銀西高速鐵路荒漠化地區(qū)微滲滴灌風(fēng)沙平面防護研究

江 濤 張宗堂 賈 磊 時國偉

(1.中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司， 西安 710043； 2.中鐵三局集團有限公司， 太原 030001)

銀西高速鐵路穿越我國荒漠化問題最突出省區(qū)之一的寧夏回族自治區(qū)，本段線路長185.32 km[1]，經(jīng)過區(qū)域主要為沙漠及半沙漠區(qū)，沿線降雨匱乏、土地干旱貧瘠、植被覆蓋度低、風(fēng)沙活動較為活躍。鐵路修建擾動原本脆弱的生態(tài)系統(tǒng)，導(dǎo)致鐵路周邊區(qū)域沙漠化程度加劇，造成鐵路路基和軌道積沙，給鐵路運營帶來了嚴(yán)重隱患[2-5]，也大幅度增加了鐵路工務(wù)部門的養(yǎng)護費用[6]。

為有效規(guī)避風(fēng)沙對銀西高速鐵路的不利影響，亟需研究一套行之有效且投資可控的平面防護體系，切實形成鐵路高質(zhì)量的綠色生態(tài)長廊，以保障風(fēng)沙區(qū)鐵路的運行安全。

1 沙害特征

銀西高速鐵路甜水堡至白土崗段屬毛烏素沙地西南部邊緣地帶，表層多有片狀風(fēng)積沙分布，系毛烏素沙漠南侵部分，屬風(fēng)積地貌，積沙較薄，一般厚0.5～10.5 m。根據(jù)地表形態(tài)和活動程度，屬固定、半固定沙地，局部零星可見有流動沙地(丘)分布。沿線風(fēng)沙分布范圍、活動程度及危害程度如表1所示。

表1 銀西高速鐵路風(fēng)沙分布范圍、活動程度及危害程度表

從表1可以看出，銀西高速鐵路沿線風(fēng)沙危害等級以輕微為主，局部為中等。沿線分布的風(fēng)沙對銀西高速鐵路的建設(shè)和運營構(gòu)成了一定危害，主要分為兩類：

(1)道床積沙

風(fēng)沙浸入道床使道床不潔，增大了軌道的磨損，若積沙嚴(yán)重，來不及清理，則造成軌道沙埋，有可能對高速鐵路運行造成嚴(yán)重危害。

(2)附屬設(shè)施積沙

主要是在背風(fēng)側(cè)邊坡、排水溝、柵欄處出現(xiàn)積沙，積沙影響路基附屬設(shè)施的正常使用，造成柵欄沙埋、排水不暢等危害。

2 微滲滴灌風(fēng)沙平面防護

2.1 風(fēng)沙平面防護設(shè)計原則

針對銀西高速鐵路風(fēng)沙地區(qū)路基，設(shè)計根據(jù)沿線地形地貌及氣候、水文特征、大風(fēng)特性、風(fēng)沙活動規(guī)律及對鐵路運營影響程度等因素，按照“因地制宜、 永臨結(jié)合、分步實施、綜合治理”等原則[7]，采用工程防護和植物防護相結(jié)合的綜合治理思路，分段進行路基風(fēng)沙平面防護。

工程防護在防治初期起到阻沙作用，植物防護在后期發(fā)揮固沙作用，根據(jù)風(fēng)沙危害程度來制定不同地段的風(fēng)沙防護寬度。

2.2 微滲滴灌風(fēng)沙平面防護試驗段

2.2.1 試驗段概況

銀西高速鐵路DK 518+089.10～DK 519+085.42、DK 524+415.00～DK 526+750.00和DK 543+700.00～DK 545+500.00路基共長 4 385 m，位于毛烏素沙漠西南邊緣，區(qū)域氣候干旱，長期干燥少雨，地表水資源呈鹽堿化，植物成活率較低，受風(fēng)沙侵害較為嚴(yán)重。

選擇DK 518+089.10～DK 519+085.42段路基作為建設(shè)鐵路周邊荒漠化區(qū)域微滲滴灌風(fēng)沙平面防護的試驗段，開展樹枝方格結(jié)合灌木和沙障等固沙、阻沙措施及建植植物微滲滴灌養(yǎng)管措施的試驗研究。通過研究確定銀西高速鐵路風(fēng)沙路基區(qū)段植被建植和荒漠化防治的有效實施方案。

該試驗段位于靈武市白土崗鄉(xiāng)，地表地層主要為第四系全新統(tǒng)風(fēng)積粉砂，下伏三疊系上統(tǒng)砂巖。兩側(cè)分布流動沙丘，中線地表分布薄層風(fēng)積砂，主導(dǎo)風(fēng)向：春季W(wǎng)，夏秋季SE，秋冬季W(wǎng)。地表水不發(fā)育，僅在下雨時溝床有流水，地下水位埋深11～13 m。

