烏錫線風沙發育特點及其防護措施

藺全林

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司，陜西西安 710043)

新建烏錫鐵路，起點位于內蒙古自治區烏拉特前旗境內包蘭鐵路的烏拉山車站，出站后線路和既有包蘭鐵路并行向西行進，向南跨越黃河進入鄂爾多斯市西北部杭錦旗境內的庫布齊沙漠，沿毛不拉昆對溝南上，止于杭錦旗北部的錫尼車站。烏錫線所經區域是內蒙古自治區實施資源轉換戰略的重點地區，有利于加快鄂爾多斯地區煤炭開采及下游加工轉化產業資源開發建設。

線路走行范圍內東西向有黃河北岸的京藏高速公路，黃河南岸的沿河公路和貫穿鄂爾多斯市和杭錦旗的109國道;南北向有位于線路西部的穿越沙漠公路。

烏錫鐵路穿越庫布齊沙漠腹地及其南部丘陵區，沿線風沙會對機車、車輛和通訊設備產生磨蝕，對線路產生沙埋，對路基本體產生風蝕，因此風沙防護對鐵路運營和維護有重要意義。本文對烏錫鐵路風沙防護措施進行探討。

1 氣象條件

庫布齊沙漠基本呈東西走向，長約400 km，寬約50 km，總面積約145萬公頃。腹地及其南部丘陵區人煙稀少，有零星牧民分布其中。

沙漠區屬典型的中溫帶干旱大陸性氣候區，四季分明，冬季嚴寒漫長而少雪，春季干旱多風，夏季短促炎熱，秋季氣溫下降較快，日照豐富，降水少而集中且不均勻，蒸發強烈，氣候干旱多風沙。年平均氣溫6.3℃，極端最高氣溫38.1℃ ～40.2℃，極端最低氣溫－30.7℃ ～ －34.2℃，最冷月(1月)平均氣溫－11.6℃ ～ －10.7℃，最熱月(7月)平均氣溫22.0℃～24.5℃。年平均降水量為213.5～332.5 mm，年平均蒸發量為2 130.5～2 630.0 mm。

沙漠區大風和沙塵暴天數也較多，年平均風速2.2～3.9 m/s，瞬時最大風速24.3 m/s，其中以春季風最大，定時和瞬時均為西風和西北風。全年大風天數(≥8級)在1.7～27.0 d。

2 風沙發育特點

烏錫線全長107 km，其中流動沙丘總長約18.7 km，占線路總長的17.5%，流動沙地總長約6.3 km，占線路總長的5.9%，二者合計占線路總長的23.4%。根據顆分試驗，全線流動沙丘及流動沙地的風沙結構為，粒徑在0.25 mm以下的比例高達80%以上，以粉細砂為主。

2.1 風沙流特點

烏錫線沿線地勢開闊，主要處于鄂爾多斯高原，冬春兩季受季節性大風影響較大。根據勘測時現場觀測，在貼近地面處風速達到約3.8 m/s時，沙粒就會隨風移動，其中只有很少一部分是懸浮前進，大多數是滑動和滾動方式前進，輸沙量隨風力的加大而變大，在貼近地面30 cm以內的輸沙量占總輸沙量的絕大部分，尤其是10 cm以內占總輸沙量的75.3%，說明風沙流運動是一種貼近地面的沙粒搬運現象，見表1。因此設置草方格沙障時，有30 cm的外露高度，就能收到好的固沙效果。

輸沙量與超過起動風速部分的風速的3次方成正比，即 Q=(υ － υt)3，其中，Q 為輸沙量，υ 為風速，υt為起動風速。

輸沙量的影響因素較多，要精確計算其數值相當困難，在實際工作中，一般多采用集沙儀在野外直接測定，然后用相關分析方法求得輸沙量與風速的關系。也可在現場迎風方向埋置特制的集沙箱，過一段時間后取出收集的沙量，進而計算出單位寬度內的輸沙量。

表1 不同高度風沙流結構變化

2.2 沙丘移動特點

烏錫鐵路地區主導風向為SSE，次主導風向為WNW，大風集中在冬春季節，瞬時及定時風向均以WNW為主，定時風速為20.7 m/s，瞬時風速為24.3 m/s。雖然主導風向為 SSE，但定時及瞬時風向為WNW，在局部地段甚至WNW占主導，因此，烏錫線沙丘的移動方式主要為往復前進式(往復前進式是在兩個風向相反而風力大小不等的情況下產生的，在冬、夏季風交替的地區，沙丘的移動都具有這種特點)，主要移動方向為SE—NW。

