酒額鐵路戈壁風(fēng)沙流地區(qū)沙害成因及防治措施

黃 勇

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

酒額鐵路戈壁風(fēng)沙流地區(qū)沙害成因及防治措施

黃 勇

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

戈壁風(fēng)沙流是西北地區(qū)一種較為常見的風(fēng)沙災(zāi)害，嚴(yán)重威脅到鐵路的建設(shè)與運(yùn)營，以酒額鐵路為例，采用現(xiàn)場調(diào)查和室內(nèi)分析的方法，對該地區(qū)戈壁風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)、特征、形成原因及危害形式進(jìn)行分析，結(jié)合酒額鐵路所經(jīng)區(qū)域的自然地理、氣候特征等條件，提出戈壁風(fēng)沙流地區(qū)選線的基本原則，闡述以預(yù)防為主防治結(jié)合的治沙思路和植被防沙為主、工程防沙為輔的防治措施。

戈壁風(fēng)沙流；風(fēng)沙災(zāi)害；鐵路選線；植物防沙；工程防沙

風(fēng)沙是我國西北干旱地區(qū)一種常見的不良地質(zhì)現(xiàn)象，戈壁風(fēng)沙流作為沙害的一種形式在我國西北地區(qū)廣泛分布，沙埋、風(fēng)蝕等時有發(fā)生，危害鐵路工程。酒額鐵路位于甘肅省和內(nèi)蒙古自治區(qū)西部大陸腹地，線路全長約400 km，其中戈壁風(fēng)沙流危害地段長約250 km，主要集中在金塔境內(nèi)。風(fēng)沙地區(qū)鐵路選線與風(fēng)沙防治關(guān)系到鐵路設(shè)計(jì)的成敗，查明戈壁風(fēng)沙流的特征、危害程度，評價其影響，并提出相應(yīng)選線原則和措施建議是設(shè)計(jì)中的重中之重。

1 自然概況

1.1 自然地理基本特征

酒額鐵路南接蘭新鐵路酒泉站，北通哈臨鐵路策克口岸，經(jīng)酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心東風(fēng)航天城，位于金塔盆地、黑河洪積平原區(qū)，其東側(cè)為巴丹吉林沙漠西緣，西側(cè)為夾山、北山。戈壁風(fēng)沙流危害區(qū)多屬礫質(zhì)假戈壁，地形平坦開闊，局部地段分布有半固定沙丘、沙地。區(qū)內(nèi)地表上部為第四系洪積砂礫石，粒徑為1～20 mm，礫石含量達(dá)50%～60%，余為粉細(xì)砂充填，下部為粉細(xì)砂及粉土等細(xì)顆粒物質(zhì)，沙源豐富。地下水埋深10～50 m，地表植被較稀少，局部分布有自然生長的灌木、喬木等及零星分布有人工灌溉的楊樹[1]。

1.2 氣候特征

酒額鐵路位于甘肅酒泉金塔地區(qū)及內(nèi)蒙額濟(jì)納旗地區(qū)的大陸腹地，屬溫帶干旱氣候區(qū)，日照時間長，太陽輻射強(qiáng)，晝夜溫差大，降水量小，蒸發(fā)量大，空氣干燥，夏季炎熱而短促，冬季寒冷而漫長。處在內(nèi)蒙古冷高壓控制之下，大風(fēng)日多，揚(yáng)沙、沙塵暴日數(shù)較多。年平均降水量31.2～86.2 mm，年最小降水量7.0～36.2 mm，年最大降水量77.3～165.6 mm。年平均蒸發(fā)量2 004.9～2 794.1 mm，年最大蒸發(fā)量2 284.9～3 546.2 mm。

戈壁風(fēng)沙流地區(qū)(主要為金塔境內(nèi))主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)閃NW，W，最多風(fēng)向?yàn)镋，年平均大風(fēng)日數(shù)(大于8級)26 d，沙塵暴日數(shù)9 d；大風(fēng)天氣主要集中在每年的3～5月份，年平均風(fēng)速2.5～3 m/s，最大風(fēng)速18～25.7 m/s。其多年風(fēng)向頻率玫瑰圖見圖1。

