乌锡线风沙发育特点及其防护措施

2013-11-27蔺全林

铁道建筑 2013年1期

蔺全林

(中铁第一勘察设计院集团有限公司，陕西西安 710043)

新建乌锡铁路，起点位于内蒙古自治区乌拉特前旗境内包兰铁路的乌拉山车站，出站后线路和既有包兰铁路并行向西行进，向南跨越黄河进入鄂尔多斯市西北部杭锦旗境内的库布齐沙漠，沿毛不拉昆对沟南上，止于杭锦旗北部的锡尼车站。乌锡线所经区域是内蒙古自治区实施资源转换战略的重点地区，有利于加快鄂尔多斯地区煤炭开采及下游加工转化产业资源开发建设。

线路走行范围内东西向有黄河北岸的京藏高速公路，黄河南岸的沿河公路和贯穿鄂尔多斯市和杭锦旗的109国道;南北向有位于线路西部的穿越沙漠公路。

乌锡铁路穿越库布齐沙漠腹地及其南部丘陵区，沿线风沙会对机车、车辆和通讯设备产生磨蚀，对线路产生沙埋，对路基本体产生风蚀，因此风沙防护对铁路运营和维护有重要意义。本文对乌锡铁路风沙防护措施进行探讨。

1 气象条件

库布齐沙漠基本呈东西走向，长约400 km，宽约50 km，总面积约145万公顷。腹地及其南部丘陵区人烟稀少，有零星牧民分布其中。

沙漠区属典型的中温带干旱大陆性气候区，四季分明，冬季严寒漫长而少雪，春季干旱多风，夏季短促炎热，秋季气温下降较快，日照丰富，降水少而集中且不均匀，蒸发强烈，气候干旱多风沙。年平均气温6.3℃，极端最高气温38.1℃ ～40.2℃，极端最低气温－30.7℃ ～－34.2℃，最冷月(1月)平均气温－11.6℃ ～－10.7℃，最热月(7月)平均气温22.0℃～24.5℃。年平均降水量为213.5～332.5 mm，年平均蒸发量为2 130.5～2 630.0 mm。

沙漠区大风和沙尘暴天数也较多，年平均风速2.2～3.9 m/s，瞬时最大风速24.3 m/s，其中以春季风最大，定时和瞬时均为西风和西北风。全年大风天数(≥8级)在1.7～27.0 d。

2 风沙发育特点

乌锡线全长107 km，其中流动沙丘总长约18.7 km，占线路总长的17.5%，流动沙地总长约6.3 km，占线路总长的5.9%，二者合计占线路总长的23.4%。根据颗分试验，全线流动沙丘及流动沙地的风沙结构为，粒径在0.25 mm以下的比例高达80%以上，以粉细砂为主。

2.1 风沙流特点

乌锡线沿线地势开阔，主要处于鄂尔多斯高原，冬春两季受季节性大风影响较大。根据勘测时现场观测，在贴近地面处风速达到约3.8 m/s时，沙粒就会随风移动，其中只有很少一部分是悬浮前进，大多数是滑动和滚动方式前进，输沙量随风力的加大而变大，在贴近地面30 cm以内的输沙量占总输沙量的绝大部分，尤其是10 cm以内占总输沙量的75.3%，说明风沙流运动是一种贴近地面的沙粒搬运现象，见表1。因此设置草方格沙障时，有30 cm的外露高度，就能收到好的固沙效果。

输沙量与超过起动风速部分的风速的3次方成正比，即 Q=(υ － υt)3，其中，Q 为输沙量，υ 为风速，υt为起动风速。

输沙量的影响因素较多，要精确计算其数值相当困难，在实际工作中，一般多采用集沙仪在野外直接测定，然后用相关分析方法求得输沙量与风速的关系。也可在现场迎风方向埋置特制的集沙箱，过一段时间后取出收集的沙量，进而计算出单位宽度内的输沙量。

表1 不同高度风沙流结构变化

2.2 沙丘移动特点

乌锡铁路地区主导风向为SSE，次主导风向为WNW，大风集中在冬春季节，瞬时及定时风向均以WNW为主，定时风速为20.7 m/s，瞬时风速为24.3 m/s。虽然主导风向为 SSE，但定时及瞬时风向为WNW，在局部地段甚至WNW占主导，因此，乌锡线沙丘的移动方式主要为往复前进式(往复前进式是在两个风向相反而风力大小不等的情况下产生的，在冬、夏季风交替的地区，沙丘的移动都具有这种特点)，主要移动方向为SE—NW。

乌锡线在2010年施工至冬季后由于气候原因冬休，2011年元月现场调查发现，短短几个月时间沙丘已经侵入路基本体，掩埋路基(图1)，不得不进行清理。由于沙丘所处地势开阔、沙丘不高(大多在1～3 m)、植被稀疏、沙丘表层水分较低，移动速度较快，按照此次调查间隔时间计算，其每年移动距离超过10 m，给现场施工带来很大不便，严重地段由于线路被掩埋，必须进行再次放线，造成投资增加。

图1 DK65+800路基被风沙掩埋

2.3 风沙危害

由于沙的松散性及风的吹蚀和搬运作用，风沙给铁路修筑和运营养护带来一系列问题。

1)沙埋:气流具有巨大体积，而且速度很大，不断将线路两侧的沙粒扬起并带走，遇到路基阻挡，风力减弱，大量沙粒停积下来掩埋线路，轻则道床积沙引起拱道或低接头等病害，重则造成列车停车、缓行或脱轨。

