高速公路工程水土流失預測研究

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引言

我國西南某地區存在非常嚴重的水土流失情況，并且經常發生崩塌、泥石流、滑坡等自然災害，嚴重影響了公路正常運行和安全。下面將結合某高速公路建設實例，分析預測高速公路工程水土流失的相關內容，并且以預測結果為依據探討水土流失的危害和制定防治水土流失的方案。

1研究背景

在制定水土保持方案的過程中水土流失預測屬于難點和重點內容，能夠在防治與監測生產建設項目水土流失方面發揮重要作用[1]。在水土流失預測過程中，類比法是目前應用最廣泛的方法，能夠發揮出簡單易行、直觀快速等優勢，但其缺陷也非常明顯，主要分為以下方面：首先，由于生產建設項目分布在不同地域屬于不同的類型，導致很多項目水土流失預測類比資料的獲取情況并不理想；其次，由于現階段水土流失監測工作并不成熟，導致檢測資料很難有效滿足代表性和連續性的要求，進而導致類比法存在較大的修正系數彈性和取值空間；最后，水土流失預測需要以工程建設造成地表擾動為前提，并且不能采取任何防治措施，在這個過程中會產生一定程度的水土流失和其他危害，而在進行實際施工時，設置的水土保持措施會對水土流失監測資料產生一定影響，會在一定程度上限制類比資料的適用性。水利部門在2018年出臺了《生產建設項目土壤流失量測算導則》，這一導則能夠有效計算風力和水力環境下生產建設項目土壤流失量，能夠為順利開展生產建設項目提供有效保障[2]。經過近年來的不斷實踐，證明其具有較為準確的測算效果和較為廣泛的適用性，但仍需進行進一步研究。高速公路工程具有擾動類型多、占地廣、土石方工程量大以及線路長等特征，在工程建設過程中會出現地表的劇烈擾動，在很大程度上破壞景觀生態、土壤結構以及地形地貌，會導致大量的水土流失，嚴重威脅當地的社會效益、經濟效益以及生態效益。

2某高速公路工程水土流失概況

2.1某高速公路工程概況

某工程為四車道雙向設計，擁有25.5m的路基寬度，80km/h的設計最高時速。在工程設施中擁有5座隧道、65座橋梁，共擁有約43km的橋隧，在整個工程中占據58%的比重。該工程一共需要總占地面積735.95hm2，其中247.50hm2為臨時征地，488.45hm2為永久占地，全線擁有434.05萬m3填方總量，1408.12萬m3挖方總量，挖方量能夠滿足自身工程建設需求，建設后其棄方高達974.07萬m3。

2.2工程區水土流失概況

工程區存在多種土壤侵蝕類型，但是絕大部分為水力侵蝕，其存在兩種主要的表現形式，分別為溝蝕和面蝕，其中溝蝕主要集中在河流兩側、未被植被覆蓋的山坡以及陡坡耕地，面蝕主要集中在緩坡耕地、荒山以及樹木較少或較小的林地。與相關的調查結果相結合，該工程沿線擁有較為完善的植被，主要存在坡地自然水蝕、河谷沖刷等導致的水土流失，究其原因主要是由于人為因素和地面植被被破壞。工程區內的降雨時段較為集中，在暴雨天氣中可能存在較大的強度，能夠在很大程度上侵蝕土壤，進而導致當地出現水土流失的情況[3]。根據國家相關土壤侵蝕分類分級標準進行研判，該工程區的調查結果證明其侵蝕程度屬于較輕水平。

2.3工程區水土流失特點

（1）本次工程土石方作業規模較大，本工程預估存在1408.12萬m3挖方總量，而土石方工程極易導致基建面和地表出現大面積土壤裸露，在這時如果出現降雨，會在很大程度上提升邊坡發生水土流失情況的幾率，將會導致整體水土流失問題變得更加嚴重[4]。（2）有一定的擾動破壞存在，在開挖隧道、路基時，因為人為原因的影響會打破原有地層應力平衡，會在一定程度上改變地層結構，如增加溝壑、裂縫發育等，會在一定程度上提升水土流失的程度[4]。（3）擁有明顯的水力侵蝕現象。該工程處于我國西南地區，土壤大多屬于潮土類，具有透氣性好、表層質地疏松等特點，在降雨的情況下出現水土流失現象的幾率很大，所以該工程存在明顯的水力侵蝕現象。

