北方風(fēng)沙區(qū)鐵路建設(shè)水土保持防治措施研究

張 帥

（中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 環(huán)境與設(shè)備設(shè)計(jì)院，陜西 西安 710043）

鐵路是國家重要的基礎(chǔ)設(shè)施和民生工程，隨著我國經(jīng)濟(jì)持續(xù)快速發(fā)展，中西部地區(qū)成為鐵路建設(shè)的重點(diǎn)。北方風(fēng)沙區(qū)約占國土面積的1/4，該區(qū)是我國戈壁、沙漠、沙地和草原的主要集中分布區(qū)，具有降水稀少、蒸發(fā)量大、大風(fēng)及沙塵暴頻發(fā)，水土流失及土地荒漠化嚴(yán)重等特點(diǎn)[1]。風(fēng)沙侵蝕不僅造成嚴(yán)重水土流失，同時(shí)也對(duì)鐵路運(yùn)輸安全產(chǎn)生影響，因此做好風(fēng)沙區(qū)鐵路工程水土流失的防護(hù)尤為重要。本文以新建鐵路和田至若羌線為例，在充分了解工程區(qū)自然環(huán)境及工程設(shè)計(jì)的前提下，因地制宜提出風(fēng)沙區(qū)鐵路水土保持措施建議，旨在為北方風(fēng)沙區(qū)鐵路水土流失綜合防治提供參考。

1 概況

1.1 工程概況

新建鐵路和田至若羌線位于新疆維吾爾自治區(qū)和田地區(qū)及巴音郭楞蒙古自治州境內(nèi)。線路從在建格庫鐵路若羌站接軌，經(jīng)過若羌、且末、民豐、于田、策勒、洛浦、和田7 個(gè)市(縣)及新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)第二師三十七、三十八團(tuán)、第十四師二二五團(tuán)，接入終點(diǎn)喀和鐵路和田站。線路全長825.463 km，主要技術(shù)指標(biāo)為國鐵Ⅰ級(jí)、單線、設(shè)計(jì)旅客列車最高時(shí)速120 km、內(nèi)燃牽引，工程建設(shè)內(nèi)容包括路基、站場、橋涵主體工程及取土場、棄土場、施工便道、施工生產(chǎn)生活區(qū)等臨時(shí)工程。

1.2 自然概況

項(xiàng)目區(qū)地貌類型包含戈壁區(qū)、風(fēng)沙區(qū)和綠洲區(qū)。氣候類型屬典型的大陸型干旱性氣候區(qū)，年均氣溫11.4～13.8℃，大于10℃有效積溫3 352～4 375℃，年均降水量27.6～55.4 mm，年均蒸發(fā)量1 837.6～3 647.8 mm，年均風(fēng)速1.1～2.6 m/s。土壤類型以風(fēng)沙土、棕漠土、灌淤土為主，植被類型有荒漠、草甸、灌叢和荒漠河岸林，植被覆蓋率約5%～15%。

由于塔里木盆地氣候干燥，風(fēng)速大、頻率高，地形開闊，沙源豐富，沿線風(fēng)蝕和積沙現(xiàn)象較為普遍。大面積流動(dòng)沙丘、流動(dòng)沙地主要分布于洛浦至策勒、于田東至牙通古孜、五葦場至塔什薩依地段；局部流動(dòng)沙丘、沙地與半固定沙丘、沙地在博斯塔庫勒至托萬蘭干、固合拉瑪至先拜巴扎、阿其克依木至塔特勒克、安迪爾至三十八團(tuán)、洋塔克至三十七團(tuán)等地分布；固定沙丘、沙地在塔特勒克至安迪爾、康阿克至洋塔克等地分布；戈壁風(fēng)沙流沿線分布于策勒附近、于田東至若克雅、瓦石峽至若羌西等地。風(fēng)沙影響長度為483.625 km。

