烏錫線風(fēng)沙發(fā)育特點(diǎn)及其防護(hù)措施

藺全林

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，陜西西安 710043)

新建烏錫鐵路，起點(diǎn)位于內(nèi)蒙古自治區(qū)烏拉特前旗境內(nèi)包蘭鐵路的烏拉山車站，出站后線路和既有包蘭鐵路并行向西行進(jìn)，向南跨越黃河進(jìn)入鄂爾多斯市西北部杭錦旗境內(nèi)的庫布齊沙漠，沿毛不拉昆對溝南上，止于杭錦旗北部的錫尼車站。烏錫線所經(jīng)區(qū)域是內(nèi)蒙古自治區(qū)實(shí)施資源轉(zhuǎn)換戰(zhàn)略的重點(diǎn)地區(qū)，有利于加快鄂爾多斯地區(qū)煤炭開采及下游加工轉(zhuǎn)化產(chǎn)業(yè)資源開發(fā)建設(shè)。

線路走行范圍內(nèi)東西向有黃河北岸的京藏高速公路，黃河南岸的沿河公路和貫穿鄂爾多斯市和杭錦旗的109國道;南北向有位于線路西部的穿越沙漠公路。

烏錫鐵路穿越庫布齊沙漠腹地及其南部丘陵區(qū)，沿線風(fēng)沙會對機(jī)車、車輛和通訊設(shè)備產(chǎn)生磨蝕，對線路產(chǎn)生沙埋，對路基本體產(chǎn)生風(fēng)蝕，因此風(fēng)沙防護(hù)對鐵路運(yùn)營和維護(hù)有重要意義。本文對烏錫鐵路風(fēng)沙防護(hù)措施進(jìn)行探討。

1 氣象條件

庫布齊沙漠基本呈東西走向，長約400 km，寬約50 km，總面積約145萬公頃。腹地及其南部丘陵區(qū)人煙稀少，有零星牧民分布其中。

沙漠區(qū)屬典型的中溫帶干旱大陸性氣候區(qū)，四季分明，冬季嚴(yán)寒漫長而少雪，春季干旱多風(fēng)，夏季短促炎熱，秋季氣溫下降較快，日照豐富，降水少而集中且不均勻，蒸發(fā)強(qiáng)烈，氣候干旱多風(fēng)沙。年平均氣溫6.3℃，極端最高氣溫38.1℃ ～40.2℃，極端最低氣溫－30.7℃ ～ －34.2℃，最冷月(1月)平均氣溫－11.6℃ ～ －10.7℃，最熱月(7月)平均氣溫22.0℃～24.5℃。年平均降水量為213.5～332.5 mm，年平均蒸發(fā)量為2 130.5～2 630.0 mm。

沙漠區(qū)大風(fēng)和沙塵暴天數(shù)也較多，年平均風(fēng)速2.2～3.9 m/s，瞬時(shí)最大風(fēng)速24.3 m/s，其中以春季風(fēng)最大，定時(shí)和瞬時(shí)均為西風(fēng)和西北風(fēng)。全年大風(fēng)天數(shù)(≥8級)在1.7～27.0 d。

2 風(fēng)沙發(fā)育特點(diǎn)

烏錫線全長107 km，其中流動沙丘總長約18.7 km，占線路總長的17.5%，流動沙地總長約6.3 km，占線路總長的5.9%，二者合計(jì)占線路總長的23.4%。根據(jù)顆分試驗(yàn)，全線流動沙丘及流動沙地的風(fēng)沙結(jié)構(gòu)為，粒徑在0.25 mm以下的比例高達(dá)80%以上，以粉細(xì)砂為主。

2.1 風(fēng)沙流特點(diǎn)

烏錫線沿線地勢開闊，主要處于鄂爾多斯高原，冬春兩季受季節(jié)性大風(fēng)影響較大。根據(jù)勘測時(shí)現(xiàn)場觀測，在貼近地面處風(fēng)速達(dá)到約3.8 m/s時(shí)，沙粒就會隨風(fēng)移動，其中只有很少一部分是懸浮前進(jìn)，大多數(shù)是滑動和滾動方式前進(jìn)，輸沙量隨風(fēng)力的加大而變大，在貼近地面30 cm以內(nèi)的輸沙量占總輸沙量的絕大部分，尤其是10 cm以內(nèi)占總輸沙量的75.3%，說明風(fēng)沙流運(yùn)動是一種貼近地面的沙粒搬運(yùn)現(xiàn)象，見表1。因此設(shè)置草方格沙障時(shí)，有30 cm的外露高度，就能收到好的固沙效果。

