格库铁路柴达木盆地段风沙防护动态设计

2022-02-15冯德泉

铁道标准设计 2022年2期

冯德泉

(轨道交通工程信息化国家重点实验室(中铁一院),西安 710043)

风沙是我国西部干旱地区多见的不良地质现象，对铁路工程和运营安全有重大危害，主要为风蚀、风积灾害[1]。风蚀大多发生在风速较大的风沙活动源头或风沙流动的通道上，可通过硬化路肩及加强建筑物、构筑物表面耐磨蚀度来解决。而风积成因复杂，形式多样，可采取的措施通常有输沙、导沙、阻沙、固沙等，对有利于非饱和搬运气流风沙严重地段尽可能以桥梁、明洞等形式，采用输沙、导沙措施通过，而路基地段主要的防沙方式是阻沙、固沙，线路与主导风向小角度交叉时可采用导沙措施[2-4]。主要以格库铁路柴达木盆地段设计情况探讨分析路基风沙防护动态设计方法。

1 格库铁路概况

格尔木至库尔勒铁路东起青海省西部重镇格尔木市，西抵新疆南疆地区门户库尔勒市，全长1 213 km，是我国西部地区客货共线铁路网干线，是新疆南疆地区通往祖国内地一条便捷通道，它的建设将改变内地与新疆“千里一线牵”的单一路网结构，具有十分重要的战略意义。

格库铁路青海段505.6 km，横贯柴达木盆地西部。柴达木盆地为高原内陆型盆地，北西西向展布，四面环山，夹于祁连山、阿尔金山和昆仑山之间，海拔2 700～3 100 m，地势西北部高、东南部低，地形起伏不大。线路走行在山前丘陵及倾斜洪积平原的前缘湖积、洪积平原地带，沿线风沙范围广，将会对铁路产生长期不利的影响，因此，风沙选线和风沙防护是格库铁路设计、建设的重点和难点。

2 柴达木盆地沿线自然条件

格库铁路柴达木盆地沿线植被稀少，盐湖洼地附近为草场，其他区域为戈壁、沙地及沙丘。出露地层主要有第四系、第三系、侏罗系、元古界蓟县系等，分布有风沙、泥石流、地震液化等不良地质现象和盐渍土、软弱地基土等特殊岩土。格库铁路柴达木盆地段风沙分布广泛，影响段落372.2 km，占线路长度的73.4%，风沙类型多样、风沙流活动频繁、沙害严重，对铁路危害较大。风沙活动区域按地形特点可分为湖盆沙化区、沙砾质戈壁区、流动性沙丘区。其中，第四系全新统(Q4)、上更新统(Q3)地层是柴达木盆地风沙沙源的产生地和风沙活动的主要区域。

柴达木盆地属高原干旱气候区，气候异常干旱、寒冷、多风少雨，昼夜温差大。年平均降水量28.4～44.0 mm，年平均蒸发量1 801.7～2 739.3 mm；主导风向以西风、西北风为主，年平均风速2.0～3.5 m/s，最大风速21.3～29.2 m/s，年平均八级以上大风日数6～43 d，每年2～9月为风季，4～6月风沙活动频繁。沿线风向如图1所示。

图1 格库铁路沿线柴达木盆地各站点风向频率玫瑰图

沿线地下水主要为第四系松散层孔隙潜水、承压水，局部段落有基岩裂隙水。除靠近盐湖洼地地段埋深较浅外，大部分地段埋深10～50 m，局部地段更深，靠近盆地边缘地带地下水贫乏，无开采利用条件。第四系松散层孔隙潜水矿化度高，不能用于植物灌溉[5]。

3 风沙防护动态设计理念

3.1 风沙防护动态设计理念的提出

通常铁路风沙防护设计是在线路方案选定后，进行详细的风沙影响调查，确定风沙防护段落和防护等级，据此完成施工图并交付施工。但根据部分风沙地区新建铁路建设经验，时常出现施工前风沙危害严重地段与主体工程建成后风沙危害严重地段产生变迁现象，导致风沙防护工程设置错位，给风沙防护工程设计带来较大困扰[6-8]。分析其产生的原因，主要是由于铁路工程建成后，路基、桥涵等工程使局部微地形地貌发生了显著的变化，影响了地表以上一定高度范围内空气流动形态，从而改变了风沙流动和堆积条件，引起风沙危害地段的变迁；其次，风沙流动和堆积是一个十分复杂的过程，受降水、沙源、地形地物、地面植被的变化和周边人为活动等诸多因素影响，某一条件的改变都会引起风沙的变化，新建铁路从定测到建成一般都需要好几年时间，这一变化往往比较明显。

