賀國棟

(蘭州交通大學(xué)土木工程學(xué)院,蘭州　730070)

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蘭新鐵路思甜至了墩段沙害形成原因分析及防治研究

賀國棟

(蘭州交通大學(xué)土木工程學(xué)院,蘭州730070)

摘要：為解決蘭新鐵路思甜至了墩段風(fēng)沙災(zāi)害問題,基于現(xiàn)場調(diào)研,掌握研究區(qū)沿線沙害現(xiàn)狀和沙害形成原因,并提出防治措施。沿線風(fēng)沙危害發(fā)生與當(dāng)?shù)馗珊刀囡L(fēng)的氣候條件、鐵路沿線松散的路塹邊坡、路塹塹頂棄土和路塹內(nèi)形成弱風(fēng)區(qū)有關(guān)。綜合考慮工程造價和現(xiàn)場實(shí)際情況,研究區(qū)鐵路防沙設(shè)計建議采用固化松散路塹邊坡+塹頂棄土構(gòu)筑擋沙堤+高立式阻沙沙障+大方格阻固沙障相結(jié)合的防沙模式,構(gòu)建立體防沙體系。

關(guān)鍵詞：蘭新鐵路；沙害特征；沙害防治

新疆地處歐亞大陸中心，遠(yuǎn)離海洋，深居內(nèi)陸，四周有高山阻隔，海洋濕氣不易進(jìn)入，形成了明顯的溫帶大陸性氣候。區(qū)內(nèi)干旱少雨，冬季漫長而寒冷，夏季短促而炎熱，春秋兩季氣溫變化劇烈；同時，受西伯利亞寒潮影響，冬春秋三季都有寒潮入侵，加上新疆“三山夾兩盆地”的特殊地形，使得新疆成為多風(fēng)地區(qū)。這種氣候特點(diǎn)導(dǎo)致大部分區(qū)域植被相對稀疏，地表裸露，沙源十分豐富，一起風(fēng)就塵土飛揚(yáng)；在風(fēng)季時，沙塵天氣愈加活躍，尤其是寒潮大風(fēng)來襲時，沙塵遮天蔽日。加之近年來氣候的異常變化和人為活動的催化作用，導(dǎo)致?lián)P塵天氣更加頻繁。在鐵路動工之前的原有環(huán)境下，風(fēng)沙流處于動態(tài)平衡狀態(tài)，能夠順利通過，但鐵路建成后，鐵路路基成為了風(fēng)沙流運(yùn)行的障礙物，風(fēng)沙流途經(jīng)鐵路路基時，平衡狀態(tài)被破壞，極易在線路上形成積沙，威脅列車的安全運(yùn)行。

蘭新鐵路自通車以來，風(fēng)沙災(zāi)害就成為列車安全運(yùn)營的重要隱患。國內(nèi)外學(xué)者針對鐵路風(fēng)沙災(zāi)害做了一系列研究，取得了大量的研究成果[1-13]，并成功用于工程實(shí)踐，效果良好。鐵路作為典型的線性建筑，沿線需要穿越多種風(fēng)沙地貌，由于不同路段風(fēng)速風(fēng)向、沙源豐富程度、地質(zhì)條件及路基形式等存在差異，導(dǎo)致風(fēng)沙流對線路的危害程度不同，因而不同路段防治對策不能按部就班，需結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況，以因地制宜、安全適用、經(jīng)濟(jì)合理為設(shè)計原則，構(gòu)建立體風(fēng)沙防護(hù)體系。

本文通過對研究區(qū)沙害現(xiàn)場調(diào)查，掌握了沿線沙害現(xiàn)狀，分析了沙害形成原因，并結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況，提出了風(fēng)沙災(zāi)害防治措施，為列車的安全運(yùn)營提供了可靠的技術(shù)支持。

1工程地質(zhì)概況

研究區(qū)內(nèi)線路主要位于北天山山脈南麓剝蝕低山丘陵區(qū)，為平坦的剝蝕戈壁，出露巖層主要有泥巖等，表層已風(fēng)化成磚紅色砂黏土，局部有風(fēng)積地貌形成，第三紀(jì)地層受到強(qiáng)烈的風(fēng)蝕作用形成許多殘丘和洼地。主要地層為第四系上更新統(tǒng)洪積礫砂，下伏第三系上新統(tǒng)泥巖和礫巖、華力西期花崗巖。巖性特征如下。

(1)礫砂：主要分布于丘間洼地，層厚0.3～1.0 m，顆粒均勻，成分以石英、長石為主，稍濕，稍密，Ⅰ級松土。

(2)泥巖夾礫巖：下伏于礫砂土層，局部初露地表，紅褐色，泥、礫質(zhì)結(jié)構(gòu)，中厚層構(gòu)造，礫巖厚度≥10 m，泥巖厚3～6 m，強(qiáng)風(fēng)化-弱風(fēng)化，Ⅳ類軟石。

