吉查铁路风沙特点及防治措施

汪耀华

(中铁第一勘察设计院集团有限公司，西安 710043)

我国沙漠和沙漠化土地分布广泛，西起新疆、东至内蒙古东部，断续分布于北部干旱及半干旱地区，约占国土面积的11.4%。过去对风沙区的关注相对较低，随着人类对自然资源需求的急剧增长，逐步展开了风沙地区矿产勘探与开发，相应的基础设施建设逐渐展开。新建吉兰泰至查干德日斯铁路穿行于乌兰布和沙漠南部边缘，和乌吉铁路相接，乌吉铁路沙害现象严重，有些区段风沙掩埋路基，局部地段掩埋轨枕及钢轨。通过对既有与拟建工程环境地质条件的比较，为了避免新建工程病害的产生，在全面详尽了解局域地质概况，风沙的分布特点、环境特点、水文地质特点及局域植被特点，特别是该局域风沙流的流动特征，确定了不同的风沙治理措施。

1 线路通过区段的自然地理条件

拟建铁路穿越乌兰布和沙漠区段地形平缓，多集中于海拔1 020～1 035 m之间。风沙极为发育，类型以半固定沙丘及流动沙丘为主，沙丘连绵起伏，为新月型、沙垄、沙丘链及蜂窝状等各种形态，沙丘高度一般为2～8 m，个别高度大于30 m。沙丘迎风坡较平缓，坡度5°～12°，背风坡凹而陡，坡度 15°～35°，植被覆盖率低，主要发育有白刺、沙棘、红柳、梭梭、芦苇等耐旱及耐碱植物，局部地段长有沙枣树。

沿线所经地区属中温带干旱气候区。年平均气温一般为9.0℃，极端最高气温为41.8℃，极端最低气温为-26.8℃;年平均降水量107.6 mm，年平均蒸发量2 143.6 mm;土壤最大冻结深度147 cm。平均风速3.3 m/s，最大瞬时风速22.7 m/s，主导风向NW。年平均大风天数(≥8级)26.5 d。

乌兰布和沙漠地表水不发育，仅在局部地段零星有水塘分布，地下水主要有第四系孔隙潜水和承压水2种类型。地下水位一般为3～8 m，水位视所处位置不同而异，随季节变化，地下水来源主要依靠山区地下水和大气降水补给。水质变化较大，有淡水、微咸水、咸水，矿化度多在1 g/L左右，水质自山麓向倾斜平原前缘由好变坏，向盆地中心低洼地带排泄。

2 铁路通过区风沙的沙物质特点

根据取样分析乌兰布和沙漠粉、细砂矿物成分主要有:角闪石35.3%，绿帘石27.8%，石榴石8.5%，辉石5.4%;沙粒粒径在0.25～0.05 mm(细砂)含量超过50%达到86.8%;风选性较好，风选系数1.1～1.4的约占77.3%。

自然休止角是松散堆积物在堆积过程中所能达到的最大坡脚，是沙体流动性的表现特征，风沙的自然休止角与内摩擦角极为接近，根据所取沙样实验自然休止角为 33°47'，内摩擦角为 32°08'。

风积沙的密度与其所处的地貌部位有关，不同地貌部位的风力差异较大，影响到沙丘各个地貌部位的风积沙粒径、风选度、沙粒的排列堆积方式变化较大。在背风坡沙粒堆积速度快，沙粒间构成架空，形成松散的单粒结构;相反在迎风坡及沙垄部位形成比较密实的结构。取样试验数据见表1。

表1 吉兰泰至查干德日斯铁路风沙土的相对密度、密度及孔隙比

3 铁路通过区的风沙流特点

3.1 沙粒粒径和起动风速度

风沙流是气流和沙子的相互作用产物，是以空气为载体的沙子流动的最简单形式。当地表风速大于起动风速时，沙粒进入气流形成风沙流，最大的沙粒沿着地表蠕动或滚动，中间粒径和部分细沙脱离地表，在气流中以抛物线形式运动，最细颗粒以悬移的形式漂浮在大气中，吉查线地区性起沙风速4.5 m/s。沙粒的起动风速与沙粒的粒径关系可以用以下表达式

式中，ut为流体起动速度;A为经验系数取值0.1;ρs沙粒密度;ρ为空气密度;d为沙粒粒径;g为重力加速度。根据计算乌兰布和沙漠的沙粒粒径和起动风速度值与测试结果很接近，试验数据如表2所示。

