川西高山地區(qū)工程創(chuàng)面土體結(jié)構(gòu)特性分析

對(duì)川西高山地區(qū)的工程創(chuàng)面植被恢復(fù)現(xiàn)狀進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，并開(kāi)展了創(chuàng)面表層土體的土壤結(jié)構(gòu)試驗(yàn)研究，利用分形維數(shù)分析了創(chuàng)面土體的土壤結(jié)構(gòu)特性?，F(xiàn)場(chǎng)調(diào)研和試驗(yàn)分析結(jié)果表明：①當(dāng)前高山工程創(chuàng)面的生態(tài)修復(fù)尚未引起重視，存在大量的裸露創(chuàng)面，存在威脅道路安全運(yùn)營(yíng)的隱患；②當(dāng)前所采用的雙層主動(dòng)防護(hù)網(wǎng)具有較好的攔截落石的作用，但在防止創(chuàng)面沖蝕、促進(jìn)創(chuàng)面生態(tài)修復(fù)方面效果不突出；③在缺少防護(hù)的工程創(chuàng)面中廣泛存在“生態(tài)島”的現(xiàn)象，該現(xiàn)象表明高山區(qū)生態(tài)脆弱的關(guān)鍵因素在于表層營(yíng)養(yǎng)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(huán)境是保證工程創(chuàng)面的生態(tài)修復(fù)的前提。

高山地區(qū)； 工程創(chuàng)面； 生態(tài)恢復(fù)； 土壤結(jié)構(gòu)； “生態(tài)島”

P642.21 A

［定稿日期］2021-12-29

［作者簡(jiǎn)介］陳發(fā)勇（1996—），男，本科，從事巖土工程方面的研究工作。

川西地區(qū)地處我國(guó)第一臺(tái)階與第二臺(tái)階的過(guò)渡區(qū)域，此區(qū)域內(nèi)高山林立、河流密布，地形地勢(shì)情況復(fù)雜［1］。復(fù)雜的地形地勢(shì)造就了獨(dú)特的氣候環(huán)境，降雨不均、短時(shí)強(qiáng)降雨現(xiàn)象突出，道路沿線(xiàn)泥石流、滑坡、落石等各類(lèi)地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)，裸露的工程創(chuàng)面隨處可見(jiàn)。

對(duì)道路安全運(yùn)營(yíng)構(gòu)成隱患的邊坡可按照成因分為自然邊坡［2-3］和施工創(chuàng)面［4］2類(lèi)。本文對(duì)川西高山區(qū)工程創(chuàng)面恢復(fù)現(xiàn)狀的考察結(jié)果進(jìn)行了簡(jiǎn)要介紹，結(jié)合該區(qū)域的降雨、地質(zhì)情況，使用統(tǒng)計(jì)分析、分形維數(shù)等數(shù)學(xué)方法對(duì)創(chuàng)面植被的恢復(fù)形態(tài)、創(chuàng)面土體的結(jié)構(gòu)特性進(jìn)行了分析。在此基礎(chǔ)上研究了現(xiàn)有防護(hù)措施存在的問(wèn)題、裸露創(chuàng)面在淺層失穩(wěn)過(guò)程中形成的“生態(tài)島”現(xiàn)象對(duì)改進(jìn)工程防護(hù)的啟示。所得考察結(jié)果、試驗(yàn)結(jié)果可為西南高山區(qū)工程創(chuàng)面的生態(tài)修復(fù)、生態(tài)防護(hù)提供參考。

1 研究區(qū)域

1.1 區(qū)域概況

根據(jù)川西地區(qū)的氣候區(qū)劃，選取3個(gè)考察點(diǎn)，分別是：巴朗山地區(qū)、疙瘩梁子地區(qū)和爐霍地區(qū)。巴朗山地區(qū)土壤多為原位風(fēng)化形成，土層較薄，包含大量強(qiáng)風(fēng)化泥巖、砂巖，一旦破壞了表層植被，極易產(chǎn)生創(chuàng)面沖蝕、創(chuàng)面擴(kuò)張的現(xiàn)象。疙瘩梁子-松林口區(qū)域表層土多為泥巖、砂巖強(qiáng)風(fēng)化生成的原位土，或者為古河床經(jīng)過(guò)地質(zhì)運(yùn)動(dòng)形成的砂質(zhì)土。不管是原位土還是地質(zhì)運(yùn)動(dòng)形成的砂質(zhì)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(huì)不斷往下溜滑，形成大片難以修復(fù)的工程創(chuàng)面。