(3)花崗巖:下伏第三系泥巖夾礫巖或出露地表，灰綠色-灰白色，顯晶質(zhì)細(xì)粒結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，節(jié)理發(fā)育，地表風(fēng)化呈碎石狀，部分呈球狀風(fēng)化，風(fēng)化層厚度0.5～1.0 m，Ⅳ類軟石。

2沙害現(xiàn)狀

研究區(qū)內(nèi)線路路基形式主要為路塹和低路堤，屬于易積沙路基形式。其中，沙害較為嚴(yán)重路段主要包括以下5段。

2.1　K1 267+400～K1 269+700段

該段屬于改建路段，線路走向與風(fēng)向夾角為15°～20°。路基形式主要為1～6 m的淺路塹，兩側(cè)原有1.5 m高立式PE網(wǎng)阻沙沙障，立柱間距5 m。線路主導(dǎo)風(fēng)向上風(fēng)側(cè)設(shè)置了2道，距線路70 m左右；下風(fēng)側(cè)設(shè)置了1道，距線路60 m左右。線路主導(dǎo)風(fēng)向下風(fēng)側(cè)沙障周圍不存在積沙現(xiàn)象，上風(fēng)側(cè)沙障周圍積沙量較少，沙粒粒徑較大，線路兩側(cè)排水溝積沙嚴(yán)重，沙粒粒徑較小。部分路段線路上風(fēng)側(cè)沙障以外有大量棄土，堆積高度1.0～1.5 m，表層松散，極易被風(fēng)蝕。

2.2　K1 288+200～K1 299+700段

該段屬于改建路段，線路走向與風(fēng)向夾角為10°～15°，路基主要形式為1～8 m的路塹，邊坡未做防護(hù)措施，邊坡土質(zhì)疏松。線路兩側(cè)均有1.5 m高立式PE網(wǎng)阻沙沙障，立柱間距5 m。線路主導(dǎo)風(fēng)向上風(fēng)側(cè)設(shè)置了2道，距線路70 m左右；下風(fēng)側(cè)設(shè)置了1道，距線路60 m左右。線路主導(dǎo)風(fēng)向下風(fēng)沙障周圍積沙量很少，上風(fēng)側(cè)沙障周圍均存在大量積沙，部分立柱間的PE網(wǎng)已被大風(fēng)刮破或被積沙所掩埋，失去了阻沙功能。

2.3　K1 302+500～K1 315+570段

該段線路的路基形式主要為低路堤和4～15 m的路塹，主導(dǎo)風(fēng)向與線路夾角大致在45°～60°，線路兩側(cè)均未設(shè)防沙措施。DK1 313+500～DK1 314+500段主要為邊坡未做封面處理的深路塹，邊坡坡度大，土質(zhì)疏松，路塹塹頂兩側(cè)由于放坡堆積了大量棄土。由于道砟新更換過，道床上未見積沙，僅在道砟坡腳可見少量積沙。為了排洪，工務(wù)段于2015年5月25日對該段排水溝進(jìn)行了清沙，但在2015年6月7日現(xiàn)場調(diào)查時溝底已重新出現(xiàn)積沙現(xiàn)象，厚度為5～30 cm。

2.4　K1 458+500～K1 459+500段

該段路基的主要形式為0.5～6.0 m路塹，主導(dǎo)風(fēng)向與線路走向的夾角60°～70°，線路兩側(cè)均無防沙措施。路塹邊坡近乎垂直，邊坡無防護(hù)措施，土質(zhì)疏松，塹頂兩側(cè)由于卸荷堆積了大量棄土，道床出現(xiàn)板結(jié)現(xiàn)象。K1 459+500附近可見地下水初露，植物覆蓋率可達(dá)50%以上。

2.5　K1 471+392～K1 472+200段

該段路基的主要形式為2～10 m路塹，主導(dǎo)風(fēng)向與線路走向的夾角55°～65°，線路兩側(cè)均無防沙措施。路塹邊坡近乎垂直，邊坡無防護(hù)措施，土質(zhì)疏松，在風(fēng)力作用下，可見土顆粒隨風(fēng)跌落在排水溝。塹頂沿線路兩側(cè)堆積了大量棄土，表層疏松，紅褐色，高度在1 m左右。由于近期道砟更換過，道床未見積沙，僅在道砟坡底可見少量積沙。

3沙害形成原因

通過對沿線地形地貌、氣候特征、路基斷面形式、風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)特征和線路積沙特點(diǎn)實(shí)地勘察與分析，結(jié)合其他類似地區(qū)沙害形成機(jī)理，初步認(rèn)為該段線路沙害形成的原因主要有以下幾點(diǎn)。