表2 乌兰布和沙漠沙粒粒径和起动风速

3.2 风沙流的输沙能力及其随高度变化

风沙输沙量的变化特点是合理布设防沙治沙方案的主要依据，有很多理论计算公式，但影响输沙能力的因素很多，除了风力大小、沙粒粒径、形状、相对密度外，潮湿程度、地貌位置、植被发育情况等因素都有很大的影响，计算输沙量的变化特点是相当困难甚至不可能的，在实际工作中对输沙量的确定一般采用直接观测的办法，乌兰布和沙漠新月形沙丘表面风速的野外观测结果表明，沙丘迎风坡气流加速量主要和沙丘坡面形态、迎风坡风速有关，迎风坡风速放大率介于1.02～1.59。近地面风速和输沙强度由坡脚至丘顶总体呈递增趋势，丘顶风速和输沙率最大，到背风坡因涡流作用，风速由丘顶至坡脚减小，输沙率锐减，相对于丘顶的风速率变化在0.17～0.49。由于输沙率与起沙风速的立方成正比，因而风速在迎风坡上向丘顶增加时，丘顶区域的输沙率(相对于坡脚)将成倍增加。在本次工程项目中观测到输沙量随高度的变化关系如图1所示。

4 铁路通过区沙害划分

图1 输沙量与高度的变化关系

吉兰泰地区西北风强盛行，冬春季节西北风强，沙丘向东南移动，秋季北风较强，沙脊向南部延伸，形成沙丘的复杂迁移。沙害和沙丘移动方向和铁路走向基本平行，局部地段成45°～60°夹角。沙害主要有风沙流对铁路路肩的掏蚀、钢轨的磨蚀和积沙掩埋。根据铁路穿越区段风沙分布的地理环境、地层分布、水文地质条件、沙物质特点、风沙流特点、输沙量能力及其随高度的变化、植被种类、植被覆盖率及发育状况，结合沙害的形成原因、危害程度、治理难度等综合因素，对拟建铁路的沙害进行分类，见表3。

表3 吉兰泰至查干德日斯铁路沙害类型划分

5 地质选线原则、防治措施及范围

5.1 选线原则

线路宜选择在固定或半固定的沙丘高度较小、连续性较差的风沙区段，绕避风沙危害严重地段，当有工程措施可靠、经济上合理时，可在低矮沙丘的区段穿越;沙漠地区掩埋古河床、湖盆、山前平原地下水溢出带植被恢复能力条件较好，要充分利用;线路走向宜与主风向平行，避免大风风口、高路堤和深路堑;在纵向沙垄地区，线路应顺主风向从垄间通过，远离沙丘背风坡。

5.2 防治措施

治理沙害的原则是减弱风沙流的强度和固定沙丘，沙害的治理办法主要有植物固沙与机械治沙。植物固沙是阻止沙流、固定沙丘和防治土地沙漠化的基本措施;机械治沙多采用人工沙障，目的在于稳定风源区域地表。根据乌兰布和沙漠的特点及沙害程度，结合拟建工程的类型与周围地质环境，确定了植物固沙与工程固沙相结合的治沙原则。

在有地表水分布、沙粒潮湿程度较高及有条件灌溉的区段，不论沙害程度多种，均可选择当地适宜的植物种群，采取植物固沙的措施治理。植物固沙可以干扰大气与地表的相互作用，降低风力作用的效果，主要表现在覆盖地表使其免受风力作用、分散地面上一定高度内的风能、拦截运动沙粒促其沉积。据调查当地适宜的固沙植物主要有:黄柳、红柳、梭梭、白刺、沙冬青、骆驼刺、花棒、沙枣树等。当地居民选择1～3年生黄柳条，直径在0.5～1 cm，截成40～60 cm的插条，在秋末或春节解冻进行插条，插条与地面成60°～90°角，按照行距2～3 m，埋深不小于30 cm，埋后压实，在沙的含水率不小于30%的条件下，成活率可达到80%。当地居民的插条固沙如图2所示。

图2 当地居民植物插条治沙

工程固沙的方式较多，在固沙时要做到使风沙分散拦截，不能使漂移的沙物质聚集堆积。吉查线根据当地地理、气象及地质条件选择了PE固沙网、HDPE高立式阻沙栅栏及设置防护禁牧带。

