格庫(kù)鐵路新疆段路基防風(fēng)沙綜合治理研究

韓瑞平

摘 要：針對(duì)不同段落風(fēng)沙特點(diǎn)，提出不同的防護(hù)理念，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，根據(jù)沿線風(fēng)沙災(zāi)害調(diào)查、風(fēng)動(dòng)力環(huán)境分析以及沙源定量判別，將格庫(kù)線新疆段風(fēng)沙災(zāi)害分為四個(gè)區(qū)段，根據(jù)全線風(fēng)沙科研監(jiān)測(cè)的風(fēng)速、風(fēng)向、輸沙量及輸沙率等風(fēng)沙特征主要參數(shù)，再結(jié)合四個(gè)風(fēng)沙分區(qū)不同特點(diǎn)，又將四個(gè)風(fēng)沙風(fēng)區(qū)內(nèi)危害程度進(jìn)行了細(xì)化，劃分為極嚴(yán)重、嚴(yán)重、中等、輕微、極輕微五種鐵路沙害程度。根據(jù)輸沙量、最大積沙容量、各區(qū)防沙體系理論寬度的研究，采用因地制宜的有針對(duì)性的防治措施，構(gòu)建了行之有效、經(jīng)濟(jì)合理的立體防沙治理體系。為類似工程提供借鑒。

關(guān)鍵詞：鐵路;防風(fēng)沙;治理措施

1958年我國(guó)第一條沙漠鐵路—包蘭鐵路通車(chē)，在隨后的60年時(shí)間里，我國(guó)相繼修建了多條沙漠鐵路，積累了豐富的風(fēng)沙治理經(jīng)驗(yàn)。包蘭線沙坡頭段首創(chuàng)了“五帶一體”鐵路治沙防護(hù)體系[1]。蘭新線玉門(mén)段以灌溉林帶為主體，在林帶外緣挖溝筑堤，并在防沙堤上設(shè)柵欄組成前沿阻沙帶，建立了戈壁地區(qū)防風(fēng)治沙體系[2]。青藏鐵路采取平鋪卵石、石方格沙障、高立式沙障等措施，不斷增加積沙高度，利用沙丘愈高移動(dòng)越慢的規(guī)律控制流沙，達(dá)到以沙阻沙的效果[3]。截至目前，我國(guó)已成為世界上沙漠鐵路分布最廣的國(guó)家。

鐵路作為線性建筑，沿線經(jīng)常會(huì)穿越多種風(fēng)沙地貌，而風(fēng)沙流具有明顯的地域特征，由于不同路段風(fēng)向風(fēng)速、沙源豐富程度等存在差異，導(dǎo)致形成不同的沙害形式。因此，不同地區(qū)和地段需要采取相適應(yīng)得措施進(jìn)行風(fēng)沙防護(hù)。格庫(kù)鐵路新疆段結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，因地制宜，建立起經(jīng)濟(jì)合理、阻固結(jié)合的純工程防護(hù)體系。

1 工程概況

1.1 工程情況

新建格爾木至庫(kù)爾勒鐵路工程新疆段地處新疆巴音郭楞蒙古族自治州境內(nèi)。正線長(zhǎng)度141.311 km，沿線經(jīng)過(guò)阿爾金低中山區(qū)和塔里木盆地一級(jí)地貌單元，多次跨越塔里木河、恰拉干渠及G218國(guó)道，總體地勢(shì)為東高西低。

1.2 風(fēng)沙環(huán)境特征

通過(guò)對(duì)多年氣象資料和氣象數(shù)據(jù)的分析，格庫(kù)鐵路新疆段沿線風(fēng)沙環(huán)境總體為：

（1）格庫(kù)鐵路新疆段近10年極大風(fēng)速（10 m高）介于21 m/s～41 m/s之間，起沙風(fēng)所在風(fēng)向主要以偏東風(fēng)（NNE、NE、ENE和ESE）為主，存在次風(fēng)向偏西風(fēng)（SW、WSW、W、WNW和NW），偏東風(fēng)為主害風(fēng)，偏西風(fēng)為次害風(fēng)。

（2）2018年監(jiān)測(cè)的最大風(fēng)速（10 m）介于17.1 m/s～

31.1 m/s，平均風(fēng)速介于1.7 m/s～5.4 m/s，起沙風(fēng)頻率介于2.86%～22.8%;起沙風(fēng)向以偏東風(fēng)（ENE、E和ESE）和東北風(fēng)為主（NE），存在次風(fēng)向SW、WNW和NW，與多年起沙風(fēng)風(fēng)向一致。