圖1 酒額鐵路戈壁風(fēng)沙流段累年風(fēng)向頻率玫瑰圖

2 戈壁風(fēng)沙流運(yùn)動規(guī)律

2.1 戈壁風(fēng)沙流的形成

在干旱的氣候條件下，當(dāng)風(fēng)吹經(jīng)沙質(zhì)地表時，由于氣流運(yùn)動沖擊力的作用，將松散的沙粒吹起，并納入運(yùn)動的氣流中，隨之搬運(yùn)前進(jìn)，形成風(fēng)沙流。但沙粒只有在一定的風(fēng)力(即起沙風(fēng)速)作用下才開始移動，顆粒越小，起沙風(fēng)速越低，沙粒粒徑0.1～0.25 mm的沙質(zhì)地表，形成風(fēng)沙流的最低臨界風(fēng)速為4～5 m/s，對顆粒較粗的砂礫質(zhì)戈壁，風(fēng)速需達(dá)8～9 m/s[2]。

酒額鐵路特別是金塔境內(nèi)所經(jīng)地區(qū)為干旱地區(qū)，蒸發(fā)強(qiáng)烈而降水量小，常年多風(fēng)且風(fēng)速較大，植被稀疏而沙源豐富，這些條件使得該地區(qū)的風(fēng)沙活動強(qiáng)烈。

2.2 戈壁風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)

風(fēng)沙流中沙量在垂直空間上的分布主要受高度、風(fēng)速、地表組成物質(zhì)等因素影響。

在一定風(fēng)速條件和地表形態(tài)下，地表高度范圍內(nèi)的輸沙量與高度成反比，高度越高，其氣流中的含砂量越低。研究表明，在沙質(zhì)地表0～10 cm高度范圍內(nèi)搬運(yùn)的沙量占總輸沙量的75%，在沙質(zhì)地表0～2 m高度范圍內(nèi)搬運(yùn)的沙量占總輸沙量的90%以上[3]，因此，戈壁風(fēng)沙流中沙粒的搬運(yùn)基本是貼近地面完成的。

在一定風(fēng)速條件下，地表顆粒越細(xì)，氣流中沙粒含量越大，影響的高度也越大；反之，地表顆粒越粗，其氣流中沙粒含量越低，影響高度也越小[4]，當(dāng)?shù)乇眍w粒達(dá)到一定粒徑時，氣流中含沙量極低，即不會起沙。

在地表顆粒條件相同下，同一高度范圍內(nèi)，當(dāng)風(fēng)速增加時，氣流中的含沙量增加[5]，同時風(fēng)沙影響高度也變大[6]。

風(fēng)是自然界中客觀存在且難以控制，但據(jù)風(fēng)沙流的結(jié)構(gòu)特征，可以改變風(fēng)沙地表特征、減弱近地表風(fēng)的侵蝕力、增加地表抗風(fēng)蝕能力而控制風(fēng)沙流的產(chǎn)生和發(fā)展。

3 戈壁風(fēng)沙流對鐵路工程的危害

戈壁風(fēng)沙流對鐵路工程的危害主要表現(xiàn)在沙埋、風(fēng)蝕兩個方面。

3.1 沙埋

風(fēng)沙流攜帶大量的沙粒在搬運(yùn)過程中，遇到路堤及鐵路附屬建筑物阻擋，風(fēng)力減弱，路堤一側(cè)形成積沙上道、掩埋道床、扣件甚至軌頭等現(xiàn)象，嚴(yán)重時造成列車停車、緩行或脫軌等重大行車事故。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，僅一次大風(fēng)過后，該區(qū)域內(nèi)既有清綠鐵路專線近50 km鐵軌被風(fēng)沙掩埋，見圖2。

