新形势下铁路工程水土流失防治探讨

莫 斌，朱世海，李 峰，黄钰涵

(1.中水珠江规划勘测设计有限公司，广东 广州 510000； 2.广西大学 林学院，广西 南宁 530004)

近年来，我国生态文明建设和美丽中国建设成效举世瞩目，但仍存在一些亟待解决的环境问题，如工程建设期间的水土流失及生态修复等。根据国铁集团2020年8月发布的《新时代交通强国铁路先行规划纲要》，到2035年，我国铁路网规模将达到20万km左右，其中高铁达7万km左右。截至2021年年底，我国铁路运营总里程突破15万km(高铁突破4万km)，可见我国铁路建设规模空前巨大。目前，我国铁路建设主要集中在山丘区，占比达到70%左右。据统计，每建设1 km的铁路，会占用 5～7 hm2的土地，并可能产生5 172 t的水土流失[1]。铁路工程建设往往产生大量的开挖方，松散的堆土如不及时防护，则很容易被雨水冲刷和搬运，特别是在强降雨时很可能引发滑坡、泥石流等自然灾害。铁路建设会造成许多严重的水土流失问题，是生产建设项目水土保持监测的重点[2]。此外，近20年来我国大力发展的高速铁路已成为铁路水土流失防治的重中之重。高速铁路建设参建单位多、施工周期长、施工组织要求高、影响范围广，其生态环境与水土保持管理也是很大的难题[3-4]。

我国铁路建设的高速发展，极大地推动了经济稳步向前发展，使得交通更加便利，同时其建设过程中引发的诸多水土流失问题也应引起足够重视。

1 铁路工程水土流失分析

1.1 铁路工程水土流失特点

铁路工程存在单位长度占地面积大，穿越区域多，结构复杂，施工难度大，工期长等特征，其水土流失特点主要表现在：①水土流失主要发生在施工前期、中期，特别是在边坡形成和土方堆置期间；②铁路工程为线性工程，以铁路干线为主轴，沿线的取土场、弃土场及施工区等呈点状分布在干线两侧，各场地之间通过施工便道连接，因而水土流失呈河网状分布；③沿线穿越多种地貌，加上各分区的施工工艺不同，故其水土流失影响因素、强度等也存在差异；④建设过程中，其水土流失从施工期至自然恢复期，随着水土保持措施逐渐发挥效益，地表扰动程度逐渐降低，水土流失会逐渐减弱减少，然而由于降雨年内分布不均，所以雨季水土流失相对严重；⑤产生的水土流失危害严重，原因在于施工过程中破坏了原始地表的水文循环结构。

此外，高速铁路项目由于设计精度高，线路通直，所以会遇到难以避让水土流失易发区和不良地质段的情况。在水土流失易发区和不良地质段施工不确定性因素较多，突发事件的可预见性较低，容易产生大量水土流失和破坏生态平衡，危害程度显著，防治难度也大大增加。

1.2 铁路工程的水土流失危害

铁路工程建设引发的危害可分为直接破坏与间接破坏两大类，直接破坏表现为施工中对原有土地的挖损与占压，引发原有土地利用类型的变化；间接破坏主要是在建设过程中产生扬尘、废水、噪声和引发的水土流失、滑坡等次生危害[5]。铁路建设破坏了场地内的原有设施和地表植被，使土体稳定平衡和土壤结构遭到破坏，如不及时处置将产生严重危害，具体表现在：①流失的水土混合体具有很强的携带力，冲刷及携带泥沙混合物，进而加剧侵蚀发生。泥沙混合物进入沿线河道后增加水体泥沙含量，致使河床淤积抬高，增加防洪压力。②表层土流失，基岩裸露，降低土壤肥力，影响植被生长及农业生产。③泥沙随水流进入农田，大部分泥沙沉积下来，形成“沙压农田”的情况，损坏耕地资源。④对沿线水源保护区等环境敏感区造成破坏，降低饮用水水质，影响水生物生存，且持续时间长。⑤对植被造成破坏，流失的土石混合体掩埋、切割树草植物，抑制其生长。⑥减缓铁路施工进程，破坏主体及施工道路边坡，增加额外工作量，影响工人正常作业。⑦缩短铁路使用寿命，破坏桥梁、隧洞等安全稳定，不利于铁路正常运营等。

