風(fēng)沙地區(qū)鐵路減災(zāi)選線及防沙工程設(shè)計(jì)原則分析

何建江

（新疆鐵道勘察設(shè)計(jì)院有限公司，新疆烏魯木齊 830011）

0 引言

在風(fēng)沙地區(qū)鐵路設(shè)計(jì)中，線路的合理選取及防沙工程的合理開展是降低工程成本、確保鐵路安全運(yùn)行的關(guān)鍵?；诖?，以我國典型風(fēng)沙區(qū)為研究對象，根據(jù)風(fēng)沙區(qū)的地形地貌特征，將其劃分為流沙區(qū)、戈壁風(fēng)沙區(qū)、高寒風(fēng)沙區(qū)三個(gè)典型風(fēng)沙區(qū)域。通過綜合運(yùn)用選線設(shè)計(jì)、災(zāi)害學(xué)、風(fēng)沙物理等相關(guān)理論，構(gòu)建符合我國實(shí)際情況的風(fēng)沙區(qū)防災(zāi)選線方案，為風(fēng)沙地區(qū)鐵路減災(zāi)選線及防沙工程設(shè)計(jì)提供參考。

1 風(fēng)沙地區(qū)鐵路減災(zāi)選線及防沙工程設(shè)計(jì)

1.1 風(fēng)沙危害特征

風(fēng)穿越疏松沙土表面時(shí)，受風(fēng)力作用，泥沙顆粒升騰離地，進(jìn)入大氣層進(jìn)行輸移，此現(xiàn)象即為風(fēng)沙流。鐵路是一種基于地面建設(shè)的大型空間結(jié)構(gòu)體，風(fēng)吹至鐵路沿線時(shí)，因氣流阻擋抬升，使其能耗增大、風(fēng)速減小，泥沙顆粒會(huì)在坡腳附近堆積，在風(fēng)力作用下會(huì)發(fā)生二次輸移。在風(fēng)沙較大、地表無遮擋的戈壁強(qiáng)風(fēng)帶及高寒高海拔地區(qū)，經(jīng)風(fēng)蝕后的風(fēng)蝕斜坡會(huì)對鐵路行車安全構(gòu)成極大的威脅。

道床積沙是指在線路表面堆積的泥沙，進(jìn)入道砟層會(huì)降低道砟層的減震和排水水平，會(huì)對行車過程中的輪軌動(dòng)力反應(yīng)產(chǎn)生一定影響，這種現(xiàn)象在流沙區(qū)、風(fēng)沙區(qū)較為常見。此外，該現(xiàn)象還會(huì)使桿塔、接觸網(wǎng)、鋼軌及通訊所需設(shè)備等產(chǎn)生磨損，進(jìn)而影響相關(guān)設(shè)備的運(yùn)行穩(wěn)定性[1]。

1.2 特征風(fēng)沙區(qū)域劃分

流沙區(qū)降水較少，風(fēng)沙天氣較多，所以極易形成風(fēng)沙流，對其進(jìn)行有效治理，是防沙治沙工作的重要內(nèi)容。在戈壁風(fēng)沙區(qū)，大風(fēng)容易導(dǎo)致鐵路列車特別是高速列車出現(xiàn)翻覆問題，因而風(fēng)災(zāi)是鐵路建設(shè)中的一項(xiàng)巨大挑戰(zhàn)。尤其是青藏高原地，生態(tài)環(huán)境脆弱，人類活動(dòng)極易對生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生影響，所以在該地區(qū)進(jìn)行鐵路工程建設(shè)時(shí)，必須重視環(huán)保問題以及生態(tài)修復(fù)相關(guān)工作。

根據(jù)風(fēng)沙物理學(xué)基本原理，從自然地理環(huán)境特征、風(fēng)沙危害程度、線路風(fēng)沙危害特征等方面進(jìn)行綜合考慮，可將風(fēng)沙活動(dòng)區(qū)分為流沙區(qū)、高寒風(fēng)沙區(qū)及戈壁風(fēng)沙區(qū)三種[2]。

