風沙地區鐵路路基設計探討

裴立軍

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司地質路基設計處,天津 300251)

風沙地區鐵路路基設計探討

裴立軍

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司地質路基設計處,天津 300251)

通過我國已建和在建鐵路受風沙危害情況,結合一些國內實際案例,說明風沙對鐵路路基的主要危害形式為風蝕和沙埋;風沙治理主要建議采用植物治沙與工程治沙相結合,路基本體防護與線路兩側防風治沙的綜合防護體系;對于防風固沙所采用的固沙植物要進行合理的配置,有條件時應通過試驗確定合理的固沙植物栽植密度;要進行合理的施工組織設計,采取科學合理的施工工藝流程,填筑施工時采取合理的壓實遍數及機械組合方式;避免邊坡長時間暴露而遭到風蝕和雨蝕,要集中施工力量完成一段,防護一段,最大限度地治理風沙危害,改善生態環境,造福鐵路沿線人民。

風沙地區;鐵路路基;設計;施工工藝

1 概述

風對地表松散沙物質的吹蝕、搬運、堆積的過程,稱為風沙作用[1]。風沙作用過程中形成的地貌,稱為風沙地貌[1]。其類型包括沙漠(沙地),沙漠化土地及戈壁,分布于干旱、半干旱及部分半濕潤地區[1]。我國是世界上鐵路穿越風沙地區較多的國家之一。我國沙漠主要分布于東經 75°～125°、北緯 35°～50°,綿亙于新疆、甘肅、青海、寧夏、內蒙古等省 (區),總面積68.7萬 km2,約占國土面積的 6.63%[2]。據不完全統計,我國目前已建和在建的鐵路有通霍線、赤大白線、集二線、包蘭線、甘武線、蘭新線、大鄭線、南疆線、包神線、神延線、太中(銀)線等數十條鐵路受到風沙的危害,其受害線路長度可達上千千米。所以在有風沙影響地區修筑鐵路,風沙治理顯得十分重要。本文就風沙地區路基設計進行簡要的分析,旨在拋磚引玉,以促進我國風沙地區鐵路勘測設計水平的提高。

2 風沙對鐵路路基危害形式

沙漠地區一般都具有氣候干燥、降雨稀少、日照強烈、冷熱劇變、風大風多的特殊自然環境[2]。這些地區年平均降水量為 50～400 mm,個別地區最小為 10 mm,而年蒸發量卻高達2 500～4 000mm,超出降雨量的幾倍至幾十倍,在這樣惡劣的環境下,一般植物難于生長,致使地表植被稀少,加之大部地表為疏松的沙質地層,在大風作用下,形成活動或半固定的沙丘、沙地及沙垅,且每年沿主導風向緩慢向前移動,這是鐵路產生沙害的主要原因[2]。風沙對鐵路路基危害的表現形式主要有路基風蝕和沙埋兩種。風力對路基的風蝕,可分為吹蝕、磨蝕與掏蝕3種作用[3]。沙漠地區的路堤,一般采用當地的粉細沙填筑,易遭風蝕[3]。風沙地區的道床積沙是普遍現象,輕則道砟孔隙貫入沙粒,道心有少量積沙,造成道砟不潔,給鐵路上部結構帶來一系列危害;重則積沙掩埋軌道,當積沙超出軌道3 cm以上,就可能引起機車或車輛脫軌,造成停運事故,此種現象一般稱為沙埋[3]。風蝕和沙埋的危害形式在我國目前已建和在建的各鐵路線上都有廣泛的反映。以通霍線為例,路基運營后零星分布多處沙害段落。通霍線線路全長 408km,全線沙害段落長度有12.115km,占線路長度的 3%左右,且沿線風沙病害段落分布較為廣泛,且路基風蝕和沙埋兩種風沙病害都存在。