3.2 風(fēng)蝕

由于路堤長期受到風(fēng)蝕作用，極易造成局部段落路肩寬度不足、枕木外露、道砟全無，嚴(yán)重時會致使路肩全無，危及行車安全，該區(qū)域內(nèi)既有清綠軍用鐵路因長期受風(fēng)蝕作用而路肩全無，見圖3。

圖2 風(fēng)沙掩埋清綠鐵路道床

圖3 風(fēng)蝕嚴(yán)重的清綠鐵路路堤

4 戈壁風(fēng)沙流地區(qū)選線原則

戈壁風(fēng)沙流對鐵路工程的危害具有隱蔽性、突發(fā)性，容易阻截但不易根除。因此，在選線設(shè)計(jì)階段，應(yīng)結(jié)合工程設(shè)置及戈壁風(fēng)沙流的沙害特征進(jìn)行綜合考慮，將風(fēng)沙流的危害降到最低。

根據(jù)酒額鐵路的地質(zhì)條件及風(fēng)沙流危害特點(diǎn)，在選線階段應(yīng)從地形地貌、線路走向、路基斷面和站位布置等方面進(jìn)行考慮。

4.1 地形地貌

線路應(yīng)避開山地陡坡積沙地段，在山地陡坎地段基底砂層穩(wěn)定性存在風(fēng)險。宜選在山地背風(fēng)側(cè)風(fēng)影部分以外的地段通過，當(dāng)風(fēng)沙流通過背風(fēng)側(cè)風(fēng)影區(qū)時會產(chǎn)生渦流[7]，造成積沙。

線路應(yīng)與當(dāng)?shù)胤里L(fēng)沙規(guī)劃結(jié)合，宜選擇在地下水埋深較淺、接近水源等地。在有水源保障的前提下，可以采取防護(hù)林帶防風(fēng)防沙，形成綠色走廊。

4.2 線路走向

線路走向宜順直，盡量減少彎道，走向盡量與主導(dǎo)風(fēng)向平行。

線路走向與主導(dǎo)風(fēng)向平行后，風(fēng)沙對工程的危險，只表現(xiàn)于路堤兩側(cè)的狹長地帶，可使風(fēng)沙沿路堤兩側(cè)移動，不至于產(chǎn)生大量積沙。如走向與主導(dǎo)風(fēng)向垂直，則易將風(fēng)沙流中的沙粒阻擋在路堤的上風(fēng)側(cè)，極易造成積沙；同樣，線路走向垂直于主導(dǎo)風(fēng)向，其路基受風(fēng)蝕作用的影響比平行于主導(dǎo)風(fēng)向的情況要嚴(yán)重得多。

在彎道處，由于風(fēng)沙流的流動受阻，不利于風(fēng)沙流的移動，易造成積沙，特別在彎道內(nèi)側(cè)。

4.3 路基斷面

路基宜選用路堤，路堤高度不宜過高也不宜過低，一般采用1.0～2.5 m，應(yīng)避免采用零斷面和路塹。

采用路堤工程且高度適宜時，當(dāng)線路與主導(dǎo)風(fēng)向平行時，風(fēng)沙流沿路堤坡腳移動，坡面不易造成積沙，路堤頂面由于風(fēng)速加大，砂粒也不易在路堤頂面停留，借助于風(fēng)力將頂面砂粒吹散。但當(dāng)填方過高時，背風(fēng)坡風(fēng)力降低導(dǎo)致沙粒在背風(fēng)坡大量停留堆積[8]。

當(dāng)采用路塹工程時，風(fēng)沙通過路塹產(chǎn)生明顯的漩渦運(yùn)動，風(fēng)力顯著降低導(dǎo)致沙粒大量停留于路塹中而產(chǎn)生堆積[9]；零斷面路基地段也易造成鋼軌、枕木、扣件等部位積沙。

