北方风沙区铁路建设水土保持防治措施研究

张 帅

（中铁第一勘察设计院集团有限公司 环境与设备设计院，陕西 西安 710043）

铁路是国家重要的基础设施和民生工程，随着我国经济持续快速发展，中西部地区成为铁路建设的重点。北方风沙区约占国土面积的1/4，该区是我国戈壁、沙漠、沙地和草原的主要集中分布区，具有降水稀少、蒸发量大、大风及沙尘暴频发，水土流失及土地荒漠化严重等特点[1]。风沙侵蚀不仅造成严重水土流失，同时也对铁路运输安全产生影响，因此做好风沙区铁路工程水土流失的防护尤为重要。本文以新建铁路和田至若羌线为例，在充分了解工程区自然环境及工程设计的前提下，因地制宜提出风沙区铁路水土保持措施建议，旨在为北方风沙区铁路水土流失综合防治提供参考。

1 概况

1.1 工程概况

新建铁路和田至若羌线位于新疆维吾尔自治区和田地区及巴音郭楞蒙古自治州境内。线路从在建格库铁路若羌站接轨，经过若羌、且末、民丰、于田、策勒、洛浦、和田7 个市(县)及新疆生产建设兵团第二师三十七、三十八团、第十四师二二五团，接入终点喀和铁路和田站。线路全长825.463 km，主要技术指标为国铁Ⅰ级、单线、设计旅客列车最高时速120 km、内燃牵引，工程建设内容包括路基、站场、桥涵主体工程及取土场、弃土场、施工便道、施工生产生活区等临时工程。

1.2 自然概况

项目区地貌类型包含戈壁区、风沙区和绿洲区。气候类型属典型的大陆型干旱性气候区，年均气温11.4～13.8℃，大于10℃有效积温3 352～4 375℃，年均降水量27.6～55.4 mm，年均蒸发量1 837.6～3 647.8 mm，年均风速1.1～2.6 m/s。土壤类型以风沙土、棕漠土、灌淤土为主，植被类型有荒漠、草甸、灌丛和荒漠河岸林，植被覆盖率约5%～15%。

由于塔里木盆地气候干燥，风速大、频率高，地形开阔，沙源丰富，沿线风蚀和积沙现象较为普遍。大面积流动沙丘、流动沙地主要分布于洛浦至策勒、于田东至牙通古孜、五苇场至塔什萨依地段；局部流动沙丘、沙地与半固定沙丘、沙地在博斯塔库勒至托万兰干、固合拉玛至先拜巴扎、阿其克依木至塔特勒克、安迪尔至三十八团、洋塔克至三十七团等地分布；固定沙丘、沙地在塔特勒克至安迪尔、康阿克至洋塔克等地分布；戈壁风沙流沿线分布于策勒附近、于田东至若克雅、瓦石峡至若羌西等地。风沙影响长度为483.625 km。

1.3 水土流失现状

依据全国第二次水土流失普查结果和新疆维吾尔自治区土壤侵蚀图集，和田地区土壤侵蚀面积占全地区土地面积的63.60%，中度以上侵蚀面积占全地区土壤侵蚀总面积的84.03%，侵蚀类型主要有水力侵蚀、风力侵蚀和冻融侵蚀，其中风力侵蚀面积占土壤侵蚀面积的82.82%、水力侵蚀面积占土壤侵蚀面积的9.86%、冻融侵蚀面积占土壤侵蚀面积的7.32%。巴音郭楞蒙古族自治州中度以上侵蚀面积占全地区水土流失总面积的41.95%，侵蚀类型主要有水力侵蚀、风力侵蚀和冻融侵蚀，其中风力侵蚀面积占土壤侵蚀面积的87.75%、水力侵蚀面积占土壤侵蚀面积的2.45%、冻融侵蚀面积占土壤侵蚀面积的9.80%。根据《土壤侵蚀分类分级标准》(SL 190—2007)和《中国土壤侵蚀区划》中的土壤侵蚀类型分区范围及特征确定项目区以轻度、中度风力侵蚀为主。

