格庫鐵路柴達木盆地段風沙防護動態(tài)設計

馮德泉

(軌道交通工程信息化國家重點實驗室(中鐵一院),西安 710043)

風沙是我國西部干旱地區(qū)多見的不良地質(zhì)現(xiàn)象，對鐵路工程和運營安全有重大危害，主要為風蝕、風積災害[1]。風蝕大多發(fā)生在風速較大的風沙活動源頭或風沙流動的通道上，可通過硬化路肩及加強建筑物、構筑物表面耐磨蝕度來解決。而風積成因復雜，形式多樣，可采取的措施通常有輸沙、導沙、阻沙、固沙等，對有利于非飽和搬運氣流風沙嚴重地段盡可能以橋梁、明洞等形式，采用輸沙、導沙措施通過，而路基地段主要的防沙方式是阻沙、固沙，線路與主導風向小角度交叉時可采用導沙措施[2-4]。主要以格庫鐵路柴達木盆地段設計情況探討分析路基風沙防護動態(tài)設計方法。

1 格庫鐵路概況

格爾木至庫爾勒鐵路東起青海省西部重鎮(zhèn)格爾木市，西抵新疆南疆地區(qū)門戶庫爾勒市，全長1 213 km，是我國西部地區(qū)客貨共線鐵路網(wǎng)干線，是新疆南疆地區(qū)通往祖國內(nèi)地一條便捷通道，它的建設將改變內(nèi)地與新疆“千里一線牽”的單一路網(wǎng)結構，具有十分重要的戰(zhàn)略意義。

格庫鐵路青海段505.6 km，橫貫柴達木盆地西部。柴達木盆地為高原內(nèi)陸型盆地，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2 700～3 100 m，地勢西北部高、東南部低，地形起伏不大。線路走行在山前丘陵及傾斜洪積平原的前緣湖積、洪積平原地帶，沿線風沙范圍廣，將會對鐵路產(chǎn)生長期不利的影響，因此，風沙選線和風沙防護是格庫鐵路設計、建設的重點和難點。

2 柴達木盆地沿線自然條件

格庫鐵路柴達木盆地沿線植被稀少，鹽湖洼地附近為草場，其他區(qū)域為戈壁、沙地及沙丘。出露地層主要有第四系、第三系、侏羅系、元古界薊縣系等，分布有風沙、泥石流、地震液化等不良地質(zhì)現(xiàn)象和鹽漬土、軟弱地基土等特殊巖土。格庫鐵路柴達木盆地段風沙分布廣泛，影響段落372.2 km，占線路長度的73.4%，風沙類型多樣、風沙流活動頻繁、沙害嚴重，對鐵路危害較大。風沙活動區(qū)域按地形特點可分為湖盆沙化區(qū)、沙礫質(zhì)戈壁區(qū)、流動性沙丘區(qū)。其中，第四系全新統(tǒng)(Q4)、上更新統(tǒng)(Q3)地層是柴達木盆地風沙沙源的產(chǎn)生地和風沙活動的主要區(qū)域。

柴達木盆地屬高原干旱氣候區(qū)，氣候異常干旱、寒冷、多風少雨，晝夜溫差大。年平均降水量28.4～44.0 mm，年平均蒸發(fā)量1 801.7～2 739.3 mm；主導風向以西風、西北風為主，年平均風速2.0～3.5 m/s，最大風速21.3～29.2 m/s，年平均八級以上大風日數(shù)6～43 d，每年2～9月為風季，4～6月風沙活動頻繁。沿線風向如圖1所示。

圖1 格庫鐵路沿線柴達木盆地各站點風向頻率玫瑰圖

沿線地下水主要為第四系松散層孔隙潛水、承壓水，局部段落有基巖裂隙水。除靠近鹽湖洼地地段埋深較淺外，大部分地段埋深10～50 m，局部地段更深，靠近盆地邊緣地帶地下水貧乏，無開采利用條件。第四系松散層孔隙潛水礦化度高，不能用于植物灌溉[5]。

