劉 輝,朱生憲,楊有海

(1.蘭州交通大學(xué)土木工程學(xué)院,蘭州 730070;2.蘭州鐵路局,蘭州 73000)

太中銀鐵路沙害現(xiàn)狀調(diào)查及防治原則探討

劉 輝1,朱生憲2,楊有海1

(1.蘭州交通大學(xué)土木工程學(xué)院,蘭州 730070;2.蘭州鐵路局,蘭州 73000)

介紹鐵路沙害的類(lèi)型及危害,總結(jié)沙害的表現(xiàn)形式。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查研究,掌握了太中銀鐵路沿線的自然環(huán)境條件、沙害原因、分布、特點(diǎn),在借鑒其他沙漠鐵路防沙治沙成功經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,針對(duì)本區(qū)域的特有條件,因地制宜、因害設(shè)防,設(shè)計(jì)出一套行之有效的治理方案。

太中銀鐵路;毛烏素沙地;鐵路沙害;防治原則

太原至中衛(wèi)(銀川)鐵路,簡(jiǎn)稱(chēng)太中銀鐵路,東起太原市,西達(dá)銀川市和中衛(wèi)市,沿途穿越山西省西部、陜西省北部、寧夏回族自治區(qū)東北部、中部地區(qū),線路正線全長(zhǎng)970 km,是西北地區(qū)通往華北、東北地區(qū)便捷的鐵路通道之一。它的開(kāi)通緩解了包蘭、隴海2條線路運(yùn)力緊張的情況,對(duì)進(jìn)一步完善路網(wǎng)格局、提高路網(wǎng)靈活性具有重要作用。

線路在陜西及寧夏的部分地段穿越毛烏素沙地的南緣,沙丘高大,風(fēng)沙流強(qiáng)烈。自開(kāi)通運(yùn)營(yíng)以來(lái),風(fēng)沙掩埋排水溝、道床積沙、風(fēng)蝕路基的情況時(shí)有發(fā)生,不僅影響線路的正常運(yùn)營(yíng),還要花費(fèi)大量的人力、物力清沙,增加養(yǎng)護(hù)維修費(fèi)用。經(jīng)過(guò)調(diào)查,蘭州鐵路局管段存在Ⅰ級(jí)沙害9處,Ⅱ級(jí)沙害13處,綿延近40 km。沙害形式多樣,點(diǎn)多線長(zhǎng),有些路段流沙已侵襲到路基底部,遇有大風(fēng)天氣,沙粒在風(fēng)的裹挾下隨時(shí)有上道甚至埋沒(méi)道床的危險(xiǎn),嚴(yán)重威脅線路的行車(chē)安全,并縮短養(yǎng)護(hù)周期,增加養(yǎng)護(hù)工作量和費(fèi)用。

我國(guó)在風(fēng)沙地區(qū)修筑的鐵路總長(zhǎng)度超過(guò)5 000 km,在鐵路防沙治沙方面積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。太中銀鐵路沿線的自然環(huán)境特點(diǎn)及風(fēng)沙強(qiáng)度與以往沙漠及戈壁鐵路存在差異,在總結(jié)過(guò)去鐵路防沙成功經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,對(duì)毛烏素沙地的自然環(huán)境條件及太中銀鐵路沙害的分布和防治原則進(jìn)行分析研究。

1 鐵路沙害的種類(lèi)及危害

1.1 鐵路沙害種類(lèi)

鐵路沙害是指風(fēng)沙流對(duì)鐵路運(yùn)營(yíng)及線路養(yǎng)護(hù)帶來(lái)的危害,具體是指對(duì)路基、道床、排水設(shè)施、機(jī)車(chē)、通訊設(shè)備等的磨損和掩埋[1]。沙漠鐵路風(fēng)沙危害類(lèi)型主要有沙埋、風(fēng)蝕、磨蝕3種形式[2]。

1.2 鐵路沙害的表現(xiàn)形式

沙漠地段鐵路由于受到風(fēng)沙流的影響,帶來(lái)很多次生災(zāi)害,具體表現(xiàn)如下所述。

(1)影響線路行車(chē)安全[3]。線路沙埋高度在軌底與軌面之間時(shí),機(jī)車(chē)通行就會(huì)受到影響,稍有不慎就會(huì)發(fā)生脫軌事故。

(2)產(chǎn)生路基病害,降低線路質(zhì)量[3]。沙粒沿道砟孔隙進(jìn)入并沉積,機(jī)車(chē)通過(guò)時(shí)道砟受到振動(dòng),沙粒在振動(dòng)作用下滲漏到道砟底部,長(zhǎng)時(shí)間不進(jìn)行清理就會(huì)填滿(mǎn)道砟孔隙,使道床失去彈性,甚至引起線路拱道,造成不平順及三角坑,降低線路質(zhì)量。