輸沙量與超過起動風(fēng)速部分的風(fēng)速的3次方成正比，即 Q=(υ － υt)3，其中，Q 為輸沙量，υ 為風(fēng)速，υt為起動風(fēng)速。

輸沙量的影響因素較多，要精確計(jì)算其數(shù)值相當(dāng)困難，在實(shí)際工作中，一般多采用集沙儀在野外直接測定，然后用相關(guān)分析方法求得輸沙量與風(fēng)速的關(guān)系。也可在現(xiàn)場迎風(fēng)方向埋置特制的集沙箱，過一段時(shí)間后取出收集的沙量，進(jìn)而計(jì)算出單位寬度內(nèi)的輸沙量。

表1 不同高度風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)變化

2.2 沙丘移動特點(diǎn)

烏錫鐵路地區(qū)主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)镾SE，次主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)閃NW，大風(fēng)集中在冬春季節(jié)，瞬時(shí)及定時(shí)風(fēng)向均以WNW為主，定時(shí)風(fēng)速為20.7 m/s，瞬時(shí)風(fēng)速為24.3 m/s。雖然主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)?SSE，但定時(shí)及瞬時(shí)風(fēng)向?yàn)閃NW，在局部地段甚至WNW占主導(dǎo)，因此，烏錫線沙丘的移動方式主要為往復(fù)前進(jìn)式(往復(fù)前進(jìn)式是在兩個(gè)風(fēng)向相反而風(fēng)力大小不等的情況下產(chǎn)生的，在冬、夏季風(fēng)交替的地區(qū)，沙丘的移動都具有這種特點(diǎn))，主要移動方向?yàn)镾E—NW。

烏錫線在2010年施工至冬季后由于氣候原因冬休，2011年元月現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)，短短幾個(gè)月時(shí)間沙丘已經(jīng)侵入路基本體，掩埋路基(圖1)，不得不進(jìn)行清理。由于沙丘所處地勢開闊、沙丘不高(大多在1～3 m)、植被稀疏、沙丘表層水分較低，移動速度較快，按照此次調(diào)查間隔時(shí)間計(jì)算，其每年移動距離超過10 m，給現(xiàn)場施工帶來很大不便，嚴(yán)重地段由于線路被掩埋，必須進(jìn)行再次放線，造成投資增加。

圖1 DK65+800路基被風(fēng)沙掩埋

2.3 風(fēng)沙危害

由于沙的松散性及風(fēng)的吹蝕和搬運(yùn)作用，風(fēng)沙給鐵路修筑和運(yùn)營養(yǎng)護(hù)帶來一系列問題。

1)沙埋:氣流具有巨大體積，而且速度很大，不斷將線路兩側(cè)的沙粒揚(yáng)起并帶走，遇到路基阻擋，風(fēng)力減弱，大量沙粒停積下來掩埋線路，輕則道床積沙引起拱道或低接頭等病害，重則造成列車停車、緩行或脫軌。

2)風(fēng)蝕:沙筑路基因缺乏黏性，結(jié)構(gòu)疏松，如不采取有效防護(hù)措施，極易受到風(fēng)蝕，特別是路堤的路肩部分。嚴(yán)重時(shí)甚至路肩全部被風(fēng)蝕，軌枕頭外露，危及行車安全。

3)磨蝕:氣流中沙粒具有較大能量，對機(jī)車、車輛及通訊設(shè)備進(jìn)行撞擊和磨蝕，甚至堵塞油眼，造成機(jī)件嚴(yán)重磨耗。

3 風(fēng)沙防護(hù)措施

風(fēng)沙防護(hù)可采取固沙、阻沙、輸沙及導(dǎo)沙等防護(hù)措施，主要是控制風(fēng)蝕過程的發(fā)生，改變沙粒搬運(yùn)和堆積條件，以防治風(fēng)沙危害路基本體。

3.1 固沙措施

固沙措施是采用重型材料覆蓋流沙表面，隔絕風(fēng)與松散沙粒的接觸，或設(shè)置沙障，降低地表風(fēng)速，抑制風(fēng)沙活動。

1)重型材料覆蓋沙表。一般采用卵(礫)石、黏土、礦渣、鹽殼等抗風(fēng)蝕材料，平鋪在流沙表面。覆蓋層厚度為:卵(礫)石、礦渣5～10 cm;黏土、鹽殼等10～15 cm。鋪設(shè)時(shí)應(yīng)稍微將沙丘整平，以保持覆蓋層穩(wěn)固。

