風沙地區(qū)鐵路防護工程設計

賀 鵬

(中鐵第一勘察設計院集團地路處，陜西西安 710043)

1 風沙對路基的危害

1.1 風蝕

當風沙地區(qū)的路堤采用當?shù)氐姆奂毶疤钪r，易遭風蝕。風力對路基的風蝕，可分為吹蝕、磨蝕與掏蝕三種作用。吹蝕是風力直接帶走填料顆粒;磨蝕是氣流中挾帶的沙粒沖擊填料顆粒，甚至鉆入孔穴內(nèi)旋磨，以致使土體局部被掏空，加速風蝕程度;掏蝕是氣流因遇障礙物或地面形狀突變和不平整而產(chǎn)生渦流，卷走細小顆粒，使較大顆粒失掉穩(wěn)定性而滾落于坡腳。一般迎風坡上部以吹蝕為主，路肩被吹蝕成渾圓狀，坡面有吹蝕槽，在邊坡下部1/5～1/4邊坡高度范圍內(nèi)不遭受風蝕。背風坡以掏蝕為主，從路肩開始風蝕，風蝕物大部分堆積于坡腳，少部分被風帶走，邊坡下部1/4邊坡高度范圍內(nèi)一般不遭受風蝕。風蝕常使路肩寬度不夠，嚴重者軌枕外露，影響行車安全。在沙丘或沙地開挖的路塹，或者含有易風蝕土層的路塹，坡面風蝕均較嚴重。大風地區(qū)的風蝕現(xiàn)象更為嚴重，不僅粉細砂填筑的路堤需進行防護，而且采用礫石土和泥巖、泥灰?guī)r、礫巖等軟質(zhì)巖碎塊填筑的路堤，亦需進行防護。

1.2 沙埋

風沙地區(qū)的道床積沙是普遍現(xiàn)象，輕則道砟空隙貫入沙粒，道心有少量積沙，造成道砟不潔，給鐵路軌道結(jié)構(gòu)帶來一系列危害;重則積沙掩埋軌道，當積沙超出軌頂3 cm以上，就可能引起機車或車輛脫軌，造成停運事故，此種現(xiàn)象一般稱為沙埋。沙埋形態(tài)有:片狀沙埋，當路堤較低或為零斷面，路堤坡腳積沙高度與道床積沙高度相等，呈片狀掩埋路基;舌狀沙埋，當風口地段或防沙工程局部破壞的地方，積沙呈舌狀順風向延伸掩埋路堤;堆狀沙埋，由于防護措施設置不當，形成了沙丘，或者是固定沙丘遭到破壞，致使整個沙丘移向路基，形成堆狀沙埋。沙埋重則掩埋軌道，造成列車脫軌事故、中斷行車，如包蘭線巴烏段1982年前積沙埋道，一般超過軌面高10～50 mm，最大達300 mm，造成該段1959—1971年間共發(fā)生8起列車脫軌事故。沙埋輕則造成道床板結(jié)、失去彈性，從而惡化了鋼軌的受力狀態(tài)，且由于積沙與道砟混雜在一起，給養(yǎng)護造成極大困難。另外經(jīng)常發(fā)生沙埋的地段，因鋼軌長期被積沙掩埋，造成鋼軌腰部及配件銹蝕、剝落，且由于流沙堆積在軌道上，當鋼軌受到動載振動上下彈跳時，沙粒被吸進軌底及墊板與軌枕間，致使墊板很快被磨壞，軌枕、軌底嚴重磨損，縮短了設備的使用壽命，如包蘭線部分地段軌腰銹斑厚達3 mm，同時墊板經(jīng)常更換。