2)风蚀:沙筑路基因缺乏黏性，结构疏松，如不采取有效防护措施，极易受到风蚀，特别是路堤的路肩部分。严重时甚至路肩全部被风蚀，轨枕头外露，危及行车安全。

3)磨蚀:气流中沙粒具有较大能量，对机车、车辆及通讯设备进行撞击和磨蚀，甚至堵塞油眼，造成机件严重磨耗。

3 风沙防护措施

风沙防护可采取固沙、阻沙、输沙及导沙等防护措施，主要是控制风蚀过程的发生，改变沙粒搬运和堆积条件，以防治风沙危害路基本体。

3.1 固沙措施

固沙措施是采用重型材料覆盖流沙表面，隔绝风与松散沙粒的接触，或设置沙障，降低地表风速，抑制风沙活动。

1)重型材料覆盖沙表。一般采用卵(砾)石、黏土、矿渣、盐壳等抗风蚀材料，平铺在流沙表面。覆盖层厚度为:卵(砾)石、矿渣5～10 cm;黏土、盐壳等10～15 cm。铺设时应稍微将沙丘整平，以保持覆盖层稳固。

2)设置各类沙障。按设置高度可分为隐蔽式沙障和半隐蔽式沙障;按使用的材料又分为草类沙障、黏土沙障和砾石沙障。

①隐蔽式沙障。将草类埋入沙中，深15～20 cm，沙障顶部与沙面持平或略高。主要起控制风蚀基准面的作用。

②半隐蔽式沙障。将厚5 cm的草类埋入沙中15～20 cm，障顶高出沙面20～30 cm。其作用是制止地表沙粒的移动。

③黏土(卵石)沙障。可就地挖取黏土或卵石填筑，埂高20～30 cm，底宽40～50 cm。其作用与草类沙障相同，但使用年限较长。

上述沙障，根据风力大小及风向，设置成条带状或格状。一般草类沙障为1 m×1 m或1 m ×2 m;黏土(卵石)沙障为1 m×2 m，或2 m×3 m。防护宽度:线路迎风侧200～300 m，背风侧100～200 m，并宜根据风沙严重程度适当增减。

3.2 阻沙措施

在线路两侧适当距离(一般为100～200 m)设置各种人工构筑物，以阻拦沙丘和风沙流前移，使其停积在构筑物附近，作为铁路前缘的第一道防线。

1)高立式沙障。在流沙地区，在线路两侧适当距离，设置一至多排高立式沙障，借助于沙障本身及所形成的沙堤，用以阻拦外来沙源。沙障材料要求杆高质韧，不易被风吹折，常用的有作物杆、芦苇、树枝等。障高为1.5～2.0 m，埋入沙中1/3。沙障走向应与主风向垂直。

2)阻沙沟堤。是一种沟、堤结合的土工建筑物。具体作法:在线路的迎风侧，100～200 m之外，挖沟筑堤，沟深和堤高为1.5～2.0 m，用以阻拦流沙。当沟、堤被沙掩埋后，再在其外侧重设一道。该方法适用于沙源少的戈壁风沙流地区。挖出的卵(砾)石可用于堤身加固，节省工程投资。堤最好设在沟的外侧，这样既起阻沙作用，还有导沙效果。

3)挡沙墙。这是沙区群众常用的一种防风沙措施，即用当地黏性土分层夯填成墙，高约2 m，走向与主风向垂直。挡风墙实质上是一种不透风的沙障，防风距离为墙高的20倍。墙身两侧均有积沙，积沙范围:迎风侧为墙高的2～3倍，背风侧为4～5倍。阻沙效果显著。

3.3 输沙措施

输沙措施是用减少下垫面粗糙度，增大局部地段风速，促使风沙流顺利通过的一种方法。

1)平台输沙措施。在路堤两侧设置一定宽度的平台(一般为5～10 m)，使风沙流通过平台时处于非饱和状态，不致发生沙粒的堆积。

2)过沙路面。是指改变原有路基断面形式及轨道结构，使之成为流线形断面，以利风沙流顺利通过。

3)输沙建筑。根据地形及风沙条件，修建旱桥或棚洞，通过风沙流严重地段。

3.4 导沙措施

导沙措施是引导风沙流离开路基从旁侧通过的工程措施。常用的形式有导沙墙，它可借助墙面对风沙流的反射作用将沙子导走。导沙墙适用于戈壁风沙流地区，当风向单一，墙的走向与主风向平行或呈锐角相交时，效果最好。

综上所述，“固、阻、输、导”各有其使用条件和范围，一般应根据当地自然条件和风沙运动特点，采取综合措施。如包兰铁路中卫至于塘段沙漠路基，在线路两侧由近及远设置平台输沙带，草方格固沙带和高立式沙障阻沙带，并在草方格沙障内种草植树，组成了完整的防沙体系，防护效果显著。

3.5 植物防护

植物防沙的条件:当地适宜植物生长、年降雨量＞100 mm且湿沙层含水率＞3%的地区，可以采用植物固沙。年降雨量在100～300 mm的地区，植物防护结合地下水，附近的水源植物采用不定期浇灌、滴灌养护;年降雨量在300～400 mm的地区，植物的栽植只需浇定根水自然生长;

植物防沙体系:五带一体或四带一体，其差异在于草障植物带(也就是空留带)。防护林带采用窄带并多条带布置，目的是降低风速、减少风能，降低造价，增加防护宽度;采用少乔多灌混栽的形式，乔木防风是手段、灌木固沙是目的，混栽为了减少病虫害的传染。根据呼和浩特铁路局郝才元多年研究与实践得到的结论:防护林带内灌木占树木总量的75%时，接近最佳效果。