虽然数值模拟和风洞试验对单个工点的风沙防护方式选择有很好的指导意义[9-11]，但对于大区域的风沙流动，由于引起风沙变化的因素多、条件复杂，现有风沙运动理论与数值模型远未达到准确预测野外真实环境下风沙流运动的程度[12]，结合多个风沙地区铁路项目的工程实践，数值模拟和风洞试验分区段对区域内风沙流动特征、风沙危害等级的判定误差较大，目前还无法运用于风沙影响范围的准确区划和危害等级判定，也没有这方面的工程实践先例[13-15]，而最直接有效的办法就是开展动态设计，因此，格库铁路首次提出了风沙防护动态设计的理念。

动态设计理念的提出，得到了建设主管部门的充分认可，在格库铁路项目原铁路总公司的初步设计批复(铁总鉴函[2015]581号)中，同意风沙影响段落在路基本体施工完成后按照实际积沙情况，调查确定风沙路基工点段落和具体设计范围；同意按照“先试验、后推广”的设计原则，开展各种类型的风沙防护措施试验，取得相关阶段性成果及工程经验后，调整和优化风沙防护设计[16]。

3.2 风沙防护动态设计流程

新建铁路工程风沙防护动态设计就是分阶段开展工程设计，根据在不同工程阶段的风沙危害情况分步骤修改风沙防护范围和等级，使风沙防护等级与风沙危害程度相匹配。风沙防护动态设计流程如图2所示。

图2 风沙防护动态设计流程

(1)初步设计阶段。对原地貌风沙影响的勘察分析，划分各段风沙类型并预估对铁路的危害程度，合理拟定相应的防风沙工程方案，以控制工程规模和投资。

(2)施工图阶段。完成风沙防护施工图预设计，该图用于与后续动态设计对照。

(3)铁路路基、桥涵等土建工程主体完工后，利用站后工程施工期间，通过对一个及以上风季的风沙活动观测，调查风沙流动和堆积影响实际情况，划分不同区域风沙对铁路工程危害的程度等级，与预设计进行对照，分析原因，经专家评审后调整细化风沙防护和治理措施，修正原设计，使之更有针对性，精准施策，避免不合理的工程浪费，达到有的放矢目的。按规定经施工图审核机构评审后交付施工[17-19]。

4 动态设计风沙危害程度分类

4.1 勘察规程相关规定

TB10027—2012《铁路工程不良地质勘察规程》表D.0.1对风沙危害程度进行分类划分，见表1。

表1 风沙危害程度分类[20]

表1中的规定适用于铁路建设前风沙防护的分类，不适用于风沙防护动态设计过程中路基等主体工程形成后风沙危害程度的分类指导。TB10027—2012《铁路工程不良地质勘察规程》表D.0.4对既有铁路沙害程度划分见表2。

表2 既有铁路沙害危害程度及沙害等级

针对表2“既有铁路沙害程度”沙害标准，一方面，虽然本线风沙防护动态设计阶段与既有铁路防沙防护有相似性，但本项目为新建铁路项目，设计目标不允许产生风沙病害预期，与既有线病害治理的思路有较大差别；另一方面，随着我国风沙地区铁路规模的逐步增加，列车运行速度的普遍提高，对铁路线路安全要求和维护标准发生了较大变化，“积沙淹埋轨头”危及行车安全的情况在运营线路上已经不允许发生、不可接受，必须在积沙淹埋轨头前及时清理积沙，否则列车不得放行[21]。

因此，新建铁路风沙防护动态设计不适宜直接采用表1、表2的划分标准，需提出符合风沙防护设计需要的风沙危害程度等级。

4.2 动态设计铁路沙害程度等级划分细化

为满足风沙防护动态设计需要，有必要结合表D.0.1“风沙危害程度分类”及其他项目设计经验，从沙源分布、积沙到达路基桥涵轨道的位置、积沙程度、发展趋势等方面，进行沙害程度等级划分，力求从严控制、提高铁路运营条件。考虑到原三级分类过于笼统简单，不利于区别不同危害程度分级施策，为更好按照危害程度大小安排合理的工程方案，将沙害危害程度分为极严重、严重、中等、轻微和极轻微五类，细化内容见表3。

