和田—若羌鐵路風(fēng)沙區(qū)段選線研究

馬世杰

新疆鐵道勘察設(shè)計院有限公司，烏魯木齊830011

1 工程概況

和若（和田—若羌）鐵路位于新疆維吾爾自治區(qū)和田地區(qū)和巴音郭楞蒙古自治州境內(nèi)。東起格庫（格爾木—庫爾勒）鐵路若羌站，向西經(jīng)過若羌、且末、民豐、于田、策勒、洛浦、和田7個縣市及新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)第二師三十七團(tuán)、三十八團(tuán)和第十四師二二五團(tuán)，最終接入喀和（喀什—和田）鐵路和田站，線路全長825.476 km，見圖1。線路沿昆侖山北麓的山前洪積平原和塔克拉瑪干沙漠南緣與G315 國道并行自東向西延伸，其建設(shè)可進(jìn)一步完善區(qū)域路網(wǎng)布局、深入推進(jìn)“一帶一路”建設(shè)和區(qū)域協(xié)調(diào)發(fā)展，是中亞、南亞鄰國與中國內(nèi)陸地區(qū)客貨交流的重要運(yùn)輸通道［1］。

圖1 和若鐵路沿線地貌格局

和若鐵路沿線氣候干燥，風(fēng)速大、頻率高，地形開闊，沙源豐富，除了沿線市縣周邊以及河流下游有水的地方為綠洲、濕地景觀，其余段落均有不同程度的風(fēng)沙危害。全線風(fēng)沙段落長度占線路總長的65.2%。

2 和若鐵路沿線風(fēng)沙特點及危害

2.1 風(fēng)沙來源及風(fēng)向

和若鐵路風(fēng)沙來源于塔克拉瑪干沙漠。塔克拉瑪干沙漠地表為幾百米厚的松散沖積層，沙漠里沙丘綿延，受風(fēng)的影響沙丘時常移動。

若羌風(fēng)向以東北風(fēng)為主，發(fā)生頻率高，且風(fēng)力較強(qiáng)；且末也以東北風(fēng)為主，平均風(fēng)速相對若羌略有減??；民豐風(fēng)向多變，以東北風(fēng)和西南風(fēng)為主，與若羌、且末相比風(fēng)力減弱；于田風(fēng)向以西風(fēng)為主，風(fēng)力弱；和田風(fēng)向多變，西北風(fēng)發(fā)生頻率高，風(fēng)力較弱。

2.2 風(fēng)沙的輸沙量和移動距離

沙丘形態(tài)多由風(fēng)向及沙源豐度決定，沙丘不同部位光照度和反射光譜不同，其在衛(wèi)星拍攝照片上顯示差別較大，容易識別，尤其是迎背風(fēng)坡及沙丘脊線［2］。利用該特性勘測人員在每個測點選擇典型沙丘測量估算沙丘移動距離，共選取22 個測點。具體分布參見圖1。

結(jié)合實地勘測結(jié)果與衛(wèi)星拍攝照片，對和若鐵路各風(fēng)沙段的輸沙量、沙丘移動距離進(jìn)行測算，結(jié)果見表1。

表1 和若鐵路各風(fēng)沙段年輸沙量和沙丘移動距離

由表1可見：DK113+000—DK149+000段、DK535+800—DK546+000 段、DK567+500—DK586+000 流動沙丘段風(fēng)沙活動劇烈，風(fēng)沙的年輸沙量及移動距離大 ，DK252 + 000—DK261 + 000 段 、DK496 + 000—DK512+000段、DK617+000—DK626+000段、DK632+000—DK638+000 段風(fēng)沙的年輸沙量及移動距離次之，應(yīng)對上述段落線路經(jīng)風(fēng)沙區(qū)方案做重點研究。

2.3 鐵路沿線風(fēng)沙危害

和若鐵路沿線風(fēng)沙危害主要表現(xiàn)形式是沙埋和風(fēng)蝕。全線有347個風(fēng)沙段落，總長538.12 km。其中273個段落受風(fēng)沙影響，總長412.54 km，見表2。綜合考慮沿線的地貌形態(tài)、植被條件、風(fēng)況、沙源、輸沙量、沙丘的移動距離等因素，根據(jù)TB 10027—2012《鐵路工程不良地質(zhì)勘察規(guī)程》中風(fēng)沙危害程度分類方法［3］，將和若鐵路風(fēng)沙危害程度分為嚴(yán)重、中等、輕微三類。

