王建鵬

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，陜西 西安 710043)

阿布扎比酋長國修建的Al Mirfa至Shah段鐵路，位于魯卜哈利沙漠 Rub Al Khalid(Empty Quarter)，該沙漠覆蓋了阿拉伯半島的三分之一。為了防風(fēng)固沙，減小風(fēng)沙對鐵路工程的危害，為鐵路修建提供合理的治沙方案，根據(jù)沙漠不同地段風(fēng)沙的特點(diǎn)，重點(diǎn)探討了工程區(qū)的地形地質(zhì)、氣候特征、沙丘的類型、分布與活動(dòng)特征、粒度組成、風(fēng)況、地表干沙厚度及含水量等風(fēng)沙特性，預(yù)測了風(fēng)沙對鐵路的危害，為鐵路選線提供合理的設(shè)計(jì)原則［1］。

1 地形地質(zhì)簡介

阿聯(lián)酋的阿布扎比邦位于阿拉伯半島東部，地處阿拉伯沙漠東南部的東北側(cè)，境內(nèi)除東北部有少量山地外，絕大部分是海拔200 m以下的洼地和沙漠;北部沿波斯灣為734 km的海岸線，分布有海岸鹽沼帶，地勢較平坦，從西往東地勢抬高，從海岸往山區(qū)，海拔變高。

Al Mirfa至Shah段表層由5種第四紀(jì)沉積地層組成，分別是海岸地帶、沙丘、碳酸鹽濱海砂層沉積地帶，沙丘—海岸地帶夾雜地層以及古沙丘沉積層。第四系全新統(tǒng)地層有鹽漬土、粉土、砂類土，碳酸鈣及氯化鈉鹽殼，沙丘砂;其下古沙丘沉積地層主要為第四系更新統(tǒng)的沙丘砂沉積壓實(shí)形成。古沙丘以下地層形成于上第三系中新統(tǒng)(N1)，主要由淺層海洋泥巖和粉砂巖構(gòu)成，夾雜有碳酸鹽和蒸發(fā)巖?；诪樯系谌抵行陆y(tǒng)(N1)大陸環(huán)境形成的碎屑沉積巖。

沙漠區(qū)主要的地質(zhì)問題除風(fēng)沙危害外，還有軟弱地基，鹽漬土，地震液化及地表水、高含鹽度的地下水對混凝土侵蝕性問題。地震動(dòng)峰值加速度為0.09g，為7度區(qū)。

2 氣候特征

2.1 溫度和溫差

阿布扎比酋長國的特點(diǎn)是氣候炎熱干旱，夏天極其炎熱，冬天非常暖和。最高氣溫通常在12∶00至14∶00，而最低氣溫一般在 03∶00 至 04∶00。

2.2 降雨量

由于沙漠遍布，水氣來源于印度洋阿拉伯海的波斯灣，由于北部內(nèi)陸受高山阻隔，東南季風(fēng)難以深入，造成氣候干旱，降水稀少，除東部山區(qū)雨量較多外，阿布扎比地區(qū)從1971年至2004年的年平均降雨量約為47.2 mm/年，雨季大多數(shù)集中在11月—翌年2月，降雨也沒按月平均分布，而一般集中在2月—3月的1～3 d的強(qiáng)降雨之中。

2.3 蒸發(fā)量

該區(qū)降水稀少，蒸發(fā)強(qiáng)烈，在地表組成物質(zhì)粗疏和易于滲漏的條件下，地表水和地下水比較貧乏。周期年平均總蒸發(fā)量(土壤水分蒸發(fā)蒸騰損失總量)5 400 mm，最大蒸發(fā)期為5月—10月，此時(shí)風(fēng)力較強(qiáng)，空氣干燥。

2.4 日照

研究段落太陽直射水平年變化(單位:Wh/m2)平均最大值約為900 Wh/m2，平均值約為480 Wh/m2，平均最小值約為250 Wh/m2?？傮w太陽直射水平很高。

