新建大塔至四眼井鐵路沙害防護試驗研究

王耀輝

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司，陜西西安710043)

新建大塔至四眼井鐵路沙害防護試驗研究

王耀輝

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司，陜西西安710043)

大塔至四眼井鐵路途經庫布齊沙漠，沿線氣候干旱，沙害嚴重。沙害路段23處，累計長度達19.97 km，占線路總長的22.51%，以流動沙丘為主。在典型流動沙丘路段進行現(xiàn)場防沙試驗的結果表明，采用工程防護與植物防護相結合的綜合防護措施可以較好地遏制風沙對鐵路的危害。給出了喬木及灌木林帶+工程防護、灌木林帶+工程防護、種草+工程防護、人工補植灌木四種防護模式，可為大四鐵路沙害防治提供參考。

沙漠鐵路 沙害 防沙試驗 防沙設計

大塔至四眼井鐵路位于內蒙古鄂爾多斯高原庫布齊沙漠南緣，鄂爾多斯市達拉特旗、杭錦旗境內，呈東西走向。全線分為兩段，即大塔—吳四圪堵段(23.154 km，高關支線)及吳四圪堵—四眼井段(65.571 km)，全長88.725 km。線路東起大塔(響沙灣)站與包神鐵路接軌，引出后向西跨越罕臺川，穿越張栓溝隧道至吳四圪堵，沿庫布齊沙漠南緣行走，跨過水多湖川，繞過烏蘭格高地，沿塔然高勒礦區(qū)北緣行走，之后依次跨黑賴溝、布爾嘎色太溝、納林溝、叭爾洞溝等再折向西北至終點四眼井站，途中依次設吳四圪堵、元寶灣、蓿亥圖、石里霍圖等車站(圖1)。大四鐵路是鄂爾多斯沿河鐵路的重要組成部分［1］，對促進鄂爾多斯地區(qū)煤炭資源開發(fā)利用、支持礦區(qū)建設、實施內蒙古資源轉換戰(zhàn)略、發(fā)揮西部地區(qū)資源豐富的優(yōu)勢具有重要意義。

圖1 大四鐵路示意

風沙災害一直是困擾沙區(qū)鐵路建設和運營的難題［2-3］。受當?shù)貧夂蚝椭脖坏挠绊懀笏蔫F路沿線地表風積沙廣布，海拔1 100～1 300 m，為典型的高原風沙地貌［4］，包括流動沙丘、半固定沙地和固定沙地，風沙活動頻繁。鐵路在建設中不可避免地會對植被造成破壞［5］。在新月形沙丘、沙丘鏈、沙壟密布，沙海連綿路段，地表幾乎無植被覆蓋，鐵路沙害嚴重(圖2)。

圖2 大四鐵路沙害實例

本文通過野外考察與調查、現(xiàn)場試驗、室內分析對大四鐵路的沙害及其防治加以研究，以期系統(tǒng)認識大四鐵路沙害規(guī)律，為防沙提供依據。

1 自然環(huán)境

大四鐵路沿線屬中溫帶大陸性半干旱氣候。日照豐富，降水少且分布不均，蒸發(fā)強烈，四季分明。春季干旱多風、氣溫變化大，夏季短促炎熱，秋季氣溫下降快、降水較多，冬季漫長寒冷、少雨雪。沿線年平均氣溫6.3～6.7℃，極端最高氣溫38.1～40.2℃，極端最低氣溫－30.7～－34.5℃，最冷月(1月)平均氣溫－11.6～－11.4℃，最熱月(7月)平均氣溫22.0～24.5℃。年平均降水量為281.2～332.5 mm，年平均蒸發(fā)量2 130.5～2 630.0 mm。年平均風速2.2～3.9 m/s，年平均大風日數(shù)(≥8級)17～27 d，沙塵暴日數(shù)也較多。大四鐵路沿線氣象資料見表1。

表1 大四鐵路沿線氣象資料

2 沙害狀況

線路走行于庫布齊沙漠南緣(屬于半干旱荒漠草原帶)。庫布齊沙漠位于鄂爾多斯高原脊線的北部，內蒙古伊克昭盟杭錦旗、達拉特旗和準格爾旗的部分地區(qū)。西、北、東三面均以黃河為界，地勢南部高，北部低。南部為構造臺地，中部為風成沙丘，北部為河漫灘地，總面積約145萬hm2，流動沙丘約占61%，形態(tài)以沙丘鏈和格狀沙丘為主。干沙層一般厚10～20 cm，干沙層下至40 cm深，沙層含水量2%左右，40 cm以下的含水量2%～3%，雨季提高到3%～4%，可供植物生長的有效水分為1.3%～2.3%。沿線以流動沙丘，半固定、固定沙地及洼地，河谷階地相互交錯分布為特色，地表廣布風積沙，丘間洼地生長有沙蒿群叢，地形略有起伏，相對高差5～20 m。

