戈壁风沙地区综合选线研究
2015-01-07梁栋
梁栋
(中铁第一勘察设计院集团有限公司线路运输处，陕西西安710043)
戈壁风沙地区综合选线研究
梁栋
(中铁第一勘察设计院集团有限公司线路运输处，陕西西安710043)
为了使穿越戈壁风沙地区的铁路最大程度地避免戈壁大风带来的风蚀、风沙等危害，同时保证工程设置合理、防护措施经济有效，研究戈壁风沙地区的综合选线方法以及工程应对措施至关重要。本文介绍了戈壁风沙地区的特征、风害，以及线路平纵断面与各种工程措施相结合的铁路选线方法。研究结论对戈壁风沙地区铁路选线具有一定的指导意义。
铁路选线 戈壁 风沙流 风蚀 工程措施
目前国内外对在沙漠地区修建铁路、公路的选线方法以及防风治沙措施研究较多［1-5］，且对戈壁的研究大多集中在戈壁特性、成因、戈壁土做路基填料等的相关研究;而对戈壁地区考虑大风引起的风蚀、戈壁风沙流等危害的综合选线研究较少。本文以红淖铁路为例，对戈壁风沙地区综合选线方法进行了深入的探讨和研究。
红淖铁路位于新疆维吾尔自治区东部的哈密地区，线路全长313 km。线路所经地区均为戈壁。线路通过烟墩风区和淖毛湖风区的段落长245 km，占线路全长的78.3%。烟墩风区和淖毛湖风区大风日多、风力强劲。红淖铁路沿线大范围分布戈壁风沙流，总长合计251 km。详见图1。灰色区为戈壁风沙流区域。
1 戈壁风沙地区的特征
戈壁地表主要以砾石、粗砂覆盖物为主，干燥，裸露，大风频繁。由于具有一定的砾石覆盖度，戈壁地表稳定性强，又由于砾石对小沙粒有一定的保护作用，戈壁的起沙风速高，戈壁风沙流的含沙量随着高度的增加呈下降趋势［6］。戈壁一旦起沙，风沙流能带动的可蚀颗粒大，风蚀的破坏程度比一般风沙地区风蚀要严重。在风力较大、沙源不太丰富时，气流中的含沙率较小，一般地面迎风侧无积沙，背风侧有积沙;如沙源丰富，则气流中含沙率大，地面迎风侧、背风侧均有积沙。
2 戈壁风沙地区不良地质及危害
由于戈壁特殊的地理位置和气候环境，由大风引起的风蚀、戈壁风沙流成为戈壁地区工程建设最为特殊、重要的问题。
图1 红淖铁路沿线大风区及戈壁风沙流分布
2.1 风蚀
由于戈壁风沙流风蚀强劲，戈壁风沙流对铁路路基的破坏性较大。铁路路堤常形成上陡下缓、坎坷不平的风蚀坡面，路肩被磨蚀。这不仅增加养护上的维修工作量，而且由于风蚀后路基宽度变窄，严重影响行车安全。
2.2 戈壁风沙流
戈壁常年干旱少雨、气候干燥、大风频繁，刮风时有起沙现象。风区中戈壁风沙流的主要危害在于地表经多年大风作用，颗粒较粗，地表十分稳定，几乎没有沙源;没有建筑物时，地表无明显积沙。随着工程施工，地表被破坏，加之工程修筑引起的微地形地貌的变化，改变了风沙流运行状态，其上风侧易形成积沙，进而对线路带来积沙埋道等沙害隐患。
3 戈壁风沙地区综合选线原则
线路平面设计时，线路走向应尽量与当地主导风向接近平行，减小交叉角度，使线路顺直。在风向与线路大角度相交时，应尽量减小路堤高度，放缓坡度，使部分沙流输送至远方;同时将道砟坡面整平，输走部分沙流。也可选择风沙流集中的风口地段以桥梁形式通过，彻底解决风沙流对铁路的危害。
线路设计时尽量避免设置弯道，因弯道最易积沙，特别是弯道处于路堑中时。如不可避免，应采用较大曲线半径。宜将弯道设在路堤部分，并以凸面迎风。
线路经过风沙覆盖的山地、丘陵地区，铁路应选在无积沙的戈壁丘陵地通过或选在山沟中迎风侧通过。在戈壁半固及固定沙丘为主的局部流沙地区，铁路应尽量通过半固定、固定沙丘地区，并尽可能从半固定沙丘的上风侧通过。
线路宜选择在地表粗化、无流沙、植被发育的戈壁地段通过。
在纵断面设计时，应尽量避免不填不挖、半填半挖路基和路堑，特别避免设置长、深路堑，多设路堤。路堤高度以3 m为宜［6］，这样既可以保证路基基床的稳定性，又可以减少戈壁风沙流的风蚀和积沙。
4 戈壁风沙地区的工程设计原则
4.1 避免戈壁风沙流危害