1.3 風(fēng)沙地區(qū)鐵路減災(zāi)選線流程

在風(fēng)沙地區(qū)鐵路減災(zāi)選線過程中，需要根據(jù)風(fēng)沙地區(qū)的氣候、地形、地質(zhì)等因素，以防災(zāi)減災(zāi)基本思想為基礎(chǔ)，對風(fēng)沙區(qū)的主要災(zāi)害類型和致災(zāi)機(jī)制進(jìn)行研究。具體的選線流程如下：

首先，進(jìn)行資料收集與現(xiàn)場勘察，對不良地質(zhì)進(jìn)行識別、整理、分類，確定風(fēng)沙危害區(qū)域。

其次，以相關(guān)勘察數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，結(jié)合沙害防治要求及工程投資等因素，初步確定線路平面方案及縱斷面方案。

最后，進(jìn)行風(fēng)沙地區(qū)線路方案比選，從線路選擇、防沙工程及施工組織等方面進(jìn)行比較，確立最佳方案，經(jīng)過批復(fù)后方可投入建設(shè)。

2 流沙區(qū)鐵路減災(zāi)選線及防沙工程

2.1 選線主要控制因素及難點(diǎn)

流沙區(qū)氣候干燥、降水不足，且水分蒸發(fā)量大，植被稀少、植被覆蓋面積小，晝夜溫差大。此外，流動(dòng)沙丘分布廣泛，其中沙顆粒種類繁多，且在風(fēng)的影響下，沙流異?；钴S。其中，移動(dòng)沙丘是動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)的，若線路布置在沙丘移動(dòng)方向下方，不僅會(huì)增大防沙工程規(guī)模，且會(huì)對線路的安全性產(chǎn)生重大威脅，其中沙埋和路基風(fēng)蝕問題是影響鐵路安全的主要因素[3]。

2.2 鐵路減災(zāi)選線原則

在流沙區(qū)進(jìn)行鐵路減災(zāi)選線時(shí)，應(yīng)以風(fēng)沙流監(jiān)測結(jié)果為依據(jù)，綜合考慮風(fēng)沙影響范圍及危害程度，確定是否避開沙害區(qū)，同時(shí)根據(jù)風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)痕跡判斷路線是否合理，以便進(jìn)行工程選址。

具體來說，在流沙風(fēng)沙地區(qū)進(jìn)行鐵路減災(zāi)選線應(yīng)遵循以下原則：

第一，要盡可能選取地形較為開闊、沙丘密度較小的地段，以充分發(fā)揮地形優(yōu)勢，確保線路在沙壟之間迎風(fēng)面開闊。

第二，當(dāng)線路需要穿越風(fēng)沙地區(qū)時(shí)，應(yīng)優(yōu)先選擇穿越河岸、湖岸、沙漠前沿的固定沙丘和半固定沙丘，或大山、高原前沿的背風(fēng)處。通過沙丘鏈條時(shí)，要避免直接穿過大沙丘，盡量從低處通過。

第三，路線宜與主風(fēng)方向平行，曲線半徑要小，且沿主風(fēng)面的外彎度要盡可能大，不能小于1m。

第四，線路選址盡可能在接近水源、材料產(chǎn)地的位置，以及具有自然防護(hù)帶區(qū)域的背風(fēng)面，同時(shí)要注意對沿線植物的保護(hù)。

第五，遇高沙丘時(shí)，應(yīng)盡量利用地勢，如果線路在沙丘底部，應(yīng)遠(yuǎn)離背風(fēng)坡，以免在大風(fēng)天氣中被風(fēng)沙掩埋，同時(shí)避免雨淋造成路基損壞。

第六，在大范圍流沙區(qū)鋪設(shè)線路時(shí)，如果不能避開流沙層，應(yīng)選取沙害相對較輕的沙漠邊緣區(qū)、大山高原前緣背風(fēng)區(qū)等，選取施工相對簡單、易布設(shè)的區(qū)域布線。