烏錫線在2010年施工至冬季后由于氣候原因冬休，2011年元月現場調查發現，短短幾個月時間沙丘已經侵入路基本體，掩埋路基(圖1)，不得不進行清理。由于沙丘所處地勢開闊、沙丘不高(大多在1～3 m)、植被稀疏、沙丘表層水分較低，移動速度較快，按照此次調查間隔時間計算，其每年移動距離超過10 m，給現場施工帶來很大不便，嚴重地段由于線路被掩埋，必須進行再次放線，造成投資增加。

圖1 DK65+800路基被風沙掩埋

2.3 風沙危害

由于沙的松散性及風的吹蝕和搬運作用，風沙給鐵路修筑和運營養護帶來一系列問題。

1)沙埋:氣流具有巨大體積，而且速度很大，不斷將線路兩側的沙粒揚起并帶走，遇到路基阻擋，風力減弱，大量沙粒停積下來掩埋線路，輕則道床積沙引起拱道或低接頭等病害，重則造成列車停車、緩行或脫軌。

2)風蝕:沙筑路基因缺乏黏性，結構疏松，如不采取有效防護措施，極易受到風蝕，特別是路堤的路肩部分。嚴重時甚至路肩全部被風蝕，軌枕頭外露，危及行車安全。

3)磨蝕:氣流中沙粒具有較大能量，對機車、車輛及通訊設備進行撞擊和磨蝕，甚至堵塞油眼，造成機件嚴重磨耗。

3 風沙防護措施

風沙防護可采取固沙、阻沙、輸沙及導沙等防護措施，主要是控制風蝕過程的發生，改變沙粒搬運和堆積條件，以防治風沙危害路基本體。

3.1 固沙措施

固沙措施是采用重型材料覆蓋流沙表面，隔絕風與松散沙粒的接觸，或設置沙障，降低地表風速，抑制風沙活動。

1)重型材料覆蓋沙表。一般采用卵(礫)石、黏土、礦渣、鹽殼等抗風蝕材料，平鋪在流沙表面。覆蓋層厚度為:卵(礫)石、礦渣5～10 cm;黏土、鹽殼等10～15 cm。鋪設時應稍微將沙丘整平，以保持覆蓋層穩固。

2)設置各類沙障。按設置高度可分為隱蔽式沙障和半隱蔽式沙障;按使用的材料又分為草類沙障、黏土沙障和礫石沙障。

①隱蔽式沙障。將草類埋入沙中，深15～20 cm，沙障頂部與沙面持平或略高。主要起控制風蝕基準面的作用。

②半隱蔽式沙障。將厚5 cm的草類埋入沙中15～20 cm，障頂高出沙面20～30 cm。其作用是制止地表沙粒的移動。

③黏土(卵石)沙障?？删偷赝谌○ね粱蚵咽钪「?0～30 cm，底寬40～50 cm。其作用與草類沙障相同，但使用年限較長。

上述沙障，根據風力大小及風向，設置成條帶狀或格狀。一般草類沙障為1 m×1 m或1 m ×2 m;黏土(卵石)沙障為1 m×2 m，或2 m×3 m。防護寬度:線路迎風側200～300 m，背風側100～200 m，并宜根據風沙嚴重程度適當增減。

3.2 阻沙措施

在線路兩側適當距離(一般為100～200 m)設置各種人工構筑物，以阻攔沙丘和風沙流前移，使其停積在構筑物附近，作為鐵路前緣的第一道防線。

1)高立式沙障。在流沙地區，在線路兩側適當距離，設置一至多排高立式沙障，借助于沙障本身及所形成的沙堤，用以阻攔外來沙源。沙障材料要求桿高質韌，不易被風吹折，常用的有作物桿、蘆葦、樹枝等。障高為1.5～2.0 m，埋入沙中1/3。沙障走向應與主風向垂直。

2)阻沙溝堤。是一種溝、堤結合的土工建筑物。具體作法:在線路的迎風側，100～200 m之外，挖溝筑堤，溝深和堤高為1.5～2.0 m，用以阻攔流沙。當溝、堤被沙掩埋后，再在其外側重設一道。該方法適用于沙源少的戈壁風沙流地區。挖出的卵(礫)石可用于堤身加固，節省工程投資。堤最好設在溝的外側，這樣既起阻沙作用，還有導沙效果。