（3）沿線近10年來(lái)風(fēng)能趨于降低，最大值是最小值的1～2倍。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算輸沙勢(shì)介于41 VU～830 VU，根據(jù)風(fēng)能環(huán)境分類，將格庫(kù)鐵路新疆段分為三個(gè)風(fēng)能區(qū)：1）高風(fēng)能環(huán)境，分布在阿爾金山山前戈壁和臺(tái)特瑪湖干湖盆及周邊區(qū)域。2）中風(fēng)能環(huán)境，分布在DK901～DK987區(qū)域。3）低風(fēng)能環(huán)境，主要分布于34團(tuán)到尉犁縣的綠洲邊緣。

（4）2018年輸沙量介于2 m3/m～11 m3/m，最大值出現(xiàn)在臺(tái)特瑪湖及周邊的泥漠區(qū)。主風(fēng)向（偏東風(fēng)）輸沙量占80%以上，沿線風(fēng)沙路基兩側(cè)都需要設(shè)置防沙措施。防沙設(shè)計(jì)值需參考區(qū)域輸沙量的變化規(guī)律，除綠洲邊緣流動(dòng)性沙丘區(qū)外，其他區(qū)域需適當(dāng)?shù)脑龃筝斏沉糠郎吃O(shè)計(jì)參考值。

2 沙害類型及成因分析

通過(guò)沿線風(fēng)沙災(zāi)害調(diào)查、風(fēng)動(dòng)力環(huán)境分析以及沙源定量判別，將格庫(kù)鐵路新疆段風(fēng)沙災(zāi)害劃分為四個(gè)主要的區(qū)段：阿爾金山山前戈壁區(qū)，臺(tái)特瑪湖干湖盆區(qū)，塔河下游泥漠區(qū)，綠洲邊緣流動(dòng)性沙丘區(qū)。

各區(qū)造成風(fēng)沙災(zāi)害的源動(dòng)力—風(fēng)沙流性質(zhì)不同：一區(qū)為戈壁風(fēng)沙流，二區(qū)為干湖盆風(fēng)沙流，三區(qū)主要為干河床泥漠風(fēng)沙流，四區(qū)為沙漠/沙地風(fēng)沙流。

若羌到米蘭段，沙源可分為兩種，一是米蘭河等河流干河床沖積物在偏東風(fēng)作用下堆積于河流西岸形成的新月形沙丘及沙丘鏈，經(jīng)復(fù)合指紋法定量判別，沙丘貢獻(xiàn)了路基積沙的77%;二是阿爾金山前洪積扇地勢(shì)平坦處的沖洪積物在偏東風(fēng)作用下形成的灌叢沙包以及沙礫質(zhì)戈壁。臺(tái)特瑪湖干湖盆區(qū)路基沙害沙源主要為干湖盆地表，經(jīng)復(fù)合指紋法定量判別，干湖盆貢獻(xiàn)了路基積沙的86%;塔河下游泥漠區(qū)路基沙害沙源主要是為孤立流動(dòng)性沙丘，隸屬于庫(kù)魯克塔格沙漠;綠洲邊緣區(qū)沙源為流動(dòng)性沙丘/沙地。

調(diào)查中結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，重點(diǎn)核查風(fēng)沙的沙源（土地沙漠化程度）和年輸沙量（積沙沙害程度）這兩個(gè)實(shí)物化指標(biāo)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)情況進(jìn)行了風(fēng)沙危害程度的劃分。

根據(jù)全線風(fēng)沙科研監(jiān)測(cè)的風(fēng)速、風(fēng)向、輸沙量及輸沙率等風(fēng)沙特征主要參數(shù)，再結(jié)合四個(gè)風(fēng)沙分區(qū)不同地表植被情況、積沙到達(dá)路基本體、橋涵工程的位置、積沙程度、發(fā)展趨勢(shì)，以及路基本體、橋涵及上部建筑積沙給運(yùn)營(yíng)帶來(lái)的危害大小等方面，本著“重點(diǎn)地段重點(diǎn)防護(hù)、強(qiáng)化風(fēng)沙嚴(yán)重地段弱化輕微地段及合理控制投資”的原則，將四個(gè)風(fēng)沙風(fēng)區(qū)內(nèi)危害程度進(jìn)行了細(xì)化，劃分為極嚴(yán)重、嚴(yán)重、中等、輕微、極輕微五種鐵路沙害程度，其中極輕微地段暫不防護(hù)。

3 風(fēng)沙路基防護(hù)