2.3 風(fēng)沙防護(hù)工程設(shè)計(jì)原則

流沙區(qū)沙源豐富、風(fēng)沙流強(qiáng)度高，進(jìn)行風(fēng)沙防治工程設(shè)計(jì)時(shí)，必須遵循“以固為主，固阻結(jié)合”原則?？稍诒Ｗo(hù)系統(tǒng)的最外層，設(shè)置垂直于鐵軌方向的高柵欄，作為攔沙帶，可采用網(wǎng)柵欄、蘆葦柵欄等。用1m×1m 的草方格沙障組成沙障帶，依據(jù)實(shí)際風(fēng)沙強(qiáng)度確定沙障帶寬度。若具備灌溉條件，可結(jié)合當(dāng)?shù)貧夂驐l件、沙層厚度及地質(zhì)條件等因素，在沙障帶種植成活率高、防沙效果好的植被，進(jìn)一步強(qiáng)化防風(fēng)沙工程的防護(hù)作用[4]。

3 戈壁風(fēng)沙區(qū)鐵路減災(zāi)選線及防沙工程

3.1 選線主要控制因素及難點(diǎn)

首先，戈壁風(fēng)沙區(qū)的地表主要由礫石和粗砂構(gòu)成，這種結(jié)構(gòu)相對穩(wěn)定，因此起沙速度快但含沙量并不高。然而，由于強(qiáng)風(fēng)的作用，該區(qū)域風(fēng)沙流攜帶的顆粒相對較大，破壞力較大。

其次，在戈壁風(fēng)災(zāi)中，當(dāng)強(qiáng)風(fēng)掠過路基，會(huì)在某些地方造成泥沙堆積，在泥沙含量高的情況下，無論是迎風(fēng)坡還是背風(fēng)坡都可能出現(xiàn)泥沙積聚。在泥沙含量較低時(shí)，迎風(fēng)面可能不會(huì)堆積泥沙，背風(fēng)面仍可能有堆積現(xiàn)象。

最后，戈壁風(fēng)沙區(qū)的強(qiáng)風(fēng)不僅會(huì)對鐵路施工構(gòu)成威脅，還會(huì)對已經(jīng)建成的鐵路線造成嚴(yán)重影響。強(qiáng)風(fēng)會(huì)導(dǎo)致軌道積沙，進(jìn)而使列車速度下降，甚至導(dǎo)致列車停運(yùn)，在極端情況下，還可能造成列車傾覆，對行車安全和鐵路運(yùn)營構(gòu)成極大威脅。

3.2 鐵路減災(zāi)選線原則

戈壁風(fēng)沙區(qū)的風(fēng)災(zāi)害具有突發(fā)性強(qiáng)、易阻而難治的特點(diǎn)，針對戈壁風(fēng)沙區(qū)的自然地理?xiàng)l件和風(fēng)沙災(zāi)害特征，鐵路減災(zāi)選線應(yīng)遵循以下原則：

首先，線路應(yīng)盡量平直，盡量與當(dāng)?shù)刂饕L(fēng)向保持一致，在受技術(shù)條件限制的情況下，應(yīng)盡量減小線路與主風(fēng)向之間的夾角，以便于設(shè)置防護(hù)性設(shè)施，降低風(fēng)沙流動(dòng)對線路的影響。當(dāng)線路與主風(fēng)向的夾角較大時(shí)，應(yīng)盡可能采用低路堤和緩邊坡，使一部分流沙能通過路基輸移，從而降低路基的風(fēng)蝕效應(yīng)，防止出現(xiàn)“零斷面”或“路塹”[5]。

其次，線路穿越多山丘陵地區(qū)時(shí)，宜選擇無沙的戈壁丘陵地區(qū)穿越，或選擇溝谷背風(fēng)面穿越。

再次，路線應(yīng)選在地表粗糙、無流沙和植被發(fā)育的戈壁地帶。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)沿線地區(qū)的風(fēng)沙防治方案，可選在地下水位較深的區(qū)域或與水源相近的區(qū)域，以利于后期的防沙治沙。