2)設(shè)置各類沙障。按設(shè)置高度可分為隱蔽式沙障和半隱蔽式沙障;按使用的材料又分為草類沙障、黏土沙障和礫石沙障。

①隱蔽式沙障。將草類埋入沙中，深15～20 cm，沙障頂部與沙面持平或略高。主要起控制風(fēng)蝕基準(zhǔn)面的作用。

②半隱蔽式沙障。將厚5 cm的草類埋入沙中15～20 cm，障頂高出沙面20～30 cm。其作用是制止地表沙粒的移動。

③黏土(卵石)沙障?？删偷赝谌○ね粱蚵咽钪?，埂高20～30 cm，底寬40～50 cm。其作用與草類沙障相同，但使用年限較長。

上述沙障，根據(jù)風(fēng)力大小及風(fēng)向，設(shè)置成條帶狀或格狀。一般草類沙障為1 m×1 m或1 m ×2 m;黏土(卵石)沙障為1 m×2 m，或2 m×3 m。防護(hù)寬度:線路迎風(fēng)側(cè)200～300 m，背風(fēng)側(cè)100～200 m，并宜根據(jù)風(fēng)沙嚴(yán)重程度適當(dāng)增減。

3.2 阻沙措施

在線路兩側(cè)適當(dāng)距離(一般為100～200 m)設(shè)置各種人工構(gòu)筑物，以阻攔沙丘和風(fēng)沙流前移，使其停積在構(gòu)筑物附近，作為鐵路前緣的第一道防線。

1)高立式沙障。在流沙地區(qū)，在線路兩側(cè)適當(dāng)距離，設(shè)置一至多排高立式沙障，借助于沙障本身及所形成的沙堤，用以阻攔外來沙源。沙障材料要求桿高質(zhì)韌，不易被風(fēng)吹折，常用的有作物桿、蘆葦、樹枝等。障高為1.5～2.0 m，埋入沙中1/3。沙障走向應(yīng)與主風(fēng)向垂直。

2)阻沙溝堤。是一種溝、堤結(jié)合的土工建筑物。具體作法:在線路的迎風(fēng)側(cè)，100～200 m之外，挖溝筑堤，溝深和堤高為1.5～2.0 m，用以阻攔流沙。當(dāng)溝、堤被沙掩埋后，再在其外側(cè)重設(shè)一道。該方法適用于沙源少的戈壁風(fēng)沙流地區(qū)。挖出的卵(礫)石可用于堤身加固，節(jié)省工程投資。堤最好設(shè)在溝的外側(cè)，這樣既起阻沙作用，還有導(dǎo)沙效果。

3)擋沙墻。這是沙區(qū)群眾常用的一種防風(fēng)沙措施，即用當(dāng)?shù)仞ば酝练謱雍惶畛蓧Γ呒s2 m，走向與主風(fēng)向垂直。擋風(fēng)墻實(shí)質(zhì)上是一種不透風(fēng)的沙障，防風(fēng)距離為墻高的20倍。墻身兩側(cè)均有積沙，積沙范圍:迎風(fēng)側(cè)為墻高的2～3倍，背風(fēng)側(cè)為4～5倍。阻沙效果顯著。

3.3 輸沙措施

輸沙措施是用減少下墊面粗糙度，增大局部地段風(fēng)速，促使風(fēng)沙流順利通過的一種方法。

1)平臺輸沙措施。在路堤兩側(cè)設(shè)置一定寬度的平臺(一般為5～10 m)，使風(fēng)沙流通過平臺時(shí)處于非飽和狀態(tài)，不致發(fā)生沙粒的堆積。

2)過沙路面。是指改變原有路基斷面形式及軌道結(jié)構(gòu)，使之成為流線形斷面，以利風(fēng)沙流順利通過。

3)輸沙建筑。根據(jù)地形及風(fēng)沙條件，修建旱橋或棚洞，通過風(fēng)沙流嚴(yán)重地段。

3.4 導(dǎo)沙措施

導(dǎo)沙措施是引導(dǎo)風(fēng)沙流離開路基從旁側(cè)通過的工程措施。常用的形式有導(dǎo)沙墻，它可借助墻面對風(fēng)沙流的反射作用將沙子導(dǎo)走。導(dǎo)沙墻適用于戈壁風(fēng)沙流地區(qū)，當(dāng)風(fēng)向單一，墻的走向與主風(fēng)向平行或呈銳角相交時(shí)，效果最好。