2.5 風(fēng)況

該區(qū)段季風(fēng)氣候顯著，深受北風(fēng)、西北偏北風(fēng)和東風(fēng)的影響，風(fēng)向及風(fēng)力隨地區(qū)和季節(jié)的不同而不同。大部分丘陵流動(dòng)沙丘區(qū)處在印度洋阿拉伯海的波斯灣海岸高壓控制下，受北風(fēng)和西北風(fēng)氣流的影響，丘陵流動(dòng)沙丘區(qū)風(fēng)力較大，在風(fēng)季風(fēng)速達(dá)到5～9級是常見的，三月份Shamal(當(dāng)?shù)胤Q“薩姆拉”)季風(fēng)來臨時(shí)為風(fēng)速高峰期。風(fēng)力日變化為午后14∶00～16∶00風(fēng)速最大，凌晨3點(diǎn)左右最小。所以，在冬、春風(fēng)季，沙質(zhì)地表受風(fēng)力吹揚(yáng)，造成風(fēng)沙彌漫，沙暴頻繁。

鐵路區(qū)當(dāng)?shù)孛嬉陨? m風(fēng)速超過4 m/s時(shí)，直徑為0.10～0.25 mm的地表沙粒隨即隨風(fēng)移動(dòng)。最大風(fēng)速為9級，每月最大風(fēng)速均高于起沙風(fēng)速。

3 沙丘特征

3.1 沙丘分布

流動(dòng)沙丘主要分布于微丘區(qū)和丘陵區(qū)，固定、半固定沙丘僅分布在沙漠的邊緣和一些水流條件較好的溝谷附近。流動(dòng)沙丘受主導(dǎo)風(fēng)向及季風(fēng)影響，整體為NW－N向的大型沙壟及NE－E或近E－W向的橫向大型新月形沙丘鏈，及鏈間橫向小沙丘。沙丘之間圍成平坦的鹽沼地帶，丘表和丘間局部有少量植物。

3.2 沙丘類型

多為新月形沙丘鏈?zhǔn)孜蚕嘟?，與沙壟以及丘間鹽沼形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，沙丘高度達(dá)10～50 m。沙丘高，連成一片，局部為魚鱗狀復(fù)合型沙丘，對142 km段落進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，類型多樣。

3.2.1 新月形沙丘

沙丘中部高，兩翼端角低，形似新月，高度10～30 m居多，最小的有2 m高，最大的高度＞50 m。迎風(fēng)坡10°～12°，背風(fēng)坡 23°～32°，滑跌坡緩圓，移動(dòng)快，危害大，多分布于微丘陵區(qū)的沙壟之上。新月形沙丘形成風(fēng)向?yàn)?N、NW、W 風(fēng)。

3.2.2 新月形沙丘鏈

單個(gè)新月形沙丘并肩相連，呈E－W向及NE－E向與主導(dǎo)風(fēng)向(NW、N)垂直，成群結(jié)隊(duì)，近平行展布，起伏較大，一般高10～30 m，個(gè)例高達(dá)50 m以上。

3.2.3 新月形沙壟

新月形沙丘相互套生，基本沿主導(dǎo)風(fēng)向延伸，縱向長度較大，發(fā)育于古沙丘之上，繼承了海水退時(shí)古沙丘留下的地貌特點(diǎn)，長達(dá)300 m，有的近1 000 m。

3.2.4 魚鱗狀復(fù)合沙丘

各種大型新月形沙丘鏈?zhǔn)孜蚕噙B與丘間鹽沼洼地形成的復(fù)合體，新月形沙丘相互疊置，鏈間有小沙丘連接，在俯視圖上酷似魚鱗。高度較大，洼地到丘頂一般＞50 m，近洼地的背風(fēng)坡較陡，約 28°～35°。