①路基设计时，应根据不同地貌类型，顺应戈壁风沙运动规律，选择合理的路基断面形式，为沙子创造非堆积搬运条件。②取、弃土场及大临工程设置应尽量减少对戈壁稳定地表的扰动。③铁路沿线的车站、住宅以及施工临时房屋等建筑，应建在铁路线路通过处的背风一侧，防止由地貌改变引起附近积沙漫延到铁路。④在风沙严重地段，应适当加大桥涵孔径，预防沙埋。⑤戈壁地区铁路工程修建后，地形地貌发生变化，戈壁风沙流对线路影响相对滞后，观察取得铁路工程修建后的风沙运动规律，因地制宜、因害设防，采取有效的风沙防止措施，减少风沙危害，降低防护费用。
4.2 避免风蚀的危害
路基风蚀程度与风力大小、风沙流强度、填筑材料等有关。做好设计前的调查工作是防风蚀设计的前提。可以采取以下两个措施减轻风蚀的危害:
1)文献［2］的研究表明路基高度越高，路肩风蚀深度越大，因此选线时在保证路基能减弱风沙流积沙危害的前提下，尽量降低路基填筑高度，从设计上减少风蚀的影响。
2)在路堤、路堑边坡上或路堤边坡至坡脚采用压沙、黏土泥浆抹面，铺砌预制混凝土板护肩，另在路堤填筑后整平边坡而不刷去多余填土等措施，防止风蚀破坏路基本体。
5 红淖铁路戈壁风沙地区综合选线实例
由图1可知，红淖铁路的总体走向选择与烟墩风区和淖毛湖风区交叉角度较小，从根本上减弱了戈壁风沙流对铁路的影响。
在设计线路上绝大部分采用路堤形式布线(占线路总长的85%)，路堤填筑高度在3～4 m左右。路堤采用整平边坡，不刷边坡超填部分并在迎风侧路肩以及路肩以下1 m范围内铺砌预制混凝土板护肩的措施防止风蚀，如图2所示。路堑地段在路堑坡顶施工扰动的部分采用片石覆盖地面压沙的措施，防治施工引起的沙源形成新的沙害。防护工程形成一年后，观测发现防风蚀、风沙效果良好。
图2 红淖铁路路堤典型断面
全线施工便道、房屋建筑均设在铁路的下风侧，避免了在上风侧形成新的沙源和微地形的变化引起积沙。铁路取、弃土场均选在铁路下风侧500 m以外，且优先选择在地形低洼处设置，同时应最大程度地减少对戈壁原地面及植被的扰动。
在戈壁风沙流严重地段宜采用涵洞扩大孔径、桥梁加大跨度并采用圆形墩的方式避免沙埋和风蚀。
红柳河至河西段24 km铁路走向与烟墩风区主导风向垂直，在河槽宽广、风沙严重的红柳河采用特大桥跨越风沙区。在低路堤、浅路堑地段采用放缓路基边坡减少风沙危害。
铁路修建造成地形地貌发生微变化，铁路附近的风向和风沙流会随之变化。为此，红淖铁路在铁路风沙防护设计时采取在铁路建成后一段时间，观测取得新的戈壁风沙的活动规律后，再设置防治戈壁风沙的措施来防止沙害。
6 结语
通过对戈壁风沙地区的特点和大风引起的不良地质危害的分析，结合红淖铁路修建时采取的综合选线方法和工程措施，得出了关于穿越戈壁风沙地区铁路综合选线设计的一些指导性结论:
1)通过充分掌握戈壁大风引起的不良地质的特点、活动规律，采用综合选线的手段，从工程设计上采取各种设计方法及工程措施，减轻或避免戈壁风沙的危害，从根本上避免或减少选线失误。
2)戈壁风沙地区铁路的设计和施工应仔细研究减少铁路建设对环境扰动的措施，最大程度地减少对戈壁生态环境的影响，避免形成新的沙源。
3)在铁路建成，取得铁路附近新的戈壁风沙活动规律后，有的放矢地采取相应的风沙防护措施，形成有效的铁路防沙、防风蚀体系。这可以避免风沙防护措施与铁路修建同步因采取的防护措施不当而引起工程浪费。
［1］铁道部第一勘测设计院.铁路工程地质手册［M］.北京:中国铁道出版社，1999.
［2］净文常.浅议沙漠地区铁路选线［J］.铁道工程学报，1999 (2):17-22.
［3］张炯.拉日铁路风沙防护设施风洞及现场试验研究［J］.铁道建筑，2014(9):91-94.
［4］孙永发.兰新铁路戈壁地区路基周围风沙流运动特征数值分析［J］.中国铁道科学，2011(4):15-28.
［5］孙庆伟，王涛，韩致文，等.北疆铁路沿线风沙危害的研究［J］.中国沙漠，2004(2):182-186.
［6］蒋富强，李荧，李凯崇，等.兰新铁路百里风区风沙流结构特性研究［J］.铁道学报，2010(6):106-110.
(责任审编孟庆伶)
U212.32
A
10.3969/j.issn.1003-1995.2015.06.32
1003-1995(2015)06-0125-03
2014-08-31;
2015-03-25
梁栋(1984—)，男，内蒙古丰镇人，工程师，硕士。