綜上所述，“固、阻、輸、導(dǎo)”各有其使用條件和范圍，一般應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)刈匀粭l件和風(fēng)沙運(yùn)動特點(diǎn)，采取綜合措施。如包蘭鐵路中衛(wèi)至于塘段沙漠路基，在線路兩側(cè)由近及遠(yuǎn)設(shè)置平臺輸沙帶，草方格固沙帶和高立式沙障阻沙帶，并在草方格沙障內(nèi)種草植樹，組成了完整的防沙體系，防護(hù)效果顯著。

3.5 植物防護(hù)

植物防沙的條件:當(dāng)?shù)剡m宜植物生長、年降雨量＞100 mm且濕沙層含水率＞3%的地區(qū)，可以采用植物固沙。年降雨量在100～300 mm的地區(qū)，植物防護(hù)結(jié)合地下水，附近的水源植物采用不定期澆灌、滴灌養(yǎng)護(hù);年降雨量在300～400 mm的地區(qū)，植物的栽植只需澆定根水自然生長;

植物防沙體系:五帶一體或四帶一體，其差異在于草障植物帶(也就是空留帶)。防護(hù)林帶采用窄帶并多條帶布置，目的是降低風(fēng)速、減少風(fēng)能，降低造價(jià)，增加防護(hù)寬度;采用少喬多灌混栽的形式，喬木防風(fēng)是手段、灌木固沙是目的，混栽為了減少病蟲害的傳染。根據(jù)呼和浩特鐵路局郝才元多年研究與實(shí)踐得到的結(jié)論:防護(hù)林帶內(nèi)灌木占樹木總量的75%時(shí)，接近最佳效果。

4 內(nèi)蒙古地區(qū)鐵路和公路風(fēng)沙防護(hù)的運(yùn)用

近年來內(nèi)蒙古地區(qū)已竣工的鐵路和公路工程的風(fēng)沙防護(hù)措施采用了上述綜合方法，收到了很好效果，烏錫鐵路風(fēng)沙防護(hù)在已有實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，采用了四帶一體防護(hù)措施，見表2。

表2 內(nèi)蒙古地區(qū)主要鐵路、公路風(fēng)沙防護(hù)措施

續(xù)表2

5 風(fēng)沙防護(hù)新技術(shù)

1)植物枝葉腐爛發(fā)酵后拌合草籽、灌木籽以0.5 m的間距呈方格形噴灑沙面，外側(cè)設(shè)置高立式沙障，此思路來源于在沙面鋪設(shè)粗粒土及植物防護(hù)后期樹葉在地表霉?fàn)€產(chǎn)生真菌等微生物，使地表結(jié)殼。該方法目前正在烏錫鐵路進(jìn)行風(fēng)沙防護(hù)試驗(yàn)，初步看成功的可能性較大。

2)流動沙地、沙丘上受風(fēng)的吹蝕種籽無法成活或成活率極低，采用撒草籽和半灌木籽后再用可溶解薄膜覆蓋，薄膜間留1.0 m寬的空留帶種植灌木的方法，薄膜覆地具有防地層水分蒸發(fā)、保水、阻風(fēng)沙流的作用，同時(shí)雨季聚水匯于空留帶，澆灌了灌木、增加了空留帶濕沙的含水率，有利于空留帶灌木的生長。具體的布置見圖2。

圖2 覆膜法風(fēng)沙防治橫斷面及平面布置示意(單位:m)

6 結(jié)語

對于風(fēng)沙防護(hù)和治理，首先，要掌握和了解工程通過區(qū)的氣象特點(diǎn)和風(fēng)沙特點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上，有針對性地提出風(fēng)沙防護(hù)和治理措施，并綜合運(yùn)用各種風(fēng)沙防護(hù)和治理的方法。其次，新技術(shù)的探索和運(yùn)用也是風(fēng)沙防護(hù)和治理過程中需要注意的一個(gè)方面。

［1］中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司.新建鐵路烏拉山至錫尼線風(fēng)沙防護(hù)施工圖［R］.西安:中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，2010.

［2］苗曉雯.青藏鐵路格拉段風(fēng)沙路基防治措施［J］.鐵道建筑，2008(5):78-80.

［3］曹元平，聶力功.中國沙漠鐵路、公路工程［R］.西安:中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，2011.