蔡成哲

(格庫鐵路新疆建設指揮部，新疆烏魯木齊　830000)

The Analysis and Prevention of Wind-borne Sand of the new Railway Project from Geermu to Kuerle

CAI Chengzhe

新建鐵路格庫線路基風沙病害特征分析及防治對策

蔡成哲

(格庫鐵路新疆建設指揮部，新疆烏魯木齊830000)

The Analysis and Prevention of Wind-borne Sand of the new Railway Project from Geermu to Kuerle

CAI Chengzhe

摘要格爾木至庫爾勒鐵路位于青海省西部與新疆維吾爾自治區(qū)東南部，經(jīng)柴達木盆地、塔里木盆地，新疆段分別經(jīng)過庫魯塔克沙漠和塔克拉瑪干沙漠南緣。該項目全線路基長度1 116 km，占線路長度的88.4%。對當?shù)貧夂蛱攸c及風沙可能形成的路基病害特征進行分析，提出風沙地區(qū)路基風沙病害防治對策。

關鍵詞路基風沙病害 防治對策

1項目工程概況

格爾木至庫爾勒鐵路位于青海省西部與新疆維吾爾自治區(qū)東南部，東起青海省格爾木市，沿昆侖山北麓、柴達木盆地南緣西行。線路位于青海省海西蒙古族藏族自治州、新疆巴音郭楞蒙古族自治州境內(nèi)。

路基長度1 116 km，約占線路長度的88.4%。路基工點類型主要有：風蝕路基防護工程、風沙路基防護工程、鹽漬土路基處理工程、軟土路基處理工程、地震液化路基處理工程、浸水路基處理工程、危巖落石防護工程及路基支擋工程等。其中風蝕、風沙路基段長度達350余km，約占全線長度的30%，風沙防護為路基工程需要解決的重要問題。

2自然概況

2.1　地形地貌

格爾木至庫爾勒鐵路位于青海省和新疆維吾爾自治區(qū)境內(nèi)，沿線經(jīng)過柴達木盆地區(qū)、阿爾金低中山區(qū)和塔里木盆地區(qū)三個一級地貌單元，總體地勢為中間高，兩頭低。

柴達木盆地區(qū)：為高原內(nèi)陸型盆地，面積約120 000 km2，北西西向展布，四面環(huán)山，夾于祁連山，阿爾金山和昆侖山之間，海拔高2 700～3 100 m，地勢西北部高，東南部低，地形起伏不大，盆地的中部有沙丘分布，沿線分布有風沙等不良地質(zhì)。

阿爾金低中山區(qū)：山脈呈北東走向，海拔高3 000～4 000 m，屬構造剝蝕山地，山勢東南緩西北陡，嶺北溝梁相間，基巖裸露，山間分布有索爾庫里走廊帶、巴什考供盆地及沖積寬谷等沉積帶。線路越嶺地段山體較窄，寬約30～50 km。

塔里木盆地區(qū)：為我國最大的內(nèi)陸型盆地，面積約400 000萬km2，海拔高700～1 300 m，地勢由西南向東北微傾，在東、西部分別有庫魯塔克沙漠和塔克拉瑪干沙漠，塔里木河在兩沙漠間穿過。線路走行在阿爾金山山前洪積扇、洪積平原，以及塔里木河湖積、沖積平原及庫魯塔格山前洪積扇上，沿線發(fā)育有洪積扇群、風蝕洼地與風蝕殘丘及鹽漬化土地等，在塔里木河兩岸局部發(fā)育有綠洲。

線路在柴達木盆地、塔里木盆地分別經(jīng)過大段風沙地區(qū)。

2.2　氣象條件

線路區(qū)域屬于典型的大陸型干旱性氣候區(qū)，分屬高原干旱柴達木區(qū)、高原亞干旱青南區(qū)、南溫帶干旱南疆區(qū)三個氣候大區(qū)。氣候異常干旱、寒冷、多風少雨，晝夜溫差大。尤其在戈壁沙漠中，風的頻率高，風力強，一經(jīng)起風，便飛沙走石，遮天蔽日，能見度極低。