2 風沙路基防護

風沙路基防護分為路基本體防護和路基兩側(cè)平面立體防護。本體防護主要是防風蝕，兩側(cè)防護主要是針對沙埋危害。

2.1 路基本體防護

路基本體防護工程材料的選擇一般根據(jù)當?shù)厥?、黏土來源的難易程度等情況而定。

1)卵礫石土包坡，厚20 cm。

2)栽砌卵石方格，采用1 m×1 m與水平線成45°角的骨架方格形式，栽砌的卵石直徑應＞10 cm，方格內(nèi)采用小卵石平鋪(厚7 cm)。此法施工簡便，堅固耐用，防風蝕效果良好，適用于石料來源豐富地區(qū)。

3)如果當?shù)厝狈β选⒌[石、片石等防護材料，可采用細砂混凝土板鋪砌，板長50 cm，寬30 cm，厚6～8 cm。

4)黏性土包坡防護，鋪設厚度為15～20 cm，塑性指數(shù)宜在10～20間，含沙量6% ～10%，摻入適量的短草及卵礫石，夯拍緊實。此法防風蝕效果較好，但宜被雨水沖蝕。適用于黏土來源方便且雨水較少地區(qū)。

5)新型土工合成材料的使用。邊坡鋪設土工網(wǎng)墊，相鄰網(wǎng)搭接0.20 m，用土工釘固定。土工網(wǎng)墊鋪設后即撒草籽，覆蓋土厚0.02 m。我院于1993年在包蘭線沙坡頭車站等地段，利用新型材料土工網(wǎng)墊及種草對沙質(zhì)路基邊坡進行防護。經(jīng)過幾年的觀察，其防風蝕效果好，且美化了鐵路沿線環(huán)境，施工簡易，費用較低，彌補了傳統(tǒng)防護措施的不足，正在成為風沙路基防護材料的一種新趨勢。另據(jù)相關資料介紹，還有可以兩年降解不留痕跡的土工材料，可以最大限度保護環(huán)境。

總之，對風沙地區(qū)路基本體的防護措施，應因地制宜。根據(jù)當?shù)氐臈l件選用經(jīng)濟合理的防護措施，才能達到預期的良好效果。

2.2 路基兩側(cè)平面立體防護

路基兩側(cè)平面立體防護體系包括防護帶和植被保護帶(圖1)。其中防護帶是采用工程防沙或植物防沙的地段，靠近鐵路是加強防護區(qū)，不允許流沙越過該區(qū)而掩埋鐵路工程;遠離鐵路區(qū)可允許少量流沙侵入加強設防區(qū)的外緣。當靠近路基采用易燃燒的防沙材料時，在路基坡腳或塹頂外應選用卵石土、碎石土、粗礫石土或黏性土鋪設防火帶。

圖1 路基兩側(cè)防護示意

防火帶寬度應符合《鐵路工程設計防火規(guī)范》(TB10063)的規(guī)定，一般為5～10 m。植被保護帶禁止樵采、放牧牲畜和不合理開墾，使其在自然條件下恢復和增加植被，減少沙流量。防沙體系寬度按表1風沙嚴重程度確定。

表1 路基兩側(cè)防沙體系寬度 m

2.3 工程防沙與植物防沙

2.3.1 工程防沙措施

當?shù)責o條件營造防沙林帶時，應采取工程防沙措施，或植物防沙未起作用前，亦需采取工程防沙措施過渡。風沙活動較大的地區(qū)，為了防止林帶前緣積沙，林帶外緣應適當配置高立式阻沙柵欄。

1)固沙措施。采用不被風吹蝕的材料覆蓋沙表面，即常說的平鋪。常用材料有卵石土、碎石土、粗礫石土、礦渣、爐渣、黏性土、土工網(wǎng)、土工網(wǎng)墊(圖2)。

圖2 土工網(wǎng)墊固沙形貌

2)固阻沙措施。采用各種方格沙障，埋入地面以下10 cm左右，露出地面5～30 cm。常用材料有麥草(稻草)、葦笆、樹枝、黏性土埂、鹽塊(草皮塊)、碎石(卵石)、瀝青氈、土工網(wǎng)(圖3)等。常設置成1～2 m的方格形式。

圖3 土工網(wǎng)方格沙障(單位:m)