3.3 沙丘的物質(zhì)特征

3.3.1 顆粒

吹揚(yáng)作用下微小顆粒不斷被吹走，使粉粒、黏粒的含量減少，中等顆粒(細(xì)砂)的百分比相對增加。鐵路沙丘區(qū)表層松散層最淺2 m，最深11 m，

3.3.2 成分

該區(qū)沙質(zhì)來源于母巖細(xì)、粉砂巖的風(fēng)化、搬運(yùn)、剝蝕，在搬運(yùn)過程中，礦物成分90%以上為石英和長石。風(fēng)積沙顏色與母巖砂巖相似。

3.3.3 含水率

該地區(qū)旱、熱，地表土壤一般不固化，表層10 cm取樣分析，含水率＜3%，表層10～100 cm的含水率為3% ～19%，平均11%。

3.3.4 沙丘移動(dòng)

我國學(xué)者根據(jù)室內(nèi)風(fēng)洞和野外進(jìn)行的不同條件下風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)的動(dòng)態(tài)攝影［2］試驗(yàn)和高速閃頻攝影［3-5］，精確地記錄了沙粒運(yùn)動(dòng)的微觀過程，對沙粒運(yùn)動(dòng)圖像有了較清晰的了解，并對沙粒躍移的物理過程及其機(jī)理作出新的解釋［6-7］。

當(dāng)風(fēng)速為9.4 m/s，風(fēng)向?yàn)镹W時(shí)，地面以上0～10 cm內(nèi)的輸沙量占總輸沙量的75.30%，位于大沙漠邊緣的沙丘移動(dòng)快，年移動(dòng)值一般5～10 m，局部＞10 m，沙漠中部的沙丘移動(dòng)慢，年移動(dòng)值甚至不到1 m。

4 沙害預(yù)測及選線

4.1 風(fēng)沙危害程度預(yù)測

根據(jù)風(fēng)沙對鐵路的沙埋、風(fēng)蝕、磨蝕等危害，按危害程度可分為嚴(yán)重、中等和輕微。

哈布桑(Habshan)—沙赫(Shah)段為丘陵沙漠區(qū)，為嚴(yán)重風(fēng)沙地段。工程通過大面積(＞10 km2)的高大、密集流動(dòng)沙丘、風(fēng)沙流活動(dòng)頻繁地區(qū)，附近有大面積稀疏、低矮流動(dòng)沙丘，沙丘年移動(dòng)值＞10 m。沙源豐富(包括明沙，鹽沼沙)。8級以上大風(fēng)將可能造成嚴(yán)重沙害。活動(dòng)沙丘的整體移動(dòng)可形成堆狀沙埋，這種沙埋、風(fēng)沙流危害嚴(yán)重?？梢钥吹?，附近公路局部路面1/4以上被流沙壓埋。

馬里夫(Al Mirfa)—哈布桑(Habshan)段為微丘陵沙漠區(qū)，為中等風(fēng)沙地段。工程通過大面積半固定沙丘和部分流動(dòng)沙丘為主的地區(qū)，沙丘年向前移動(dòng)值5～10 m;通過段沙層疏松，沙地深厚，風(fēng)蝕作用顯著。8級以上大風(fēng)時(shí)，有中等危害。附近公路局部沙埋路肩的一半至路肩。