柴達木盆地區(qū)：年平均氣溫1～4 ℃，極端最高氣溫29～33 ℃，極端最低氣溫-29～-33.6 ℃，年平均降水量39～44 mm，年平均蒸發(fā)量大于2 790 mm，每年2～9月為風季，主導風向以西風、西北風為主，年平均風速3～3.7 m/s，最大風速16～39 m/s，年平均8級以上大風日數(shù)15～42天(芒崖鎮(zhèn)瞬時最大風速曾達到39 m/s，年平均8級以上大風日數(shù)108天)；大于起沙風速(約5 m/s)的風經(jīng)常出現(xiàn)。最大凍結深度150～220 cm。

塔里木盆地區(qū)：年平均氣溫11.5 ℃，極端最高氣溫43.6 ℃，極端最低氣溫-27 ℃，年平均降水量17 mm，年平均蒸發(fā)量3 000 mm，每年4～7月為風季，主導風向以東風、東北風為主，年平均風速2.2～3.0 m/s，最大風速大于40 m/s，年平均八級以上大風日數(shù)9～37天。最大凍結深度70～150 cm。

3工程區(qū)域風沙分布特征、活動規(guī)律、類型、危害程度

3.1　沿線風沙分布特征

柴達木和塔里木兩盆地氣候干燥，風大，地形開闊，沙源豐富，全線風蝕和積沙較為普遍。大面積流動沙丘、流動沙地主要分布于茫崖湖東至茫崖湖、東柴山至大烏斯、瓊吐爾至羅布莊、羅布莊至通古斯巴等地段；局部流動沙丘，沙地與半固定沙丘，沙地在格爾木西至東柴山、索爾庫里盆地等地分布；山前積沙地段主要為大烏斯之油砂山、茫崖鎮(zhèn)至阿卡騰能等地段；戈壁風沙流沿線分布較廣，甘森西至茫崖湖、東柴山至尕斯、索爾庫里盆地、庫如克薩伊至若羌等地段作用明顯。在柴達木盆地內(nèi)，主導風向以W、N50W為主，在塔里木盆地內(nèi)，主導風向以N50～70E為主。兩大盆地區(qū)及阿爾金山的索爾庫里盆地局部受風蝕作用的影響明顯。

3.2　風沙對線路危害嚴重程度分類

根據(jù)調(diào)查，將本地區(qū)風沙嚴重程度分為嚴重、中等、輕微等三種類型。

(1)嚴重風沙地段

主要為成片的活動沙丘，或分布廣泛的單個活動沙丘，沙丘的面積占某一范圍面積的20%以上，既存在沙丘移動的危害，又有風沙流的危害；或者是平沙地，線路附近雖然沒有沙丘，但地面幾乎全部是裸露的疏松沙地，風沙流活動很嚴重；或者離線路數(shù)公里范圍外有大片的活動沙丘，而沙丘至線路之間的下墊面有利于沙流通過，年輸沙量≥15 m3/m，嚴重危害鐵路工程。

(2)中等風沙地段

線路附近主要為固定和半固定沙丘或沙地，只分布有少量活動沙丘，主要以風沙流危害為主，年輸沙量為15～5 m3/m；或者離線路附近數(shù)公里范圍內(nèi)有較多沙源，通過線路的流沙量較大，一般為1 m3/m左右；或者風沙較大的假戈壁地區(qū)，表層粗化層(礫石厚5 cm左右)下為沙層，或是礫石中夾較多的(40%左右)沙粒，風力較大時(>17 m/s)，產(chǎn)生大量流沙，對鐵路工程有危害。