最后，選線要盡量避開大風(fēng)區(qū)和強(qiáng)風(fēng)區(qū)，盡量減少測線長度。若不能回避大風(fēng)區(qū)，應(yīng)以短直大角度穿越強(qiáng)風(fēng)區(qū)；若不能回避強(qiáng)風(fēng)區(qū)，縱向斷面應(yīng)盡量設(shè)置路堤，以減小強(qiáng)風(fēng)氣流對路基及兩側(cè)坡面的侵蝕作用。

3.3 風(fēng)沙防護(hù)工程設(shè)計(jì)原則

在戈壁風(fēng)沙區(qū)，風(fēng)沙活動(dòng)強(qiáng)烈，會(huì)對行車安全造成很大威脅，根據(jù)區(qū)域內(nèi)風(fēng)沙防治工程功能，可將其分為以防沙為主和以防風(fēng)為主的兩類。其中，防沙工程包括攔沙堤、高立式蘆葦圍欄、高密度聚乙烯板、高密度聚乙烯網(wǎng)，以及具有一定孔隙率的混凝土圍欄等[6]。防風(fēng)工程是指在路基上布置一種既能起到防止風(fēng)沙侵蝕，又能起到一定防護(hù)效果的構(gòu)筑物，如防風(fēng)明洞，這是一種封閉的防風(fēng)沙建筑物，通過在路基上部設(shè)置特殊的混凝土結(jié)構(gòu)物，從而阻隔外部風(fēng)沙流環(huán)境，進(jìn)一步減少風(fēng)沙流風(fēng)險(xiǎn)。

戈壁風(fēng)沙區(qū)風(fēng)沙防護(hù)工程主要設(shè)計(jì)原則如下：

第一，預(yù)防為主、防治結(jié)合，施工時(shí)要注重礫石戈壁防護(hù)問題，為避免產(chǎn)生新的沙源，禁止隨意開挖、堆填填料。

第二，對風(fēng)沙活動(dòng)類型、風(fēng)速分布和頻度、泥沙含量、地形地貌、危害程度及防護(hù)物的特性等進(jìn)行全面考慮，采用生物防治與工程防治相結(jié)合的方式。

第三，對于水源較為充足且具備一定植被的區(qū)域，可進(jìn)行生物防治；對于風(fēng)沙問題嚴(yán)重、植被不易存活的區(qū)域，可進(jìn)行綜合性防治。

第四，應(yīng)結(jié)合當(dāng)?shù)貙?shí)際情況選取沙障材料、植物種類，尤其要選擇適應(yīng)性強(qiáng)、防沙性能良好的植被種類。

4 高寒風(fēng)沙區(qū)鐵路減災(zāi)選線及防沙工程

4.1 選線主要控制因素及難點(diǎn)

首先，高寒風(fēng)沙區(qū)具有年均氣溫低、日溫差大、空氣透明度高和太陽輻射強(qiáng)等氣候特征，且該地區(qū)在冬季受到強(qiáng)烈的高原氣候影響，多風(fēng)多雨。同時(shí)，降雨主要集中在夏季，強(qiáng)風(fēng)天氣較為頻繁，導(dǎo)致顯著的風(fēng)旱同季問題。

其次，高寒風(fēng)沙區(qū)河湖縱橫，在冬季強(qiáng)烈的凍融作用下，流域內(nèi)堆積大量泥沙，成為風(fēng)沙流的主要沙源。同時(shí)，大風(fēng)條件為沙塵暴的生成提供了有利條件。此外，因具有風(fēng)旱同季、夏季多雨等特點(diǎn)，風(fēng)沙災(zāi)害主要發(fā)生在冬季。

最后，氣候變化導(dǎo)致凍土區(qū)發(fā)生明顯的劣化，部分區(qū)域地表物質(zhì)離散化，會(huì)加劇風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)，在極端天氣影響下會(huì)形成類戈壁型風(fēng)蝕石灘，生態(tài)環(huán)境脆弱，易于受干擾，一旦生態(tài)失衡，會(huì)加速荒漠化進(jìn)程。