據調查和統(tǒng)計，大四鐵路累計經過沙地路段68.83 km，占線路總長的77.57%，大部分為固定沙地，對鐵路基本不造成危害，其次為流動沙丘，嚴重危害鐵路，半固定沙地最少，對鐵路造成一定危害，大四鐵路沿線沙地類型見表2。沙地形態(tài)以梁窩狀沙丘及沙壟為主。由于該地區(qū)河流經常泛濫改道，形成以坨、甸、泡相間的自然景觀，風沙危害的主要形式是人為破壞地表植被而引起沙漠化造成流沙埋壓線路。

表2 大四鐵路沿線沙地類型

根據對鐵路沿線風沙分布范圍、危害程度等的調查，大四鐵路有沙害路段23處，累計里程19.97 km，占線路總長的22.51%。其中，流動沙丘16.72 km，占沙害路段總長的83.73%，半固定沙地3.25 km，占沙害路段總長的16.27%。全線500 m以上的中長大流動沙丘共9處，大塔至蓿亥圖4處，蓿亥圖至石里霍圖2處，石里霍圖至四眼井3處。按危害程度:嚴重沙害路段12.79 km，占總長的64.05%;中度沙害路段3.0 km，占總長的15.02%;輕微沙害路段4.18 km，占總長的20.93%。

大塔至石里霍圖段，跨過吳四圪堵、水多湖川，途徑喬家圪卜、耳字耳溝、黑賴溝、昌汗溝、昂坑池、布爾嘎色太溝，地勢平坦，固定沙地、半固定沙地及流動沙丘交錯分布，植被主要為沙蒿，流沙呈斑點狀。沙丘相對高度1～5 m，迎風坡坡度8°～15°，背風坡坡度30°～32°，干沙層厚度5～15 cm。半固定沙地植被覆蓋率一般可達20%～35%。據氣象站觀測資料主導風向為E，根據沙丘形態(tài)調查，主導風向WWN，局部為SWS，年平均風速2.2 m/s，具有冬春季以WWN為主，夏秋季以EES為主，雙向作用、往復前進的特點。

石里霍圖至四眼井段，途徑納林溝、叭爾洞溝、米地不拉，線路逐漸進入庫布齊沙漠南緣腹地，流動沙丘分布較多，危害嚴重。其中石里霍圖至米地不拉以固定沙地為主，植被覆蓋率50%;米地不拉至四眼井地形起伏較大，以流動沙丘為主，丘間低洼地帶為固定沙地，沿線新月形沙丘密布，沙丘相對高度5～20 m，迎風坡坡度8°～15°，背風坡坡度30°～40°，干沙層厚度5～15 cm，局部丘間洼地有零星濕地分布，可見地表水。據氣象站觀測資料主導風向為SSE，根據沙丘形態(tài)及實測主導風向為WWN，年平均風速3.9 m/s。

此外，在調查中發(fā)現(xiàn)部分路塹側溝、平臺、低路堤、淺路塹及施工便道等有被風沙掩埋的現(xiàn)象，主要分布在DK22+600—DK22+900，DK26+500—DK27+ 800，DK58+700—DK60+500，DK73+700—DK79+ 800等路段。

3 防沙試驗

3.1 試驗設計

根據先試驗成功、后推廣應用的原則［6-7］，2012年4月選擇蓿亥圖火車站附近一典型流動沙丘路段(DK59+620—DK60+620，屬鄂爾多斯高原區(qū)，風沙對線路危害嚴重)。參照以往經驗［8-9］，采用植物林帶、灌木林帶和工程防護等方式進行綜合防沙試驗。根據流沙分布情況，分成三段進行防沙試驗。

DK59+620—DK60+000段兩側防護寬度不等，該段內防護設置普通沙柳方格沙障(樹枝方格，圖3)，在沙障內種植灌木，4株/m2，方格尺寸1 m×1 m。

圖3 普通沙柳方格沙障

DK60+130—DK60+620左側防護總寬度365 m，該段采用2條植物林帶、10條灌木林帶、3道高立式沙障、1道刺鐵絲網進行防護。依次為60 m活沙柳方格沙障、90 m普通沙柳方格沙障、210 m低立式經編固沙方格［10］(圖4)，方格尺寸均為1 m×1 m。

DK59+620—DK60+560右側防護寬度為275 m，該段采用2條植物林帶、7條灌木林帶、2道高立式沙障、1道刺鐵絲網進行防護。依次為120 m活沙柳方格沙障、60 m普通沙柳方格沙障、90 m低立式經編固沙方格，方格尺寸均為1 m×1 m。

