遭受風化作用的侵蝕，而粒徑較小的土顆粒容易流失，如何改良高山、亞高山區工程創面的表層土壤環境是亟待解決的問題；③有主動網防護的工程創面與無防護的工程創面相比，無論是土體的顆粒級配還是分形維數都比較接近，無顯著差異，表明主動防護網并不能有效地防止創面的水土流失、改善創面的水土環境。如何將工程防護與創面表層土體恢復有機結合是值得深思的問題。

2.2 “生態島”對創面水土保持的影響

“生態島”的存在一方面表明高山地區創面生態修復困難的主要原因在于表層土體難以修復，而非高山植物脆弱，因此高山地區的工程創面生態修復的關鍵在于表層營養土的營造與維持。另一方面也為高山地區的創面修復提供了啟示。為了進一步量化分析“生態島”對創面水土保持的作用，本文通過在“生態島”底部、坡腳、坡頂、表層取得土樣，在分析土體顆粒級配的基礎上得到各個位置土體的分形維數（圖3），包含生態島和不包含生態島的土樣分形維數對比如表2所示。

通過表2中數據對比，可得結論：

（1）形成了“生態島”的邊坡，表層土、“生態島”的土體顆粒級配與坡頂、坡腳土的差異大，而表層土雖然與“生態島”底部土體有一定差異，但是并不明顯，表明在“生態島”植被的保護下，下方土體的粉土、黏土顆粒成分得到了有效的保持，土體顆粒結構更加穩定。

（2）從分形維數上看，表層土、“生態島”的土體與坡頂、坡腳土的差異同樣十分明顯。表層土、“生態島”底部土體的分形維數均大于2.7，而坡頂、坡腳的土體的分形維數均在2.6左右。與表層土、“生態島”的土體相比，坡頂、坡腳的土體在雨水的侵蝕下粒徑較小的黏土、粉土成分大量流失，土壤顆粒結構被嚴重破壞。

3 結論

通過對川西高山工程創面的現場調研和室內試驗分析，研究了不同狀態下的創面土體結構特性。主要結論：

（1）當前在高山地區工程創面受侵蝕現象嚴重，由此導致的落石、溜滑、局部滑塌等淺層問題發生頻率高、隱患范圍廣。創面生態恢復效果不理想，大多數創面呈現擴展的趨勢。

（2）在高山地區廣泛采用的主動網防護措施對表層土體的防護效果不理想，在有防護網的情況下依然存在大量的沖蝕槽。如何針對高山地區的環境、氣候特征，設計創面淺層土體的工程防護結構是亟待解決的問題。

（3）“生態島”的存在表明高山地區創面生態修復困難的主要原因在于表層土體難以修復，而非高山植物脆弱，因此高山地區的工程創面生態修復的關鍵在于表層營養土的營造與維持。在當地培育草皮、模塊化鋪設草皮可能是解決高山地區創面生態修復問題的一個方法。

參考文獻

［1］ 衛宏.川西山區公路邊坡地質災害研究［D］.成都：成都理工大學，2000.

［2］ 劉陽，向波，張建經，等.公路邊坡地震失穩規模模糊綜合統計評估［J］. 中國安全科學學報，2018，28（4）：169-174.

［3］ 曹禮聰，張建經，劉飛成，等.含傾斜強風化帶及局部邊坡復雜場地的動力響應及破壞模式研究［J］.巖石力學與工程學報，2017，36（9）：2238-2250.

［4］ 唐彪，宋鳳鳴，黃蕾，等.工程創面生態恢復技術的典型案例分析［J］.中國園林，2017，33（11）：25-29.