3)擋沙墻。這是沙區群眾常用的一種防風沙措施，即用當地黏性土分層夯填成墻，高約2 m，走向與主風向垂直。擋風墻實質上是一種不透風的沙障，防風距離為墻高的20倍。墻身兩側均有積沙，積沙范圍:迎風側為墻高的2～3倍，背風側為4～5倍。阻沙效果顯著。

3.3 輸沙措施

輸沙措施是用減少下墊面粗糙度，增大局部地段風速，促使風沙流順利通過的一種方法。

1)平臺輸沙措施。在路堤兩側設置一定寬度的平臺(一般為5～10 m)，使風沙流通過平臺時處于非飽和狀態，不致發生沙粒的堆積。

2)過沙路面。是指改變原有路基斷面形式及軌道結構，使之成為流線形斷面，以利風沙流順利通過。

3)輸沙建筑。根據地形及風沙條件，修建旱橋或棚洞，通過風沙流嚴重地段。

3.4 導沙措施

導沙措施是引導風沙流離開路基從旁側通過的工程措施。常用的形式有導沙墻，它可借助墻面對風沙流的反射作用將沙子導走。導沙墻適用于戈壁風沙流地區，當風向單一，墻的走向與主風向平行或呈銳角相交時，效果最好。

綜上所述，“固、阻、輸、導”各有其使用條件和范圍，一般應根據當地自然條件和風沙運動特點，采取綜合措施。如包蘭鐵路中衛至于塘段沙漠路基，在線路兩側由近及遠設置平臺輸沙帶，草方格固沙帶和高立式沙障阻沙帶，并在草方格沙障內種草植樹，組成了完整的防沙體系，防護效果顯著。

3.5 植物防護

植物防沙的條件:當地適宜植物生長、年降雨量＞100 mm且濕沙層含水率＞3%的地區，可以采用植物固沙。年降雨量在100～300 mm的地區，植物防護結合地下水，附近的水源植物采用不定期澆灌、滴灌養護;年降雨量在300～400 mm的地區，植物的栽植只需澆定根水自然生長;

植物防沙體系:五帶一體或四帶一體，其差異在于草障植物帶(也就是空留帶)。防護林帶采用窄帶并多條帶布置，目的是降低風速、減少風能，降低造價，增加防護寬度;采用少喬多灌混栽的形式，喬木防風是手段、灌木固沙是目的，混栽為了減少病蟲害的傳染。根據呼和浩特鐵路局郝才元多年研究與實踐得到的結論:防護林帶內灌木占樹木總量的75%時，接近最佳效果。

4 內蒙古地區鐵路和公路風沙防護的運用

近年來內蒙古地區已竣工的鐵路和公路工程的風沙防護措施采用了上述綜合方法，收到了很好效果，烏錫鐵路風沙防護在已有實踐經驗的基礎上，采用了四帶一體防護措施，見表2。

表2 內蒙古地區主要鐵路、公路風沙防護措施

續表2

5 風沙防護新技術

1)植物枝葉腐爛發酵后拌合草籽、灌木籽以0.5 m的間距呈方格形噴灑沙面，外側設置高立式沙障，此思路來源于在沙面鋪設粗粒土及植物防護后期樹葉在地表霉爛產生真菌等微生物，使地表結殼。該方法目前正在烏錫鐵路進行風沙防護試驗，初步看成功的可能性較大。

2)流動沙地、沙丘上受風的吹蝕種籽無法成活或成活率極低，采用撒草籽和半灌木籽后再用可溶解薄膜覆蓋，薄膜間留1.0 m寬的空留帶種植灌木的方法，薄膜覆地具有防地層水分蒸發、保水、阻風沙流的作用，同時雨季聚水匯于空留帶，澆灌了灌木、增加了空留帶濕沙的含水率，有利于空留帶灌木的生長。具體的布置見圖2。

圖2 覆膜法風沙防治橫斷面及平面布置示意(單位:m)

6 結語

對于風沙防護和治理，首先，要掌握和了解工程通過區的氣象特點和風沙特點，在此基礎上，有針對性地提出風沙防護和治理措施，并綜合運用各種風沙防護和治理的方法。其次，新技術的探索和運用也是風沙防護和治理過程中需要注意的一個方面。

［1］中鐵第一勘察設計院集團有限公司.新建鐵路烏拉山至錫尼線風沙防護施工圖［R］.西安:中鐵第一勘察設計院集團有限公司，2010.

［2］苗曉雯.青藏鐵路格拉段風沙路基防治措施［J］.鐵道建筑，2008(5):78-80.

［3］曹元平，聶力功.中國沙漠鐵路、公路工程［R］.西安:中鐵第一勘察設計院集團有限公司，2011.