我國沙漠在干旱和極干旱區(qū)以重度危害為主，其比例可占沙害的一半以上，重度危害出現(xiàn)于距工程較近，沙丘密度大的高大流動(dòng)沙丘區(qū)。

4.2 選線原則

阿布扎比鐵路Al Mirfa至Shah段沿線幾乎全為風(fēng)沙覆蓋，沿線風(fēng)沙地段包括流動(dòng)沙丘(沙地)、半固定沙丘(沙地)，其中沙害嚴(yán)重地段新月形沙丘、沙丘鏈、沙壟密布，沙海連綿，表層幾乎無植被覆蓋。受主導(dǎo)風(fēng)向的影響，沙丘由西北向東南呈往復(fù)擺動(dòng)式前進(jìn)。流動(dòng)沙丘上很少有植物生長，在沙丘坡腳和丘間洼地生長有沙生植物。區(qū)內(nèi)流動(dòng)沙丘以流動(dòng)的新月形沙丘鏈為主，一般高度在3 ～20 m，個(gè)別可達(dá)20 ～50 m。低洼地帶沙層厚度為5～10 m。固定、半固定沙丘僅分布在沙漠的邊緣和一些水流條件較好的溝谷附近。

根據(jù)衛(wèi)星遙感圖像和帶狀地形圖，結(jié)合該段客貨混行(200 km/h時(shí)速)、土建工程及現(xiàn)場調(diào)查，對于線路經(jīng)過處不同高度不同類型的沙丘采取了如下選線原則。

4.2.1 線路平面

1)線路依據(jù)控制點(diǎn)馬里夫(Al Mirfa)—哈布桑(Habshan)—麥迪納特·扎伊德(Madinat Zayed)—哈布桑(Habshan)—沙赫(Shah)段方向盡量以最短直線布設(shè)，多采用大半徑4 200～7 000 m平曲線線形，偏角控制在30°范圍以內(nèi)。

2)充分利用有利地形，布設(shè)線路于沙丘、沙壟間開闊地帶?；蛏城鹩L(fēng)坡側(cè)，保持路線流暢平坦。避開山地陡坡積沙地段，宜選在山地背風(fēng)側(cè)鹽沼洼地內(nèi)、背風(fēng)坡及風(fēng)影部分以外的地段通過。

3)以沿線的深入沙漠的公路(馬里夫—里瓦E44公路)為依托，盡量走在公路的背風(fēng)側(cè)，以E44公路作天然屏障。公路沿線已經(jīng)做過治理，防護(hù)林及人工阻沙帶有一定寬度，風(fēng)沙危害相對較小。

4)大范圍無有利地形時(shí)，直穿相對高度＜20 m的沙丘分布路段;合理繞避高度 ＞20 m的大沙體，線路總體走向NW －N與主導(dǎo)風(fēng)向 NW，N，W 角度 ＜15°，近平行。

5)避免采用小半徑，并宜將曲線設(shè)計(jì)為路堤，外側(cè)朝向主導(dǎo)風(fēng)向。

4.2.2 路基縱斷面

對于縱斷面設(shè)計(jì)，較窄的線狀工程和過風(fēng)性的面狀工程或較寬的線狀工程設(shè)計(jì)思路有所不同，最大的不同是輸沙和阻沙上。一般公路工程和透風(fēng)的一些小型工程，表面流暢，較平整，部分風(fēng)沙流攜帶的沙可以輕易地通過工程表面而被帶走，這是輸沙理念，縱斷面設(shè)計(jì)遵循零填挖，即縱斷面高度與原自然地面盡量平齊，設(shè)置低路基，采用填挖平衡，或填方略大于挖方，便于輸沙。

4.2.3 路基橫斷面

首先考慮以工程防沙為主的基本治沙方案，以滿足擋沙要求及線路正常運(yùn)營為基本原則［8-9］。

1)當(dāng)路堤邊坡高度h≤3 m時(shí)，邊坡坡率采用1∶5;當(dāng)邊坡高度10 m≥h＞3 m時(shí)，邊坡坡率采用1∶2;當(dāng)邊坡高度h＞10 m時(shí)，路堤邊坡形式采用折線型邊坡，考慮邊坡穩(wěn)定及施工的便利，從路基面向下邊坡每5 m設(shè)3 m寬平臺(tái)。