在风蚀及风积沙害严重的区段，在地表埋设PE固沙网，如图3所示。PE固沙网能够改变流场结构，降低栅栏后一定范围内的风速，引起风沙流饱和度的变化，使风的能量减小，控制了输沙量，阻滞了沙丘的前移，网格内人工整理成锅底形状，表面用粗颗粒物质覆盖，增大了表面的粗糙度，将贴地风速控制在临界起动风速之下，防止了多风向的风沙危害，形成了稳定的凹曲沙面，利于雨雪的存留，创造了利于沙漠野生植被生长恢复条件。栅栏的高度是决定防护效益的主要因素，栅栏越高，防沙效果越好。在沙源丰富，风力强盛，输沙量大的地方，埋设HDPE高立式阻沙栅栏，如图4所示。

图3PE固沙网平面布置示意(单位:m)

图4 HDPE高立式阻沙栅栏结构示意(单位:cm)

当风速较小时，在阻沙栅栏前有少量沙物质堆积，后侧堆积量较大，形成沙脊，随着风速的加大，栅栏前积沙减少，栅栏后的沙脊向下风侧移动，积沙范围增加不明显，但积沙厚度明显增加。

5.3 沙害治理的防治范围

5.3.1 路基本体防护

拟建工程沙害的防治主要为路基本体防护与路肩两侧平面防护，路基本体防护的范围为路肩、坡面及路堤坡脚或堑顶外2～5 m。防护措施:边坡高度3.0 m≤H＜5.0 m时，在轻微风沙地段，坡面铺0.2 m厚的粗砾石土包坡;在中等风沙和严重风沙地段，坡面设置C25混凝土预制六角空心砖骨架包坡，六角空心砖内铺0.2 m厚的粗砾石土包坡。边坡高度H≥5.0 m时，坡面设C25混凝土预制块拱形骨架护坡防护，拱形骨架内铺0.2 m厚的粗砾石土包坡。

5.3.2 路基两侧平面防护带宽度

路堤坡脚、路堑堑顶外10 m范围内为防火带，防火带内铺设0.2 m厚卵石土，防火带外为平面防护带，防护带宽度根据风沙严重程度布设:严重风沙地段，迎主导风向侧防护带宽度300 m;背主导风向侧防护带宽度150 m，保护带外缘设刺铁丝网围栏。中等风沙地段，迎主导风向侧防护带宽度200 m;背主导风向侧防护带宽度100 m，保护带外缘设刺铁丝网围栏。轻微风沙地段，迎主导风向侧防护带宽度100 m;背主导风向侧防护带宽度50 m，保护带外缘设刺铁丝网围栏。严重风沙地段迎主导风向侧外侧设2排高立式HDPE经编防沙障，背主导风向侧外侧设1排高立式HDPE经编防沙障。中等风沙地段迎主导风向侧外侧设1排高立式HDPE经编防沙障，背主导风向侧外侧设1排高立式HDPE经编防沙障。轻微风沙地段迎主导风向侧外侧设1排高立式HDPE经编防沙障。防护带宽度如图5所示。

图5 风沙路基两侧防护带设置示意(单位:m)

6 结语

风沙地区的自然地理条件复杂多变，该区域的基础工程建设中沙害对工程影响评价及处理措施的判定，是评价工程建设适宜性的重要因素之一。影响沙害的因素众多，要全面了解环境地质条件、气象条件、沙物质条件及当地的植被发育等条件，对风沙区的沙物质组成、风沙流运动特点、沙害的形成及表现形式做出科学的判定，才能做出合理可行的治理措施。

［1］吴正.风沙地貌与治理工程［M］.北京:科学出版社，2003.

［2］王式工，周自江，尚可政，等.沙尘暴灾害［M］.北京:气象出版社，2010.

［3］中铁第一勘察设计院集团有限公司.吉兰泰至查干德日斯铁路专用线第四篇［Z］.西安:中铁第一勘察设计院集团有限公司，2012.

［4］王多青.铁路风沙防治工程投资初步分析［J］.铁道标准设计，2012(6):21-23.

［5］裴立军.风沙地区铁路路基设计探讨［J］.铁道标准设计，2010(7):8-10.

［6］王国联，张道金.临策铁路天鹅湖至额济纳段线路及防沙工程方案研究［J］.铁道标准设计，2011(4):1-5.

［7］郝晓杰，熊治文，蒋富强，等.青藏铁路不同防沙栅栏的布设位置研究［J］.铁道标准设计，2012(4):16-20.

［8］刘辉，朱生宪，杨有海.太中银铁路沙害现状调查及防治原则探讨［J］.铁道标准设计，2012(10):8-10.