3 風沙防護動態(tài)設計理念

3.1 風沙防護動態(tài)設計理念的提出

通常鐵路風沙防護設計是在線路方案選定后，進行詳細的風沙影響調(diào)查，確定風沙防護段落和防護等級，據(jù)此完成施工圖并交付施工。但根據(jù)部分風沙地區(qū)新建鐵路建設經(jīng)驗，時常出現(xiàn)施工前風沙危害嚴重地段與主體工程建成后風沙危害嚴重地段產(chǎn)生變遷現(xiàn)象，導致風沙防護工程設置錯位，給風沙防護工程設計帶來較大困擾[6-8]。分析其產(chǎn)生的原因，主要是由于鐵路工程建成后，路基、橋涵等工程使局部微地形地貌發(fā)生了顯著的變化，影響了地表以上一定高度范圍內(nèi)空氣流動形態(tài)，從而改變了風沙流動和堆積條件，引起風沙危害地段的變遷；其次，風沙流動和堆積是一個十分復雜的過程，受降水、沙源、地形地物、地面植被的變化和周邊人為活動等諸多因素影響，某一條件的改變都會引起風沙的變化，新建鐵路從定測到建成一般都需要好幾年時間，這一變化往往比較明顯。

雖然數(shù)值模擬和風洞試驗對單個工點的風沙防護方式選擇有很好的指導意義[9-11]，但對于大區(qū)域的風沙流動，由于引起風沙變化的因素多、條件復雜，現(xiàn)有風沙運動理論與數(shù)值模型遠未達到準確預測野外真實環(huán)境下風沙流運動的程度[12]，結合多個風沙地區(qū)鐵路項目的工程實踐，數(shù)值模擬和風洞試驗分區(qū)段對區(qū)域內(nèi)風沙流動特征、風沙危害等級的判定誤差較大，目前還無法運用于風沙影響范圍的準確區(qū)劃和危害等級判定，也沒有這方面的工程實踐先例[13-15]，而最直接有效的辦法就是開展動態(tài)設計，因此，格庫鐵路首次提出了風沙防護動態(tài)設計的理念。

動態(tài)設計理念的提出，得到了建設主管部門的充分認可，在格庫鐵路項目原鐵路總公司的初步設計批復(鐵總鑒函[2015]581號)中，同意風沙影響段落在路基本體施工完成后按照實際積沙情況，調(diào)查確定風沙路基工點段落和具體設計范圍；同意按照“先試驗、后推廣”的設計原則，開展各種類型的風沙防護措施試驗，取得相關階段性成果及工程經(jīng)驗后，調(diào)整和優(yōu)化風沙防護設計[16]。

3.2 風沙防護動態(tài)設計流程

新建鐵路工程風沙防護動態(tài)設計就是分階段開展工程設計，根據(jù)在不同工程階段的風沙危害情況分步驟修改風沙防護范圍和等級，使風沙防護等級與風沙危害程度相匹配。風沙防護動態(tài)設計流程如圖2所示。

圖2 風沙防護動態(tài)設計流程

(1)初步設計階段。對原地貌風沙影響的勘察分析，劃分各段風沙類型并預估對鐵路的危害程度，合理擬定相應的防風沙工程方案，以控制工程規(guī)模和投資。

(2)施工圖階段。完成風沙防護施工圖預設計，該圖用于與后續(xù)動態(tài)設計對照。

(3)鐵路路基、橋涵等土建工程主體完工后，利用站后工程施工期間，通過對一個及以上風季的風沙活動觀測，調(diào)查風沙流動和堆積影響實際情況，劃分不同區(qū)域風沙對鐵路工程危害的程度等級，與預設計進行對照，分析原因，經(jīng)專家評審后調(diào)整細化風沙防護和治理措施，修正原設計，使之更有針對性，精準施策，避免不合理的工程浪費，達到有的放矢目的。按規(guī)定經(jīng)施工圖審核機構評審后交付施工[17-19]。