上述因素限制了鐵路選線的靈活性，會(huì)增加材料獲取與運(yùn)輸、環(huán)境保護(hù)、地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)評估等方面的難度與成本。

4.2 鐵路減災(zāi)選線原則

在高寒風(fēng)沙區(qū)進(jìn)行鐵路減災(zāi)選線時(shí)，需要綜合考慮多個(gè)因素，以保證工程的可行性、經(jīng)濟(jì)性和環(huán)境友好性。

第一，由于高寒風(fēng)沙區(qū)地理位置和地質(zhì)條件特殊，因此需要優(yōu)化路線布局，以縮短材料運(yùn)輸距離，同時(shí)減少對生態(tài)環(huán)境的損害。

第二，鑒于高寒風(fēng)沙區(qū)生態(tài)環(huán)境的脆弱性，鐵路建設(shè)必須注重生態(tài)效益，保護(hù)沿線土地資源、水源地和野生動(dòng)植物，同時(shí)考慮環(huán)境變化影響因素等。

第三，選擇路線時(shí)，應(yīng)遵循“寧填不挖，最小擾動(dòng)”的原則，以最大程度地保留原有地形，減少土方開挖和防護(hù)工作量，從而降低工程成本并保護(hù)生態(tài)環(huán)境。

第四，在與現(xiàn)有交通整合方面，應(yīng)合理安排鐵路線路與已有交通網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)系，盡量將線路布置在交通廊道中，以最大限度地發(fā)揮地貌優(yōu)勢，并減少對周圍環(huán)境的影響。

4.3 風(fēng)沙防護(hù)工程設(shè)計(jì)原則

由于高寒風(fēng)沙地區(qū)的生態(tài)環(huán)境過于脆弱，因此需要以風(fēng)沙活動(dòng)規(guī)律、風(fēng)沙危害空間分布與特點(diǎn)、自然環(huán)境特點(diǎn)為依據(jù)，堅(jiān)持可持續(xù)發(fā)展理念，明確高寒風(fēng)沙地區(qū)鐵路防風(fēng)沙工程設(shè)計(jì)原則。

一是要重點(diǎn)考慮高寒風(fēng)沙地區(qū)生態(tài)環(huán)境的脆弱性，重視環(huán)境保護(hù)與植被恢復(fù)，盡量保護(hù)沿線生態(tài)環(huán)境，在此基礎(chǔ)上，構(gòu)建“生物措施為主，機(jī)械措施為輔”的綜合防治系統(tǒng)。

二是在保護(hù)系統(tǒng)最外圍設(shè)置直立式高沙屏障，以最大限度地?cái)r截沙源，沙屏障可采用HDPE 網(wǎng)或混凝土懸（插）板式擋墻等。

三是在攔沙帶內(nèi)側(cè)設(shè)置固沙帶，針對高海拔地區(qū)的環(huán)境特點(diǎn)，建議采用更耐久的材料，如礫石方格，以降低沿線原地起沙問題的發(fā)生率。

5 結(jié)語

鐵路作為重要的交通基礎(chǔ)設(shè)施，其安全性與穩(wěn)定性對社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和民眾出行有重要意義。在風(fēng)沙地區(qū)，鐵路容易受到風(fēng)沙災(zāi)害的影響，因此合理的減災(zāi)選線和防沙工程設(shè)計(jì)至關(guān)重要。鐵路工作人員一定要以實(shí)際情況為依據(jù)，針對不同風(fēng)沙區(qū)域的特點(diǎn)，遵循相關(guān)原則，制訂科學(xué)、合理的減災(zāi)選線和防沙工程設(shè)計(jì)方案，以有效降低風(fēng)沙災(zāi)害對鐵路的影響，提高鐵路的安全性和穩(wěn)定性，促進(jìn)我國鐵路交通事業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。