表3 格库铁路风沙防护动态设计铁路沙害程度等级划分

5 格库铁路风沙防护动态设计实例

5.1 动态设计现场调查

格库铁路柴达木盆地段路基、桥涵主体工程2016年10月至2017年10月陆续分段建成，2017年4月至2019年3月逐段完成铺轨。根据本项目初步设计批复“先试验、后推广”的动态设计原则，一方面配合建设单位开展不同风沙防护形式的研究试验，选择具有代表性风沙段落；另一方面加强路基形成后风沙影响变迁的调查，设计单位协调建设、施工等参建单位按共同组成的专业调查小组，于2018年3月至2019年5月进行多次现场实地勘察、核对设计图纸和收集资料等工作。

现场共完成工程地质平面图复核约300 km2，风沙危害复核点132处，收集施工水井等水文地质资料10余处。调查中结合现场实际情况重点核查风沙的沙源(土地沙漠化程度)和年输沙量(积沙沙害程度)这两个实物化指标，通过对比初步设计阶段与施工后现场沙漠化变化的特点，沿线土地沙漠化分布演变情况得到验证；通过分析风沙积沙段落的分布特征，查清了路基建成后风沙危害变迁情况，查明了沿线实体工程沙害现状，掌握了地下水总体分布特征和植物固沙水源条件；结合现场情况按照拟定的标准进行了危害程度的划分。

5.2 风沙危害程度原设计与动态设计对照分析

根据动态设计阶段现场调查情况，沿线土地的沙漠化程度与初设阶段时基本相同，总体未因施工破坏而恶化，局部地段受地下水位变化、城市建设、工农业发展及铁路建设等因素影响，沙漠化程度发生了一定变化。

与定测阶段风沙调查情况对比见表4。

表4 两阶段风沙影响段对比

全段风沙路基长372.19 km，其中，危害程度为极严重、严重的41.29 km，中等138.691 km，轻微、极轻微192.209 km。

动态设计阶段风沙危害段落与2014年定测阶段风沙危害段落长度区总体有所缩短，但中等、严重及极严重段落增加均有增长。一是严重风沙段落较原设计有一定增加，主要体现为原设计为中等戈壁风沙流的地段，现场实际调查路基积沙很明显、成规模，虽然其沙源地为远在1～2 km外的半固定沙丘，但沙丘与铁路之间地势开阔，且位于风口，造成施工后路基积沙严重，风沙流危害程度进行了相应调整。二是中等段落略有增加、轻微段落略有减少，主要是原设计为戈壁风沙流的段落，路基成型后铁路附近戈壁滩上覆浮沙明显增加，路基积沙较明显，后续积沙危害可能进一步增大，引起中等段落增加。三是靠近格尔木城区段线路两侧开发枸杞地等经济林，有效消除了风沙的危害，轻微段有所减少。

5.3 动态设计风沙路基平面防护

根据线路附近下垫面类型(戈壁砾石覆盖度、粒度、形状、砂/砾比例，沙质地表粒度组成等)、地形条件和沙物质来源，将本线风沙分为戈壁风沙流和风积沙两种类型，相应按照风沙危害的5个等级，结合线路附近地形地貌、下垫面类型、风速风向、沙源和地质、水文等情况，分别采取不同的平面防护措施，见表5及图3～图6。

表5 格库铁路动态设计风沙路基平面防护措施

图3 风积沙区危害极严重地段路基风沙平面防护措施示意(单位：m)

图4 风积沙区危害严重地段路基风沙平面防护措施示意(单位：m)

图5 风积沙区危害中等地段路基风沙平面防护措施示意(单位：m)

图6 风积沙区危害轻微地段路基风沙平面防护措施示意(单位：m)

5.4 工程效果

2020年1月格库铁路柴达木盆地段重点地段风沙防护工程完成施工，经过一个完整风沙季的检验，尤其是随着格库铁路青海段2020年6月30日开通以来的运营实践，防沙治沙效果明显，重点地段没有出现风沙上道情况，风沙危害铁路的问题得到根本遏制，消除了风沙危害隐患，在科学维护的基础上可保证铁路长期安全运营，达到了设计预期。