青藏鐵路風(fēng)沙災(zāi)害及其治理措施研究

張亞賓呂曉星

（1甘肅建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅 蘭州 730050；2鄭州鐵路局新鄉(xiāng)橋工段，河南 新鄉(xiāng) 453000）

青藏鐵路風(fēng)沙災(zāi)害及其治理措施研究

張亞賓1呂曉星2

（1甘肅建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅 蘭州 730050；2鄭州鐵路局新鄉(xiāng)橋工段，河南 新鄉(xiāng) 453000）

通過(guò)調(diào)查研究青藏鐵路沙害現(xiàn)象、危害及其產(chǎn)生原因，對(duì)青藏鐵路既有風(fēng)沙防治工程措施進(jìn)行分析與評(píng)價(jià)。結(jié)果表明：沙化草甸和草地是青藏鐵路產(chǎn)生沙害重要風(fēng)沙來(lái)源；青藏鐵路采用的治沙措施主要有阻沙措施與固沙措施，阻沙措施普遍存在造價(jià)較高、施工難度大、清沙難度大等問(wèn)題。固沙措施中最為理想的是植草固沙，既可根治沙害又可改善生態(tài)環(huán)境。

青藏鐵路；沙害；阻沙措施；固沙措施

1 引 言

青藏高原是全球海拔最高的地理單元，這里生態(tài)環(huán)境異常脆弱。近年來(lái)隨著全球氣候變暖，青藏高原冰川退縮，湖塘沼澤濕地產(chǎn)生退化，部分已固定的沙丘又重新復(fù)活，地表風(fēng)蝕加重，加之不合理的人為活動(dòng)，加劇了青藏高原沙漠化現(xiàn)象。青藏鐵路連接西寧市與拉薩市，全長(zhǎng)1956km。鐵路沿線(xiàn)生態(tài)環(huán)境復(fù)雜敏感，自青藏鐵路開(kāi)通以來(lái)，風(fēng)沙災(zāi)害就成為鐵路運(yùn)營(yíng)安全的重要隱患。

隨著青藏高原沙害問(wèn)題日益嚴(yán)重，國(guó)內(nèi)對(duì)此研究較多，高尚玉、邊慶策、董光榮[1]等研究沙丘移動(dòng)速度時(shí)引入C14年代測(cè)定、電鏡掃描、風(fēng)洞試驗(yàn)等方法。封建民、王濤[2]等通過(guò)遙感和GIS研究認(rèn)為超載放牧是高原沙漠化的重要原因。楊印海[3]等分析了青藏鐵路措那湖段的沙害類(lèi)，評(píng)價(jià)了該段鐵路的工程治沙措施。

本文主要研究青藏鐵路出現(xiàn)的風(fēng)沙災(zāi)害及機(jī)理，對(duì)青藏鐵路風(fēng)沙防治技術(shù)進(jìn)行探討，提出適合于青藏鐵路的沙害防治模式，給青藏鐵路風(fēng)沙災(zāi)害的防治提供技術(shù)參考。

2 青藏鐵路沙害類(lèi)型及危害

2.1 青藏鐵路沙害類(lèi)型

2.1.1 沙埋

沙埋也稱(chēng)為風(fēng)積，是風(fēng)力將地表的細(xì)沙搬運(yùn)并沉積的現(xiàn)象。沙埋可分為片狀沙埋、堆狀沙埋和蛇狀沙埋，一般鐵路最常見(jiàn)的形式為片狀沙埋，而青藏鐵路卻多為蛇狀沙埋，風(fēng)速較大時(shí)數(shù)十分鐘風(fēng)沙即可埋道，且難以預(yù)測(cè)，因此對(duì)行車(chē)安全危害性較大；堆狀沙埋移動(dòng)速度慢，事先可預(yù)防，因此危害性較小[4]。

2.1.2 風(fēng)蝕

風(fēng)蝕路段邊坡上部風(fēng)蝕較為嚴(yán)重，路肩多呈渾圓形，坡面多呈槽形；風(fēng)向與線(xiàn)路垂直時(shí)，迎風(fēng)側(cè)路基風(fēng)蝕較嚴(yán)重，易產(chǎn)生掏蝕現(xiàn)象；風(fēng)向與線(xiàn)路平行時(shí)，路基兩側(cè)邊坡同時(shí)產(chǎn)生風(fēng)蝕和堆積，邊坡形態(tài)凹凸不平、上陡下緩[5]。青藏鐵路路基填筑材料含沙量相對(duì)較高，易出現(xiàn)風(fēng)蝕現(xiàn)象。