2.2.2 試驗段基本方案

路堤左側(cè)(迎風(fēng)側(cè))防護帶寬150 m，其中鐵路防護柵欄外設(shè)置5 m寬防火帶，樹枝方格固沙帶寬145 m，前沿設(shè)3道高立式沙障；路堤右側(cè)(背風(fēng)側(cè))防護帶寬70 m，其中鐵路防護柵欄外設(shè)置5 m寬防火帶，樹枝方格固沙帶寬65 m。樹枝方格尺寸為1.0 m×1.0 m，方格內(nèi)栽植灌木，灌木種類采用檸條或梭梭，栽植密度為6株/m2。

防火帶地表平鋪10 cm厚碎石土，高立式沙障為HDPE制成的阻沙網(wǎng)[8-12]，高1.5 m，沙網(wǎng)孔隙度為50%，孔徑約2 mm。阻沙網(wǎng)下端邊與緊密固沙網(wǎng)上端邊鎖扣鏈接，并固定于間距為2.0 m的立柱上，立柱基礎(chǔ)為30 cm×30 cm×30 cm的混凝土，其上、下端和對角線均采用鐵絲連接，構(gòu)成固定阻沙柵欄框架，并在兩側(cè)45°用鐵絲加固。消能通風(fēng)段為網(wǎng)狀，位于疏透阻沙段上部，其下邊沿與疏透阻沙段連接，高20 cm。

選取樹枝長約50 cm，施工時將樹枝垂直插入地面20 cm，地面上留30 cm。 施工前應(yīng)拉線，確保線條順直，并保證方格尺寸，沿拉線挖溝，溝內(nèi)放入準(zhǔn)備好的樹枝，樹枝要連續(xù)、均勻、緊密，粗細(xì)搭配需合理。

灌木選擇1～2 a檸條或梭梭的實生苗，株高30 cm左右，根系發(fā)育良好，生長旺盛，姿態(tài)豐滿，品種優(yōu)良，無病蟲害，所選苗木的規(guī)格尺寸滿足要求。

2.2.3 微滲滴灌

試驗段采取微滲滴灌技術(shù)，微滲滴灌風(fēng)沙平面防護試驗段橫斷面和平面布置如圖1所示。

圖1 微滲滴灌風(fēng)沙平面防護試驗段橫斷面和平面布置圖(m)

(1)微滲滴灌是將具有一定壓力的水，經(jīng)管網(wǎng)、出水管道(滴灌帶)或滴頭以水滴的形式緩慢而均勻地滴入植物根部附近土壤的一種灌水方法。此種灌水方法可充分滿足灌木生長所需水分的需要，保證栽植成活率，且布置方便，適合現(xiàn)場運行和維護；可充分節(jié)水，亦可解決傳統(tǒng)水車澆灌無法進入的問題，降低養(yǎng)護費用，同時還可避免傳統(tǒng)澆灌方式對原有地形及植被造成較大的生態(tài)破壞。

(2)根據(jù)原地貌布設(shè)微滲滴灌系統(tǒng)，采用高位蓄水桶自流或水泵加壓的方式，通過主管道向低位施工區(qū)域樹枝方格內(nèi)每隔30 m引支管并鋪設(shè)滴灌帶，根據(jù)樹枝方格內(nèi)灌木間距，引入滴灌帶進行灌溉。

(3)蓄水裝置由2×1 000 L的大型儲水桶組成，每個裝置可承擔(dān)約 10 000 m2的澆水范圍，選擇樹枝方格區(qū)域地勢較高的地段，迎風(fēng)側(cè)沿線路方向每隔150 m為1個單元，背風(fēng)側(cè)沿線路方向每隔300 m為 1個單元。每單元架設(shè)臨時蓄水裝置，同側(cè)相鄰單元可共用1個蓄水裝置，由鋼筋固定至現(xiàn)場高位。干旱期間可進行水泵加壓，由水車從取水點將水運輸至工地，加入蓄水桶。澆水期間應(yīng)由專人看護并隨時加滿。

(4)主管道選用DN75 PE管，支管道選用DN32 PE管，滴灌帶選用DN16 PE管。管道鋪設(shè)均采取明鋪或淺埋的方式，需要覆蓋的區(qū)域采用人工或小型機械進行開挖，開挖的土方放置于溝槽旁邊以方便回填。滴灌帶采用人工鋪設(shè)安裝，間距為1.0 m。管道安裝嚴(yán)格按照相關(guān)規(guī)范進行，在蓄水裝置地勢相當(dāng)?shù)膮^(qū)域鋪設(shè)DN75主管道，采取現(xiàn)場焊接；DN32支管道與DN16滴灌帶均采取現(xiàn)場打孔焊接的形式。滴灌帶與主管道相連，加設(shè)閥門控制。

(5)滴灌帶鋪設(shè)完畢后，根據(jù)灌木的位置，現(xiàn)場使用專用打孔器進行打孔，做到一穴一管，保證灌木根部均可接受滴水灌溉。澆水期間需專人進行維修和保養(yǎng)。微滲滴灌系統(tǒng)如圖2所示，單個方格內(nèi)微滲滴灌布置如圖3所示。

