银西高速铁路荒漠化地区微渗滴灌风沙平面防护研究

2021-09-06张宗堂时国伟

高速铁路技术 2021年4期

江涛张宗堂贾磊时国伟

(1.中铁第一勘察设计院集团有限公司，西安 710043； 2.中铁三局集团有限公司，太原 030001)

银西高速铁路穿越我国荒漠化问题最突出省区之一的宁夏回族自治区，本段线路长185.32 km[1]，经过区域主要为沙漠及半沙漠区，沿线降雨匮乏、土地干旱贫瘠、植被覆盖度低、风沙活动较为活跃。铁路修建扰动原本脆弱的生态系统，导致铁路周边区域沙漠化程度加剧，造成铁路路基和轨道积沙，给铁路运营带来了严重隐患[2-5]，也大幅度增加了铁路工务部门的养护费用[6]。

为有效规避风沙对银西高速铁路的不利影响，亟需研究一套行之有效且投资可控的平面防护体系，切实形成铁路高质量的绿色生态长廊，以保障风沙区铁路的运行安全。

1 沙害特征

银西高速铁路甜水堡至白土岗段属毛乌素沙地西南部边缘地带，表层多有片状风积沙分布，系毛乌素沙漠南侵部分，属风积地貌，积沙较薄，一般厚0.5～10.5 m。根据地表形态和活动程度，属固定、半固定沙地，局部零星可见有流动沙地(丘)分布。沿线风沙分布范围、活动程度及危害程度如表1所示。

表1 银西高速铁路风沙分布范围、活动程度及危害程度表

从表1可以看出，银西高速铁路沿线风沙危害等级以轻微为主，局部为中等。沿线分布的风沙对银西高速铁路的建设和运营构成了一定危害，主要分为两类：

(1)道床积沙

风沙浸入道床使道床不洁，增大了轨道的磨损，若积沙严重，来不及清理，则造成轨道沙埋，有可能对高速铁路运行造成严重危害。

(2)附属设施积沙

主要是在背风侧边坡、排水沟、栅栏处出现积沙，积沙影响路基附属设施的正常使用，造成栅栏沙埋、排水不畅等危害。

2 微渗滴灌风沙平面防护

2.1 风沙平面防护设计原则

针对银西高速铁路风沙地区路基，设计根据沿线地形地貌及气候、水文特征、大风特性、风沙活动规律及对铁路运营影响程度等因素，按照“因地制宜、永临结合、分步实施、综合治理”等原则[7]，采用工程防护和植物防护相结合的综合治理思路，分段进行路基风沙平面防护。

工程防护在防治初期起到阻沙作用，植物防护在后期发挥固沙作用，根据风沙危害程度来制定不同地段的风沙防护宽度。

2.2 微渗滴灌风沙平面防护试验段

2.2.1 试验段概况

银西高速铁路DK 518+089.10～DK 519+085.42、DK 524+415.00～DK 526+750.00和DK 543+700.00～DK 545+500.00路基共长 4 385 m，位于毛乌素沙漠西南边缘，区域气候干旱，长期干燥少雨，地表水资源呈盐碱化，植物成活率较低，受风沙侵害较为严重。

选择DK 518+089.10～DK 519+085.42段路基作为建设铁路周边荒漠化区域微渗滴灌风沙平面防护的试验段，开展树枝方格结合灌木和沙障等固沙、阻沙措施及建植植物微渗滴灌养管措施的试验研究。通过研究确定银西高速铁路风沙路基区段植被建植和荒漠化防治的有效实施方案。

该试验段位于灵武市白土岗乡，地表地层主要为第四系全新统风积粉砂，下伏三叠系上统砂岩。两侧分布流动沙丘，中线地表分布薄层风积砂，主导风向：春季W，夏秋季SE，秋冬季W。地表水不发育，仅在下雨时沟床有流水，地下水位埋深11～13 m。

2.2.2 试验段基本方案

路堤左侧(迎风侧)防护带宽150 m，其中铁路防护栅栏外设置5 m宽防火带，树枝方格固沙带宽145 m，前沿设3道高立式沙障；路堤右侧(背风侧)防护带宽70 m，其中铁路防护栅栏外设置5 m宽防火带，树枝方格固沙带宽65 m。树枝方格尺寸为1.0 m×1.0 m，方格内栽植灌木，灌木种类采用柠条或梭梭，栽植密度为6株/m2。

防火带地表平铺10 cm厚碎石土，高立式沙障为HDPE制成的阻沙网[8-12]，高1.5 m，沙网孔隙度为50%，孔径约2 mm。阻沙网下端边与紧密固沙网上端边锁扣链接，并固定于间距为2.0 m的立柱上，立柱基础为30 cm×30 cm×30 cm的混凝土，其上、下端和对角线均采用铁丝连接，构成固定阻沙栅栏框架，并在两侧45°用铁丝加固。消能通风段为网状，位于疏透阻沙段上部，其下边沿与疏透阻沙段连接，高20 cm。

选取树枝长约50 cm，施工时将树枝垂直插入地面20 cm，地面上留30 cm。施工前应拉线，确保线条顺直，并保证方格尺寸，沿拉线挖沟，沟内放入准备好的树枝，树枝要连续、均匀、紧密，粗细搭配需合理。

