川西高山地区工程创面土体结构特性分析

对川西高山地区的工程创面植被恢复现状进行了现场调研，并开展了创面表层土体的土壤结构试验研究，利用分形维数分析了创面土体的土壤结构特性。现场调研和试验分析结果表明：①当前高山工程创面的生态修复尚未引起重视，存在大量的裸露创面，存在威胁道路安全运营的隐患；②当前所采用的双层主动防护网具有较好的拦截落石的作用，但在防止创面冲蚀、促进创面生态修复方面效果不突出；③在缺少防护的工程创面中广泛存在“生态岛”的现象，该现象表明高山区生态脆弱的关键因素在于表层营养土的脆弱，而不在于植物生存能力的脆弱，为植物的次生演化提供良好的表层土壤环境是保证工程创面的生态修复的前提。

高山地区； 工程创面； 生态恢复； 土壤结构； “生态岛”

P642.21 A

［定稿日期］2021-12-29

［作者简介］陈发勇（1996—），男，本科，从事岩土工程方面的研究工作。

川西地区地处我国第一台阶与第二台阶的过渡区域，此区域内高山林立、河流密布，地形地势情况复杂［1］。复杂的地形地势造就了独特的气候环境，降雨不均、短时强降雨现象突出，道路沿线泥石流、滑坡、落石等各类地质灾害频发，裸露的工程创面随处可见。

对道路安全运营构成隐患的边坡可按照成因分为自然边坡［2-3］和施工创面［4］2类。本文对川西高山区工程创面恢复现状的考察结果进行了简要介绍，结合该区域的降雨、地质情况，使用统计分析、分形维数等数学方法对创面植被的恢复形态、创面土体的结构特性进行了分析。在此基础上研究了现有防护措施存在的问题、裸露创面在浅层失稳过程中形成的“生态岛”现象对改进工程防护的启示。所得考察结果、试验结果可为西南高山区工程创面的生态修复、生态防护提供参考。

1 研究区域

1.1 区域概况

根据川西地区的气候区划，选取3个考察点，分别是：巴朗山地区、疙瘩梁子地区和炉霍地区。巴朗山地区土壤多为原位风化形成，土层较薄，包含大量强风化泥岩、砂岩，一旦破坏了表层植被，极易产生创面冲蚀、创面扩张的现象。疙瘩梁子-松林口区域表层土多为泥岩、砂岩强风化生成的原位土，或者为古河床经过地质运动形成的砂质土。不管是原位土还是地质运动形成的砂质土均包含大量大直径的块石、卵石。一旦表层植被（草甸、灌木）被破坏，在重力作用下砂土及其包裹的卵石会不断往下溜滑，形成大片难以修复的工程创面。

炉霍地区降雨多为短时强降雨，因此对坡面的冲蚀作用十分明显。

当工程创面无法愈合时，在各种风化作用下（风、降水、霜冻等），大块卵石会发生溜滑，并裹挟大量砂土发生失稳，致使创面日益扩大。随即使得包含植被的表层土产生悬空段，随着悬空段的增加，在重力作用下创面顶部的表层土会从主体脱落，导致创面面积扩大（特别是对于高山草甸）。对于一些斜坡较缓、具备一定附着条件的工程创面，表层土滑落后会贴附在创面上，形成类似于岛屿的“生态岛”。生态岛链可以作为一个缓冲带，能够有效拦截大块卵石，减弱卵石在溜滑过程中对砂土的裹挟作用，如图1所示。

1.2 研究方法

本文多用的研究方法为现场调研结合室内试验，分析川西高山地区工程创面的恢复状态与土体结构特征。在调研植物群落、生长状态方面，采用样方法对植物状态进行统计评价；在评价土体结构特征方面，使用分形维数定量描述土体结构特征。根据ISSS的土壤质地分类系统，土壤粒径小于0.002 mm的为黏土，0.002～0.02 mm的为粉土，0.02～2 mm的为砂土。根据杨培岭等学者建立的土体颗粒级配与土体颗粒级配之间的数学关系：

logW（r

式中：W（r

现有研究表明，工程创面的土壤容易遭受雨水和风力的侵蚀，而粒径较小的土粒更容易遭受冲蚀。而分形维数的减小表征了土壤黏土成分和粉土成分含量的减小以及砂土成分的增加。因此可以使用分形维数评估不同状态下表层土体的被冲蚀程度。