3)阻沙措施。高立式沙障主要起阻沙作用，一般根據(jù)輸沙量大小設置1～3排，常設于防護帶外緣，距離路基坡腳100～300 m。按透風情況分為兩種:不透風沙障和透風沙障。不透風沙障主要有截沙溝堤、沖土墻、干砌片石墻等，其抗風壓能力強，不僅適用于一般風沙地區(qū)，且適用于風力強勁的大風區(qū)。透風沙障主要有樹枝柵欄、荊條笆柵欄、蘆葦柵欄、廢枕木柵欄、土工合成材料柵欄、鋼筋混凝土柵欄等。

2.3.2 植物防沙措施

植物固沙能增加地面粗糙度，削弱風沙活動。當氣流遇到林帶阻擋時，很大一部分被迫抬升，在林帶前緣形成弱風區(qū)，部分氣流通過林帶而受到樹枝的阻擋，消耗了大量的動能，使氣流中挾帶的沙粒在林帶中停積下來;同時還能通過植物的成土過程固定流沙，所以固沙造林是控制和固定流沙最根本和有效的措施。從防風固沙效果看，喬木由于樹干高大，防風力強，故采用喬、灌木林帶對削弱風速和減少氣流中的輸沙量具有很大作用。草本、灌木因生長低矮，枝條密集，能迅速固定沙面。因此，理想的固沙林帶最好是草、灌、喬相結(jié)合，取長補短，以達到最好的防風固沙效果。

1)植物固沙對水的要求。在有水源可利用或年平均降水量＞250 mm地區(qū)，可采用植物固沙;在年平均降水量為100～250 mm且濕沙層含水率＞3%的地區(qū)，宜采用植物固沙;在年平均降水量＜100 mm的地區(qū)，如果沒有灌溉條件或較高的地下水位，就無法建立人工植被。

2)植物的選擇。樹(草)種應選擇生長良好、固沙能力強的當?shù)厣衬参铩ＲN外地樹(草)種時，應經(jīng)過栽培試驗，成功后推廣應用。先鋒植物生長迅速，需要水分比后期植物迫切，流沙固定后，便不適應而趨向衰退，故選擇樹種時，需要混交和考慮先鋒植物與后期植物相互配合，以便植物更替接應，而不致造成采用單一樹種時植物大面積枯萎。

3)林帶結(jié)構(gòu)類型選擇。在沙源較豐富和風力較大的鐵路沿線，多采用稀疏結(jié)構(gòu)林帶。因緊密結(jié)構(gòu)林帶的上下都很稠密，中等風速幾乎不能透過，雖有利于防沙，但林緣及林中積沙現(xiàn)象嚴重，形成沙堆，壓埋林帶;通風結(jié)構(gòu)林帶不能有效地防沙，由于透風性大，造成林緣及林帶中風蝕現(xiàn)象嚴重。而稀疏結(jié)構(gòu)林帶的防沙特點介于上述兩者之間，林緣和林帶中沙埋、風蝕現(xiàn)象也較輕，故設計時一般宜采用稀疏結(jié)構(gòu)林帶。

4)林帶寬度的確定。鐵路固沙林帶寬度，是一個較為復雜的課題，影響因素很多，但主要還是考慮當?shù)厣城鹨苿铀俣群惋L沙流活動強度(此為風沙危害程度三級劃分的依據(jù))。根據(jù)包蘭、干武等線的治沙經(jīng)驗，當線路迎主導風向側(cè)草方格或林帶達到300 m寬時，路基上不見積沙現(xiàn)象，說明風沙活動距離一般不超過300 m，故林帶寬度太大沒有必要。根據(jù)風沙危害的嚴重程度及當?shù)刈匀粭l件，一般設1～5條，每條林帶寬度20～40 m。太寬不好管理。林帶間應設林間空地，寬度可采用30～40 m。