3.1 相關(guān)數(shù)據(jù)分析

根據(jù)風(fēng)沙環(huán)境類型、風(fēng)向及沙源分布、輸沙量大小劃分區(qū)段，在區(qū)段基礎(chǔ)上根據(jù)本區(qū)段內(nèi)情況再進(jìn)行分類，收集近10年來(lái)沿線風(fēng)能進(jìn)行模擬未來(lái)10年風(fēng)沙情況，結(jié)合當(dāng)?shù)厮吹惹闆r設(shè)置防護(hù)型式。防沙設(shè)計(jì)年輸沙量參考值，具體數(shù)值見(jiàn)表1。

通過(guò)野外觀測(cè)和室內(nèi)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)，界定阻沙柵欄、大網(wǎng)格和低立式固沙方格等防沙措施的積沙容量，根據(jù)年輸沙量計(jì)算每種防沙措施的防護(hù)年限，從而得到防沙體系理論寬度。估算各種防沙措施理論最大積沙容量如表2所示：

3.2 各區(qū)防沙體系理論寬度

3.2.1 戈壁地區(qū)

戈壁地區(qū)采用多道高立式阻沙柵欄和蘆葦大方格的防沙模式。柵欄高度按2 m計(jì)算，阻沙柵欄障后4H為主要積沙區(qū)范圍，根據(jù)積分計(jì)算，單道阻沙柵欄1 m寬度積沙容量約為6 m3，10×10×1.5 m大方格阻沙能力為8.63 m3/m。如果防護(hù)年限設(shè)置為5年，大方格理論寬度見(jiàn)表3。

3.2.2 干湖盆地區(qū)

干湖盆地區(qū)采用多道高立式阻沙柵欄和蘆葦大網(wǎng)格的防沙模式，柵欄選用抗風(fēng)強(qiáng)度高的材料，阻沙柵欄高度設(shè)置為3 m。柵欄高度按3 m計(jì)算，根據(jù)障后7H和障前1H的積沙區(qū)范圍，通過(guò)積分計(jì)算，單道3 m高柵欄積沙容量約為30 m3/m，10×10×1.5 m大網(wǎng)格阻沙能力為8.63 m3/m。如果防護(hù)年限設(shè)置為5年，大方格理論寬度見(jiàn)表4。

3.2.3 泥漠地區(qū)

泥漠地區(qū)采用多道高立式阻沙柵欄和低立式蘆葦方格的防沙模式，蘆葦方格尺寸為1×1×0.3 m。柵欄高度按2 m計(jì)算，障后4H為主要積沙區(qū)范圍，根據(jù)積分計(jì)算，單道柵欄1 m寬度積沙容量約為6 m3，1×1×0.3 m低立式蘆葦方格的積沙容量為0.236 m3/m。如果防護(hù)年限設(shè)置為5年，固沙帶理論寬度見(jiàn)表5所示。

3.2.4 綠洲邊緣流動(dòng)性沙丘地區(qū)

沙丘地區(qū)的防沙體系模式采用前沿阻沙柵欄和低立式蘆葦方格的模式，柵欄高度設(shè)置為1.5 m。障后4H為主要積沙區(qū)范圍，通過(guò)積分計(jì)算，單道柵欄1 m寬度積沙容量約為3 m，1×1×0.3 m低立式蘆葦方格的積沙容量為0.236 m3/m。若防沙體系防護(hù)年限至少為5年，固沙區(qū)的理論寬度見(jiàn)表6所示。

3.3 各區(qū)段防護(hù)措施

根據(jù)各區(qū)段風(fēng)沙特性、表現(xiàn)形式及危害程度，分別采取行之有效、經(jīng)濟(jì)合理的風(fēng)沙防護(hù)措施。

3.3.1 各區(qū)段綜合治理原則

（1）戈壁荒漠區(qū)采用“以阻為主、以固為輔、阻固結(jié)合”的防護(hù)體系;阻沙措施采用蘆葦把沙障，布設(shè)高度為2.0 m;固沙措施采用蘆葦大方格沙障;戈壁洪水漫流地區(qū)，可采用“一溝兩堤”式風(fēng)沙防護(hù)模式，利用積沙溝續(xù)存洪水進(jìn)行恢復(fù)自然植被防沙。

（2）湖盆鹽漬化荒漠區(qū)采用“以阻為主，兼顧固沙”的防護(hù)體系;阻沙措施采用HDPE板阻沙障、米字形塑料抑風(fēng)板阻沙障等抗風(fēng)力強(qiáng)、耐鹽堿強(qiáng)的工程措施，布設(shè)高度為3 m;固沙措施采用蘆葦大方格沙障，鐵路附近40 m范圍內(nèi)采用固沙防止巖鹽風(fēng)蝕。

