新恩鐵路風(fēng)沙路基平面防護(hù)工程試驗(yàn)研究

馬旭東

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司，北京 100055)

我國(guó)相繼修建了包蘭、蘭新、青藏、大何、拉日等多條風(fēng)沙地區(qū)鐵路干線，積累了很多風(fēng)沙防治的寶貴經(jīng)驗(yàn)，形成了風(fēng)沙地區(qū)鐵路修建的一整套理論和沙害防治科學(xué)體系，并有許多成功的案例[1]。包蘭線沙坡頭段位于騰格里沙漠南側(cè)，通過(guò)對(duì)其氣象要素、流動(dòng)沙丘特性、試驗(yàn)路基工程的研究，首創(chuàng)了“固、阻、輸”[2]相結(jié)合的工程與植物防沙并舉的模式，建立了干旱荒漠區(qū)防沙體系和沙漠人工生態(tài)系統(tǒng)[3]；蘭新線玉門(mén)段采取了挖溝筑堤[4]、黏土泥漿抹面的工程措施，與客土造林，喬、灌、草結(jié)合的生物措施并舉，建立了戈壁地區(qū)防風(fēng)治沙體系[5]；青藏鐵路堅(jiān)持“以防為主、防治結(jié)合”的風(fēng)沙防治原則，采取平鋪卵石土、石方格沙障、混凝土透風(fēng)式高立式沙障等措施[6-7]，建立了青藏高原特殊地理、氣候、生態(tài)環(huán)境下的風(fēng)沙防治結(jié)構(gòu)。以上不同風(fēng)沙地區(qū)環(huán)境條件、風(fēng)沙活動(dòng)規(guī)律不同，采取的風(fēng)沙防治體系各異。

新恩鐵路穿越毛烏素沙漠，工程所在區(qū)域年降水量大于300 mm，且本區(qū)域地下水埋深較淺，水質(zhì)良好，有利于沙生植物、灌木存活。借鑒本地區(qū)S215、X628公路及昂敖公路兩側(cè)防沙治沙的成功經(jīng)驗(yàn)，擬優(yōu)先選取植物措施固沙。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究，確定本線沙害地段平面治沙防沙綜合防護(hù)體系。

1 工程概況

1.1 工程情況

新街-恩格阿婁鐵路簡(jiǎn)稱新恩鐵路，由東向西逐步進(jìn)入毛烏素沙漠邊緣及腹地，正線全長(zhǎng)91.2 km，是第一條穿越毛烏素沙漠腹地的Ⅰ級(jí)電氣化單線鐵路。線路穿越流動(dòng)沙丘、半固定沙丘沙害地段85處(長(zhǎng)14 285 m)，占線路總長(zhǎng)度的15.7%，其中穿越流動(dòng)沙丘30處(長(zhǎng)6 430 m)，占沙害地段總長(zhǎng)度45%；穿越半固定沙丘55處(長(zhǎng)7 855 m)，占沙害地段總長(zhǎng)度的55%。

1.2 地形地貌

本線地處內(nèi)蒙古鄂爾多斯高原南部剝蝕丘陵區(qū)及毛烏素沙漠區(qū)。鄂爾多斯高原南部剝蝕丘陵區(qū)：丘坡與谷地相間，地形相對(duì)平緩，河流較發(fā)育，相對(duì)高差約60 m；地表大部為風(fēng)積沙所覆蓋，局部丘坡及沖溝內(nèi)有基巖出露。毛烏素沙漠地區(qū)：以風(fēng)積沙丘、沙地和澗灘洼地為主，地形波狀起伏，沙丘相對(duì)高差為5～20 m，兩翼不對(duì)稱，迎風(fēng)側(cè)(NW側(cè))平緩(10°～25°)，背風(fēng)側(cè)稍陡(25°～45°)；迎風(fēng)面有少量植被覆蓋，丘頂寬40～150 m；丘前洼地多呈碟形，一般有稀疏植物生長(zhǎng)，局部有積水洼地分布。