媽經(jīng)過了大風(fēng)大浪，也知道向南的斤兩，她已經(jīng)不向往揚(yáng)眉吐氣什么的了，她只求能像個普通老太太一樣，抱個孫子、頤養(yǎng)天年就滿足了。

3.1　氣候干燥、降雨稀少

該段線路主要位于哈密地區(qū)，鐵路走行于北天山南麓。哈密地區(qū)屬典型的溫帶大陸性干旱氣候，干燥少雨，年均氣溫9.8 ℃，年均降水量33.8 mm，年均蒸發(fā)量3 300 mm，年均日照3 358 h，無霜期平均182 d。春季多風(fēng)、冷暖多變，夏季酷熱、蒸發(fā)強(qiáng)，秋季晴朗、降溫迅速，冬季寒冷、低空氣層穩(wěn)定。極端最高氣溫43 ℃，極端最低氣溫-32 ℃。降水量少，蒸發(fā)量大，導(dǎo)致當(dāng)?shù)刂脖幌∈?，地表裸露，除了部分地下水出露地區(qū)綠洲覆蓋外，大部分地區(qū)的植被覆蓋度在5%以下，缺少植被覆蓋的裸露地表在大風(fēng)天氣下很容易遭受風(fēng)蝕形成風(fēng)沙流。

3.2　大風(fēng)頻繁、風(fēng)力強(qiáng)勁

該段線路主要位于煙墩風(fēng)區(qū)和百里風(fēng)區(qū)影響范圍之內(nèi)，風(fēng)速高、風(fēng)期長，起風(fēng)速度快，瞬時風(fēng)速最高可達(dá)到60 m/s以上。表1是烏魯木齊鐵路科研所提供的2015年3～5月風(fēng)速、風(fēng)向統(tǒng)計，可以看出該段線路最大瞬時風(fēng)速可達(dá)46.6 m/s，平均風(fēng)速最大可達(dá)39.2 m/s。頻繁強(qiáng)勁的大風(fēng)為風(fēng)沙流活動和風(fēng)沙地貌的發(fā)育提供了有力的動力條件。

表1　2015年3～5月不同站點(diǎn)風(fēng)速、風(fēng)向統(tǒng)計

3.3　松散邊坡的沖刷與風(fēng)蝕

經(jīng)過現(xiàn)場勘查，沿線路塹邊坡均為未采取封面處理的土質(zhì)邊坡。受雨水的沖刷和熱脹冷縮的反復(fù)作用，土質(zhì)較為疏松，部分路段甚至出現(xiàn)開裂和坍塌現(xiàn)象。加之邊坡坡度較大，在風(fēng)力作用下土顆粒很容易失去穩(wěn)定性，被氣流搬運(yùn)至排水溝和線路上沉積形成沙害。受路塹內(nèi)氣流分布的影響，這種現(xiàn)象在路塹迎風(fēng)坡尤為明顯。

3.4　塹頂棄土形成新的沙源

該段鐵路沿線大部分路段兩側(cè)有卸荷和改線所產(chǎn)生大量棄土，棄土表面疏松，未經(jīng)固化處理，直接就近堆積在塹頂兩側(cè)，在大風(fēng)天氣為風(fēng)沙流提供了豐富的沙源。當(dāng)風(fēng)沙流運(yùn)動到路塹頂部時，風(fēng)沙流平衡狀態(tài)被破壞，沙粒極易沉積在線路上形成沙害。部分路段雖然棄土上風(fēng)側(cè)設(shè)置了防沙工程，但沙障距離路塹較遠(yuǎn)，棄土在沙障風(fēng)影區(qū)以外，表面疏松的土顆粒仍然會被氣流搬運(yùn)至線路上形成沙害。

3.5　路塹內(nèi)形成弱風(fēng)區(qū)

基于計算流體力學(xué)軟件，對路塹周圍流場進(jìn)行了數(shù)值模擬，結(jié)果表明，氣流運(yùn)動到路塹背風(fēng)坡坡頂時發(fā)生分離，路塹內(nèi)氣流速度大幅度衰減(圖1)，并在路塹內(nèi)形成渦旋氣流(圖2)。從圖1可以看出，雖然在路塹內(nèi)速度出現(xiàn)不同程度的衰減，但路塹迎風(fēng)坡與背風(fēng)坡出現(xiàn)明顯的差異，背風(fēng)坡附近氣流速度衰減幅度最大，迎風(fēng)坡附近氣流衰減幅度最小。以上分析表明，路塹背風(fēng)坡附近容易出現(xiàn)風(fēng)積沙現(xiàn)象，而迎風(fēng)坡容易出現(xiàn)風(fēng)蝕現(xiàn)象。