3 風沙地區鐵路路基治理措施

風沙地區路基設計,應按近期與遠期防護相結合、建路與防治同時進行的原則,采取植物防沙與工程防沙相結合的綜合治理措施[4]。沙漠地區應遵循邊施工邊防護的原則,集中力量完成一段,防護一段,以減少風蝕等造成的路堤破壞[5]。鐵路通過風沙區時風沙治理的基本原則應該為：保證路基本體的穩定,避免路基受到風蝕和沙埋,同時對沿線兩側一定范圍內的風沙進行治理,促使沿線自然環境由沙漠化向非沙漠化方向轉化。為此,鐵路風沙防護體系包括鐵路路基本體防護和路基本體外的風沙治理 2部分,如圖1、圖2所示。

圖1 路堤地段風沙防護示意

3.1 鐵路路基本體防護

圖2 路塹地段風沙防護示意

(1)路堤坡面防護。以粉、細沙作為填料的路堤邊坡的坡度應大于沙丘的自然安息角。風成沙的自然安息角一般在 28°～32°,相應的坡率為 1∶1.5～1∶1.75[4]。考慮到機車振動及自然因素對路基穩定性的影響,路基邊坡坡率不宜陡于 1∶1.75,高度超過 6 m時,采用 1∶2[4]。并且路基邊坡采用一坡到頂設計為宜。在以粉、細沙作為填料時,應注意采用合理的填筑厚度,以求施工時能達到設計的壓實質量。至于路堤坡面有條件時優先采用植物防護措施。植物防護不僅費用低廉、效果好,而且能起到保護和美化環境的作用[6]。也可采用碎石類土或黏性土包坡并栽種適宜當地氣候生長條件且存活率高的防風固沙植物或坡面栽砌卵石方格、鋪蓋水泥砂漿板、鋪草皮磚等措施防護。

(2)路塹坡面防護。路塹坡面防護與路堤相同,采用一坡到頂的邊坡防護形式。邊坡高度 h≤6m時,邊坡坡率應采用 1∶1.75;邊坡高度 h＞6 m時,邊坡坡率應采用 1∶2。戈壁地區的淺路塹,當兩側有風沙流活動且風向與線路交角較大時,宜采用展開式,路塹邊坡坡率應緩于 1∶4[4]。

(3)路堤坡角宜受積沙和風蝕掏空等危害,應采用一定厚度的卵石護腳;路塹頂部易受風蝕溜塌應加強防護,如采用漿砌護肩等。同時在風沙危害嚴重地段加寬路基面,提高路基穩定系數,使路基雖受到一定的風蝕作用卻仍能保持穩定。以通霍線、包蘭線為例,通霍線由于未采用加寬路基面的措施,加上運營期間自然和人為的破壞,全線出現了多處路肩寬度不足,影響運營安全,增加了養護維修次數;而包蘭線一律采用加寬路基面的措施,雖然加大了施工量和工程初期的投資,但是減少了使用期間的養護維修次數,實踐證明效果是不錯的。近年來,土工合成材料在風沙地區也得到了應用。粉沙、細沙填筑的路堤邊坡及粉細沙地層路塹邊坡,可選用土工網、土工網墊等作為風蝕防護層[7]。在沙層含水量大于 2%的風沙區,可采用土工網與植物相結合的措施[7]。

(4)不同路基填挖斷面防沙性能比較。從風沙路基的積沙輕重情況看,根據通霍線及包蘭線等線的經驗,高路堤路堤坡角的積沙不宜在短期內堆積到路基頂面,深路塹積沙也較少,淺路塹和低路堤積沙較多,而最不利的路基斷面形式是半填半挖斷面。