4 動態(tài)設計風沙危害程度分類

4.1 勘察規(guī)程相關規(guī)定

TB10027—2012《鐵路工程不良地質(zhì)勘察規(guī)程》表D.0.1對風沙危害程度進行分類劃分，見表1。

表1 風沙危害程度分類[20]

表1中的規(guī)定適用于鐵路建設前風沙防護的分類，不適用于風沙防護動態(tài)設計過程中路基等主體工程形成后風沙危害程度的分類指導。TB10027—2012《鐵路工程不良地質(zhì)勘察規(guī)程》表D.0.4對既有鐵路沙害程度劃分見表2。

表2 既有鐵路沙害危害程度及沙害等級

針對表2“既有鐵路沙害程度”沙害標準，一方面，雖然本線風沙防護動態(tài)設計階段與既有鐵路防沙防護有相似性，但本項目為新建鐵路項目，設計目標不允許產(chǎn)生風沙病害預期，與既有線病害治理的思路有較大差別；另一方面，隨著我國風沙地區(qū)鐵路規(guī)模的逐步增加，列車運行速度的普遍提高，對鐵路線路安全要求和維護標準發(fā)生了較大變化，“積沙淹埋軌頭”危及行車安全的情況在運營線路上已經(jīng)不允許發(fā)生、不可接受，必須在積沙淹埋軌頭前及時清理積沙，否則列車不得放行[21]。

因此，新建鐵路風沙防護動態(tài)設計不適宜直接采用表1、表2的劃分標準，需提出符合風沙防護設計需要的風沙危害程度等級。

4.2 動態(tài)設計鐵路沙害程度等級劃分細化

為滿足風沙防護動態(tài)設計需要，有必要結合表D.0.1“風沙危害程度分類”及其他項目設計經(jīng)驗，從沙源分布、積沙到達路基橋涵軌道的位置、積沙程度、發(fā)展趨勢等方面，進行沙害程度等級劃分，力求從嚴控制、提高鐵路運營條件?？紤]到原三級分類過于籠統(tǒng)簡單，不利于區(qū)別不同危害程度分級施策，為更好按照危害程度大小安排合理的工程方案，將沙害危害程度分為極嚴重、嚴重、中等、輕微和極輕微五類，細化內(nèi)容見表3。

表3 格庫鐵路風沙防護動態(tài)設計鐵路沙害程度等級劃分

5 格庫鐵路風沙防護動態(tài)設計實例

5.1 動態(tài)設計現(xiàn)場調(diào)查

格庫鐵路柴達木盆地段路基、橋涵主體工程2016年10月至2017年10月陸續(xù)分段建成，2017年4月至2019年3月逐段完成鋪軌。根據(jù)本項目初步設計批復“先試驗、后推廣”的動態(tài)設計原則，一方面配合建設單位開展不同風沙防護形式的研究試驗，選擇具有代表性風沙段落；另一方面加強路基形成后風沙影響變遷的調(diào)查，設計單位協(xié)調(diào)建設、施工等參建單位按共同組成的專業(yè)調(diào)查小組，于2018年3月至2019年5月進行多次現(xiàn)場實地勘察、核對設計圖紙和收集資料等工作。

現(xiàn)場共完成工程地質(zhì)平面圖復核約300 km2，風沙危害復核點132處，收集施工水井等水文地質(zhì)資料10余處。調(diào)查中結合現(xiàn)場實際情況重點核查風沙的沙源(土地沙漠化程度)和年輸沙量(積沙沙害程度)這兩個實物化指標，通過對比初步設計階段與施工后現(xiàn)場沙漠化變化的特點，沿線土地沙漠化分布演變情況得到驗證；通過分析風沙積沙段落的分布特征，查清了路基建成后風沙危害變遷情況，查明了沿線實體工程沙害現(xiàn)狀，掌握了地下水總體分布特征和植物固沙水源條件；結合現(xiàn)場情況按照擬定的標準進行了危害程度的劃分。