圖4 低立式經編固沙方格

植物林帶采用喬、灌、草相結合，每條防護林帶寬30 m，林帶布置采取中間6行喬木+兩側各10行灌木。喬木采用胸徑大于2 cm的楊樹，行距2 m，株距2 m。灌木林帶采用單根沙柳、檸條、紫穗槐、沙地柏、楊柴等間隔種植，4株/m2。所有防護方格內均種植沙蒿、沙打旺、苜蓿等草籽，按1∶1的比例與黏土拌和均勻后撒播。植物種植時澆定根水。

圖5 大四鐵路防沙試驗段植物生長情況

3.2 防沙效果

2012年8月對3處試驗段植物的成活率、生長情況和撒播的種子發(fā)芽情況進行了調查，植物生長情況見圖5。植物種植后經過幾個月的生長，楊樹成活率在85%以上。灌木中沙柳長勢良好，最高1.6 m，最矮0.6 m，平均1.1 m，發(fā)出的柳枝有3～6株，部分發(fā)出沙柳枝條多達8株。沙柳的根系最長超過2 m，根系四通八達。尤其是沙柳母苗經育苗后，柳苗生長旺盛。大部分地表都被生長起來的沙柳所覆蓋，防風固沙效果好。但沙柳幼苗經過一個夏季高溫和干旱的考驗，從最初70%的發(fā)芽率，遞減到50%的成活率，主要原因是夏季地表水的蒸發(fā)使沙柳吸收不到賴以生存的水分而枯死(未養(yǎng)護)。其它灌木中紫穗槐成活率較高，達90%，檸條成活率為60%，沙地柏成活率約50%。方格內播撒的草籽，生長也較好?？梢姡囼灦沃参锍苫盥瘦^高，長勢良好。這除跟種植季節(jié)、苗木選擇、種植方法、后期養(yǎng)護有很大關系外，更重要的原因是當年該地區(qū)的降雨量為歷年同期的136%，達到453.5 mm。

對試驗段采取防沙措施前后加以對比(圖6)，可見防沙措施達到了保護鐵路路基免遭沙害和快速恢復生態(tài)的目的。防護后鐵路路基上未見沙害，施工便道暢通，鐵路兩旁到處可見生長的沙生植物，種植試驗區(qū)沙地出現(xiàn)了數(shù)種之前未見的動物如鳥、沙蜥、蜘蛛、金龜?shù)取Ｔ囼灺范瘟魃骋训玫接行У亩糁?，生態(tài)逐步改善，總體上，大四鐵路防沙試驗段防護效果明顯。

圖6 大四鐵路防沙試驗段防護前后效果

4 沙害防治建議

鑒于前述防沙試驗取得的初步成效，建議在大四鐵路沙害路段推廣應用防沙措施。

4.1 防沙設計

在輕微沙害路段，一般不設防護帶［11］，只設刺鐵絲網，對當?shù)剡M行封育，重點保護生態(tài)，恢復植被。在中等及嚴重沙害路段，路堤坡腳、路塹塹頂外20 m設防火帶。其中坡腳、塹頂外2.0 m范圍內鋪設0.2 m厚粗圓礫土(防護路基本體)，其余18 m范圍內鋪設0.1 m厚粗圓礫土。防火帶外為防護帶，防護帶寬度根據野外考察與調查情況，結合當?shù)刈匀画h(huán)境、水源、沙害程度等布設［12］。采用工程防護與植物防護相結合的防護措施，提出以下幾種防護模式。

4.1.1 喬木及灌木林帶+工程防護

在鐵路通過流動沙丘區(qū)且水源相對充足的路段采取喬木及灌木林帶+工程防護的防沙措施。喬木及灌木林帶均采用澆定根水及微灌(滴灌、噴灌)系統(tǒng)進行澆灌。植物澆灌所需水主要利用附近地下水，打井取水。

防護結構:在嚴重沙害路段，主導風向側依次交叉設6條植物防護林帶及隔離帶，寬300 m，防護帶外設3道高立式沙障及刺鐵絲網;背主導風向側依次交叉設3條植物防護林帶及隔離帶，寬150 m，防護帶外設1道高立式沙障及刺鐵絲網。在中等沙害路段，主導風向側依次交叉設4條植物防護林帶及隔離帶，寬200 m，防護帶外設2道高立式沙障及刺鐵絲網;背主導風向側依次交叉設2條植物防護林帶及隔離帶，寬100 m，防護林帶外設1道高立式沙障及刺鐵絲網。