1.3 水土流失現(xiàn)狀

依據(jù)全國第二次水土流失普查結(jié)果和新疆維吾爾自治區(qū)土壤侵蝕圖集，和田地區(qū)土壤侵蝕面積占全地區(qū)土地面積的63.60%，中度以上侵蝕面積占全地區(qū)土壤侵蝕總面積的84.03%，侵蝕類型主要有水力侵蝕、風(fēng)力侵蝕和凍融侵蝕，其中風(fēng)力侵蝕面積占土壤侵蝕面積的82.82%、水力侵蝕面積占土壤侵蝕面積的9.86%、凍融侵蝕面積占土壤侵蝕面積的7.32%。巴音郭楞蒙古族自治州中度以上侵蝕面積占全地區(qū)水土流失總面積的41.95%，侵蝕類型主要有水力侵蝕、風(fēng)力侵蝕和凍融侵蝕，其中風(fēng)力侵蝕面積占土壤侵蝕面積的87.75%、水力侵蝕面積占土壤侵蝕面積的2.45%、凍融侵蝕面積占土壤侵蝕面積的9.80%。根據(jù)《土壤侵蝕分類分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》(SL 190—2007)和《中國土壤侵蝕區(qū)劃》中的土壤侵蝕類型分區(qū)范圍及特征確定項(xiàng)目區(qū)以輕度、中度風(fēng)力侵蝕為主。

2 水土保持措施布設(shè)

2.1 路基、站場區(qū)邊坡防護(hù)

根據(jù)地形地質(zhì)條件和填料性質(zhì)、路基和車站填土高度，結(jié)合既有鐵路包蘭線、蘭新線、南疆線等及環(huán)保景觀要求，分別采用骨架護(hù)坡、空心磚護(hù)坡等形式防護(hù)。路堤邊坡高度大于6.0 m 及公路立交、村鎮(zhèn)廠礦、綠化景觀要求地段，路堤坡面采用混凝土骨架護(hù)坡進(jìn)行防護(hù)，設(shè)計(jì)凈距3 m、厚度0.4 m，主骨架寬度0.6 m，支骨架寬度0.5 m，全部鑲?cè)胪馏w中，骨架、鑲邊、踏步采用C30 混凝土，腳墻、護(hù)腳采用C35 混凝土。采用粉、細(xì)砂包心路基形式的段落，邊坡高度為3～6 m時(shí)采用空心磚護(hù)坡，設(shè)計(jì)框架間距15 m，空心磚采用預(yù)制(長×高×厚=0.2 m×0.1 m×0.05 m)，骨架、鑲邊、踏步采用C30 混凝土，腳墻、護(hù)腳采用C35 混凝土。線路兩側(cè)地形平坦、地表積水不深，有漫流情況時(shí)路基坡腳設(shè)置混凝土護(hù)腳進(jìn)行防護(hù)。

2.2 路基兩側(cè)風(fēng)沙防護(hù)

依據(jù)《鐵路工程不良地質(zhì)勘察規(guī)程》(TB 10027—2012)[2]，風(fēng)沙防護(hù)分為戈壁風(fēng)沙流帶防護(hù)、沙丘和沙地區(qū)防護(hù)，按沙害程度分為嚴(yán)重、中等和輕微。本工程風(fēng)沙防護(hù)主要為風(fēng)沙流路基(戈壁風(fēng)沙流地區(qū))、風(fēng)沙路基(沙丘、沙地區(qū))兩側(cè)防護(hù)，一般采取工程防沙與植物防沙相結(jié)合的固沙、阻沙措施[3-4]。

2.2.1 路基兩側(cè)風(fēng)沙防護(hù)體系

根據(jù)沙源、風(fēng)況、沙丘活動(dòng)情況及天然植被等因素，確定對(duì)路基危害嚴(yán)重程度及類別，結(jié)合當(dāng)?shù)罔F路、公路及地方部門的防沙治沙經(jīng)驗(yàn)，在路堤兩側(cè)坡腳外依次設(shè)置防火帶、方格固沙帶、前沿阻沙帶。