當(dāng)路堤邊坡較陡(1∶1.75～1∶2)，氣流受路堤阻擋作用明顯，在路堤迎風(fēng)側(cè)產(chǎn)生高壓區(qū)，邊坡下部的風(fēng)速減小，上部增大，在路肩上部達(dá)到最高值，然后擴(kuò)散，從路堤中心開始減速，至路堤背風(fēng)側(cè)形成低速區(qū)。見圖1。當(dāng)邊坡坡率緩于1∶1.75，低速區(qū)長度一般為路堤高度的7～8倍。路堤越高，迎風(fēng)側(cè)路肩風(fēng)速增值愈大。例如，2.1 m高的路堤比2.0 m高的路堤在路肩以上20 cm處的風(fēng)速高10%左右;路堤高8 m時(shí)，該位置的風(fēng)速增加為50%左右。

當(dāng)路堤邊坡緩于1∶4，越過路堤的流線比較勻稱，氣流的分離層較薄。

圖1 路堤風(fēng)速增減率等值線(單位:%)

顯然，在路堤高度確定的情況下，應(yīng)盡量采用緩邊坡路堤通過。路肩及道心積沙相對少點(diǎn)。

2)路塹地段采用展開式路塹，挖開后填筑成高度1.1 m的低路堤，低路堤邊坡坡率采用1∶2，低路堤兩側(cè)設(shè)一定寬度的積沙平臺(tái)，低路堤邊坡采用碎石類土包坡。

邊坡坡率陡于1∶4的情況下，則于塹內(nèi)出現(xiàn)順線路方向的順槽風(fēng)，順槽風(fēng)頂面和路塹頂風(fēng)層的底面之間形成“渦旋風(fēng)”使沙粒躍入路塹內(nèi)，路塹短，堆積在路塹溝口，路塹長，堆積于背風(fēng)側(cè)的平臺(tái)，或呈舌形從背風(fēng)側(cè)堆積至迎風(fēng)側(cè)，掩埋軌頂。

邊坡坡率緩于 1∶4，尤其是 1∶7 ～1∶8時(shí)，氣流流線比較平順，且產(chǎn)生滑移沖力，可將大部分沙粒輸送至迎風(fēng)側(cè)塹頂以外，但受鐵路上部結(jié)構(gòu)的阻擋，使部分沙粒積于道床邊坡兩側(cè)與道心。因此，路塹地段盡量以降低甚至“消滅”順槽風(fēng)為目標(biāo)，以敞開式、緩邊坡通過。

4.2.4 防護(hù)帶寬度

結(jié)合防護(hù)帶形式，防沙措施根據(jù)沿線風(fēng)沙活動(dòng)程度確定，典型的布置方案為:至路堤坡腳向外依次為:①防火隔離帶;②植物防沙帶;③土工網(wǎng)方格帶;④空留帶;⑤高立式防沙柵欄(高2 m);⑥空留帶;⑦高立式防沙柵欄(高2 m);⑧封沙帶;⑨防護(hù)柵欄。可以選其中 1+2，1+2+5+8+9，1+2+3+4+5+8+9 或 1～9個(gè)帶全上的防治措施，依據(jù)工程的情況設(shè)置，選線要考慮其整體寬度。

4.2.5 復(fù)雜沙丘區(qū)

沙丘連綿不斷的地區(qū)，一般的選線原則是線路應(yīng)選擇通過較為低矮的沙丘區(qū)，不宜直接穿越高大沙丘區(qū)并盡量與主導(dǎo)風(fēng)向平行。

但是，根據(jù)近幾年的研究，沙漠腹地的高大沙丘的整體移動(dòng)是極其微弱的，而低矮沙丘和沙丘鏈移動(dòng)速度則較快。

新月形沙壟和魚鱗狀復(fù)合型沙丘地形起伏劇烈，選線難度相對較大，對這類沙丘高在20 m以上的，地形一般10年不發(fā)生明顯變化，對于這種雖然高大，但地形比較穩(wěn)定的沙丘區(qū)，繞避不了的可以考慮穿越。不是不能涉足的。