植被平均覆蓋度小于40%，植被相對較多，主要為沙柳。沙漠以半固定沙丘為主，大部分地形相對平坦。

(3)輕微風沙地段

大部分為固定沙丘或沙地，少數(shù)為半固定沙丘；或者線路附近無沙丘，遠方有一些沙源，每年有少量沙流≤5 m3/m，對鐵路工程基本無危害。

植被平均覆蓋度大于40%，植被分布均勻，沙漠以固定沙地為主，植被以沙蒿為主。

4風沙對路基工程的危害

風沙地區(qū)鐵路沙害類型主要有三種：對工程構筑物的風蝕、對路基和涵洞的掩埋以及風沙流。

4.1　風蝕

風蝕作用首先是吹蝕作用。庫格線沿線風沙分布范圍廣闊，自然條件具有風大沙多的特點，在強勁風力作用下，路基構筑物沙粒往往被風吹走，對路基形成吹蝕破壞；其次是磨蝕作用，因風沙流中的沙粒不斷沖擊路基，發(fā)生磨蝕。

4.2　沙埋

風沙地區(qū)鐵路的另一危害形式是沙埋。

根據(jù)其規(guī)模及分布特征，往往形成舌狀積沙掩埋、堆積狀積沙掩埋和片狀沙埋等危害形式：舌狀沙埋范圍相對較小，如舌狀蜿蜒延伸，突出部分在鐵路上堆積形成沙埋危害。這類危害主要發(fā)生在風口位置，當路堤上風側有各類障礙物、路塹口有風向斜向的風吹入，以及線路以路塹方式穿過沙丘時更為嚴重；堆積狀沙埋是沙丘大規(guī)模移動的結果，沙丘整體移動在路基附近或路基上堆積成丘，由于輸沙量巨大，清理往往非常困難；片狀沙埋積沙范圍大，積沙沿著鐵路綿延不斷，往往可達數(shù)公里范圍，輸沙量巨大，但由于地形條件相對緩和而未形成沙丘，大面積鋪置于地表，使路基被掩埋。

4.3　風沙流

風沙流對鐵路的危害主要為以下幾個方面：打磨鐵路路基及防護措施；遇阻減速堆積，久而久之形成沙埋；降低能見度，降低列車運行速度，增大交通事故發(fā)生頻率。

4.4　風沙活動對本線的危害性

本地區(qū)風沙流對線路的危害主要表現(xiàn)為沙埋，其次為風蝕，需根據(jù)沙地類型、風沙流活動特征和線路結構物類型分別采取不同措施。

路堤風蝕危害一般在路肩迎風側和邊坡上部較為嚴重，風蝕對高路堤的危害最為嚴重，經(jīng)過長期風蝕作用，甚至形成上陡下緩、凹凸不平的坡面。

路塹邊坡和塹頂?shù)娘L蝕作用最為突出。當線路與主導風向同向平行，路塹邊坡往往被風蝕形成犁溝形狀；線路與主導風向大角度或者基本垂直時，路塹塹頂往往形成渾圓饅頭狀及各種不規(guī)則形狀，坡面迎風側常被風蝕成鋸齒狀，或成帶形坑穴，導致邊坡塌方。

4.5　風沙對線路危害的重點地段

大面積流動沙丘及流動沙地主要分布于茫崖湖東至茫崖湖、東柴山至大烏斯、瓊吐爾至羅布莊、羅布莊至通古斯巴等地段；局部流動沙丘，沙地與半固定沙丘，沙地在格爾木西至東柴山、索爾庫里盆地等地分布；山前積沙地段主要為大烏斯之油砂山、茫崖鎮(zhèn)至阿卡騰能等地段；戈壁風沙流沿線分布較廣，甘森西至茫崖湖、東柴山至尕斯、索爾庫里盆地、庫如克薩伊至若羌等地段作用明顯。在柴達木盆地內(nèi)，主導風向以W、N50W為主，在塔里木盆地內(nèi)，主導風向以N50～70E為主。

5風沙路基防護對策

首先要注重科學選線，盡量規(guī)避風沙嚴重地區(qū)，并在有利于減少風沙危害的地段通過。在此基礎上，對于不能通過選線規(guī)避風沙的地段，應根據(jù)當?shù)仫L沙流特點設置必要的平面防護工程，可有效地阻止風沙掩埋路基，保證運營安全。