（1）防火帶。風(fēng)沙路基、風(fēng)沙流路基防火帶寬度設(shè)計(jì)為20 m(自鐵路用地界至方格固沙帶邊緣)，平鋪0.1 m厚卵石和礫石，線路兩側(cè)靠近路基側(cè)3.0 m范圍內(nèi)鋪設(shè)厚度增至0.3 m，以用作維修道路。防護(hù)帶內(nèi)沿線路每隔500 m 左右設(shè)置1 條維修通道。線路穿越?jīng)_積、洪積平原區(qū)，地表植被稀少，防火帶不再鋪設(shè)卵石和礫石。

（2）方格固沙帶。格庫鐵路青海段采用蘆葦草方格防沙取得良好效果，該工程設(shè)計(jì)采用蘆葦草方格(沙丘、沙地區(qū))或中立式蘆葦方格固沙(戈壁風(fēng)沙流地區(qū))。蘆葦方格為1.0 m×1.0 m×0.3 m(長×寬×高)，中立式蘆葦網(wǎng)方格為4 m×2.5 m×0.8 m(長×寬×高)，蘆葦草方格平面示意如圖1所示。

圖1 蘆葦草方格平面示意

（3）前沿阻沙帶。于亞文[5]、辛文棟[6]、馮德泉[7]等研究認(rèn)為，路基兩側(cè)沙障防護(hù)可有效防止項(xiàng)目區(qū)風(fēng)力侵蝕，是阻沙固沙、減少沙害的有效措施。在前沿阻沙帶區(qū)采用高立式阻沙沙障，由1.5 m蘆葦草排沙障和2 m 高鋼筋混凝土立柱組成。蘆葦草排與立柱頂部平齊，露出地表1.2 m，其余部分埋入地下作為基礎(chǔ)。

2.2.2 風(fēng)沙、風(fēng)沙流路基平面防護(hù)布置

（1）風(fēng)沙路基防護(hù)。輕微風(fēng)沙路基迎主導(dǎo)風(fēng)向側(cè)防護(hù)帶寬度130 m，自最外側(cè)至防火帶外邊緣依次設(shè)置1 道高立式阻沙沙障+30 m 空留帶+100 m 蘆葦方格固沙帶；背主導(dǎo)風(fēng)向側(cè)防護(hù)帶采用50 m寬蘆葦方格進(jìn)行固沙。中等風(fēng)沙路基迎主導(dǎo)風(fēng)向側(cè)防護(hù)帶寬度260 m，自最外側(cè)至防火帶外邊緣依次設(shè)置2道(高立式阻沙沙障+30 m空留帶)+200 m方格固沙帶；背主導(dǎo)風(fēng)向側(cè)防護(hù)帶寬度130 m，自最外側(cè)至防火帶外邊緣依次設(shè)置高立式阻沙沙障+30 m 空留帶+100 m 方格固沙帶。嚴(yán)重風(fēng)沙路基迎主導(dǎo)風(fēng)向側(cè)防護(hù)帶寬度390 m，自最外側(cè)至防火帶外邊緣依次設(shè)置2～3道(高立式阻沙沙障+30 m空留帶)+300 m方格固沙帶；背主導(dǎo)風(fēng)向側(cè)防護(hù)帶寬度260 m，自最外側(cè)至防火帶外邊緣依次設(shè)置1～2 道(高立式阻沙沙障+30 m 空留帶)+200 m 方格固沙帶。風(fēng)沙地段路基平面防護(hù)布置如圖2所示。