2 结果与分析

2.1 防护措施对创面水土保持的影响

主动网防护是当前在高山地区广泛采用的工程措施防护措施。该项措施在拦截落石方面效果较为突出，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、炉霍等多个地区的边坡均出现了冲蚀沟，如图2所示。为了进一步量化分析当前防护措施的防护效果，取典型创面土样，得到了有防护网和没有防护网的工程创面的坡脚、坡顶、植生层土的颗粒级配数据，在此基础上得到了土体的分形维数，具体如表1所示。

分形维数与土体颗粒土质成分配比的关系如表1所示。结合表1数据，可得结论：①表层土与坡顶、坡脚土的颗粒级配差异大。在没有人工修复的前提下，对于高山地区的包含大量卵石、块石的创面很难形成适宜植物次生演化的土壤；②表层土与坡顶、坡脚土的分形维数差异显著。坡顶、坡脚的分形维数显著低于表层土，说明该创面容易遭受风化作用的侵蚀，而粒径较小的土颗粒容易流失，如何改良高山、亚高山区工程创面的表层土壤环境是亟待解决的问题；③有主动网防护的工程创面与无防护的工程创面相比，无论是土體的颗粒级配还是分形维数都比较接近，无显著差异，表明主动防护网并不能有效地防止创面的水土流失、改善创面的水土环境。如何将工程防护与创面表层土体恢复有机结合是值得深思的问题。

2.2 “生态岛”对创面水土保持的影响

“生态岛”的存在一方面表明高山地区创面生态修复困难的主要原因在于表层土体难以修复，而非高山植物脆弱，因此高山地区的工程创面生态修复的关键在于表层营养土的营造与维持。另一方面也为高山地区的创面修复提供了启示。为了进一步量化分析“生态岛”对创面水土保持的作用，本文通过在“生态岛”底部、坡脚、坡顶、表层取得土样，在分析土体颗粒级配的基础上得到各个位置土体的分形维数（图3），包含生态岛和不包含生态岛的土样分形维数对比如表2所示。

通过表2中数据对比，可得结论：

（1）形成了“生态岛”的边坡，表层土、“生态岛”的土体颗粒级配与坡顶、坡脚土的差异大，而表层土虽然与“生态岛”底部土体有一定差异，但是并不明显，表明在“生态岛”植被的保护下，下方土体的粉土、黏土颗粒成分得到了有效的保持，土体颗粒结构更加稳定。

（2）从分形维数上看，表层土、“生态岛”的土体与坡顶、坡脚土的差异同样十分明显。表层土、“生态岛”底部土体的分形维数均大于2.7，而坡顶、坡脚的土体的分形维数均在2.6左右。与表层土、“生态岛”的土体相比，坡顶、坡脚的土体在雨水的侵蚀下粒径较小的黏土、粉土成分大量流失，土壤颗粒结构被严重破坏。

3 结论

通过对川西高山工程创面的现场调研和室内试验分析，研究了不同状态下的创面土体结构特性。主要结论：

（1）当前在高山地区工程创面受侵蚀现象严重，由此导致的落石、溜滑、局部滑塌等浅层问题发生频率高、隐患范围广。创面生态恢复效果不理想，大多数创面呈现扩展的趋势。

（2）在高山地区广泛采用的主动网防护措施对表层土体的防护效果不理想，在有防护网的情况下依然存在大量的冲蚀槽。如何针对高山地区的环境、气候特征，设计创面浅层土体的工程防护结构是亟待解决的问题。

（3）“生态岛”的存在表明高山地区创面生态修复困难的主要原因在于表层土体难以修复，而非高山植物脆弱，因此高山地区的工程创面生态修复的关键在于表层营养土的营造与维持。在当地培育草皮、模块化铺设草皮可能是解决高山地区创面生态修复问题的一个方法。

参考文献

［1］ 卫宏.川西山区公路边坡地质灾害研究［D］.成都：成都理工大学，2000.

［2］ 刘阳，向波，张建经，等.公路边坡地震失稳规模模糊综合统计评估［J］. 中国安全科学学报，2018，28（4）：169-174.

［3］ 曹礼聪，张建经，刘飞成，等.含倾斜强风化带及局部边坡复杂场地的动力响应及破坏模式研究［J］.岩石力学与工程学报，2017，36（9）：2238-2250.

［4］ 唐彪，宋凤鸣，黄蕾，等.工程创面生态恢复技术的典型案例分析［J］.中国园林，2017，33（11）：25-29.