灌木选择1～2 a柠条或梭梭的实生苗，株高30 cm左右，根系发育良好，生长旺盛，姿态丰满，品种优良，无病虫害，所选苗木的规格尺寸满足要求。

2.2.3 微渗滴灌

试验段采取微渗滴灌技术，微渗滴灌风沙平面防护试验段横断面和平面布置如图1所示。

图1 微渗滴灌风沙平面防护试验段横断面和平面布置图(m)

(1)微渗滴灌是将具有一定压力的水，经管网、出水管道(滴灌带)或滴头以水滴的形式缓慢而均匀地滴入植物根部附近土壤的一种灌水方法。此种灌水方法可充分满足灌木生长所需水分的需要，保证栽植成活率，且布置方便，适合现场运行和维护；可充分节水，亦可解决传统水车浇灌无法进入的问题，降低养护费用，同时还可避免传统浇灌方式对原有地形及植被造成较大的生态破坏。

(2)根据原地貌布设微渗滴灌系统，采用高位蓄水桶自流或水泵加压的方式，通过主管道向低位施工区域树枝方格内每隔30 m引支管并铺设滴灌带，根据树枝方格内灌木间距，引入滴灌带进行灌溉。

(3)蓄水装置由2×1 000 L的大型储水桶组成，每个装置可承担约 10 000 m2的浇水范围，选择树枝方格区域地势较高的地段，迎风侧沿线路方向每隔150 m为1个单元，背风侧沿线路方向每隔300 m为 1个单元。每单元架设临时蓄水装置，同侧相邻单元可共用1个蓄水装置，由钢筋固定至现场高位。干旱期间可进行水泵加压，由水车从取水点将水运输至工地，加入蓄水桶。浇水期间应由专人看护并随时加满。

(4)主管道选用DN75 PE管，支管道选用DN32 PE管，滴灌带选用DN16 PE管。管道铺设均采取明铺或浅埋的方式，需要覆盖的区域采用人工或小型机械进行开挖，开挖的土方放置于沟槽旁边以方便回填。滴灌带采用人工铺设安装，间距为1.0 m。管道安装严格按照相关规范进行，在蓄水装置地势相当的区域铺设DN75主管道，采取现场焊接；DN32支管道与DN16滴灌带均采取现场打孔焊接的形式。滴灌带与主管道相连，加设阀门控制。

(5)滴灌带铺设完毕后，根据灌木的位置，现场使用专用打孔器进行打孔，做到一穴一管，保证灌木根部均可接受滴水灌溉。浇水期间需专人进行维修和保养。微渗滴灌系统如图2所示，单个方格内微渗滴灌布置如图3所示。

图2 微渗滴灌系统详图

图3 单个方格内微渗滴灌布置图

2.2.4 养护管理和质量验收

根据现场实际布置水塔(钢支架+水桶)，采用水车就近取水、机动补水的方法，确保现场植物浇灌持续进行。于每年春、夏季干旱时，秋、冬季封冻之前，根据天气和土壤情况进行灌水，一年浇3～4次。

微渗滴灌系统质量验收采用观察法，主管道和支管道不漏水，水可通过管道灌溉到滴灌带末梢的灌木即为合格；同时记录灌溉相同面积绿化带所需的水量，并进行对比。

灌木作为铁路主体工程的分部工程进行检验和验收，质量需满足铁路行业相关规定。

3 微渗滴灌平面防护效果研究

3.1 微渗滴灌平面防护维养效能研究

2020年3月银西高速铁路微渗滴灌风沙平面防护试验段建成，通过半年的维养，取得了一些初步效果，绿化成效显著。试验段微渗滴灌与一般区域采用水车人工维养的效能对比如表2所示。

表2 试验段与一般区域维养效能对比表

从表3可以看出，与一般区域采用水车人工维养相比，微渗滴灌节省总用水量33%，节省养护人工60%，具有明显的优势。该方法可解决传统水车浇灌无法进入的问题，避免传统浇灌方式对原有地形及植被造成较大生态破坏。

3.2 微渗滴灌平面防护绿化效果研究

通过半年的观测，非微渗滴灌区域植被覆盖度为23%，微渗滴灌区域植被覆盖率达到了42%，微渗滴灌平面防护措施的绿化效果较为显著。

3.3 微渗滴灌技术优势研究

微渗滴灌与其他滴灌技术相比较，其系统组成和功能的实现具有以下特点：

(1)微渗滴灌投资比传统滴灌少，同时还可有效减少地面漫流并控制灌溉深度，大大节省水资源。

(2)微渗滴灌管网主要采用PE管，适应地形能力较强，特别是在地形起伏较大的区域，管网可灵活调节，使滴灌末端直达灌木。

(3)有效控制树枝方格内的土壤含水率，降低杂草和病虫害发生率，同时减少农药用量，起到保护环境的效果。

(4)在大面积的干旱、半干旱区域，水源离施工区域相对较远，微渗滴灌技术能发挥较大的工程应用优势。

3.4 推广应用

试验段微渗滴灌技术取得了较好的绿化效果，继而在银西高速铁路DK 524+415.00～DK 526+750.00、DK 543+700.00～DK 545+500.00两段受风沙侵害较为严重的路基段落都布设了微渗滴灌系统，累计铺设长度近4.3 km，覆盖绿化面积89 hm2，植物生长态势良好，有效阻止了风沙对银西高速铁路的进一步侵害。