植物防護帶布置及栽植、養(yǎng)護要求:采用喬木(楊樹)、灌木(沙柳、檸條等)條帶相結合的措施，每條植物防護帶寬30 m，在植物防護條帶內設置間距1.0 m ×1.0 m樹枝方格沙障(或PE網方格)防護，喬木按2 m行距、2 m株距栽種，灌木按2 m行距、1 m株距栽種，灌木2株/穴。植物林帶中灌木最外側2行采用埋條造林，株距0.1 m。每兩條植物防護帶間設寬20 m隔離帶，在隔離帶內設置間距1.0 m×1.0 m樹枝方格沙障并撒草籽。

4.1.2 灌木林帶+工程防護

在鐵路通過流動沙丘區(qū)且水源困難、水量少、運水距離＜10 km的路段采取灌木林帶+工程防護的措施。灌木林帶采用澆定根水，有條件時人工養(yǎng)管2年。植物澆灌所需定根水主要利用附近地下水，打井取水或運水。

防護結構:在嚴重沙害路段，主導風向側依次交叉設6條灌木林帶及隔離帶，寬300 m，防護帶外設3道高立式沙障及刺鐵絲網;背主導風向側依次交叉設3條灌木林帶及隔離帶，寬150 m，防護帶外設1道高立式沙障及刺鐵絲網。在中等沙害路段，主導風向側依次交叉設4條灌木林帶及3條隔離帶，寬200 m，防護帶外設2道高立式沙障及刺鐵絲網;背主導風向側依次交叉設2條灌木林帶及1條隔離帶，寬100 m，防護帶外設1道高立式沙障及刺鐵絲網。

灌木林帶布置及栽植、養(yǎng)護要求:灌木采用沙柳、檸條、紫穗槐、楊柴等，每條林帶寬30 m，灌木按1 m行距、0.5 m株距栽種，2穴/m2，2株/穴，“品”字形布置，在灌木林帶內設置樹枝方格沙障防護。每兩條灌木林帶間設寬20 m隔離帶，隔離帶內設置樹枝方格沙障并撒草籽。樹枝方格均采用1.0 m×1.0 m正方形布置。

4.1.3 種草+工程防護

在鐵路通過流動沙丘區(qū)，水源缺乏且10 km內無可利用水資源的路段，采取種草+工程防護的措施。

防護結構:在嚴重沙害路段，主導風向側依次設300 m寬樹枝方格并撒草籽、3道高立式沙障及刺鐵絲網;背主導風向側依次設150 m寬樹枝方格并撒草籽、1道高立式沙障及刺鐵絲網。在中等沙害路段，主導風向側依次設200 m寬樹枝方格并撒草籽、2道高立式沙障及刺鐵絲網;背主導風向側依次設100 m寬樹枝方格并撒草籽、1道高立式沙障及刺鐵絲網。

4.1.4 人工補植灌木

在鐵路通過個別半固定、半流動沙地，具有少量植被覆蓋的路段，進行人工補植。灌木栽植初期澆定根水并進行養(yǎng)管。

防護結構:主導風向側防護寬度100 m，背主導風向側防護寬度50 m。防護帶寬度范圍內人工種植灌木并撒草籽，使得植被覆蓋率不低于45%，灌木裸露面積2穴/m2(2株/穴)。栽種時澆定根水，養(yǎng)管2年，養(yǎng)管期每年澆灌3～5次。

4.2 養(yǎng)管措施

鑒于水分對植物生長的重要作用，尤其是在庫布齊沙漠地區(qū)，年降雨量小，蒸發(fā)量大，因此及時補充植物水分很關鍵。喬木、灌木均在雨季栽種［13］，種植時分別按30 L/株、15 L/株澆定根水，養(yǎng)管2年，每年澆灌3～5次，干旱年份適當增加澆灌次數(shù)(以滿足植物成活為目的)。栽種前兩年在入冬及開春時對植物進行滿灌，滿灌水量喬木、灌木分別為30 L/株、15 L/株，滿灌2年共計4次。由于沙漠里的植物不易成活或當年成活來年又死亡，因此，來年要對死亡的喬木和灌木進行補植。根據經驗，第2年按補植率15%對鐵路沿線死亡喬木、灌木進行補植。

此外，在鐵路兩側中間隔離帶內各設一條寬4 m的縱向養(yǎng)護行車通道，其余隔離帶內預留4 m寬養(yǎng)護通道，縱向每300 m左右交錯設置橫向養(yǎng)護通道，寬4 m，以方便植物養(yǎng)管。

5 結語

本文分析大塔至四眼井鐵路沿線自然環(huán)境及沙害情況，總結了該線試驗段防沙措施及效果，給出工程措施與植物防護相結合防治沙害的具體模式及植物的養(yǎng)管措施，可供同類工程參考。

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(責任審編李付軍)

U416.1+66

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2015.06.25

1003-1995(2015)06-0096-05

2015-01-25;

2015-03-26

王耀輝(1981—)，男，甘肅天水人，工程師。