（3）泥漠區(qū)采用“因地制宜，阻固并用”的防護(hù)體系;阻沙措施主要采用蘆葦把沙障，布設(shè)高度為2.0 m，但區(qū)域內(nèi)強(qiáng)風(fēng)能區(qū)，采用抗風(fēng)能力強(qiáng)的防沙材料，阻沙柵欄高度設(shè)置為3 m;固沙措施采用蘆葦小方格沙障。

（4）綠洲沙丘（沙地）區(qū)段，采用“以固為主，阻固并舉”的防護(hù)體系;阻沙措施主要采用蘆葦把沙障，布設(shè)高度為1.5 m;固沙措施采用蘆葦小方格沙障和蘆葦大方格沙障。

（5）蘆葦把阻沙障孔隙率以30%～40%為宜，前沿外圍措施阻沙措施可以取大值，內(nèi)側(cè)阻沙措施可以取小值。

（6）沙障間距在地形起伏較大的流動(dòng)沙丘地區(qū)，阻沙措施的布設(shè)距離以15H為宜;在地勢(shì)平坦地表的戈壁地區(qū)，阻沙措施的布設(shè)距離以20H為宜。阻沙障布設(shè)的數(shù)量越多，風(fēng)沙防護(hù)效果越優(yōu)。多道沙障能起到逐層阻截風(fēng)沙流的效果。

3.3.2 各段代表性防護(hù)措施

（1）戈壁風(fēng)沙流路基：

1）中等風(fēng)沙流地段。迎主導(dǎo)風(fēng)向側(cè)：路基坡腳（或塹頂）外依次設(shè)置40 m寬空留帶+30 m寬蘆葦把大方格帶+50 m空留帶+2道2 m高蘆葦把阻沙障（沙障間距40 m）+60 m

空留帶+1道1.5 m高土堤頂部設(shè)1.5 m高蘆葦把阻沙障，總防護(hù)寬度220 m。

2）山前戈壁風(fēng)沙流地段，利用上游洪水?dāng)r截進(jìn)行綠色防護(hù)，設(shè)置蓄水溝，利用挖溝土方設(shè)置土堤攔水。

（2）干湖盆區(qū)鹽漠風(fēng)沙流路基極嚴(yán)重風(fēng)沙流地段迎主導(dǎo)風(fēng)向側(cè)：路基坡腳外依次設(shè)置 20 m寬隔離帶+40 m寬蘆葦小方格固沙帶+35 m寬空留帶+2個(gè)45 m寬蘆葦把大方格帶（帶間距40 m）+80 m空留帶+4道4 m高阻沙障（下部2 m高土堤，內(nèi)側(cè)3道頂部設(shè)2 m高HDPE板阻沙沙障，外側(cè)1道頂部設(shè)米字形塑料抑風(fēng)阻沙板阻沙障，沙障間距80 m），總防護(hù)寬度545 m。

（3）塔河下游泥漠區(qū)風(fēng)沙流路基輕微風(fēng)沙流地段迎主導(dǎo)風(fēng)向側(cè)：路基坡腳外依次設(shè)置100 m寬蘆葦小方格固沙帶+30 m空留帶+2道1.5 m高蘆葦把阻沙障（沙障間距30 m），總防護(hù)寬度160 m。

（4）綠洲邊緣沙漠路基嚴(yán)重風(fēng)沙地段迎主導(dǎo)風(fēng)向側(cè)：路基坡腳外依次設(shè)置200 m寬蘆葦小方格固沙帶+30 m空留帶+3道1.5 m高蘆葦把阻沙障（沙障間距30 m）總防護(hù)寬度290 m。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)沙害類型及成因的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和試驗(yàn)研究，將格庫(kù)鐵路新疆段沙害路基分為四個(gè)主要區(qū)段，又細(xì)化為不同的危害程度，針對(duì)每種情況結(jié)合輸沙量、最大積沙容量和各區(qū)段防沙體系理論寬度的研究，分別提出了不同的防護(hù)理念，因地制宜的采取經(jīng)濟(jì)合理的防沙治理措施，構(gòu)建了行之有效的有地域特色的風(fēng)沙防護(hù)體系。

參考文獻(xiàn)：

[1]徐峰.鐵路沙害整治及其研究方向[J].中國(guó)沙漠，1994，14（2）：69-74.

[2]玉潤(rùn)心.玉門(mén)地區(qū)鐵路防沙體系建設(shè)的研究[J].中國(guó)沙漠，1997，12（1）：427-431.

[3]郝曉杰.青藏鐵路格拉段沙害防治措施研究[D].北京：中國(guó)鐵道科學(xué)研究院，2012.