爐霍地區(qū)降雨多為短時(shí)強(qiáng)降雨，因此對(duì)坡面的沖蝕作用十分明顯。

當(dāng)工程創(chuàng)面無(wú)法愈合時(shí)，在各種風(fēng)化作用下（風(fēng)、降水、霜凍等），大塊卵石會(huì)發(fā)生溜滑，并裹挾大量砂土發(fā)生失穩(wěn)，致使創(chuàng)面日益擴(kuò)大。隨即使得包含植被的表層土產(chǎn)生懸空段，隨著懸空段的增加，在重力作用下創(chuàng)面頂部的表層土?xí)闹黧w脫落，導(dǎo)致創(chuàng)面面積擴(kuò)大（特別是對(duì)于高山草甸）。對(duì)于一些斜坡較緩、具備一定附著條件的工程創(chuàng)面，表層土滑落后會(huì)貼附在創(chuàng)面上，形成類(lèi)似于島嶼的“生態(tài)島”。生態(tài)島鏈可以作為一個(gè)緩沖帶，能夠有效攔截大塊卵石，減弱卵石在溜滑過(guò)程中對(duì)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(xiàn)場(chǎng)調(diào)研結(jié)合室內(nèi)試驗(yàn)，分析川西高山地區(qū)工程創(chuàng)面的恢復(fù)狀態(tài)與土體結(jié)構(gòu)特征。在調(diào)研植物群落、生長(zhǎng)狀態(tài)方面，采用樣方法對(duì)植物狀態(tài)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)評(píng)價(jià)；在評(píng)價(jià)土體結(jié)構(gòu)特征方面，使用分形維數(shù)定量描述土體結(jié)構(gòu)特征。根據(jù)ISSS的土壤質(zhì)地分類(lèi)系統(tǒng)，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(jù)楊培嶺等學(xué)者建立的土體顆粒級(jí)配與土體顆粒級(jí)配之間的數(shù)學(xué)關(guān)系：

logW（r

式中：W（r

現(xiàn)有研究表明，工程創(chuàng)面的土壤容易遭受雨水和風(fēng)力的侵蝕，而粒徑較小的土粒更容易遭受沖蝕。而分形維數(shù)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(shù)評(píng)估不同狀態(tài)下表層土體的被沖蝕程度。

2 結(jié)果與分析

2.1 防護(hù)措施對(duì)創(chuàng)面水土保持的影響

主動(dòng)網(wǎng)防護(hù)是當(dāng)前在高山地區(qū)廣泛采用的工程措施防護(hù)措施。該項(xiàng)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(gè)地區(qū)的邊坡均出現(xiàn)了沖蝕溝，如圖2所示。為了進(jìn)一步量化分析當(dāng)前防護(hù)措施的防護(hù)效果，取典型創(chuàng)面土樣，得到了有防護(hù)網(wǎng)和沒(méi)有防護(hù)網(wǎng)的工程創(chuàng)面的坡腳、坡頂、植生層土的顆粒級(jí)配數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上得到了土體的分形維數(shù)，具體如表1所示。

分形維數(shù)與土體顆粒土質(zhì)成分配比的關(guān)系如表1所示。結(jié)合表1數(shù)據(jù)，可得結(jié)論：①表層土與坡頂、坡腳土的顆粒級(jí)配差異大。在沒(méi)有人工修復(fù)的前提下，對(duì)于高山地區(qū)的包含大量卵石、塊石的創(chuàng)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(shù)差異顯著。坡頂、坡腳的分形維數(shù)顯著低于表層土，說(shuō)明該創(chuàng)面容易遭受風(fēng)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(qū)工程創(chuàng)面的表層土壤環(huán)境是亟待解決的問(wèn)題；③有主動(dòng)網(wǎng)防護(hù)的工程創(chuàng)面與無(wú)防護(hù)的工程創(chuàng)面相比，無(wú)論是土體的顆粒級(jí)配還是分形維數(shù)都比較接近，無(wú)顯著差異，表明主動(dòng)防護(hù)網(wǎng)并不能有效地防止創(chuàng)面的水土流失、改善創(chuàng)面的水土環(huán)境。如何將工程防護(hù)與創(chuàng)面表層土體恢復(fù)有機(jī)結(jié)合是值得深思的問(wèn)題。