1.3 氣象特征

新恩鐵路所在區(qū)域?qū)俅箨懶椭袦貛Ц珊?、半干旱氣候。春秋季?jié)多風(fēng)，夏季短促而炎熱，冬季漫長(zhǎng)且嚴(yán)寒。極端最高氣溫37.4～38 ℃，極端最低氣溫-31.4～-31.1 ℃，年平均氣溫6.7～8.33 ℃；年平均降水量322.31～342.8 mm，年最大降水量531.2～613.6 mm；年平均蒸發(fā)量2 117.47～2 387.3 mm，年平均風(fēng)速3.16 m/s，瞬時(shí)最大風(fēng)速23～28 m/s；主導(dǎo)風(fēng)向受季節(jié)變化影響，冬、春多為西北風(fēng)，夏、秋多為偏南風(fēng)。

1.4 地質(zhì)條件

沿線出露地層較為簡(jiǎn)單，主要有風(fēng)積粉砂、細(xì)砂，湖積泥炭、粉土、粉砂、細(xì)砂，泥巖、泥質(zhì)砂巖，以及砂、礫巖。

本區(qū)第四系孔隙潛水在沙丘高地埋深大于10 m，而在丘間洼地則為1～3 m，且隨季節(jié)變化幅度可達(dá)1～2 m；沖、湖積地層地下水位埋深1～5 m，河流漫灘地下水位埋深0.5～3 m，河流階地地下水位埋深2～10 m，水量較豐富。

2 風(fēng)沙平面防護(hù)試驗(yàn)研究

2.1 氣象風(fēng)沙監(jiān)測(cè)

(1)氣象風(fēng)沙監(jiān)測(cè)

在DK88 km處設(shè)置自動(dòng)氣象觀測(cè)站，如圖1所示，用于氣象風(fēng)沙監(jiān)測(cè)。主要?dú)庀箫L(fēng)沙監(jiān)測(cè)設(shè)備見(jiàn)表1。

圖1 氣象監(jiān)測(cè)站

從11月到第二年3月，對(duì)氣溫、濕度、風(fēng)向頻率、風(fēng)速、沙通量(風(fēng)沙流單位時(shí)間通過(guò)與之垂直斷面單位面積的量為風(fēng)沙通量；現(xiàn)場(chǎng)儀器系統(tǒng)可以測(cè)量風(fēng)沙通量的表征指標(biāo)，為方便說(shuō)明，此處稱此數(shù)據(jù)為沙通量。)等進(jìn)行監(jiān)測(cè)；根據(jù)數(shù)字風(fēng)向傳感器數(shù)據(jù)繪制風(fēng)向頻率玫瑰圖；根據(jù)儀器檢測(cè)到沙通量的最小風(fēng)速來(lái)確定高度2 m、0.5 m兩個(gè)起沙風(fēng)速，如圖2～圖3所示；對(duì)平均風(fēng)速與沙通量數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，得到風(fēng)速與沙通量的關(guān)系，如圖4所示。

表1 氣象風(fēng)沙監(jiān)測(cè)設(shè)備

圖2 2 m處風(fēng)速與起沙的關(guān)系

圖3 0.5 m處風(fēng)速與起沙的關(guān)系

圖4 風(fēng)速與日風(fēng)沙通量的關(guān)系

(2)監(jiān)測(cè)結(jié)果

由風(fēng)向頻率玫瑰圖，確認(rèn)本區(qū)監(jiān)測(cè)期內(nèi)主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)槲鞅憋L(fēng)和北風(fēng)；由圖2、圖3可得出最小起沙風(fēng)速：2 m處為5.5 m/s，0.5 m處為4.6 m/s，表明由于植被等阻擋因素的作用，近地表處風(fēng)力減速明顯；圖4說(shuō)明，風(fēng)是沙流移動(dòng)的最主要原因，風(fēng)沙通量與風(fēng)速存在3次多項(xiàng)式關(guān)系，存在“平均風(fēng)速增大時(shí)風(fēng)沙通量也增大”的相關(guān)性。因此，防治沙害的主要措施應(yīng)為降低地表的風(fēng)速。

2.2 風(fēng)沙路基平面防護(hù)試驗(yàn)

按照先試驗(yàn)成功、再推廣應(yīng)用的原則[8-9]，依據(jù)氣象風(fēng)沙監(jiān)測(cè)，選取有代表性的段落進(jìn)行風(fēng)沙路基平面防護(hù)試驗(yàn)，對(duì)擬采用的工程治沙和植物固沙措施進(jìn)行試驗(yàn)研究。同時(shí)，在線路附近選擇一處植物育苗基地。