2 水土保持措施布设

2.1 路基、站场区边坡防护

根据地形地质条件和填料性质、路基和车站填土高度，结合既有铁路包兰线、兰新线、南疆线等及环保景观要求，分别采用骨架护坡、空心砖护坡等形式防护。路堤边坡高度大于6.0 m 及公路立交、村镇厂矿、绿化景观要求地段，路堤坡面采用混凝土骨架护坡进行防护，设计净距3 m、厚度0.4 m，主骨架宽度0.6 m，支骨架宽度0.5 m，全部镶入土体中，骨架、镶边、踏步采用C30 混凝土，脚墙、护脚采用C35 混凝土。采用粉、细砂包心路基形式的段落，边坡高度为3～6 m时采用空心砖护坡，设计框架间距15 m，空心砖采用预制(长×高×厚=0.2 m×0.1 m×0.05 m)，骨架、镶边、踏步采用C30 混凝土，脚墙、护脚采用C35 混凝土。线路两侧地形平坦、地表积水不深，有漫流情况时路基坡脚设置混凝土护脚进行防护。

2.2 路基两侧风沙防护

依据《铁路工程不良地质勘察规程》(TB 10027—2012)[2]，风沙防护分为戈壁风沙流带防护、沙丘和沙地区防护，按沙害程度分为严重、中等和轻微。本工程风沙防护主要为风沙流路基(戈壁风沙流地区)、风沙路基(沙丘、沙地区)两侧防护，一般采取工程防沙与植物防沙相结合的固沙、阻沙措施[3-4]。

2.2.1 路基两侧风沙防护体系

根据沙源、风况、沙丘活动情况及天然植被等因素，确定对路基危害严重程度及类别，结合当地铁路、公路及地方部门的防沙治沙经验，在路堤两侧坡脚外依次设置防火带、方格固沙带、前沿阻沙带。

（1）防火带。风沙路基、风沙流路基防火带宽度设计为20 m(自铁路用地界至方格固沙带边缘)，平铺0.1 m厚卵石和砾石，线路两侧靠近路基侧3.0 m范围内铺设厚度增至0.3 m，以用作维修道路。防护带内沿线路每隔500 m 左右设置1 条维修通道。线路穿越冲积、洪积平原区，地表植被稀少，防火带不再铺设卵石和砾石。

（2）方格固沙带。格库铁路青海段采用芦苇草方格防沙取得良好效果，该工程设计采用芦苇草方格(沙丘、沙地区)或中立式芦苇方格固沙(戈壁风沙流地区)。芦苇方格为1.0 m×1.0 m×0.3 m(长×宽×高)，中立式芦苇网方格为4 m×2.5 m×0.8 m(长×宽×高)，芦苇草方格平面示意如图1所示。

图1 芦苇草方格平面示意

（3）前沿阻沙带。于亚文[5]、辛文栋[6]、冯德泉[7]等研究认为，路基两侧沙障防护可有效防止项目区风力侵蚀，是阻沙固沙、减少沙害的有效措施。在前沿阻沙带区采用高立式阻沙沙障，由1.5 m芦苇草排沙障和2 m 高钢筋混凝土立柱组成。芦苇草排与立柱顶部平齐，露出地表1.2 m，其余部分埋入地下作为基础。

2.2.2 风沙、风沙流路基平面防护布置

（1）风沙路基防护。轻微风沙路基迎主导风向侧防护带宽度130 m，自最外侧至防火带外边缘依次设置1 道高立式阻沙沙障+30 m 空留带+100 m 芦苇方格固沙带；背主导风向侧防护带采用50 m宽芦苇方格进行固沙。中等风沙路基迎主导风向侧防护带宽度260 m，自最外侧至防火带外边缘依次设置2道(高立式阻沙沙障+30 m空留带)+200 m方格固沙带；背主导风向侧防护带宽度130 m，自最外侧至防火带外边缘依次设置高立式阻沙沙障+30 m 空留带+100 m 方格固沙带。严重风沙路基迎主导风向侧防护带宽度390 m，自最外侧至防火带外边缘依次设置2～3道(高立式阻沙沙障+30 m空留带)+300 m方格固沙带；背主导风向侧防护带宽度260 m，自最外侧至防火带外边缘依次设置1～2 道(高立式阻沙沙障+30 m 空留带)+200 m 方格固沙带。风沙地段路基平面防护布置如图2所示。