由此可见，铁路工程水土流失危害范围广、时间长、代价高。而铁路建设过程中，由于工期紧张及作业人员不足等，往往忽略防治措施布设或布设滞后，进而容易引发严重的水土流失。这与生态文明建设及绿色发展理念相矛盾，因而其水土流失研究及防治工作应引起足够重视。

2 铁路工程水土流失及其防治研究

2.1 主要防治分区研究

2.1.1 堆放场

表土资源是一种难以再生资源，表土剥离后集中堆放在设定的堆放场，具有相对零散、分布广的特点，也极易产生水土流失。同时，对于隧道比例大的山区铁路工程，需设置的弃渣场较多，分布相对零散，也成为水土流失重点防治及生态恢复的区域。

目前关于堆放场的水土流失研究主要集中在入渗规律、土壤侵蚀方面。临时堆土区随着降雨强度的增加，土壤入渗率增加，雨强越大，初始入渗率越高，同时径流量也随着雨强的增大而增大；其他条件相同时，坡度逐渐增加，使得径流时间逐渐缩短，同时土壤入渗率也随坡度的增大而减小[6]。张荣华等[7]研究发现，弃土弃渣体坡度为30°时坡度对坡面侵蚀量的贡献率大于雨强贡献率；而40°时雨强贡献率明显超过坡度。李煜等[8]研究弃土存放时间对其坡面产流产沙的影响，结果表明在相同降雨强度条件下，新堆积的弃土产生的径流量最小，随着堆存时间延长，径流量不断增加，最后趋于稳定；而在不同降雨条件下，坡面径流的含沙率随堆存时间的延长呈现波动性降低，同时累计产沙量也随弃土堆存时间的延长而逐渐降低。何凡等[9]在研究堆弃土水土流失情况时，发现其堆放坡度大于40°时土壤坡面侵蚀率很高，整体上随坡度增加土壤侵蚀量呈现明显增加趋势。

关于堆放场的水土流失研究，主要通过对比不同雨强、坡度和堆存时间等因素，研究其土壤入渗规律和侵蚀强度，而存放位置、地表组成、周边来水情况等也会对其水土流失产生较大影响，今后的研究应将这些因素考虑进来，减少因漏项而带来的研究不足，以综合反映水土流失特征。

2.1.2 工程边坡

铁路工程施工会产生较多的高陡边坡，包含路基边坡、路桥交接处边坡、隧道洞口仰坡等。由于边坡高差较大，容易在大雨、集中水流、外部压力或震动等因素作用下引发严重的水土流失问题，进而诱发滑坡、坍塌、泥石流等自然灾害。

针对工程边坡的水土流失问题，国内外学者对其流失主要形式、影响因素及入渗性能方面进行了大量研究。曹鹏会[10]通过降雨观测试验发现路堑边坡的次降雨土壤流失量与次降雨最大30 min降雨强度呈幂函数关系。郑美兰[11]通过在红壤地区的试验发现铁路边坡侵蚀的产流过程以超渗产流为主，这与土壤结构变化密切相关，整体上路堤边坡产流和产沙间存在极其显著的相关性。徐学选等[12]通过对次降雨条件下沟坡道路的土壤侵蚀模数进行研究，结果表明其土壤侵蚀模数在45～64 kg/m2之间，而对水平型和凸型路堤采取抗蚀防护工程，如在路边挖蓄水槽、设挡土埂等措施，减沙效益在80%以上。另有学者研究发现随着雨强增大，坡面侵蚀形式由雨滴击溅侵蚀向沟蚀发展，坡度因子对总侵蚀量的贡献率降低[13]。此外，水土保持设施本身若稳定性不好也常是增加侵蚀产沙量的一种因素。

工程边坡的水土流失研究，主要通过人工模拟降雨试验，计算土壤流失量，总结水土流失规律，但不同施工阶段其边坡紧实度和覆盖度差异较大，边坡的坡度、坡长及土壤类型均有所差别。今后的研究需结合不同边坡紧实度和实施的防护措施，以及边坡的坡度、坡长、土壤类型等开展，以便能够较全面地研究其水土流失规律。

2.2 铁路工程水土流失防治措施研究

目前，对铁路建设过程中的水土流失防治措施可分为工程、植物和临时防护措施。工程防护相对牢固，但存在造价高、二次扰动显著、受地形地势限制等众多缺陷，因此在工程防护措施基础上我国推进发展植物防护措施。据研究，当草本覆盖度达到76.5%以上时，土壤侵蚀强度会降至微度水平[14]。临时防护措施造价低，且在施工期间水土流失防治效果明显，也很受工程建设者的欢迎。