3.2 鐵路路基本體外的風沙治理措施

路基兩側應結合當地的治沙經驗,采取固沙、阻沙、輸沙和封沙育草、保護天然植被等多種防護措施,構成嚴密的、整體性的防沙結構體系[4]。路基兩側防沙工程的設計應采取固沙與阻沙相結合的措施,固沙措施宜采用土工網、土工網墊等覆蓋于沙面或沙地上固定浮沙;阻沙措施宜采用土工網方格沙障和高立式土工合成材料防沙網沙障[7]。風沙治理一般可分為工程治沙與植物治沙 2種。包蘭線中衛沙漠路基,以路基為中線,由近及遠,設置礫石平臺輸沙帶、草方格與植物固沙帶及高立式柵欄阻沙帶的綜合防護體系,防沙效果十分顯著[4]。礫石平臺輸沙帶起到了防火的作用。沙漠地區氣候干燥,草類沙障及防護林帶,容易引起火災[4]。已有的工程經驗表明,鐵路路基本體外應設置防火帶。路基兩側防沙體系寬度參見表1[2]。

表1 路基兩側防沙體系寬度 m

(1)工程治沙,是指采用各種工程手段防治風沙危害的一種工程技術體系。工程治沙根據采用的材料和實施的目的不同可以有很多措施,但在鐵路風沙治理中最常用的是機械沙障固沙措施。機械沙障固沙是指利用柴草、黏土、板條、卵石等在沙面上設置各種形式的障礙物或擋沙墻,從而控制風沙流的運動方向、速度、結構,起到阻擋風沙作用的一種工程技術措施。

(2)植物治沙,是指通過采取種草種樹等措施增加人工植被,保護和恢復天然植被等各種手段,它是有效阻止流沙移動,防止風沙危害,改善風沙區生態環境和提高土地生產力的一種植物防護技術措施。植物治沙是我國最主要和最根本的防沙治沙的有效手段。

(3)我國鐵路通過的風沙區的各個地段的自然條件差異非常大,而且風沙危害的方式和原因也各不相同,因此根據鐵路所經風沙地區的不同,以上兩種措施的側重點也有所不同。以通霍線為例,通霍線地處干草原地區,風沙對鐵路的危害主要是由于天然植被遭受破壞所造成,防治沙害的措施應以植物治沙為主,工程治沙作為輔助性措施即可。

4 風沙地區固沙植物的選擇原則

固沙植物應根據當地的造林經驗和水源條件,采用喬木、灌木、草本植物相結合或以灌木為主的混交林等,具體植物品種很多,常見的有：沙棘、檸條、油蒿、籽蒿、花棒、沙柳、紫穗槐、楊樹、柳樹等。路基邊坡綠色防護應選用適應性強、耐干旱、耐貧瘠、根系發達和種子繁殖能力強的鄉土植物[8]。樹(草)種應選擇生長良好、固沙能力強的當地沙漠植物[4]。引種外地樹(草)種時,應經過栽培試驗,成功后推廣應用[4]。樹種選擇適當與否,是造林成敗的關鍵[1]。樹種的選擇,應以生長良好、固沙能力強的當地植物和引進優良外地植物相結合、先鋒植物與后期植物相結合,選擇適應當地條件的耐旱、耐鹽、耐沙埋的優質樹種為原則。如通霍線的固沙植物主要以沙棘、沙柳、楊樹、柳樹等為主。植物的灌溉應優先采用噴灌和滴灌[4];條件不允許時也可采用漫灌。植樹造林初期,應采取工程防沙措施過渡,同時在距林帶前緣 20m以外設置阻沙措施[4]。防沙林帶,應該設置專門養護機構,必要時應設置圍欄建筑物,嚴禁人為破壞。

4.1 固沙植物的配置

根據沙坡頭自然保護區經驗：固沙植物之間需要合理的配置,要考慮到地上部分及地下部分的結構合理,應采取灌木與半灌木配置,以包蘭線沙坡頭地區為例：采用檸條(或小葉錦雞兒)與油蒿或花棒與油蒿混交栽植。從地上部分看,花棒與檸條植株直立且高,油蒿植株矮而叢生,二者配置在一起就能更有效地控制風沙活動。從地下部分看,花棒與檸條的根系分布深,可達 80～90 cm以下,最深可達 3m,而油蒿的根系主要分布在 20～40 cm。采用不同根系分布層的植物種混交種植,就能有效地利用不同沙層中的水分和養分,從而有利于植物地上部分的生長發育。