2.1.3 磨蝕

磨蝕是指沙粒隨氣流運(yùn)動(dòng)時(shí)，撞擊列車(chē)及設(shè)備產(chǎn)生的磨蝕現(xiàn)象。

2.2 青藏鐵路沙害危害

1）風(fēng)蝕路肩。導(dǎo)致路肩寬度不夠，軌枕外露，加之列車(chē)運(yùn)行振動(dòng)影響，軌道形位難以保持，危及行車(chē)安全；

2）銹蝕軌道結(jié)構(gòu)。風(fēng)沙中含鹽量較高，覆蓋鋼軌會(huì)銹蝕鋼軌及扣件，降低軌道結(jié)構(gòu)使用壽命；

3）風(fēng)沙覆蓋路基會(huì)造成三角坑或拱道；同時(shí)會(huì)影響線(xiàn)路彈性及排水，進(jìn)而誘發(fā)其他線(xiàn)路病害；

4）路基坡腳積沙，增加養(yǎng)護(hù)維護(hù)工作量。

3 青藏鐵路風(fēng)沙災(zāi)害原因

首先，青藏高原是我國(guó)眾多河流的發(fā)源地，夏季水量充沛，河面寬廣，水中攜帶的碎屑顆粒物沉積于河床及河漫灘，入冬后，水量減少，河面變窄，沉積的顆粒物等物質(zhì)逐漸露出水面，風(fēng)力將其吹上河岸，成為沙害物質(zhì)來(lái)源；其次，沙化草甸和草地是風(fēng)沙直接來(lái)源，在風(fēng)力作用下直接沉積到鐵路上，同時(shí)沙化草甸和草地又是河相沉積物來(lái)源；此外，修建青藏鐵路擾動(dòng)了青藏高原脆弱的生態(tài)系統(tǒng)。

4 青藏鐵路風(fēng)沙治理措施

青藏鐵路的防沙措施主要分為阻沙措施和固沙措施。阻沙措施的目的是盡量在距離線(xiàn)路較遠(yuǎn)處控制風(fēng)沙流；固沙措施的目的是通過(guò)增加地表粗糙度來(lái)降低地表風(fēng)沙流速，固定地面的沙物質(zhì)。

4.1 阻沙措施

4.1.1 混凝土插板式擋沙墻

混凝土插板式擋沙墻一般由5塊混凝土插板卡在設(shè)有卡槽的混凝土柱形成一個(gè)整體單元，墻高約1.7m。通過(guò)在插板底部形成的減速區(qū)，使越過(guò)擋沙墻的氣流輸沙率降低，發(fā)揮阻沙效果；混凝土插板設(shè)置若干透風(fēng)孔以干擾風(fēng)速流場(chǎng)，增強(qiáng)擋沙墻的防沙效果。其有效防沙范圍約為該擋沙墻高的15～20倍。

存在問(wèn)題：

1）通過(guò)調(diào)查發(fā)現(xiàn)插板透風(fēng)孔的破損率高達(dá)40%。插板破損后擋沙墻的阻沙效應(yīng)大大降低，破損嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)蔀檩斏惩ǖ馈?/p>

2）混凝土插板式擋沙墻設(shè)置于地勢(shì)較高地段時(shí)阻沙效果較好，但由于對(duì)地形調(diào)查不夠充分，青藏鐵路部分擋沙墻位置設(shè)置不合理。

3）混凝土插板式擋沙墻造價(jià)較高

4）混凝土插板式擋沙墻施工難度較大

5）清沙難度大

由于混凝土插板式擋沙墻阻沙效果一般，因此自青藏鐵路運(yùn)營(yíng)后，再也未使用該擋沙墻來(lái)治理風(fēng)沙災(zāi)害。

4.1.2 混凝土掛板式擋沙墻

混凝土掛板式擋沙墻是由4塊混凝土掛板懸掛于混凝土柱所形成，墻高約1.7m。在掛板底部形成減速區(qū)，起到阻沙效果，同時(shí)混凝土掛板在風(fēng)力作用下會(huì)產(chǎn)生擺動(dòng)，對(duì)風(fēng)速流場(chǎng)產(chǎn)生擾動(dòng)，從而加強(qiáng)防沙效果。其有效防沙范圍約為該擋沙墻高的10～15倍。