(1)機(jī)械固沙輔以植物防護(hù)

DK87+800～DK88+800為流動(dòng)沙丘段，首先在外側(cè)施工高1.5 m高立式沙障，與主導(dǎo)風(fēng)向垂直；高立式沙障與鐵路路基之間施工高度為0.25 m的經(jīng)編防風(fēng)固沙網(wǎng)格，尺寸為1.0 m×1.0 m[10-11]，與路基呈45°角；網(wǎng)格內(nèi)種植沙柳、旱柳、楊柴等固沙植物，形成以機(jī)械固沙為主、多種類防護(hù)植物并存的綜合防護(hù)體系。當(dāng)年10月，沙障、防風(fēng)固沙網(wǎng)格施工完成，于12月和第二年5月在經(jīng)編網(wǎng)格內(nèi)種植沙柳、旱柳、楊柴、沙蒿及沙地柏等植物。第二年6月底，沙柳幼苗發(fā)芽，成活率超過(guò)60%；種植的旱柳和沙地柏成活率分別在40%和10%左右，如圖5。

圖5 經(jīng)編防風(fēng)固沙網(wǎng)格內(nèi)種植灌木

一個(gè)風(fēng)季的試驗(yàn)觀測(cè)表明： ①受高立式沙障和防風(fēng)固沙網(wǎng)格的阻力，風(fēng)速由外向內(nèi)迅速降低，防風(fēng)固沙網(wǎng)格向內(nèi)20 m處高度0.5 m的平均風(fēng)速低于起沙風(fēng)速；②流沙前進(jìn)受阻后，于高立式沙障前后沉積下來(lái)，高立式沙障前后積沙明顯；③最外側(cè)3～5格經(jīng)編防風(fēng)固沙網(wǎng)方格內(nèi)積沙明顯，最大厚度達(dá)25 cm，積沙量自外向內(nèi)迅速減少；④迎風(fēng)側(cè)工程防護(hù)寬度應(yīng)不小于150 m；⑤經(jīng)編防風(fēng)固沙網(wǎng)格高度采用0.25 m且上疏下密的結(jié)構(gòu)；為防止被風(fēng)吹蝕裸露，網(wǎng)格固定樁根部處地面需做成鍋底形；高立式沙障需設(shè)置2道，以保證阻沙效果。

(2)栽種樹(shù)枝沙障

本著“因地制宜、就地取材”的原則，樹(shù)枝沙障以鄉(xiāng)土植物沙柳為主；試驗(yàn)段選擇在線路DK57+140～DK58+460段，種植面積約60 000 m2；沙障規(guī)格為1.0 m×1.0 m，和路基走向呈45°角。沙柳苗木在清明節(jié)以前采伐，利用育苗基地適當(dāng)延長(zhǎng)沙柳苗的種植周期，加工后的苗木長(zhǎng)度約為55 cm；采用開(kāi)槽法施工，沙柳埋入地下35 cm，外露20 cm；4月份栽種，試驗(yàn)段沙柳苗成活率達(dá)到80%，如圖6。

圖6 栽種樹(shù)枝沙障網(wǎng)格內(nèi)種灌木

試驗(yàn)總結(jié)：①在半固定沙丘、平沙地地段，采用沙柳樹(shù)枝沙障阻沙、固沙效果十分顯著；②監(jiān)測(cè)期間沙障內(nèi)風(fēng)速顯著降低；③苗木的直徑對(duì)沙柳成活、生長(zhǎng)速度快慢起決定作用(不同沙柳直徑苗木成活率見(jiàn)表2)；④為保證沙障固沙、阻沙作用，設(shè)計(jì)施工需采用直徑不小于10 mm的沙柳苗木，苗木長(zhǎng)度為55 cm，應(yīng)保證不小于70%的沙柳成活率。

表2 沙柳成活率統(tǒng)計(jì)

3 新恩鐵路風(fēng)沙平面防護(hù)主要設(shè)計(jì)原則

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究，確定了新恩鐵路流動(dòng)沙丘、半固定沙丘地段的主要風(fēng)沙平面防護(hù)措施。