(3)縮短鋼軌及配件的使用壽命[3]。風(fēng)沙流磨蝕、撞擊鋼軌,使鋼軌出現(xiàn)麻坑,甚至不均勻磨蝕而出現(xiàn)線路不平順,加劇軌面磨耗。風(fēng)沙流還會(huì)引起連接零件和扣件的銹蝕、松動(dòng),影響線路彈性的一致性。

(4)對(duì)機(jī)車(chē)、水電設(shè)備造成破壞。沙粒通過(guò)機(jī)車(chē)進(jìn)氣系統(tǒng)進(jìn)入機(jī)車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī),造成各部分摩擦加劇,磨耗增大,更換頻繁;風(fēng)沙流還會(huì)對(duì)水電設(shè)備、信號(hào)機(jī)等附屬設(shè)施造成磨蝕危害。

(5)降低列車(chē)通行速度。沙塵天氣時(shí),機(jī)車(chē)乘務(wù)員瞭望距離縮短,為了保證行車(chē)安全,必須降低運(yùn)行速度,單位時(shí)間內(nèi)通行列車(chē)對(duì)數(shù)下降,降低線路運(yùn)輸能力。

(6)堵塞排水設(shè)施。風(fēng)沙沉積引起涵洞凈空減少,排水溝被掩埋,洪水來(lái)臨時(shí),造成路基進(jìn)水甚至沖垮路基。

(7)增加線路的養(yǎng)護(hù)維修工作量[3]。沙漠段鐵路為保證行車(chē)安全,必須加強(qiáng)巡視和養(yǎng)護(hù),風(fēng)沙在線路及附屬設(shè)施上的沉積要及時(shí)清理,磨蝕的鋼軌要進(jìn)行打磨,道床要定期進(jìn)行清篩,這些都要消耗大量的人力、物力,增加開(kāi)支。

2 毛烏素沙地的自然條件

毛烏素沙地位于北緯37°27.5′～39°22.5′,東經(jīng)107°20′～111°30′,面積3.21萬(wàn)km2,是我國(guó)12大沙漠之一,固定、半固定沙丘廣泛分布,個(gè)別地區(qū)有流動(dòng)沙丘分布。沙丘高度5～15 m,植被覆蓋度低,沙層松散,易于風(fēng)吹起沙。

2.1 地質(zhì)地貌特征

毛烏素沙地海拔1 100～1 500m,個(gè)別地區(qū)可高達(dá)1 600m,地形起伏較大,以“硬梁”、“軟梁”、“灘地”、“丘陵”組成[4]。硬梁地構(gòu)成物質(zhì)為白堊紀(jì)紫砂巖和侏羅紀(jì)的灰綠砂巖,風(fēng)化強(qiáng)烈,巖性松軟。軟梁地分布于該區(qū)東南部,系第四紀(jì)松軟沙質(zhì)與沙壤質(zhì)間層的沉積物,局部為第三紀(jì)沉積物。灘地由河流、湖泊的沉積物構(gòu)成,主要物質(zhì)為細(xì)沙和粉沙。本區(qū)東部分布著黃土丘陵,組成物質(zhì)為沙黃土。

沙區(qū)分布著大量的固定、半固定沙丘,流動(dòng)沙丘集中在南部。北部為黃河沖積平原,地勢(shì)平坦,起伏小,適宜種植農(nóng)作物;西接騰格里沙漠,北接庫(kù)布齊沙漠,地形以沙丘、沙山為主,起伏大,生態(tài)環(huán)境惡劣;東部及南部主要分布著丘陵與低山。

2.2 氣候特征

毛烏素沙地處于一個(gè)西北向東南逐漸濕潤(rùn)的過(guò)渡帶,干旱—半干旱—濕潤(rùn)的氣候過(guò)渡使全區(qū)的降水很不均勻,西北部年降水量不足200 mm,南部濕潤(rùn)區(qū)降水量卻高達(dá)400mm。由于受到季風(fēng)的影響,全年降水季節(jié)分布也不均勻,7、8、9三個(gè)月的綜合降水量占全年降水量的60%～75%,尤以8月份最多。降水年季節(jié)變化大,豐水年后的1～3年為枯水年,嚴(yán)重影響植物的生長(zhǎng)。