圖2 微滲滴灌系統(tǒng)詳圖

圖3 單個方格內(nèi)微滲滴灌布置圖

2.2.4 養(yǎng)護管理和質(zhì)量驗收

根據(jù)現(xiàn)場實際布置水塔(鋼支架+水桶)，采用水車就近取水、機動補水的方法，確?，F(xiàn)場植物澆灌持續(xù)進行。于每年春、夏季干旱時，秋、冬季封凍之前，根據(jù)天氣和土壤情況進行灌水，一年澆3～4次。

微滲滴灌系統(tǒng)質(zhì)量驗收采用觀察法，主管道和支管道不漏水，水可通過管道灌溉到滴灌帶末梢的灌木即為合格；同時記錄灌溉相同面積綠化帶所需的水量，并進行對比。

灌木作為鐵路主體工程的分部工程進行檢驗和驗收，質(zhì)量需滿足鐵路行業(yè)相關(guān)規(guī)定。

3 微滲滴灌平面防護效果研究

3.1 微滲滴灌平面防護維養(yǎng)效能研究

2020年3月銀西高速鐵路微滲滴灌風(fēng)沙平面防護試驗段建成，通過半年的維養(yǎng)，取得了一些初步效果，綠化成效顯著。試驗段微滲滴灌與一般區(qū)域采用水車人工維養(yǎng)的效能對比如表2所示。

表2 試驗段與一般區(qū)域維養(yǎng)效能對比表

從表3可以看出，與一般區(qū)域采用水車人工維養(yǎng)相比，微滲滴灌節(jié)省總用水量33%，節(jié)省養(yǎng)護人工60%，具有明顯的優(yōu)勢。該方法可解決傳統(tǒng)水車澆灌無法進入的問題，避免傳統(tǒng)澆灌方式對原有地形及植被造成較大生態(tài)破壞。

3.2 微滲滴灌平面防護綠化效果研究

通過半年的觀測，非微滲滴灌區(qū)域植被覆蓋度為23%，微滲滴灌區(qū)域植被覆蓋率達到了42%，微滲滴灌平面防護措施的綠化效果較為顯著。

3.3 微滲滴灌技術(shù)優(yōu)勢研究

微滲滴灌與其他滴灌技術(shù)相比較，其系統(tǒng)組成和功能的實現(xiàn)具有以下特點：

(1)微滲滴灌投資比傳統(tǒng)滴灌少，同時還可有效減少地面漫流并控制灌溉深度，大大節(jié)省水資源。

(2)微滲滴灌管網(wǎng)主要采用PE管，適應(yīng)地形能力較強，特別是在地形起伏較大的區(qū)域，管網(wǎng)可靈活調(diào)節(jié)，使滴灌末端直達灌木。

(3)有效控制樹枝方格內(nèi)的土壤含水率，降低雜草和病蟲害發(fā)生率，同時減少農(nóng)藥用量，起到保護環(huán)境的效果。

(4)在大面積的干旱、半干旱區(qū)域，水源離施工區(qū)域相對較遠(yuǎn)，微滲滴灌技術(shù)能發(fā)揮較大的工程應(yīng)用優(yōu)勢。

3.4 推廣應(yīng)用

試驗段微滲滴灌技術(shù)取得了較好的綠化效果，繼而在銀西高速鐵路DK 524+415.00～DK 526+750.00、DK 543+700.00～DK 545+500.00兩段受風(fēng)沙侵害較為嚴(yán)重的路基段落都布設(shè)了微滲滴灌系統(tǒng)，累計鋪設(shè)長度近4.3 km，覆蓋綠化面積89 hm2，植物生長態(tài)勢良好，有效阻止了風(fēng)沙對銀西高速鐵路的進一步侵害。

4 結(jié)論

本文在對銀西高速鐵路沙害特征進行分析的基礎(chǔ)上，通過在DK 518+089.10～DK 519+085.42段鐵路周邊荒漠化區(qū)域建設(shè)微滲滴灌風(fēng)沙平面防護試驗段，并對觀測數(shù)據(jù)進行分析研究，得出以下結(jié)論：

(1)與傳統(tǒng)水車人工維養(yǎng)技術(shù)相比，微滲滴灌技術(shù)總用水量和養(yǎng)護人工都有較大幅度的節(jié)省，其建設(shè)成本較傳統(tǒng)滴灌技術(shù)也有節(jié)省。微滲滴灌區(qū)域植被覆蓋度較非微滲滴灌區(qū)域有較大提高，微滲滴灌平面防護措施綠化效果較為顯著。在大面積的干旱、半干旱區(qū)域，水源離施工區(qū)域相對較遠(yuǎn)，微滲滴灌技術(shù)能發(fā)揮較大的工程應(yīng)用優(yōu)勢。

(2)銀西高速鐵路風(fēng)沙路基微滲滴灌平面防護工程克服了氣候干旱、缺水少雨、水資源鹽堿化、植物成活率較低等一系列治理難題，為荒漠化地區(qū)鐵路路基沙害治理積累了有益經(jīng)驗，具有較大的推廣應(yīng)用價值。