5.2 風沙危害程度原設計與動態(tài)設計對照分析

根據(jù)動態(tài)設計階段現(xiàn)場調(diào)查情況，沿線土地的沙漠化程度與初設階段時基本相同，總體未因施工破壞而惡化，局部地段受地下水位變化、城市建設、工農(nóng)業(yè)發(fā)展及鐵路建設等因素影響，沙漠化程度發(fā)生了一定變化。

與定測階段風沙調(diào)查情況對比見表4。

表4 兩階段風沙影響段對比

全段風沙路基長372.19 km，其中，危害程度為極嚴重、嚴重的41.29 km，中等138.691 km，輕微、極輕微192.209 km。

動態(tài)設計階段風沙危害段落與2014年定測階段風沙危害段落長度區(qū)總體有所縮短，但中等、嚴重及極嚴重段落增加均有增長。一是嚴重風沙段落較原設計有一定增加，主要體現(xiàn)為原設計為中等戈壁風沙流的地段，現(xiàn)場實際調(diào)查路基積沙很明顯、成規(guī)模，雖然其沙源地為遠在1～2 km外的半固定沙丘，但沙丘與鐵路之間地勢開闊，且位于風口，造成施工后路基積沙嚴重，風沙流危害程度進行了相應調(diào)整。二是中等段落略有增加、輕微段落略有減少，主要是原設計為戈壁風沙流的段落，路基成型后鐵路附近戈壁灘上覆浮沙明顯增加，路基積沙較明顯，后續(xù)積沙危害可能進一步增大，引起中等段落增加。三是靠近格爾木城區(qū)段線路兩側開發(fā)枸杞地等經(jīng)濟林，有效消除了風沙的危害，輕微段有所減少。

5.3 動態(tài)設計風沙路基平面防護

根據(jù)線路附近下墊面類型(戈壁礫石覆蓋度、粒度、形狀、砂/礫比例，沙質(zhì)地表粒度組成等)、地形條件和沙物質(zhì)來源，將本線風沙分為戈壁風沙流和風積沙兩種類型，相應按照風沙危害的5個等級，結合線路附近地形地貌、下墊面類型、風速風向、沙源和地質(zhì)、水文等情況，分別采取不同的平面防護措施，見表5及圖3～圖6。

表5 格庫鐵路動態(tài)設計風沙路基平面防護措施

圖3 風積沙區(qū)危害極嚴重地段路基風沙平面防護措施示意(單位：m)

圖4 風積沙區(qū)危害嚴重地段路基風沙平面防護措施示意(單位：m)

圖5 風積沙區(qū)危害中等地段路基風沙平面防護措施示意(單位：m)

圖6 風積沙區(qū)危害輕微地段路基風沙平面防護措施示意(單位：m)

5.4 工程效果

2020年1月格庫鐵路柴達木盆地段重點地段風沙防護工程完成施工，經(jīng)過一個完整風沙季的檢驗，尤其是隨著格庫鐵路青海段2020年6月30日開通以來的運營實踐，防沙治沙效果明顯，重點地段沒有出現(xiàn)風沙上道情況，風沙危害鐵路的問題得到根本遏制，消除了風沙危害隱患，在科學維護的基礎上可保證鐵路長期安全運營，達到了設計預期。

6 結語

(1)風沙防護是風沙地區(qū)鐵路不可避免的工程措施，也是設計工作的重點和難點?；诼坊ǔ汕昂箫L沙危害段落變遷問題，首次提出鐵路風沙防護動態(tài)設計的理念，采用動態(tài)設計方法可做到防沙工程類型與風沙危害程度相匹配，工程設置有的放矢。

(2)新建鐵路風沙防護動態(tài)設計，可利用土建工程完工后站后、鋪架工程施工階段開展，一般不影響工程總工期。風沙防護動態(tài)設計應經(jīng)過1個及以上風沙季的積沙試驗，通過調(diào)查風沙危害變遷情況，動態(tài)調(diào)整風沙防護設計。

(3)在新建鐵路風沙危害分級的基礎上，提出適合新建鐵路風沙防護動態(tài)設計需要的風沙危害程度等級劃分標準，通過實踐檢驗是行之有效的。這一劃分標準可供其他類似項目動態(tài)設計參考。