沙區(qū)年平均氣溫6.0～9.0℃,氣溫最低的1月份均溫為-9.5～-12℃,氣溫最高的7月份均溫為22～24℃,全年積溫為2 700～3 000℃。年蒸發(fā)量1 600～2 550mm,是降水量的5～12倍[5]。

年平均風(fēng)速為2.8 m/s,大風(fēng)天數(shù)49.8d,最大風(fēng)速18m/s。1～4月份主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)槲鞅憋L(fēng),5～10月份以東南風(fēng)為主,11～12月風(fēng)向由東南風(fēng)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槲鞅憋L(fēng)。

2.3 水文條件

毛烏素沙地所在地構(gòu)造基礎(chǔ)為鄂爾多斯盆地,是一個(gè)地下水盆地[5],地面以下數(shù)百米至千米以下分布有多個(gè)含水層系統(tǒng),深層地下水儲(chǔ)量相當(dāng)豐富。淺層地下水儲(chǔ)量是我國(guó)主要沙漠、沙地中相對(duì)豐富的,并且水質(zhì)好、埋藏淺,丘間低地地下水埋藏深度一般為1～2m。全區(qū)分布著170多個(gè)湖泊,河流有禿尾河、無(wú)定河、窟野河及其支流,這些地表水與地下水相互補(bǔ)充。

2.4 土壤

毛烏素沙地土壤自西北向東南呈現(xiàn)出半荒漠棕鈣土和灰鈣土—典型草原淡栗鈣土—黃土高原淡黑壚土的變化[6]。土壤類(lèi)型有鹽漬土、沼澤土、黃土、沙土等,機(jī)械組成偏沙性,地質(zhì)松散,保水力低,肥力差。

2.5 植被

毛烏素沙地水分條件優(yōu)越,水熱配合好,適合植物的生長(zhǎng)[7]。全區(qū)面積的60%以上為草場(chǎng),近2 km2,生長(zhǎng)著一些沙生、旱生草本植物。林地面積占全區(qū)面積的20%以上,其中一半以上是灌木叢林,廣泛生長(zhǎng)著沙柳、臭柏、白刺、花棒等。

3 太中銀鐵路沙害分布及成因分析

3.1 分布

太中銀鐵路蘭州鐵路局管段沙害集中在定邊至中衛(wèi)、定邊至銀川兩條線路上,共有22處沙害路段。定銀線存在17處沙害路段,Ⅰ級(jí)沙害8處,Ⅱ級(jí)沙害9處,總長(zhǎng)度約26 km,大部分路段位于沙漠邊緣地帶,風(fēng)沙流強(qiáng)烈。定中線存在5處沙害路段,Ⅰ級(jí)沙害1處,Ⅱ級(jí)沙害4處,總長(zhǎng)度約12 km,主要沙害原因?yàn)槿藶槠茐闹脖辉斐缮趁媛懵丁?/p>

3.2 沙害成因分析

3.2.1 自然因素

太中銀鐵路在選線時(shí)就開(kāi)始考慮沙害的影響,盡量避繞沙區(qū),但是受到地形及建設(shè)經(jīng)費(fèi)的影響,有些路段不得不從沙漠中穿過(guò),如定銀線K1 559+200～K1 563+500、K1 519+000～K1 523+500。這部分路段兩側(cè)原本就有高大沙丘,植被覆蓋度低、黃沙裸露,風(fēng)季積沙現(xiàn)象特別嚴(yán)重,并且沙丘向線路方向移動(dòng),存在風(fēng)沙流和沙丘移動(dòng)雙重危害。

3.2.2 人為因素

太中銀鐵路位于毛烏素沙地南緣,此地土地貧瘠,保水力低,植物類(lèi)型單一,生態(tài)系統(tǒng)十分脆弱,一經(jīng)破壞很難自行修復(fù)。鐵路在修建和運(yùn)營(yíng)過(guò)程中,原本植被覆蓋度較好的地段,也會(huì)因人類(lèi)不正當(dāng)?shù)幕顒?dòng)產(chǎn)生沙害。人為因素造成的沙害可以分為以下3個(gè)方面。

(1)超載放牧、無(wú)度樵采。沿線人口密集的地域,土地貧瘠,農(nóng)作物產(chǎn)量低,當(dāng)?shù)乩相l(xiāng)只有靠大量飼養(yǎng)牲畜和無(wú)節(jié)制地樵采灌木叢林為生,缺少封草育草的措施,長(zhǎng)時(shí)間的破壞使沙面裸露,風(fēng)蝕加劇。