4.4 站位布置

站位盡量選擇無風(fēng)沙或是輕微風(fēng)沙地段，避免有風(fēng)沙活動的隘口，站房及住宅應(yīng)朝向背風(fēng)側(cè)。

5 戈壁風(fēng)沙流地區(qū)沙害防治措施

風(fēng)沙防治堅(jiān)持“以防為主，防治結(jié)合”的原則，根據(jù)戈壁風(fēng)沙流地區(qū)地形地貌、沙源、風(fēng)況、危害程度等情況，結(jié)合當(dāng)?shù)罔F路、公路及地方防沙治沙經(jīng)驗(yàn)，因地制宜，就地取材，綜合治理。

5.1 保護(hù)地表和植被

“治沙”應(yīng)先從預(yù)防入手，酒額鐵路戈壁風(fēng)沙流地區(qū)為假戈壁，上部表層為礫石，下部為粉細(xì)砂等細(xì)顆粒物質(zhì)，在鐵路施工過程中應(yīng)對周邊地表進(jìn)行保護(hù)，特別是做好取棄土場地的保護(hù)，嚴(yán)禁對地表隨意開挖、堆填，特別對上風(fēng)口更應(yīng)如此，避免造成地表粗顆粒物質(zhì)被破壞后導(dǎo)致下部細(xì)顆粒物質(zhì)大量出露而形成新的沙源。

如果破壞了地表粗顆粒礫石結(jié)構(gòu)和植被，會導(dǎo)致地表抗風(fēng)蝕能力降低和沙源的增加，會加大戈壁風(fēng)沙流的危害。

5.2 植被防沙

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，植被茂盛地段，戈壁風(fēng)沙流危害明顯降低，基本以輕微為主，僅坡腳有少量積沙，而植被稀少地段，風(fēng)沙流危害嚴(yán)重甚至極嚴(yán)重，沙粒上道，掩埋軌面經(jīng)常發(fā)生。

植樹造林不僅可防風(fēng)，而且還能起到固沙作用。種植植被可以提高地表的粗糙度而降低風(fēng)速[10]，風(fēng)沙流中的沙粒因風(fēng)速降低而停留于鐵路兩側(cè)，同時植物根系也可以起到改良土壤固沙作用，減少沙粒的來源。

通過削弱風(fēng)速和改變地表沙源形態(tài)，可達(dá)到長久防沙的目的，是防治鐵路沙害的根本措施，而且酒額鐵路走行于黑河兩側(cè)，大部分地段地下水位在10～25 m，具備自然生長植被和采取人工灌溉造林的條件。在有水源條件且林木能成活的戈壁風(fēng)沙流地段，可以優(yōu)先采取植被防沙措施，根據(jù)風(fēng)沙流的危害程度及風(fēng)向、沙源特點(diǎn)，選擇好樹種，做好防沙林帶寬度、結(jié)構(gòu)、組成的設(shè)計(jì)。

防護(hù)林帶應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)卦炝纸?jīng)驗(yàn)和水源條件，采用喬木、灌木、草本植物相結(jié)合，以灌木為主的混交林或純林[11]。輕微風(fēng)沙地段，林帶寬度迎主導(dǎo)風(fēng)向側(cè)約100 m，背主導(dǎo)風(fēng)向側(cè)約50 m；中等風(fēng)沙地段，林帶寬度迎主導(dǎo)風(fēng)向側(cè)150～200 m，背主導(dǎo)風(fēng)向側(cè)100 m左右，見圖4；嚴(yán)重風(fēng)沙地段，林帶寬度迎主導(dǎo)風(fēng)向側(cè)250～300 m，背主導(dǎo)風(fēng)向側(cè)100～200 m[12]。

樹(草)種選擇生長良好、防沙能力強(qiáng)的當(dāng)?shù)厣衬参?，如紅柳、擰條、梭梭、花棒、麻黃、沙棗。先鋒植物與后期植物互相配合。

植物的灌溉優(yōu)先采用滴(滲)灌。地下水位較淺且水資源較豐富、地形平坦地段采用渠灌。

在戈壁風(fēng)沙流嚴(yán)重或中等地段，設(shè)置植被防護(hù)帶的同時也需在外側(cè)設(shè)置高立式沙障等阻沙柵欄，在主導(dǎo)方向一側(cè)，一般在距林帶20～30 m以外設(shè)置阻沙柵欄，在非主導(dǎo)方向一側(cè)，可在臨近林帶處設(shè)置阻沙柵欄。