存在問(wèn)題：

1）青藏鐵路部分混凝土掛板式擋沙墻設(shè)置于背風(fēng)側(cè)、部分擋沙墻設(shè)置過(guò)密，使該擋沙墻未發(fā)揮出應(yīng)有的阻沙作用。

2）混凝土掛板與地面之間存在約5～10cm的空隙，風(fēng)沙流通過(guò)時(shí)產(chǎn)生加速，形成掏蝕區(qū)，從而降低擋沙墻的阻沙效益。

此外，混凝土掛板式擋沙墻也存在造價(jià)高、施工難度大、清沙難度大等問(wèn)題。

從現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查結(jié)果來(lái)看，混凝土掛板式擋沙墻阻沙效果顯著，因此青藏鐵路運(yùn)營(yíng)后，仍使用該類(lèi)型擋沙墻來(lái)治理風(fēng)沙災(zāi)害。

4.1.3 軌枕式擋沙墻

軌枕式擋沙墻由廢舊軌枕用鋼絞線(xiàn)連接并排埋設(shè)而成，高1.6m，在其前后形成減速區(qū)，發(fā)揮阻沙效應(yīng)。其有效防沙范圍約為該擋沙墻高的10～15倍。

從現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查結(jié)果來(lái)看，該擋沙墻防沙效果較好，且積沙較為集中，便于清沙工作；雖然軌枕式擋沙墻能利用廢舊軌枕，但其供應(yīng)有限，所以在青藏鐵路沙害防治工程中所占比例較少。

4.1.4 鈴鐺式擋沙墻

鈴鐺式擋沙墻高約1.7m，每個(gè)單元整體由鋼筋混凝土立柱及立柱之間固定的4根鋼絞線(xiàn)所組成，每根鋼絞線(xiàn)上懸掛4塊半圓形混凝土片，這些混凝土片在風(fēng)力作用下會(huì)發(fā)生擺動(dòng)，進(jìn)而干擾風(fēng)速流場(chǎng)以增強(qiáng)阻沙目的。

鈴鐺式擋沙墻與地面之間存在10～20cm的空隙，風(fēng)沙流通過(guò)時(shí)產(chǎn)生掏蝕區(qū)，同時(shí)該擋沙墻透風(fēng)率較大，故其防沙效益較差，所以青藏鐵路運(yùn)營(yíng)后基本不采用該阻沙措施。

4.1.5 高立式 PE 網(wǎng)沙障

高立式PE網(wǎng)沙障由鐵絲骨架和PE網(wǎng)組合而成，高約1.5m，在沙障前后會(huì)形成減速區(qū)。其防護(hù)范圍與PE網(wǎng)孔隙度密切相關(guān)，青藏鐵路使用的PE網(wǎng)孔隙度約為40%，其有效防沙范圍約為該擋沙墻高的10～15倍。

從現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查結(jié)果來(lái)看，該沙障阻沙效果良好。但其材料耐久性較差，使用壽命約為5～8年；沙障折角處積沙量最大，清沙難度較大。

4.2 固沙措施

4.2.1 低立式 PE 網(wǎng)方格沙障

低立式PE網(wǎng)方格沙障由鐵絲骨架和PE網(wǎng)組合而成，高度以20cm為宜。其具有造價(jià)低、施工方便、風(fēng)沙防治效果好的優(yōu)點(diǎn)，但也存在材料耐久性和清沙難度大等問(wèn)題。

4.2.2 石棉瓦方格沙障

石棉瓦方格沙障是將預(yù)制石棉瓦構(gòu)件互相緊扣所形成的方格狀沙障。氣流通過(guò)時(shí)在網(wǎng)格內(nèi)產(chǎn)生渦流，會(huì)降低風(fēng)蝕作用和挾沙能力。石棉瓦方格沙障固沙效果明顯且施工簡(jiǎn)便、造價(jià)低、免維護(hù)。

4.2.3 化學(xué)固沙劑

化學(xué)固沙主要利用乳化瀝青溶液、聚乙烯醇等固沙劑固定風(fēng)沙。其原理是稀釋具有膠結(jié)性的化學(xué)物質(zhì)，噴灑于流動(dòng)沙地表面，與沙粒膠結(jié)起來(lái)形成保護(hù)殼，從而起到固沙作用。其優(yōu)點(diǎn)是成本低、見(jiàn)效快、適應(yīng)性強(qiáng)。