(2)隨意開(kāi)墾。沿線居民把鐵路防護(hù)欄外側(cè)的沙地開(kāi)墾為農(nóng)田,一般4月初播種,10月末收獲,在11月到來(lái)年4月這段時(shí)間內(nèi),地表裸露,并且與風(fēng)季同步,風(fēng)吹沙起,給線路帶來(lái)沙害。

(3)施工破壞。修筑鐵路時(shí)運(yùn)輸物資的車(chē)輛反復(fù)碾壓,壓死原有植物,“切割”土層形成破口,使下伏散沙出露[8],風(fēng)蝕、堆積隨之加劇,由于施工便道距離線路近,風(fēng)沙危害十分嚴(yán)重。

4 防沙原則及措施研究

4.1 防治原則

針對(duì)鐵路沿線的氣候特點(diǎn),總結(jié)以往鐵路防沙的成功經(jīng)驗(yàn),提出本線路防治工作的總的原則是建立起一套三維防護(hù)體系,時(shí)間上近期規(guī)劃和遠(yuǎn)期規(guī)劃相結(jié)合,空間上鐵路兩側(cè)由遠(yuǎn)及近設(shè)立一條屏障。近期以工程防護(hù)為主,植物防護(hù)相結(jié)合,遠(yuǎn)期以植物措施為主,最終建立起一條防沙效果好、景色美觀的綠色長(zhǎng)廊。根據(jù)太中銀鐵路沿線的風(fēng)沙流強(qiáng)度,鐵路兩側(cè)各布設(shè)100～200m寬的格狀防沙網(wǎng)或麥草方格沙障,就足以固定原有沙面,防止就地起沙。部分工點(diǎn)沙丘范圍較大,對(duì)于這些工點(diǎn)還需要在固沙措施外側(cè)扎設(shè)高立式阻沙欄,攔截外部風(fēng)沙流。工程措施建立起來(lái)后,雨季來(lái)臨前將植物幼苗種植在固沙方格內(nèi),利用工程措施保護(hù)其生長(zhǎng)。

4.2 近遠(yuǎn)期結(jié)合

通過(guò)研究本線路通過(guò)區(qū)的風(fēng)沙流強(qiáng)度和沙丘范圍,一定覆蓋度的植物措施就足以固定沙面,避免或減少沙害的發(fā)生,而且本地的降水量足以維持植物的生長(zhǎng)。但是直接在沙丘上播撒草籽,植物幼苗抵抗力弱,很容易被沙埋或風(fēng)蝕死亡,不但浪費(fèi)物資,更為嚴(yán)重的是延誤了治沙的時(shí)機(jī)。因此本工程前期以工程措施為主體,鋪設(shè)格狀防沙網(wǎng)、扎設(shè)高立式阻沙欄、挖積沙溝堤等等,利用工程設(shè)施初步固定原有沙面及阻擋外部流沙,形成一個(gè)穩(wěn)定的環(huán)境,然后在雨季來(lái)臨前種植灌木、撒播草籽,利用工程措施保護(hù)植物生長(zhǎng)。防沙網(wǎng)、高立式沙障等在使用過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)破損、倒伏、沙埋等現(xiàn)象,前期要加強(qiáng)巡視和養(yǎng)護(hù),隨時(shí)對(duì)出現(xiàn)問(wèn)題的部位進(jìn)行修補(bǔ)、替換,到后期植物覆蓋度措施達(dá)到足以防沙固沙時(shí),工程措施自行報(bào)廢。在地下水儲(chǔ)量大、埋藏淺的工點(diǎn),打簡(jiǎn)易井,人工抽水灌溉,幫助植物順利度過(guò)枯水年,加快生長(zhǎng)速度。最終形成一套治標(biāo)治本、一勞永逸、防沙徹底的植物防護(hù)體系。

4.3 因害設(shè)防

沿線沙害地段沙害程度差別甚大,有的工點(diǎn)是綿延近10 km的沙丘鏈,有的工點(diǎn)只是幾百米長(zhǎng)的裸露沙地,沙害類(lèi)型也存在差異,所以在設(shè)計(jì)防護(hù)體系時(shí)要針對(duì)每個(gè)工點(diǎn)的情況單獨(dú)設(shè)計(jì),不強(qiáng)求統(tǒng)一。