5.3 工程防沙

酒額鐵路戈壁風(fēng)沙流地區(qū)中部分地段地下水位埋深大，水量較小，植物存活較為困難，無植物防護(hù)條件，需采取工程防沙措施。

防護(hù)類型依據(jù)風(fēng)沙活動特征、輸沙量、地形和防護(hù)材料性質(zhì)等綜合確定，采用下列防護(hù)措施。

平鋪卵石土、碎石土、粗礫土等粗顆粒土。

設(shè)置草方格、葦把、PE沙障等。

設(shè)置高立式沙障，高立式沙障距路基坡腳或塹頂迎主導(dǎo)風(fēng)向側(cè)不小于200 m，背主導(dǎo)風(fēng)向不小于100 m。在戈壁風(fēng)沙流危害中等地段，其工程防沙構(gòu)筑物設(shè)置見圖5。在沙源豐富地段，可向外適當(dāng)增加沙障排數(shù)，其排間距離不小于障高的20倍。

圖4 酒額鐵路戈壁風(fēng)沙流風(fēng)沙危害中等地段植被防沙示意(單位：m)

圖5 酒額鐵路戈壁風(fēng)沙流風(fēng)沙危害中等地段工程防沙示意(單位：m)

6 結(jié)論

(1)酒額鐵路位于西北戈壁地區(qū)，干旱少雨、常年多風(fēng)、植被稀疏而沙源豐富的外部條件，極易發(fā)生戈壁風(fēng)沙流；戈壁風(fēng)沙流具有隱蔽性、突發(fā)性，危害主要表現(xiàn)在沙埋和風(fēng)蝕。

(2)酒額鐵路戈壁風(fēng)沙流危害段落長約250 km，該區(qū)域內(nèi)主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)閃NW，W，線路走向選擇時盡量平行或與之小角度相交，避免長大段落線路走向垂直于主導(dǎo)風(fēng)向；路基斷面選擇方式盡量選用路堤，路堤高度宜為1.0～2.5 m，避免采用零斷面或是路塹。

(3)戈壁風(fēng)沙流地區(qū)“治沙”應(yīng)先從預(yù)防入手，在施工中切實(shí)保護(hù)既有地表已形成的礫石保護(hù)膜，嚴(yán)禁對地表隨意開挖、堆填，避免形成新的沙源。

(4)戈壁風(fēng)沙流沙害治理采取植被防沙與工程防沙相結(jié)合的方式，以植被防沙為主，在風(fēng)沙流危害極其嚴(yán)重地段或水源嚴(yán)重匱乏地段可以采取工程防沙措施，起到防風(fēng)與固沙雙重效果。

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Analysis and Prevention of Sand Disaster in Gobi Wind-sand Flow Region along Jiuquan to Ejina Banner Railway

HUANG Yong

(China Railway First Railway Survey and Design Institute Group Co. Ltd.， Xi’an 710043， China)

Gobi wind-sand flow is one of the typical sand disasters in northwest of China that severely threatens the railway construction and operation. With reference to Jiuquan to Ejina Banner railway， the configurations， characters， causes and harms of wind-sand flow in Gobi region are analyzed by means of field investigation and laboratory test. This paper puts forward basic principles for route selection in such region in view of physical geography and climate factors. Additionally， prevention is prioritized in combination with vegetation protection and supplemented engineering protection．

Gobi wind-sand flow; Sand disaster; Route selection; Vegetation protection; Engineering protection

2015-01-15；

2015-01-26

黃 勇(1983—)，男，工程師，2006年畢業(yè)于中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)巖土工程專業(yè)，E-mail：bairen2006@163.com。

1004-2954(2015)07-0032-04

U213.1+54

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2015.07.007