图2 风沙地段路基平面防护布置

（2）风沙流路基防护。轻微风沙流路基迎主导风向侧防护带宽度130 m，自最外侧至防火带外边缘依次设置1 道高立式阻沙沙障+30 m 空留带+2 道(20 m 中立式芦苇网方格固沙带+30 m 空留带)；背主导风向侧防护带采用20 m 中立式芦苇网方格固沙带+30 m 空留带进行固沙。中等风沙流路基迎主导风向侧防护带宽度260 m，自最外侧至防火带外边缘依次设置1～2道(高立式阻沙沙障+30 m空留带)+3～4道(20 m中立式芦苇网方格固沙带+30 m 空留带)；背主导风向侧自最外侧至防火带外边缘依次设置1 道高立式阻沙沙障+30 m 空留带+1～2 道(20 m 中立式芦苇网方格固沙带+30 m 空留带)固沙带。严重风沙流路基迎主导风向侧防护带宽度390 m，自最外侧至防火带外边缘依次设置2～3 道(高立式阻沙沙障+30 m 空留带)+6道(20 m 中立式芦苇网方格固沙带+30 m 空留带)；背主导风向侧，自最外侧至防火带外边缘依次设置1～2道(高立式阻沙沙障+30 m 空留带)+4 道(20 m 中立式芦苇网方格固沙带+30 m 空留带)。风沙流地段路基平面防护布置如图3所示。

图3 风沙流地段路基平面防护布置

2.3 排水工程

工程走行地段主要为戈壁、农田区和沙漠区，对不同区域采取不同排水设计。戈壁漫流区结合桥涵导流设施，设置脚墙基础护坡将水挡至坡脚以外。农田区为防止灌溉水浸泡路基，设置护脚防护；部分地段兼做灌溉的水沟，采用U型水沟，断面尺寸弧形半径0.45 m，顶宽0.90 m，材质C35 混凝土。沙漠区一次性降雨不产生地表径流地段可不设置排除地表水设施；路堑段设置5 m宽积沙平台，不再设置侧沟排水。一般地段，局部挖方采取预制混凝土块板梯形水沟将路堑部分坡面水引至坡脚以外，断面尺寸底宽0.40 m、深度0.6 m、边坡比1:1。路基排水设施与桥涵、车站等排水设施衔接，并与水土保持及农田水利的综合利用相结合，形成完善的排水系统。

2.4 灌溉工程

（1）灌溉方式。风沙防护绿化灌溉管网系统水源为地下井水，水质符合国家农业灌溉用水标准。灌溉管网系统采用人工智能自动化控制系统，是高效节水的灌溉方式。

（2）布管模式。根据作物种植要求及采用的灌溉技术，要求输水干管应适合滴灌的要求。因地制宜，结合植物布置方式位置和作物最佳种植方向的要求，使管道总长度最短和尽量少穿越其他地物。确保作物用水要求，调水便捷，管理维修方便。输配水干管沿地势较高位置布设，支管垂直作物种植行布置，滴灌带(毛管)顺作物行布置。管道的纵剖面应力求平顺，为防止热胀冷缩和冬季冻害，输配水干管均采用地埋式，地埋深0.8～1.0 m。在管尾修建渗水井，以便排除管道中冲砂水和秋季积水。

（3）灌水器的选择。防风基干林、条田防护林与生态经济林均选用装有压力补偿式内镶滴头的滴灌管，滴灌管沿林木种植方向布设，1 管1 行模式，在林木处安装滴头，滴孔间距同林木株距，毛管间距同林木行距，滴头额定流量为2 L/h。

（4）管道结构。地埋管(总干管、分干管、干管)埋深在0.7 m 左右，地面管有滴灌管和支管；支管与滴灌管均双向布设，在地面上呈“丰”字型；支管与干管之间设碟阀，在支管上接辅管，滴灌管接在辅管上双向铺设于地表。

（5）灌水时间。灌水时间为每年的3 月至10 月，防风林1次灌水时间为11 h。

2.5 取土、弃土场防护措施

施工前对可剥离表土或盐壳区进行剥离并集中堆存，采取临时苫盖和编织袋挡护措施。施工过程中对弃土场定期采取洒水结皮、碾压措施，取土场汇水区周围设置临时排水、挡水埂。施工结束后，采取机械加人工辅助的方式对取土、弃土场进行平整压实并回铺表土或盐壳，表面布设0.3 m 高方格固沙措施，弃土场方格内撒播草籽，进行人工辅助植被恢复。