4.2.4 植草固沙

植草固沙是利用植物來(lái)阻止風(fēng)沙出現(xiàn)。植物能夠固著土壤，隔離沙顆粒與氣流；同時(shí)能夠增加土壤含水量，改善水土環(huán)境；此外植物腐爛后會(huì)形成腐殖質(zhì)，增加土壤肥力。所以植草固沙既能治理沙害又可保護(hù)生態(tài)環(huán)境，是根治沙害的理想措施。

青藏高原環(huán)境惡劣土壤貧瘠，缺乏植物生長(zhǎng)所必需的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，為了提高植物成活率，在耕植土中加入復(fù)合肥、有機(jī)肥和保水劑作為植生基質(zhì)。施工時(shí)根據(jù)當(dāng)?shù)刈匀粭l件設(shè)計(jì)植生基質(zhì)配比，運(yùn)到現(xiàn)場(chǎng)整平后表面覆1cm土層，無(wú)需養(yǎng)護(hù)，待植物成活后則形成植草固沙帶。

從現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查結(jié)果來(lái)看，該措施治理風(fēng)沙效果良好，同時(shí)還能改善青藏高原生態(tài)環(huán)境，是最理想的固沙措施。

5 結(jié) 語(yǔ)

1）風(fēng)沙對(duì)鐵路的危害主要有沙埋、風(fēng)蝕和磨蝕。沙埋和風(fēng)蝕的危害較大，磨蝕的危害較小。

2）沙化草甸和草地是青藏鐵路沙害重要物質(zhì)來(lái)源。

3）青藏鐵路阻沙措施的原理是在擋沙墻周邊形成減速區(qū)，降低氣流輸沙率，發(fā)揮阻沙效果；阻沙措施普遍存在造價(jià)高、施工難度大、清沙難度大等問(wèn)題。

4）從青藏鐵路治沙效果來(lái)看，阻沙效果由好到差依次為：軌枕式擋沙墻、掛板式擋沙墻、插板式擋沙墻、高立式PE網(wǎng)沙障。

5）固沙措施中最為理想的是植草固沙，既可根治沙害又可改善青藏高原生態(tài)環(huán)境。

[1]董光榮，董玉祥，金炯，等.西藏“一江兩河”中部流域地區(qū)土地沙漠化成因與發(fā)展趨勢(shì)[J].中國(guó)沙漠，1994,14（2）：55-63.

[2]封建民，王濤，謝昌衛(wèi).黃河源區(qū)土地沙漠化研究[J].生態(tài)環(huán)境，2004,13（4）：601-604.

[3]楊印海，蔣富強(qiáng)，王錫來(lái)，等.青藏鐵路措那湖段沙害防治措施研究[J].中國(guó)沙漠，2010,30（6）：1256-1262.

[4]董玉祥.青藏高原沙漠化研究的進(jìn)展與問(wèn)題[J].中國(guó)沙漠,1999,19(3):251-255.

[5]曹玉新,李西亞,嚴(yán)學(xué)斌等.青藏鐵路路基沙害防治技術(shù)[J].鐵道建筑技術(shù), 2003:32-33.

[6]牛清河，屈建軍，張克存，等.青藏鐵路典型路段風(fēng)沙災(zāi)害現(xiàn)狀與機(jī)械防沙效益估算[J].中國(guó)沙漠，2009，

Study on the sand hazards and countermeasure of qinghai - tibet railway

Through the investigation and study on the Qinghai-Tibet railway sand hazard,sand hazards and its causes,analysing and evaluating the sand control measures of Qinghai-Tibet Railway.The results show that sandy meadow and grassland are the important sources of sandstorms for the Qinghai-Tibet Railway.The control measures adopted by the Qinghai-Tibet Railway are sand-controling measures and sand-fixing measures.The sand control measures generally have high construction cost,difficulty in construction,difficulty in cleaning it and so on.The most effective sand-fixing measures is plant -fixing sand,it can cure the sand hazard and also improve the ecological environment.

qinghai-tibet railway；sand hazard；sand-controling measure；sand-fixing measure

P425.59.2；U216.41

：B

：1003-8965(2017)02-0091-02