平面防護(hù)寬度：線路通過(guò)活動(dòng)沙丘地段，當(dāng)流動(dòng)沙丘分布范圍小于200 m時(shí)，工程防護(hù)寬度迎風(fēng)一側(cè)為150 m；當(dāng)流動(dòng)沙丘分布范圍大于200 m時(shí)，工程防護(hù)寬度迎風(fēng)一側(cè)為200 m，背風(fēng)一側(cè)均為100 m；迎風(fēng)側(cè)植被保護(hù)帶寬度為300 m，背風(fēng)側(cè)植被保護(hù)帶寬度為150 m。線路通過(guò)半固定沙丘地段，平面防護(hù)寬度迎風(fēng)一側(cè)為100 m、背風(fēng)一側(cè)為50 m；迎風(fēng)側(cè)植被保護(hù)帶寬度為200 m、背風(fēng)側(cè)植被保護(hù)帶寬度為 100 m。

線路通過(guò)流動(dòng)沙丘地段：采用“阻”、“固”相結(jié)合的措施。當(dāng)流動(dòng)沙丘分布范圍小于200 m時(shí)，于工程防護(hù)寬度范圍內(nèi)采用經(jīng)編防風(fēng)固沙網(wǎng)格；當(dāng)流動(dòng)沙丘分布范圍大于200 m時(shí)，由于工程措施難以一次完成，宜分期實(shí)施；第一階段，迎風(fēng)側(cè)150～200 m范圍內(nèi)采用防風(fēng)固沙網(wǎng)格；第二階段，在其余部分范圍采用樹(shù)枝沙障。網(wǎng)格和沙障內(nèi)栽種沙柳、旱柳、沙地柏等固沙植物；并于迎風(fēng)面最外側(cè)設(shè)置兩道高立式沙障；植被保護(hù)帶范圍種植沙柳、檸條、羊柴等灌木品種或撒沙蒿草籽等。

線路通過(guò)半固定沙丘地段：主要以“固”為主、輔以“阻”的措施，工程防護(hù)范圍內(nèi)采用樹(shù)枝沙障固沙，沙障內(nèi)栽種沙柳、檸條、沙地柏等固沙植物，并于迎風(fēng)面最外側(cè)設(shè)高立式沙障；植被保護(hù)帶范圍栽種沙柳、檸條、羊柴等灌木品種或撒沙蒿草籽等。

高立式沙障高度為1.5 m；經(jīng)編防風(fēng)固沙網(wǎng)格、沙柳樹(shù)枝沙障規(guī)格為1.0 m×1.0 m；沙障中沙柳成活率不低于70%，沙柳木苗直徑不小于10 mm，長(zhǎng)度約為55 cm。

4 主要施工注意事項(xiàng)

風(fēng)沙路基平面防護(hù)工程措施施工時(shí)，需先在植物保護(hù)帶外側(cè)設(shè)置深溝、鐵絲網(wǎng)、隔離柵欄等[12-13]，防止牲畜進(jìn)入；工程防護(hù)措施宜在春季大風(fēng)來(lái)臨之前完成，以防止風(fēng)沙流對(duì)工程產(chǎn)生風(fēng)蝕和沙埋[14]，減小工程施工對(duì)地表的破壞；采取必要措施對(duì)風(fēng)沙路基兩側(cè)各 500 m范圍內(nèi)的原有地表植被及硬殼進(jìn)行保護(hù)[15]，避免產(chǎn)生新的風(fēng)沙源；在防護(hù)工程施工的同時(shí)打井，為植物種植、播撒提供充足水份；沙柳用量較大，一次采購(gòu)收集困難，應(yīng)結(jié)合工點(diǎn)地形、地貌、植被情況、填方挖方形式等因素，采用重點(diǎn)地段先期施工、分批施工的方法。挖方、低填方及填挖方結(jié)合部位線路兩側(cè)為重點(diǎn)防護(hù)地段，應(yīng)先行施工。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，采取高立式沙障與經(jīng)編防風(fēng)固沙網(wǎng)格、沙柳樹(shù)枝沙障結(jié)合治理沙害，均能起到降低地表風(fēng)速、減少風(fēng)沙流量的作用。據(jù)此制定的風(fēng)沙路基設(shè)計(jì)原則已在本線推廣實(shí)施。目前，該鐵路已通車(chē)多年，植物生長(zhǎng)良好，并在生長(zhǎng)和繁殖過(guò)程中不斷擴(kuò)張，增加了生物活動(dòng)，進(jìn)一步改善了周邊環(huán)境條件。