圖2 風(fēng)沙地段路基平面防護(hù)布置

（2）風(fēng)沙流路基防護(hù)。輕微風(fēng)沙流路基迎主導(dǎo)風(fēng)向側(cè)防護(hù)帶寬度130 m，自最外側(cè)至防火帶外邊緣依次設(shè)置1 道高立式阻沙沙障+30 m 空留帶+2 道(20 m 中立式蘆葦網(wǎng)方格固沙帶+30 m 空留帶)；背主導(dǎo)風(fēng)向側(cè)防護(hù)帶采用20 m 中立式蘆葦網(wǎng)方格固沙帶+30 m 空留帶進(jìn)行固沙。中等風(fēng)沙流路基迎主導(dǎo)風(fēng)向側(cè)防護(hù)帶寬度260 m，自最外側(cè)至防火帶外邊緣依次設(shè)置1～2道(高立式阻沙沙障+30 m空留帶)+3～4道(20 m中立式蘆葦網(wǎng)方格固沙帶+30 m 空留帶)；背主導(dǎo)風(fēng)向側(cè)自最外側(cè)至防火帶外邊緣依次設(shè)置1 道高立式阻沙沙障+30 m 空留帶+1～2 道(20 m 中立式蘆葦網(wǎng)方格固沙帶+30 m 空留帶)固沙帶。嚴(yán)重風(fēng)沙流路基迎主導(dǎo)風(fēng)向側(cè)防護(hù)帶寬度390 m，自最外側(cè)至防火帶外邊緣依次設(shè)置2～3 道(高立式阻沙沙障+30 m 空留帶)+6道(20 m 中立式蘆葦網(wǎng)方格固沙帶+30 m 空留帶)；背主導(dǎo)風(fēng)向側(cè)，自最外側(cè)至防火帶外邊緣依次設(shè)置1～2道(高立式阻沙沙障+30 m 空留帶)+4 道(20 m 中立式蘆葦網(wǎng)方格固沙帶+30 m 空留帶)。風(fēng)沙流地段路基平面防護(hù)布置如圖3所示。

圖3 風(fēng)沙流地段路基平面防護(hù)布置

2.3 排水工程

工程走行地段主要為戈壁、農(nóng)田區(qū)和沙漠區(qū)，對(duì)不同區(qū)域采取不同排水設(shè)計(jì)。戈壁漫流區(qū)結(jié)合橋涵導(dǎo)流設(shè)施，設(shè)置腳墻基礎(chǔ)護(hù)坡將水擋至坡腳以外。農(nóng)田區(qū)為防止灌溉水浸泡路基，設(shè)置護(hù)腳防護(hù)；部分地段兼做灌溉的水溝，采用U型水溝，斷面尺寸弧形半徑0.45 m，頂寬0.90 m，材質(zhì)C35 混凝土。沙漠區(qū)一次性降雨不產(chǎn)生地表徑流地段可不設(shè)置排除地表水設(shè)施；路塹段設(shè)置5 m寬積沙平臺(tái)，不再設(shè)置側(cè)溝排水。一般地段，局部挖方采取預(yù)制混凝土塊板梯形水溝將路塹部分坡面水引至坡腳以外，斷面尺寸底寬0.40 m、深度0.6 m、邊坡比1:1。路基排水設(shè)施與橋涵、車站等排水設(shè)施銜接，并與水土保持及農(nóng)田水利的綜合利用相結(jié)合，形成完善的排水系統(tǒng)。

2.4 灌溉工程

（1）灌溉方式。風(fēng)沙防護(hù)綠化灌溉管網(wǎng)系統(tǒng)水源為地下井水，水質(zhì)符合國家農(nóng)業(yè)灌溉用水標(biāo)準(zhǔn)。灌溉管網(wǎng)系統(tǒng)采用人工智能自動(dòng)化控制系統(tǒng)，是高效節(jié)水的灌溉方式。

（2）布管模式。根據(jù)作物種植要求及采用的灌溉技術(shù)，要求輸水干管應(yīng)適合滴灌的要求。因地制宜，結(jié)合植物布置方式位置和作物最佳種植方向的要求，使管道總長度最短和盡量少穿越其他地物。確保作物用水要求，調(diào)水便捷，管理維修方便。輸配水干管沿地勢較高位置布設(shè)，支管垂直作物種植行布置，滴灌帶(毛管)順作物行布置。管道的縱剖面應(yīng)力求平順，為防止熱脹冷縮和冬季凍害，輸配水干管均采用地埋式，地埋深0.8～1.0 m。在管尾修建滲水井，以便排除管道中沖砂水和秋季積水。