定銀線K1 559+200～K1 563+700工點(diǎn),沙丘沿線路分布長(zhǎng)度約5 km,寬度在100 km以上,沙丘高大、范圍廣。沙源既有鐵路附近的就地起沙,又有從遠(yuǎn)處吹過(guò)來(lái)的風(fēng)沙流,針對(duì)這樣的情況,單獨(dú)采取固沙措施,遠(yuǎn)處的風(fēng)沙流被固沙帶攔截并沉積,短時(shí)間內(nèi)積沙就會(huì)埋沒(méi)固沙帶。對(duì)于這些工點(diǎn)防護(hù)工程要從2個(gè)方面入手:(1)在線路外側(cè)鋪設(shè)格狀防沙網(wǎng)固定沙面;(2)在固沙帶外側(cè)100～150m處設(shè)立阻沙欄,攔截外部風(fēng)沙流。對(duì)于沙丘范圍在線路兩側(cè)150 m以?xún)?nèi)的工點(diǎn),沒(méi)有外來(lái)沙源補(bǔ)充,風(fēng)沙流主要來(lái)自就地起沙的工點(diǎn),要著重注意固定沙面,利用固沙措施將整個(gè)沙丘包裹,防止就地起沙現(xiàn)象的發(fā)生。真正做到因害設(shè)防,修建有針對(duì)性的防護(hù)工程,有效減少沙害。

5 結(jié)語(yǔ)

太中銀鐵路蘭州鐵路局管段存在嚴(yán)重沙害地段22處,總長(zhǎng)度近40 km,沙丘靠近線路,隨時(shí)有上道的危險(xiǎn)。沙害分布點(diǎn)多線長(zhǎng),類(lèi)型及程度差異大,單獨(dú)制定每個(gè)工點(diǎn)的防沙固沙措施,防沙效果顯著并且節(jié)約經(jīng)費(fèi)。經(jīng)過(guò)調(diào)查,毛烏素沙地的氣象水文條件足以支持灌木叢林的生長(zhǎng),植被在工程措施的保護(hù)下短時(shí)間內(nèi)就能達(dá)到防沙固沙的要求,最終建立起一套植物防護(hù)體系。

參考文獻(xiàn):

[1] 李肖倫.我國(guó)鐵路沙害的防治[J].中國(guó)鐵路,2004(11):28 -30.

[2] 趙性存.中國(guó)沙漠鐵路工程[M].北京:中國(guó)鐵道出版社,1988.

[3] 錢(qián)征宇.中國(guó)沙漠鐵路的風(fēng)沙危害及其防治技術(shù)[J].中國(guó)鐵路, 2003(10):24 -26.

[4] 劉廣峰.毛烏素沙地荒漠化監(jiān)測(cè)及定居放牧的影響研究[D].哈爾濱:東北林業(yè)大學(xué),2007.

[5] 何彤慧.毛烏素沙地歷史時(shí)期環(huán)境研究[D].蘭州:蘭州大學(xué),2008.

[6] 楊永梅.毛烏素沙地沙漠化驅(qū)動(dòng)因素研究[D].西安:西北農(nóng)林科技大學(xué),2007.

[7] 任倉(cāng)鈺.毛烏素沙地沙漠化原因探討[J].地質(zhì)災(zāi)害與環(huán)境保護(hù), 2002,13(2):30 -31.

[8] 王國(guó)聯(lián),張道金.臨策鐵路天鵝湖至額濟(jì)納段線路及防沙工程方案研究[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì),2011(4):1 -5.

[9] 張德平,德力,趙家明,等.車(chē)輛碾壓引起草原沙漠化研究進(jìn)展[J].呼倫貝爾學(xué)院學(xué)報(bào),2011,19(3):82 -88.

Investigation on Current Status of Blown-sand Hazards and Discussion on Prevention Principle along Taiyuan-Zhongwei-Yinchuan Railway

LIU Hui1,ZHU Sheng-xian2,YANG You-hai1
(1.School of Civil Engineering,Lanzhou Jiaotong University,Lanzhou 730070,China; 2.Lanzhou Railway Bureau,Lanzhou 730000,China)

This paper gives a brief introduction on the situations and characteristics of blown-sand hazards along railway and summarizes the action mode of blown-sand.Through field investigation and research, the natural environment conditions,reasons distributions and characteristics of blown-sand hazards along Taiyuan-Zhongwei-Yinchuan Railway weremastered.Based on the successful experiences of other desert railways in preventing and controlling the desertification,according to the special conditions of this area, and by way of adjusting measures to local conditions,a set of effective preventing and controlling plan were worked out.

Taiyuan-Zhongwei-Yinchuan Railway;Maowusu sandy land;railway blown-sand hazards; prevention principle

U216.41+3

A

1004 -2954(2012)10 -0008 -03

2012-03-06

鐵道部科技研究開(kāi)發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2011G023-C)

劉 輝(1987—),男,碩士研究生,E-mail:ganwei2010@ 126.com。