注：1.風(fēng)向從左到右；2.來流風(fēng)速v=35 m/s圖1　氣流速度等值線

圖2　氣流流線

4風(fēng)沙防護(hù)措施

鐵路屬于典型的線性建筑，位于風(fēng)沙地區(qū)的鐵路沿線需要穿越多種風(fēng)沙地貌，由于不同路段風(fēng)速風(fēng)向、沙源豐富程度、地質(zhì)條件及路基形式等存在差異，導(dǎo)致風(fēng)沙流對線路的危害程度不同，因而不同路段防治對策不能按步就班，需結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況，建立風(fēng)沙防護(hù)體系，以因地制宜、安全適用、經(jīng)濟(jì)合理為設(shè)計原則。本次沙害防治中，在充分考慮現(xiàn)場實(shí)際情況的基礎(chǔ)上，主要從經(jīng)濟(jì)性、耐久性等方面入手，用最有效便捷的手段來解決鐵路沙害難題。

該段鐵路風(fēng)沙防治可采用以下方案：線路主導(dǎo)風(fēng)向上風(fēng)側(cè)(線路北側(cè))，從塹頂或坡腳開始依次設(shè)置下列防沙措施：距線路15～33 m范圍內(nèi)設(shè)置大方格阻固結(jié)合沙障，距線路45 m和60 m處分別設(shè)置1道高立式阻沙沙障；下風(fēng)側(cè)(線路南側(cè))，從坡腳開始依次設(shè)置下列防沙措施：距線路15～27 m范圍內(nèi)設(shè)置大方格阻固結(jié)合沙障，距線路坡腳40 m處設(shè)置1道高立式阻沙沙障。在有棄土路段，可利用棄土做成擋沙堤代替高立式阻沙沙障，變廢為寶，減少固化棄土費(fèi)用，降低工程造價。在路塹邊坡松散路段，采用混凝土砂漿固化處理邊坡，防止拉溝風(fēng)對邊坡的風(fēng)蝕以及雨水對邊坡的沖刷。

5結(jié)論

(1)研究區(qū)內(nèi)線路路基形式主要為路塹，當(dāng)風(fēng)沙流途經(jīng)路塹時，過流斷面發(fā)生變化，能量重新分布，在路塹內(nèi)形成弱風(fēng)區(qū)，導(dǎo)致該區(qū)域內(nèi)氣流攜沙能力下降，極易在路塹內(nèi)形成積沙。

(2)該段鐵路沙害形成的主要原因有：氣候干燥、降雨稀少，大風(fēng)頻繁、風(fēng)力強(qiáng)勁，松散邊坡的沖刷與風(fēng)蝕，塹頂棄土形成新的沙源，路塹內(nèi)形成弱風(fēng)區(qū)。

(3)按照遠(yuǎn)阻、近固的設(shè)計理念，結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況和防沙經(jīng)驗(yàn)，研究區(qū)內(nèi)鐵路應(yīng)采用2.0 m折線形PE網(wǎng)高立式阻沙沙障+6 m×6 m×1 m PE網(wǎng)大方格阻固沙障相結(jié)合的防沙模式，構(gòu)建立體防沙體系。在有棄土路段，可利用棄土做成擋沙堤代替高立式阻沙沙障；在路塹邊坡松散路段，采用混凝土砂漿固化處理邊坡，防止拉溝風(fēng)對邊坡的風(fēng)蝕以及雨水對邊坡的沖刷。

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Cause Analysis of Sand Disaster on Sitian-Liaodun Section along Lanzhou-Urimqi Railway and Prevention Research HE Guo-dong

(School of Civil Engineering, Lanzhou Jiaotong University, Lanzhou730070, China)

Abstract：In order to solve problems of blown sand disaster on Sitian-Liaodun Section along Lanzhou-Urimqi Railway, this paper focuses on the causes of sand disaster based on field investigation and proposes control measures. Blown sand disaster is contributed by the local climate conditions of drought and frequent wind, the loose cutting slopes along the railway line, the spoil on the top of the road cut and the weak wind area formed within the road cut. Comprehensive consideration of project cost and actual site situation concludes that the combination of blockage and fixation of sand is employed by means of solidifying loose cut slopes, building retaining wall with spoils on the top of the road cut, and constructing high sand barriers and the large pane fixing～sand barriers.

Key words：Lanzhou-Urimqi Railway; Characteristic of sand disaster; Prevention of sand disaster

中圖分類號：U216.41+3

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.02.009

文章編號：1004-2954(2016)02-0044-03

作者簡介：賀國棟(1972—)，男，講師，工學(xué)碩士，E-mail：364440038@qq.com。

收稿日期：2015-08-31； 修回日期：2015-09-16