我国较早引进了液态喷播、草皮卷植草等新型播种和防护技术。在植物选择方面，需综合权衡防护效益、生态安全等多因素指标。如通过对成灌高铁沿线植物品种和类型进行调查，总结出167对呈正相关的植物种配置组合，为区域高铁边坡植被恢复建设提供了科学指导[15]。考虑到山区铁路和高速铁路建设需要对边坡等区域进行重点防护，以避免水土流失导致滑坡等灾害，工程防护和植物防护综合应用得到广泛推广。张永江等[16]针对晋陕蒙接壤铁路工程建设提出工程与植物相结合的边坡防护方式，对高路堑沙坡路段采用覆压固沙、中型边坡采用沙柳网格植物防护、低路堤沙坡则采用覆网种草防护。靠近山地、河谷修建的铁路路基会频繁地受到水流的冲击侵蚀、山体滑坡和泥石流等威胁，工程防护和植物防护相结合成为首选方案。临时防护往往容易被忽略，其实施应贯穿于整个施工期，包含临时拦挡、临时排水、临时覆盖等。工程施工过程中，及时落实临时防护措施，降低雨水冲刷强度和冲刷范围，可有效减少水土流失。

我国陆地跨越多个气候带，太阳净辐射、降水、蒸散发等气候条件差异显著，因此在选用植物种类时首先应因地制宜，优先选用本土植物以提高适应性，避免人为因素导致的植物入侵或水土不服。坚持绿色发展、生态优先的理念，充分了解项目区特点和植物种生态学特性，结合立地条件营造适宜的生长环境，以保证成活率和发挥生态效益。

3 铁路工程水土保持生态文明建设

水土保持是生态文明建设的重要内容和基础性工作，也是我国必须长期坚持的一项基本国策。随着生态文明建设贯穿于经济建设、政治建设、文化建设、社会建设全过程，我国对水土保持生态文明建设提出了更高的要求。铁路工程在建设过程中存在扰动地表强烈，损毁植被面积大，水土流失严重，危害范围广，生态恢复耗时长等问题，应秉持绿色发展理念，积极践行生态文明建设思想。

近年来，我国对铁路工程践行生态文明建设思想也开展了一系列举措，并取得了不错成效。如浩吉铁路、成兰铁路建设等，其经过的山区多为贫穷地区，通过表土保存、综合调运，将弃渣处置与地方需求紧密结合，荒沟废坑得到高标准复耕、复绿，在实现农民增收的同时，铁路沿线景观效果得到大大提升。另外也为地方水利设施、交通道路等兴建提供充足材料，资源得到再次利用。当前，我国铁路建设进入高速发展阶段，未来很长的一段时间，仍需新建一批铁路项目以推动我国社会向前发展，故对铁路工程水土流失及其防治进行研究显得尤为重要。将人与自然和谐共处、休戚与共的理念融入铁路建设的全过程，以建设绿色铁路工程为导向，才能向着美好而长远的道路前进。

4 结 论

基于铁路建设的高速发展和生态文明建设的要求，水土保持研究需协同进步，而实现该目标需进行针对性试验研究。即在传统水土保持研究的基础上，对于铁路建设水土流失的线性特征和生态恢复性，兼顾经济性和效益性的原则，开展科学试验研究。而目前研究仍缺乏全过程多因素的对比试验，缺乏针对性的研究成果和成熟的理论。未来研究需围绕铁路工程边坡的绿色防护、生态效益等深入开展，通过长期监测试验优化边坡防护技术。针对挖填边坡、表土堆放区、弃渣场等不同区域开展防治措施的对比研究，识别分区水土流失特征，改进防护措施布设，避免单一而陈旧的防护形式。而不同气候类型、不同地质条件，对沿线铁路进行分段防护，在确保防护效益的同时，优化植物防护措施的生态适宜性。同时，针对水土流失危害进行溯源、追踪、拓展研究，从根本上理清水土流失的因果关系，完善生态风险损益指标，探讨防治水土流失、保护生态新举措。通过开展山区铁路、高速铁路等不同类型铁路建设的水土流失对比研究，进而完善水土流失防治措施体系，升级工程防护和植物防护的技术指标，为推动铁路工程水土流失科学防治提供技术支持。