表2 各類風(fēng)沙段落分布及其受風(fēng)沙影響程度

3 鐵路沿線水文地質(zhì)特征及風(fēng)沙防治措施

植物防沙措施是一種根本且有效的固沙措施，可使流動沙丘逐步變?yōu)榘牍潭ɑ蚬潭ㄉ城?，進(jìn)而達(dá)到永久固沙的目的［4］，而植物防沙的根本前提就是適宜的水文地質(zhì)條件。和若鐵路沿線基本位于洪沖積扇邊緣地區(qū)。根據(jù)徑流運(yùn)移規(guī)律，水質(zhì)條件良好，但出水量關(guān)系到植物防沙工程的實施效果。

經(jīng)過詳細(xì)勘查，和若鐵路沿線地下水主要為第四系孔隙潛水和微承壓水，水位受地形地貌影響變化明顯。除個別鉆孔外，鉆孔涌水量為100～600 m3/d，地下水礦化度小于5 g/L，可用于植物灌溉。

采用外阻內(nèi)固、外高內(nèi)低的防沙模式。沿線在有灌溉條件的長大連續(xù)風(fēng)沙段落（285.7 km），工程防沙和植物防沙相結(jié)合，樹種采用當(dāng)?shù)氐哪秃?、固沙能力?qiáng)的樹種［5］；局部零星段落及地下水超采區(qū)（66.05 km）采用蘆葦沙障、蘆葦方格治沙；固定沙丘、沙地地段（125.58 km）植被覆蓋率大，依靠天然植被抵御風(fēng)沙危害，建設(shè)中不采取防沙措施；其余60.79 km 為橋梁段落，也不采取防沙措施。

4 風(fēng)沙地區(qū)鐵路選線勘測內(nèi)容及選線原則

4.1 風(fēng)沙地區(qū)鐵路選線勘測內(nèi)容

1）充分收集高分辨率遙感影像等各種資料、現(xiàn)場調(diào)研，查明風(fēng)沙的分布范圍、類型、主導(dǎo)風(fēng)向、規(guī)模和嚴(yán)重程度，判明風(fēng)沙發(fā)生、發(fā)展的原因和規(guī)律以及對鐵路建設(shè)及運(yùn)營期的危害程度。

2）通過實地測量風(fēng)沙段落沙丘移動速度、年輸沙量等主要參數(shù)，得到初步的風(fēng)沙參數(shù)。

3）采用物探與水源鉆探相結(jié)合的方法查明沿線地表及地下水埋藏條件、水質(zhì)水量等，詳細(xì)評價沿線水文地質(zhì)條件。結(jié)合沿線植物生長類型及生長環(huán)境，掌握風(fēng)沙的可治理性。

4）建立觀測站對氣象要素、沙丘形態(tài)、風(fēng)沙活動規(guī)律等進(jìn)行觀測，項目勘測期間可建立典型觀測斷面，對風(fēng)力狀況、下墊面組成進(jìn)行定期定位觀測，查明鐵路沿線年最大輸沙量、沿線風(fēng)力空間分布特征，為防護(hù)設(shè)計提供依據(jù)。

5）建立風(fēng)沙監(jiān)測系統(tǒng)，觀測大風(fēng)攜沙量及其相應(yīng)的風(fēng)速風(fēng)向，得出輸沙量和氣流運(yùn)動變化之間的關(guān)系，查明當(dāng)?shù)仫L(fēng)沙流特點，為鐵路選線設(shè)計、防護(hù)工程設(shè)置提供支撐。

4.2 風(fēng)沙地區(qū)選線原則

1）風(fēng)沙地區(qū)選線應(yīng)盡量繞避流動沙丘、沙地和對線路影響嚴(yán)重的半固定沙丘、沙地，避免大范圍的治沙工程。在大面積風(fēng)沙地區(qū)，無法完全繞避時應(yīng)以最短距離通過，或在相對低矮沙丘段通過。宜在沙丘邊緣地帶、沙丘中河流兩岸或古河道、沙丘間草灘植被相對好的地段通過，并加強(qiáng)防沙措施。

2）線路走向宜與主導(dǎo)風(fēng)向平行或呈小角度相交［6］，盡可能不通過沙丘的下風(fēng)側(cè)。路基應(yīng)采用低填方通過，少設(shè)曲線，必須設(shè)置時宜采用大半徑曲線。

3）線路盡量從半固定、固定沙丘等危害程度相對輕的地段通過。選擇靠近既有公路，特別是公路既有防沙工程的下風(fēng)側(cè)通過。

4）線路通過半固定沙丘、沙地及戈壁風(fēng)沙流（危害程度中等～弱）地段，設(shè)計縱斷面時應(yīng)盡量避免不填不挖、半填半挖路基，特別避免設(shè)置長、深路塹。應(yīng)采用路堤形式，路堤高度以3 m為宜［7］。

5）線路走向與對線路危害嚴(yán)重的風(fēng)沙區(qū)垂直，受條件限制無法繞避時，優(yōu)先采用橋梁或隧道的形式通過。橋梁下應(yīng)設(shè)置足夠的凈空，以利風(fēng)沙通過和清沙機(jī)械作業(yè)。隧道洞口應(yīng)盡量與風(fēng)沙區(qū)主導(dǎo)風(fēng)向垂直。