4.2 固沙植物栽植密度

固沙植物栽植密度對于風沙治理的成敗起著至關重要的作用。固沙植物栽植過少,不能控制沙子流動;密度過大,沙丘水分供應不足,植株生長不良,一遇干旱年份,則大量干枯死亡。

植物應配置合理、密度適宜,宜采用稀疏結構林帶[4]。長期試驗證明,合理的密度和配置才能保證植物的存活率,最終達到風沙治理的目的。

5 風沙地區路基施工工藝及主要施工注意事項

5.1 路基施工工藝流程

風沙地區路基施工應連續進行,施工間隔時間不宜過長,并在路基施工完成后,迅速地完成封層及包邊處理[9]。路基施工工藝流程見圖3[10]。

5.2 主要施工注意事項

宜在風速較小和有雨季節分段集中施工,并在大風來臨前配套完成,路基成形一段,防護緊跟一段[10]。施工中采取措施保護好線路兩側各 500m范圍內的地表原有植被和地表硬殼[10]。沙漠路基在碾壓過程中,對下層有擾動,也影響下層干密度的變化,須通過試驗路段確立既要達到上面層的壓實度要求,又不會導致對下層過大擾動的壓實遍數及機械組合方式[9]。黏土包坡覆蓋所用黏性土的塑性指數要大于 7,包坡厚度符合設計及施工規范要求,并灑水拍打密實,修整平順,要避免邊坡長時間暴露而遭到風蝕和雨蝕[10]。

圖3 沙漠鐵路路基施工工藝流程

6 結語

鐵路通過風沙地區時,應統籌兼顧,科學研究,合理規劃,必要時應進行科學試驗,最大限度地治理風沙危害,改善生態環境,造福鐵路沿線人民。

(1)應根據風沙對鐵路的危害程度采取切實可行的風沙治理措施,因地制宜、因勢利導,采用植物治沙與工程治沙相結合,路基本體防護與線路兩側防風治沙的綜合防護體系。

(2)對于防風固沙所采用的固沙植物要進行合理的配置,根據當地的造林經驗和水源條件,采用喬木、灌木、草本植物相結合或以灌木為主的混交林等防風固沙植物,應該根據植物的根系分布特點、耗水量、沙層的貯水量、栽植年限等確定合理的栽植密度,條件允許時應先進行栽植密度試驗,通過試驗確定合理的防風固沙植物栽植密度,最大限度地治理風沙危害。

(3)要進行合理的施工組織設計,采取科學合理的施工工藝流程,填筑施工時采取合理的壓實遍數及機械組合方式,避免邊坡長時間暴露而遭到風蝕和雨蝕,集中施工力量完成一段,防護一段。

[1]鐵道部第一勘測設計院.鐵路工程地質手冊(修訂版)[M].北京：中國鐵道出版社,1999.

[2]薛增利.沙漠地區鐵路沙害及路基防護工程設計[J].路基工程,2001(2)：18-19

[3]鐵道部第一勘測設計院.鐵路工程設計技術手冊?路基(修訂版)[M].北京：中國鐵道出版社,1995.

[4]TB10035—2006,鐵路特殊土路基設計規范[S].

[5]龔海科,張展弢.風積沙的分類與路基填筑施工[J].路基工程,2005(6)：9.

[6]TB10001— 2005,鐵路路基設計規范[S].

[7]劉建坤,曾巧玲,侯永峰.路基工程[M].北京：中國建筑工業出版社,2006：272.

[8]建技[2003]7號,鐵路路基邊坡綠色防護技術暫行規定[S].

[9]郭有宏,楊 建.風積沙路基施工工藝及質量控制措施分析與探討[J].路基工程,2002(2)：50-51.

[10]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)：25-26.

U 213.1+4

A

1004-2954(2010)07-0008-03

2010-03-11

裴立軍(1972—),男,高級工程師,1996年畢業于桂林工學院巖土工程專業,工學學士。