因阿布扎比酋長國Al Mirfa至Mezairaa段鐵路與沙特鐵路同為魯卜哈利沙漠，依據(jù)沙特鐵路的成功經(jīng)驗(yàn)，鐵路線路應(yīng)位于大沙丘的向風(fēng)側(cè)。如果可能的話，鐵路線路盡量沿盛行風(fēng)走向，當(dāng)盛行風(fēng)沿鐵路線吹時(shí)，鐵路應(yīng)位于較高的易于疏導(dǎo)流沙的路基上面。在風(fēng)速高的沙地，路基的高度應(yīng)至少與其周圍的沙丘一樣高，采用挖方或填方。

4.2.6 沙漠地區(qū)選線設(shè)計(jì)分清工程類型是至關(guān)重要的

設(shè)計(jì)過程中，公路的設(shè)計(jì)思路和鐵路的設(shè)計(jì)思路是不同的。沙漠公路根據(jù)設(shè)計(jì)等級可以允許路面過沙。其路面平順，少許沙粒能被帶走，但鐵路不同，由于路基特殊的結(jié)構(gòu)，沙粒會(huì)在路基附近堆積。因此，設(shè)計(jì)的邊坡坡率是不一樣的。以路基斷面為例:我國毛烏素沙漠公路路堤多采用緩邊坡或淺槽式。當(dāng)h＜1 m時(shí)，坡率為1∶8;當(dāng)3 m ≥h＞1 m 時(shí)，坡率為1∶3;當(dāng)10 m ≥h＞3 m 時(shí)，坡率為 1∶2。

路塹，采用敞開式或?qū)捚脚_(tái)式。路塹深1.5 m，外邊坡1∶8，積沙平臺(tái)寬度迎風(fēng)側(cè)3 m，背風(fēng)側(cè)4 m。路塹深1.5～6.0 m，外邊坡1∶4，積沙平臺(tái)寬度迎風(fēng)側(cè)6 m，背風(fēng)側(cè)4 m。

聯(lián)合鐵路專家認(rèn)為無論是路堤還是路塹，理想的坡度為1∶200，即平展式。但這是不現(xiàn)實(shí)的。這種理念期盼風(fēng)將沙粒全部帶走，更接近于低等級公路的設(shè)計(jì)思想。對于鐵路，因?yàn)槁坊厥獾慕Y(jié)構(gòu)層，定會(huì)阻擋部分風(fēng)沙流運(yùn)動(dòng)而將沙粒沉積于路肩或道心，造成沙害。因此，只能盡可能使道床的外形與鐵路路肩平坦和光滑，以增加鐵路上方的風(fēng)速，并減少沙塵沉積的可能性。必須果斷地采取阻沙、固沙措施，鐵路選線必須考慮合適的坡率和一個(gè)能長期維護(hù)的綜合防護(hù)體系。

5 結(jié)論

要選好Al Mirfa至 Mezairaa段鐵路線路，弄清地形地質(zhì)、氣候特點(diǎn)、沙丘特征是很關(guān)鍵的，針對風(fēng)沙的可能危害，定位好防護(hù)措施是一次實(shí)施，還是分期維護(hù)，確定好治沙的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)步驟，才能選好路堤、路塹坡率，從而確定出防護(hù)帶的寬度，選好線位。同時(shí)，在借鑒國內(nèi)及一些國際工程經(jīng)驗(yàn)時(shí)，不能盲目照搬，理解設(shè)計(jì)的內(nèi)涵，區(qū)分表面光滑，能使風(fēng)加速的沙漠公路和表面結(jié)構(gòu)特殊，能使風(fēng)沙流減速沉積的沙漠鐵路的質(zhì)不同，才能綜合考慮，在新月形沙壟和魚鱗狀復(fù)合型沙丘迎風(fēng)側(cè)的較高位置選出一個(gè)長期的能夠得到維護(hù)和完善的線路。

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