6）根據(jù)沿線的水源情況、植被情況、風(fēng)沙類型對線路方案進(jìn)行技術(shù)、經(jīng)濟(jì)比較，因地制宜地制定植物防沙和工程防沙措施。

5 不同風(fēng)沙區(qū)段線路通過方案

5.1 流動沙丘段（DK135+500—DK148+850段）

和若鐵路沿東北向分布，危害嚴(yán)重的流動沙丘帶大致呈東西向，局部范圍內(nèi)無法繞避流動沙丘。綜合考慮沙害治理、線路養(yǎng)護(hù)維修等因素，以最短線路通過流動沙丘帶。根據(jù)地層情況，結(jié)合不同工程措施應(yīng)對沙害的特點，在同一平面中線不同高程設(shè)計了三種方案，如圖2所示。

圖2 線路經(jīng)流動沙丘段方案

1）以橋代路方案

在流動沙丘影響范圍內(nèi)以橋代路通過，靜態(tài)投資4.84 億元。特大橋 1 座，長 8 137 m；涵洞 3 座，總長62.46 m；有砟軌道段落長13.35 km。

2）路基通過方案

在流動沙丘影響范圍內(nèi)采用路基形式通過，靜態(tài)投資4.64 億元。涵洞27 座，總長350.19 m；無砟軌道段落長13.35 km。

3）明洞+路基通過方案

在流動沙丘影響范圍內(nèi)風(fēng)沙危害嚴(yán)重段落設(shè)置明洞，其余地段以路基形式通過，靜態(tài)投資4.80 億元。明洞1座，長1 960 m；涵洞23座，總長298.31 m；無砟軌道段落長13.35 km。

以橋代路方案橋梁地段縱斷面高度基本在13 m以上，橋下有較充足過沙空間，利于風(fēng)沙通過，應(yīng)對地面及其上部一定高度范圍風(fēng)沙危害優(yōu)勢明顯。路基通過方案無砟軌道清沙條件較好，后期通過對路基無砟軌道段開展風(fēng)沙監(jiān)測、加強(qiáng)清沙工作，可以減弱沙害影響，但項目建成后路基會成為一道擋沙墻，阻擋風(fēng)沙的移動和通過，會不斷惡化區(qū)域的風(fēng)沙形態(tài)及分布，影響鐵路運(yùn)營安全。明洞+路基通過方案在明洞段落內(nèi)通過加強(qiáng)兩端洞口風(fēng)沙防護(hù)可減輕沙害影響，區(qū)域內(nèi)風(fēng)向N60°E，與線路小角度相交，明洞出口容易積沙且明洞內(nèi)積沙后清理難度較以橋代路方案、路基通過方案大。

綜上，以橋代路方案雖然投資較多，但應(yīng)對沙害優(yōu)勢明顯，對原輸沙通道的影響最小，且有利于后期運(yùn)營，養(yǎng)護(hù)維修工作量小，故本段推薦以橋代路方案。

5.2 車爾臣河以東蘇中農(nóng)場區(qū)段（DK243+200—DK266+500段）

該區(qū)段沿線有流動沙丘、沙地。綜合考慮其分布范圍、在建高速公路走向、工程地質(zhì)水文條件等制定了兩個方案，如圖3所示。

圖3 車爾臣河以東蘇中農(nóng)場區(qū)段經(jīng)風(fēng)沙區(qū)方案

1）靠近在建高速公路方案

線路自比較起點（DK243+200）引出后與在建高速公路并行，向西南方向走行，局部經(jīng)風(fēng)沙嚴(yán)重地段，向西跨越車爾臣河至比較終點（DK266+500）。線路長23.30 km，靜態(tài)投資5.85 億元。特大橋1 座，長3 363.30 m；中橋4座，總長158.52 m。

2）兩次跨越在建高速公路方案

線路自比較起點引出后上跨在建高速公路后，向西經(jīng)蘇中農(nóng)場，再次上跨高速公路，而后向西跨越車爾臣河至比較終點。線路長23.23 km，靜態(tài)投資6.23 億元。特大橋 1 座，長 2 930.3 m；大橋 2 座，總長690.3 m；中橋6座，總長308.2 m。

兩次跨越高速公路方案線路經(jīng)過的不良地質(zhì)區(qū)段主要為半固定沙地，且線路位于農(nóng)田區(qū)邊緣，從風(fēng)沙地段長度及風(fēng)沙對線路的影響來看，兩次跨越在建高速公路方案優(yōu)于靠近在建高速公路方案。