（3）灌水器的選擇。防風(fēng)基干林、條田防護(hù)林與生態(tài)經(jīng)濟(jì)林均選用裝有壓力補(bǔ)償式內(nèi)鑲滴頭的滴灌管，滴灌管沿林木種植方向布設(shè)，1 管1 行模式，在林木處安裝滴頭，滴孔間距同林木株距，毛管間距同林木行距，滴頭額定流量為2 L/h。

（4）管道結(jié)構(gòu)。地埋管(總干管、分干管、干管)埋深在0.7 m 左右，地面管有滴灌管和支管；支管與滴灌管均雙向布設(shè)，在地面上呈“豐”字型；支管與干管之間設(shè)碟閥，在支管上接輔管，滴灌管接在輔管上雙向鋪設(shè)于地表。

（5）灌水時(shí)間。灌水時(shí)間為每年的3 月至10 月，防風(fēng)林1次灌水時(shí)間為11 h。

2.5 取土、棄土場防護(hù)措施

施工前對(duì)可剝離表土或鹽殼區(qū)進(jìn)行剝離并集中堆存，采取臨時(shí)苫蓋和編織袋擋護(hù)措施。施工過程中對(duì)棄土場定期采取灑水結(jié)皮、碾壓措施，取土場匯水區(qū)周圍設(shè)置臨時(shí)排水、擋水埂。施工結(jié)束后，采取機(jī)械加人工輔助的方式對(duì)取土、棄土場進(jìn)行平整壓實(shí)并回鋪表土或鹽殼，表面布設(shè)0.3 m 高方格固沙措施，棄土場方格內(nèi)撒播草籽，進(jìn)行人工輔助植被恢復(fù)。

2.6 表土剝離及土地整治

施工前對(duì)占用耕地、園地、林地和草地的區(qū)域進(jìn)行表土剝離，剝離厚度0.1～0.3 m，用于后期的邊坡覆土或其他區(qū)域，剝離表土采取臨時(shí)苫蓋和編織袋擋護(hù)措施。施工結(jié)束后，采取以小型機(jī)械為主、人工輔助的方式對(duì)邊坡及施工作業(yè)面進(jìn)行平整、壓實(shí)，回鋪表土。

2.7 植物措施

植物措施以“宜喬則喬、宜灌則灌、宜荒則荒”為原則，條件允許時(shí)可選擇適合當(dāng)?shù)厣L條件、易于成活的物種。有研究認(rèn)為胡楊、梭梭、紅柳具有良好的治沙功能[8-9]。

（1）路基綠化。選擇適宜當(dāng)?shù)厣L、耐旱、固沙能力強(qiáng)的喬木(胡楊)和灌木(梭梭、紅柳)等樹種。喬木行距、株距均為2.0 m，灌木行距1.5 m，株距1 m。

（2）車站綠化。根據(jù)沿線車站房屋、道路及硬化布局等綜合考慮綠化，采取喬、灌、花灌相結(jié)合的綠化方式。喬木與灌木、落葉樹與長綠樹應(yīng)配置適宜，整體綠化布置以美化和保持水土為主，考慮景觀效果，以站區(qū)為主體，精心搭配，適時(shí)管理，降噪抑塵，與周圍環(huán)境相協(xié)調(diào)。綠化布局上，在不影響車站正常工作和通視要求的前提下，于車站四周栽植灌木、花灌，站區(qū)道路兩側(cè)栽植喬木。選擇的樹草種具有抗寒、抗旱、耐貧瘠、抗風(fēng)沙等特點(diǎn)，喬木為胡楊、新疆楊、紅柳，灌木梭梭、花棒，草本為合頭草、扁穗冰草、高羊茅、駱駝蓬。喬木4 m×4 m、小灌木1 m×1 m、花灌木4 m×4 m。