風沙平面防護主要包括植被防護措施和工程防護措施，其中植被防護措施有封沙育草、種植防護林帶、種植灌木格柵等；工程措施可分為機械沙障、化學固沙等。

5.1　植被防護治沙

主要是指種植適宜于沙漠生長的植物來防止風沙危害。植物成活后，其根系可以起到固沙的作用，枯枝落葉能增加土壤的腐殖質(zhì)含量，改良土壤，一方面防止風沙形成，另一方面由于改良土質(zhì)而促進植物生長，增加植被覆蓋率，使固沙作用不斷擴大。植物的光和作用和呼吸作用，能夠增加空氣中的水分，增加空氣氧氣，同時吸收二氧化碳，起到改善氣候條件的作用。植物的可再生性、擴張性和其改善生態(tài)環(huán)境等效果，能達到根治沙害的目的，應盡量利用各種條件，采取生物治沙方案。

植被防護治沙的主要措施包括營造防護林、封閉恢復天然植被、飛播或人工種草或灌木等。

5.2　工程治沙

根據(jù)風沙的形成機制和運動規(guī)律，有針對性地設置工程設施來防治或限制風沙流移動，從而減少風沙危害。工程措施的原理是是：制止沙粒起動形成沙流，降低風沙流運動，抑制地表風蝕，強制風沙流沉積，轉變風沙流運動方向，改變沙丘的整體運動為風沙流的分散運動等?？傮w而言即壓制、減弱、分流風沙活動，使之消亡或減弱到最低程度。工程治沙的主要方法有沙障固沙、機械阻沙、覆蓋-粘合、導流輸沙等四種。

5.3　兩種防沙措施優(yōu)缺點分析

(1)植物固沙措施

植被防護治沙的優(yōu)點是：防治和減弱風沙的效果良好，植被在生長和繁殖過程中，不斷改善環(huán)境條件，增加生物活動，促使生物擴張，達到長久治沙的效果，是首選的防沙治沙方法。

對于干旱半荒漠地區(qū)而言，植物種植的關鍵問題是是否具備種植植物所需的水資源，同時應考慮長期抽取地下水對地區(qū)生態(tài)環(huán)境的影響，從維持長遠的生態(tài)環(huán)境平衡考慮問題。

植物措施是固定流沙最為有效的措施，但其建設周期相對較長長，發(fā)揮效益較慢，不能滿足工程建設初期對沙害迅速控制的要求，所以一方面應堅持工程與防沙植被同時開工建設，以期早日形成防護效應，同時應與機械沙障共同使用。

(2)工程治沙方法

工程治沙方法受限制的因素相對較少，施工不受季節(jié)限制，并且一經(jīng)施工可以起到立竿見影的效果。在半干旱和半濕潤地區(qū)是作為植物固沙工程實施前固定流沙的措施；在極端干旱地區(qū)，缺乏植物固沙條件時，也可以作為一種主導防沙方法，方法的選擇除了要考慮當?shù)氐淖匀粭l件、風沙災害的特性外，還要依據(jù)當?shù)毓躺巢牧腺Y源的狀況。

參考文獻

[1]王濤.中國寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境工程科學50年[M].北京：科學出版社，2009

[2]R.A.Bagnold.風沙和荒漠沙丘物理學[M].錢寧，譯.北京：科學出版社，1959

[3]邸耀全，張克智.中國鐵路沙害及其防治[M].北京：中國環(huán)境科學出版社，1998

[4]陳廣庭.沙害防治技術[M].北京：化學工業(yè)出版社，2004

[5]鐵一院.鐵路工程地質(zhì)手冊[M].北京：中國鐵道出版社，2010

中圖分類號：U216.41+3

文獻標識碼：B

文章編號：1672-7479(2015)05-0058-03

收稿日期：2015-08-14