靠近在建高速公路方案線路從車爾臣河以東治沙基地和大蕓基地附近通過。此段雖然風(fēng)沙危害較為嚴(yán)重，但從車爾臣河以東風(fēng)沙治理情況、水文條件來看，該區(qū)段風(fēng)沙可治理性比較強(qiáng)。當(dāng)?shù)赝ㄟ^種植肉蓯蓉等已探索出一條創(chuàng)收和防沙雙贏的道路，并且此方案占用農(nóng)田少，線路平面順直，與在建高速公路無干擾，與兩次跨越在建高速公路方案相比工程投資少3 800萬元。因此，本區(qū)段推薦采用靠近在建高速公路方案。

5.3 新月形沙丘鏈段（DK565+900—DK591+500段）

該區(qū)段線路長25.6 km，沿線有新月形沙丘鏈及風(fēng)沙流分布，通過 2009 年 9 月 25 日—2013 年 10 月 30日的衛(wèi)星遙感圖對該區(qū)域風(fēng)沙活動進(jìn)行分析，沙丘鏈年移動速度為9.04～11.3 m。

2016年5月在該區(qū)域兩處新月形沙丘鏈段設(shè)置了風(fēng)沙移動監(jiān)測點，2017 年12 月進(jìn)行了復(fù)測，發(fā)現(xiàn)該新月形沙丘鏈移動最大距離約17 m。區(qū)域內(nèi)新月形沙丘鏈高3～5 m，局部可達(dá)7 m，屬于風(fēng)沙危害嚴(yán)重區(qū)域。根據(jù)流動沙丘、沙地，風(fēng)沙流規(guī)模及分布范圍，結(jié)合現(xiàn)場地形、工程地質(zhì)水文地質(zhì)條件等制定了三個方案，如圖4所示。

圖4 DK565+900—DK591+500段經(jīng)新月形沙丘區(qū)方案

1）橋梁通過方案

線路自比較起點（DK565+900）引出后，向西上跨尼雅河，以長17.42 km 特大橋穿過新月形沙丘鏈后，向西至比較終點（DK591+500），橋下凈空約12.5 m。線路長25.60 km，靜態(tài)投資8.48 億元。特大橋1 座，長17 417.69 m；大橋2座，總長390.47 m。

2）明洞通過方案

線路自比較起點引出后，向西上跨尼雅河，以長13.48 km 明洞經(jīng)過新月形沙丘鏈，然后以路基形式向西延伸至比較終點。線路長25.57 km，靜態(tài)投資10.42 億元。明洞 1 座，長 13.48 km；特大橋 1 座，長1 224.9 m；大橋2座，總長553.2 m。

3）路基通過方案

線路自比較起點引出后，上跨尼雅河，然后向西以路基方式經(jīng)過新月形沙丘鏈后至比較終點。為減小道床積沙，減小后期清沙及維護(hù)成本，嚴(yán)重沙害段采用無砟軌道。線路長25.50 km，靜態(tài)投資6.85億元。特大橋1座，長2 598.3 m；大橋2座，總長390.47 m。

從防沙能力來看，明洞通過方案總體防沙能力強(qiáng)，但區(qū)域內(nèi)主風(fēng)向為S80°W，與線路呈小角度相交，明洞出口易灌沙。路基通過方案以低路堤通過，路堤高度約3 m，區(qū)域內(nèi)沙丘鏈高度一般都大于3 m，且移動速度快、輸沙量大，極易掩埋防護(hù)工程及路堤。橋梁通過方案采用全橋通過沙丘鏈段，橋下預(yù)留一定凈空，不會產(chǎn)生大面積積沙，因此對線路危害不大。橋梁通過方案工程投資雖然比路基通過方案多1.63億元，但比明洞通過方案少1.94億元。

綜上，以橋梁方式通過沙丘鏈段，橋下預(yù)留一定凈空，風(fēng)沙對線路的危害小，便于維護(hù)，運(yùn)營條件較好，故本段推薦橋梁通過方案。

6 結(jié)語

本文根據(jù)和若鐵路沿線風(fēng)沙特點、危害程度、水文地質(zhì)條件等，總結(jié)了和若鐵路風(fēng)沙防治措施、風(fēng)沙地區(qū)鐵路勘測內(nèi)容和選線原則。

綜合考慮風(fēng)沙危害程度、輸沙量、工程地質(zhì)水文地質(zhì)條件、風(fēng)沙的可治理性等因素，分別對三個典型風(fēng)沙區(qū)段線路通過方案進(jìn)行了比選。建議流動沙丘段采用以橋代路方案，車爾臣河以東蘇中農(nóng)場區(qū)段采用靠近在建高速公路方案，新月形沙丘鏈段采用橋梁通過方案。本文研究方法可為類似風(fēng)沙地區(qū)鐵路選線設(shè)計提供借鑒。