2.2 “生態(tài)島”對(duì)創(chuàng)面水土保持的影響

“生態(tài)島”的存在一方面表明高山地區(qū)創(chuàng)面生態(tài)修復(fù)困難的主要原因在于表層土體難以修復(fù)，而非高山植物脆弱，因此高山地區(qū)的工程創(chuàng)面生態(tài)修復(fù)的關(guān)鍵在于表層營(yíng)養(yǎng)土的營(yíng)造與維持。另一方面也為高山地區(qū)的創(chuàng)面修復(fù)提供了啟示。為了進(jìn)一步量化分析“生態(tài)島”對(duì)創(chuàng)面水土保持的作用，本文通過(guò)在“生態(tài)島”底部、坡腳、坡頂、表層取得土樣，在分析土體顆粒級(jí)配的基礎(chǔ)上得到各個(gè)位置土體的分形維數(shù)（圖3），包含生態(tài)島和不包含生態(tài)島的土樣分形維數(shù)對(duì)比如表2所示。

通過(guò)表2中數(shù)據(jù)對(duì)比，可得結(jié)論：

（1）形成了“生態(tài)島”的邊坡，表層土、“生態(tài)島”的土體顆粒級(jí)配與坡頂、坡腳土的差異大，而表層土雖然與“生態(tài)島”底部土體有一定差異，但是并不明顯，表明在“生態(tài)島”植被的保護(hù)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(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定。

（2）從分形維數(shù)上看，表層土、“生態(tài)島”的土體與坡頂、坡腳土的差異同樣十分明顯。表層土、“生態(tài)島”底部土體的分形維數(shù)均大于2.7，而坡頂、坡腳的土體的分形維數(shù)均在2.6左右。與表層土、“生態(tài)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(jié)構(gòu)被嚴(yán)重破壞。

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)川西高山工程創(chuàng)面的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研和室內(nèi)試驗(yàn)分析，研究了不同狀態(tài)下的創(chuàng)面土體結(jié)構(gòu)特性。主要結(jié)論：

（1）當(dāng)前在高山地區(qū)工程創(chuàng)面受侵蝕現(xiàn)象嚴(yán)重，由此導(dǎo)致的落石、溜滑、局部滑塌等淺層問(wèn)題發(fā)生頻率高、隱患范圍廣。創(chuàng)面生態(tài)恢復(fù)效果不理想，大多數(shù)創(chuàng)面呈現(xiàn)擴(kuò)展的趨勢(shì)。

（2）在高山地區(qū)廣泛采用的主動(dòng)網(wǎng)防護(hù)措施對(duì)表層土體的防護(hù)效果不理想，在有防護(hù)網(wǎng)的情況下依然存在大量的沖蝕槽。如何針對(duì)高山地區(qū)的環(huán)境、氣候特征，設(shè)計(jì)創(chuàng)面淺層土體的工程防護(hù)結(jié)構(gòu)是亟待解決的問(wèn)題。

（3）“生態(tài)島”的存在表明高山地區(qū)創(chuàng)面生態(tài)修復(fù)困難的主要原因在于表層土體難以修復(fù)，而非高山植物脆弱，因此高山地區(qū)的工程創(chuàng)面生態(tài)修復(fù)的關(guān)鍵在于表層營(yíng)養(yǎng)土的營(yíng)造與維持。在當(dāng)?shù)嘏嘤萜?、模塊化鋪設(shè)草皮可能是解決高山地區(qū)創(chuàng)面生態(tài)修復(fù)問(wèn)題的一個(gè)方法。

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