2.8 臨時(shí)措施

（1）表土臨時(shí)防護(hù)。剝離表土采取臨時(shí)苫蓋和編織袋擋護(hù)措施。堆土采取梯形斷面，堆土高度4.0 m，堆置邊坡比為1:1，上底3.0 m，下底11.0 m。表土采用密目防塵網(wǎng)進(jìn)行苫蓋。坡腳采取裝土編織袋壓邊，編織袋規(guī)格為長×寬×高=0.6 m×0.4 m×0.2 m，裝土0.048 m3/袋。

（2）灑水結(jié)皮。施工期為防止揚(yáng)塵導(dǎo)致的水土流失，對(duì)棄土場定期采取灑水結(jié)皮、碾壓措施，增強(qiáng)地表抗蝕能力，減少土壤侵蝕。

（3）限行環(huán)保樁。施工便道建成后，為了嚴(yán)格控制和管理運(yùn)輸車輛及重型機(jī)械的行駛范圍，以防擾動(dòng)破壞地表，在便道兩側(cè)邊界按一定間隔布設(shè)限行環(huán)保樁作為施工機(jī)械和車輛的行駛邊界，限制車輛通行區(qū)域，控制擾動(dòng)地表面積，限行環(huán)保樁采用PVC管，布設(shè)間距為50 m。

（4）灑水降塵。因施工便道通行施工車輛較多，地表被擾動(dòng)時(shí)間較長，項(xiàng)目區(qū)氣候干燥，自然降水少，故地表擾動(dòng)程度較劇烈，并且施工期跨越項(xiàng)目區(qū)的多風(fēng)季節(jié)，為了減少施工車輛通行中產(chǎn)生的揚(yáng)塵，對(duì)施工便道定期采取灑水降塵措施。

（5）泥漿沉淀池。施工過程中基坑開挖時(shí)根據(jù)橋梁建設(shè)情況于基坑邊適時(shí)布設(shè)泥漿沉淀池，用于存放橋梁鉆孔排出的鉆渣、泥漿等。泥漿沉淀池設(shè)計(jì)采用半填半挖式，地下部分開挖尺寸根據(jù)鉆孔需要泥漿數(shù)量確定，開挖的土方堆置在池體四周并拍實(shí)作為泥漿池地上部分；施工結(jié)束后，泥漿沉淀池四周堆置土方用于回填池體并整平。設(shè)計(jì)泥漿沉淀池池身長度為2 m，寬度為2 m，地面以下開挖1.5 m，地面上高出0.6 m (梯形斷面，上底0.5 m、下底1.1 m、邊坡比1:0.5)；泥漿沉淀池采用彩條布鋪墊，防滲。

3 結(jié)束語

風(fēng)沙區(qū)鐵路建設(shè)水土保持是治理風(fēng)沙災(zāi)害、保障鐵路安全的一項(xiàng)重要內(nèi)容。水土保持措施采用工程措施為主，輔以植物措施、臨時(shí)措施的綜合防治體系。風(fēng)沙區(qū)段落采用工程防沙與植物防沙相結(jié)合的固沙、阻沙措施，在路堤兩側(cè)坡腳外依次設(shè)置防火帶、方格固沙帶、前沿阻沙帶，對(duì)輕微風(fēng)沙地段、中等風(fēng)沙地段、嚴(yán)重風(fēng)沙地段分別確定了適宜的方格固沙帶寬度和前沿阻沙帶寬度。措施的實(shí)施可以改善風(fēng)沙區(qū)鐵路運(yùn)營環(huán)境及沿線生態(tài)環(huán)境，有效減少水土流失。今后，應(yīng)對(duì)風(fēng)沙防護(hù)措施效果開展長期監(jiān)測，進(jìn)一步研究風(fēng)沙侵蝕機(jī)理和運(yùn)動(dòng)規(guī)律，為鐵路風(fēng)沙治理提供有力支撐。