2.6 表土剥离及土地整治

施工前对占用耕地、园地、林地和草地的区域进行表土剥离，剥离厚度0.1～0.3 m，用于后期的边坡覆土或其他区域，剥离表土采取临时苫盖和编织袋挡护措施。施工结束后，采取以小型机械为主、人工辅助的方式对边坡及施工作业面进行平整、压实，回铺表土。

2.7 植物措施

植物措施以“宜乔则乔、宜灌则灌、宜荒则荒”为原则，条件允许时可选择适合当地生长条件、易于成活的物种。有研究认为胡杨、梭梭、红柳具有良好的治沙功能[8-9]。

（1）路基绿化。选择适宜当地生长、耐旱、固沙能力强的乔木(胡杨)和灌木(梭梭、红柳)等树种。乔木行距、株距均为2.0 m，灌木行距1.5 m，株距1 m。

（2）车站绿化。根据沿线车站房屋、道路及硬化布局等综合考虑绿化，采取乔、灌、花灌相结合的绿化方式。乔木与灌木、落叶树与长绿树应配置适宜，整体绿化布置以美化和保持水土为主，考虑景观效果，以站区为主体，精心搭配，适时管理，降噪抑尘，与周围环境相协调。绿化布局上，在不影响车站正常工作和通视要求的前提下，于车站四周栽植灌木、花灌，站区道路两侧栽植乔木。选择的树草种具有抗寒、抗旱、耐贫瘠、抗风沙等特点，乔木为胡杨、新疆杨、红柳，灌木梭梭、花棒，草本为合头草、扁穗冰草、高羊茅、骆驼蓬。乔木4 m×4 m、小灌木1 m×1 m、花灌木4 m×4 m。

2.8 临时措施

（1）表土临时防护。剥离表土采取临时苫盖和编织袋挡护措施。堆土采取梯形断面，堆土高度4.0 m，堆置边坡比为1:1，上底3.0 m，下底11.0 m。表土采用密目防尘网进行苫盖。坡脚采取装土编织袋压边，编织袋规格为长×宽×高=0.6 m×0.4 m×0.2 m，装土0.048 m3/袋。

（2）洒水结皮。施工期为防止扬尘导致的水土流失，对弃土场定期采取洒水结皮、碾压措施，增强地表抗蚀能力，减少土壤侵蚀。

（3）限行环保桩。施工便道建成后，为了严格控制和管理运输车辆及重型机械的行驶范围，以防扰动破坏地表，在便道两侧边界按一定间隔布设限行环保桩作为施工机械和车辆的行驶边界，限制车辆通行区域，控制扰动地表面积，限行环保桩采用PVC管，布设间距为50 m。

（4）洒水降尘。因施工便道通行施工车辆较多，地表被扰动时间较长，项目区气候干燥，自然降水少，故地表扰动程度较剧烈，并且施工期跨越项目区的多风季节，为了减少施工车辆通行中产生的扬尘，对施工便道定期采取洒水降尘措施。

（5）泥浆沉淀池。施工过程中基坑开挖时根据桥梁建设情况于基坑边适时布设泥浆沉淀池，用于存放桥梁钻孔排出的钻渣、泥浆等。泥浆沉淀池设计采用半填半挖式，地下部分开挖尺寸根据钻孔需要泥浆数量确定，开挖的土方堆置在池体四周并拍实作为泥浆池地上部分；施工结束后，泥浆沉淀池四周堆置土方用于回填池体并整平。设计泥浆沉淀池池身长度为2 m，宽度为2 m，地面以下开挖1.5 m，地面上高出0.6 m (梯形断面，上底0.5 m、下底1.1 m、边坡比1:0.5)；泥浆沉淀池采用彩条布铺垫，防渗。

3 结束语

风沙区铁路建设水土保持是治理风沙灾害、保障铁路安全的一项重要内容。水土保持措施采用工程措施为主，辅以植物措施、临时措施的综合防治体系。风沙区段落采用工程防沙与植物防沙相结合的固沙、阻沙措施，在路堤两侧坡脚外依次设置防火带、方格固沙带、前沿阻沙带，对轻微风沙地段、中等风沙地段、严重风沙地段分别确定了适宜的方格固沙带宽度和前沿阻沙带宽度。措施的实施可以改善风沙区铁路运营环境及沿线生态环境，有效减少水土流失。今后，应对风沙防护措施效果开展长期监测，进一步研究风沙侵蚀机理和运动规律，为铁路风沙治理提供有力支撑。