3工程水土流失預測

該高速公路建設工程由于線路較長，所以存在多種不同的地貌區，分別為斷陷盆地地貌、構造溶蝕侵蝕低中山地貌以及峰林谷地地貌，沿線擁有較多的橋梁隧道，溝壑縱橫，山嶺起伏，并且需要較大的填挖方量，會導致沿線的植被和地貌被嚴重破壞，將會導致原有的水土保持設施受到不同程度的破壞，剝奪其正常的水土保持功能，從而導致水土流失現象加劇。

3.1選取預測方法和修正土壤侵蝕模數

與水土流失預測實際情況相結合，相關人員主要使用類比法、試驗法以及實測法等預測水土流失。由于本次工程存在情況高度一致的工程，并且相關工程擁有較為完整且準確的水土流失資料，所以在本次預測水土流失的過程中選擇類比的方法。借助分析比對可知，兩工程在氣候條件、土壤條件以及防護設計方案等方面高度一致。所以，直接采用類似工程的水土保持監測數據作為本工程各預測單元侵蝕模數，確定1為土壤侵蝕模數修正系數。

3.2損壞水土保持設施、擾動地表預測

與工程項目的主體設計相結合，已經完成土地利用類型和永久占地面積的計算，與勘察人員勘察結果相結合，最終確定在該工程中將會導致大面積的水土保持設施被破壞，面積總量高達585.31hm2，擾動735.95hm2的植被面積、土地以及原地貌，具體情況如表1所示。

3.3棄渣量預測

與工程主體設計文件相結合，本工程擁有434.05萬m3填方總量，1408.12萬m3挖方總量，挖方量能夠滿足自身工程建設需求，建設后擁有974.07萬m3棄方總量。

3.4確定預測范圍與預測時段

公路預測和擾動地表擁有相同的范圍，均為735.95hm2，在充分考慮工程水土流失特點的基礎上劃分預測單元11個，主要集中在臨時堆土場、沿線設施、棄渣場、橋隧以及路基等。該工程的主要內容是建設新的高速公路，可以通過施工期和自然恢復期兩個方面完成水土流失預測，在設計規劃階段規定了該工程需在3.5年內建設完成，在完成施工后就屬于自然恢復期[5]。自然恢復期就是在完成所有施工后，以不建設新的水土保持設施為前提，土壤侵蝕強度需要多久的時間才能夠達到工程前的水平，該工程的自然恢復期為1年。與各工程單元的施工進度安排相結合，對各預測單元的預測時段進行合理確定，詳細情況如表2所示。

3.5水土流失預測結果

在充分考慮各個單元土壤侵蝕模數、預測時段、水土流失面積的基礎上，借助類比法完成水土流失量的計算工作。與預測水土流失的結果相結合，在建設該高速公路的過程中擁有28.334萬t土壤侵蝕總量，26.310萬t新增土壤侵蝕量，證明在該工程建設過程中顯著提升了工程區及附近的水土流失量，相比于工程前的水土流失量，最終出現了13倍左右的新增水土流失量，增長情況非常明顯。其中施工便道區、路基區、互通區、表土堆放場，橋梁區以及棄渣場區等重點水土流失部位，占據98.31%比重，如圖3所示。

4水土流失的危害分析

4.1導致水土資源破壞

本次工程建設開挖土石方的規模較大，會在很大程度上造成土地擾動，水土流失程度加劇，破壞土壤結構，導致土壤有機質流失，降低土壤中有機物及無機鹽的含量[6]。同時，也會在很大程度上降低土壤中微生物及動物的數量，從而對立地條件產生不良影響，降低土地的保水能力。水土流失還會帶走地表比較肥沃的土壤，對周圍農田及村莊都會形成危害，導致自燃災害發生率提高。

4.2導致生態環境破壞

高速公路建設中的填筑和開挖會導致原有的植被被損壞，使沿線景觀遭到破壞。在工程施工過程中如果存在管理上的缺失，大風天氣還會吹起地表的塵土，導致空氣中的TSP含量增加，大雨天氣會泥水橫流。另外，水土流失還會造成泥沙淤積庫、河道及溝渠等問題，影響河道，這都會給當地開展防洪及河道整治等工作帶來極大困難。