5)植物灌溉方式的選擇。目前灌溉方式有明渠自流漫灌和暗管輸水的噴灌、滴灌。采用漫灌雖能取得較好的灌溉效果，但須整平地面，且占地費水，水資源浪費較大;噴灌不需整平地面，且較為節(jié)水，并能顯著增大近地面的空氣濕度，減少蒸發(fā)，有利于植物生長，但風力達到3級以上時，易產(chǎn)生噴水不均勻現(xiàn)象;滴灌是干旱荒漠地區(qū)營造防沙林的一種很好的灌溉方式，能夠最大限度地節(jié)約用水，使干旱荒漠地區(qū)寶貴的水資源得到充分的利用。故有條件時，宜優(yōu)先采用噴灌和滴灌。

3 工程實例

南疆線焉耆至塔什店K420+650—K423+100段為風沙路基，全長2 450 m。該段線路地處焉耆盆地土質(zhì)平原區(qū)，自然條件惡劣，極端最高氣溫42℃，極端最低氣溫－35℃，年平均氣溫8.6℃，年平均蒸發(fā)量2 353.9 mm;年平均降水量80.0 mm，最大降水量142.1 mm;最大積雪厚度0.17 m;主導風向北西，定時最大風速22 m/s;最大凍結(jié)深度0.95 m。

線路所經(jīng)地段為荒地，兩側(cè)有大面積的墳狀沙丘分布，沙丘低矮，一般高度0.5～2.0 m，直徑2～5 m，沙丘類型為半固定沙丘，地下水位1～3 m，其植被覆蓋率為30%，由于地表被破壞，路基側(cè)溝內(nèi)已有積沙。該段主導風向N55°W。

本段風沙路基防護范圍為右側(cè)(迎主導風向側(cè))100 m，左側(cè)(背主導風向側(cè))50 m。局部地段防護設計及建成效果詳見圖4、圖5。

圖4 防護設計(單位:m)

圖5 防護效果景觀

植物采用當?shù)啬望}堿性兩年左右樹齡的胡楊、沙棗及紅柳等樹種，其植物的布置為喬木一行、灌木一行，交錯排列。株距、行距均為2.0 m，梅花形布置。灌溉采用自動滴灌技術，灌溉器采用滴灌管或滴灌帶。水源取自地下水源，并在K420+930，K422+220線路右側(cè)60 m處各設置一處60 m2的水泵房。在植物防護帶起作用前，采用1 m×1 m蘆葦方格沙障固阻沙。

4 結(jié)語

本文討論了鐵路路基中典型的風沙危害和一般的治理原則，所舉工程實例對沙害的防治是比較成功的。值得注意的是，在考慮防護工程中應結(jié)合沙害情況及現(xiàn)場條件，特別是工程材料及水源情況，因地制宜地確定工程方案。

［1］鐵道部第一勘測設計院.鐵路工程設計技術手冊 路基［M］.北京:中國鐵道出版社，1992.

［2］李成，柯貞東.鐵路微灌植物防沙工程勘察設計與施工［M］.北京:海洋出版社，2004.

［3］耿福志.風沙路基施工及防護技術［J］.石家莊鐵道學院學報，2000，13(2):88-91.

［4］郝才元.集二線鐵路沿線沙害防治［J］.鐵道勞動安全衛(wèi)生與環(huán)保，2008，35(3):128-132.

［5］羅培新，邱敏麗，胡智煒，等.南疆線庫喀段風沙路基工程設計與施工［J］.路基工程，2005(2):41-43.

［6］薛增利.沙漠地區(qū)鐵路沙害及路基防護工程設計［J］.路基工程，2001(2):18-20.

［7］吳春成.鐵路風沙害、泥石流災害的綜合治理［J］.鐵道建筑，2001(9):38-40.

［8］卿國平.神延鐵路風沙路基防護工程的設計與施工［J］.路基工程，2004(5):24-27.

［9］藺全林.烏錫線風沙發(fā)育特點及其防護措施［J］.鐵道建筑，2013(1):79-82.

［10］中華人民共和國鐵道部.TB 10035—2006 鐵路特殊路基設計規(guī)范［S］.北京:中國鐵道出版社，2006.