4.3導致水質被破壞

在本次工程中，高速公路需要通過建設橋梁來越過沿線水庫和河流，在建設橋梁時如果相關的防護措施不完善，會導致風力和水力將塵土帶入水庫、河道中，會在很大程度上影響水庫的水質和泥沙淤積情況。4.4對公路安全產生影響由于高速公路建設是以坡地為路基，若是無法完善的開展防護工作，可能導致嚴重的水土流失產生，對高速公路自身的安全性能產生影響。另外，如果不能采取合適的水土流失防治措施處理施工產生的棄渣，在外應力的作用下，可能導致相應的次生災害產生，對公路安全產生影響。

5防治水土流失的方案

5.1主體工程水土流失防治方案

5.1.1路基路面

在實際工程建設過程中，施工單位可以通過泄水槽、排水溝等實現路基路面的水土流失防治，使雨水儲存減少，同時對于存水可以使用滲透排水手段完成疏導[7]。應在路基兩側完成排水溝建設，在實際工程中相關人員可以對C25預制塊蝶型排水溝進行合理利用，具體規范為0.6m的溝深、0.8m的底寬、1∶1.5的邊坡比。

5.1.2中央分隔帶

施工單位應利用綠化帶來防治中央分隔帶水土流失，在綠化帶設計中以當地各種防眩植物為主，在這個過程中應該以保證安全性為中心，合理利用各種各樣的植物來提升高速公路景觀的美觀性。另外，在綠化帶中也可以適當點綴觀賞性植物。

5.1.3路基邊坡

路基邊坡的建設質量能夠在一定程度上決定水土流失防治方案的效果，若是在邊坡中無法有效預防水土流失，會導致空洞在路基中產生，進而產生各種路面病害，如沉陷、裂縫等，將會在很大程度上降低高速公路的安全性能，縮短其實際使用壽命。在制定路基邊坡水土流失防治方案時可以分三層設計路基護坡結構，從下至上依次為土工布層、砂礫石墊層以及護坡，其中最主要的就是設計護坡，具體方式如下：（1）設計護坡。當邊坡擁有4m以下的高度時，想要提升護坡的排水性能，可以合理開展坡面漫流、灌草種植等；當坡面高度超過4m時，在護坡時可以使用拱形骨架植草的方式，選用3.0m內徑的拱形骨架，C25預制混凝土制成的泄水槽、骨架以及攔水坎。另外，將黏性壤土鋪設在拱圈內，保持大約25cm的厚度，并將適合當地生長的草籽撒播其上；護坡道進行灌木種植。（2）設計砂礫石墊層。在選擇砂礫時可以選擇5%以下含泥量、50mm以下粒度的粗砂或中砂。可以每層填筑20cm的厚度，需要先對填筑層灑水再碾壓，最好保持大約10%的砂石含水量。在夯實作業中的主要設備為蛙式打夯機，落距應保持約450mm。（3）土工布層設計。可以利用橫向鋪設的方式完成土工布拼接，保持50cm寬度，需要注意的是不能拉扯過緊，富余應在10cm以上。

5.2棄渣場水土流失防治方案

在設計棄渣場時應遵循盡量少占土地的原則，然后選擇存在均勻地質條件、地勢平坦且高的場地。在設計棄渣場時，應填鋪20cm粗顆粒砂卵石并簡單碾壓。為了對河流沖刷進行有效預防，需要在廢渣場周圍堆砌漿砌石，并根據當地最高洪水位完成高度設計。在完成施工后，應該對棄渣場進行整平和綠化，鋪設30cm以上的壤土厚度，保持1∶1.7以下的土堆邊坡斜率以及1∶1以下的巖石邊坡斜率。另外，對于土體不穩固的地段可以使用分層壓實樁進行處理。

6結束語

高速公路的施工效率會受到水土流失的影響。本文結合西南地區某高速公路建設工程實例，使用類比法來預測該項目水土流失情況，以驗證高速公路工程中導則的適用性，為進一步完善導則提供數據資料，根據施工現場地形地貌以及地質特點開展相應的水土流失強化措施，做好水土流失防控，進而為預測高速公路工程水土流失工作提供借鑒，以此最大程度縮小水土流失范圍及危害范圍，希望能夠幫助相關人員更好的保持工程區的水土，保證建設高速公路的工作順利完成。

【參考文獻】

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[3]伏文兵，王凱，李尤孟.高速公路建設水土流失與水土保持研究[J].工程建設與設計，2020(13):107-109.

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[7]李浩宏.高速公路項目水土保持監測及設施驗收工作要點[J].河北水利，2021，6(10):40-41，43.

作者:蘭展鵬 單位:廣西路建工程集團有限公司