格庫鐵路柴達木盆地段風(fēng)沙防護動態(tài)設(shè)計

馮德泉

(軌道交通工程信息化國家重點實驗室(中鐵一院),西安 710043)

風(fēng)沙是我國西部干旱地區(qū)多見的不良地質(zhì)現(xiàn)象，對鐵路工程和運營安全有重大危害，主要為風(fēng)蝕、風(fēng)積災(zāi)害[1]。風(fēng)蝕大多發(fā)生在風(fēng)速較大的風(fēng)沙活動源頭或風(fēng)沙流動的通道上，可通過硬化路肩及加強建筑物、構(gòu)筑物表面耐磨蝕度來解決。而風(fēng)積成因復(fù)雜，形式多樣，可采取的措施通常有輸沙、導(dǎo)沙、阻沙、固沙等，對有利于非飽和搬運氣流風(fēng)沙嚴(yán)重地段盡可能以橋梁、明洞等形式，采用輸沙、導(dǎo)沙措施通過，而路基地段主要的防沙方式是阻沙、固沙，線路與主導(dǎo)風(fēng)向小角度交叉時可采用導(dǎo)沙措施[2-4]。主要以格庫鐵路柴達木盆地段設(shè)計情況探討分析路基風(fēng)沙防護動態(tài)設(shè)計方法。

1 格庫鐵路概況

格爾木至庫爾勒鐵路東起青海省西部重鎮(zhèn)格爾木市，西抵新疆南疆地區(qū)門戶庫爾勒市，全長1 213 km，是我國西部地區(qū)客貨共線鐵路網(wǎng)干線，是新疆南疆地區(qū)通往祖國內(nèi)地一條便捷通道，它的建設(shè)將改變內(nèi)地與新疆“千里一線牽”的單一路網(wǎng)結(jié)構(gòu)，具有十分重要的戰(zhàn)略意義。

格庫鐵路青海段505.6 km，橫貫柴達木盆地西部。柴達木盆地為高原內(nèi)陸型盆地，北西西向展布，四面環(huán)山，夾于祁連山、阿爾金山和昆侖山之間，海拔2 700～3 100 m，地勢西北部高、東南部低，地形起伏不大。線路走行在山前丘陵及傾斜洪積平原的前緣湖積、洪積平原地帶，沿線風(fēng)沙范圍廣，將會對鐵路產(chǎn)生長期不利的影響，因此，風(fēng)沙選線和風(fēng)沙防護是格庫鐵路設(shè)計、建設(shè)的重點和難點。

2 柴達木盆地沿線自然條件

格庫鐵路柴達木盆地沿線植被稀少，鹽湖洼地附近為草場，其他區(qū)域為戈壁、沙地及沙丘。出露地層主要有第四系、第三系、侏羅系、元古界薊縣系等，分布有風(fēng)沙、泥石流、地震液化等不良地質(zhì)現(xiàn)象和鹽漬土、軟弱地基土等特殊巖土。格庫鐵路柴達木盆地段風(fēng)沙分布廣泛，影響段落372.2 km，占線路長度的73.4%，風(fēng)沙類型多樣、風(fēng)沙流活動頻繁、沙害嚴(yán)重，對鐵路危害較大。風(fēng)沙活動區(qū)域按地形特點可分為湖盆沙化區(qū)、沙礫質(zhì)戈壁區(qū)、流動性沙丘區(qū)。其中，第四系全新統(tǒng)(Q4)、上更新統(tǒng)(Q3)地層是柴達木盆地風(fēng)沙沙源的產(chǎn)生地和風(fēng)沙活動的主要區(qū)域。

柴達木盆地屬高原干旱氣候區(qū)，氣候異常干旱、寒冷、多風(fēng)少雨，晝夜溫差大。年平均降水量28.4～44.0 mm，年平均蒸發(fā)量1 801.7～2 739.3 mm；主導(dǎo)風(fēng)向以西風(fēng)、西北風(fēng)為主，年平均風(fēng)速2.0～3.5 m/s，最大風(fēng)速21.3～29.2 m/s，年平均八級以上大風(fēng)日數(shù)6～43 d，每年2～9月為風(fēng)季，4～6月風(fēng)沙活動頻繁。沿線風(fēng)向如圖1所示。

圖1 格庫鐵路沿線柴達木盆地各站點風(fēng)向頻率玫瑰圖

沿線地下水主要為第四系松散層孔隙潛水、承壓水，局部段落有基巖裂隙水。除靠近鹽湖洼地地段埋深較淺外，大部分地段埋深10～50 m，局部地段更深，靠近盆地邊緣地帶地下水貧乏，無開采利用條件。第四系松散層孔隙潛水礦化度高，不能用于植物灌溉[5]。

3 風(fēng)沙防護動態(tài)設(shè)計理念

3.1 風(fēng)沙防護動態(tài)設(shè)計理念的提出

通常鐵路風(fēng)沙防護設(shè)計是在線路方案選定后，進行詳細的風(fēng)沙影響調(diào)查，確定風(fēng)沙防護段落和防護等級，據(jù)此完成施工圖并交付施工。但根據(jù)部分風(fēng)沙地區(qū)新建鐵路建設(shè)經(jīng)驗，時常出現(xiàn)施工前風(fēng)沙危害嚴(yán)重地段與主體工程建成后風(fēng)沙危害嚴(yán)重地段產(chǎn)生變遷現(xiàn)象，導(dǎo)致風(fēng)沙防護工程設(shè)置錯位，給風(fēng)沙防護工程設(shè)計帶來較大困擾[6-8]。分析其產(chǎn)生的原因，主要是由于鐵路工程建成后，路基、橋涵等工程使局部微地形地貌發(fā)生了顯著的變化，影響了地表以上一定高度范圍內(nèi)空氣流動形態(tài)，從而改變了風(fēng)沙流動和堆積條件，引起風(fēng)沙危害地段的變遷；其次，風(fēng)沙流動和堆積是一個十分復(fù)雜的過程，受降水、沙源、地形地物、地面植被的變化和周邊人為活動等諸多因素影響，某一條件的改變都會引起風(fēng)沙的變化，新建鐵路從定測到建成一般都需要好幾年時間，這一變化往往比較明顯。

雖然數(shù)值模擬和風(fēng)洞試驗對單個工點的風(fēng)沙防護方式選擇有很好的指導(dǎo)意義[9-11]，但對于大區(qū)域的風(fēng)沙流動，由于引起風(fēng)沙變化的因素多、條件復(fù)雜，現(xiàn)有風(fēng)沙運動理論與數(shù)值模型遠未達到準(zhǔn)確預(yù)測野外真實環(huán)境下風(fēng)沙流運動的程度[12]，結(jié)合多個風(fēng)沙地區(qū)鐵路項目的工程實踐，數(shù)值模擬和風(fēng)洞試驗分區(qū)段對區(qū)域內(nèi)風(fēng)沙流動特征、風(fēng)沙危害等級的判定誤差較大，目前還無法運用于風(fēng)沙影響范圍的準(zhǔn)確區(qū)劃和危害等級判定，也沒有這方面的工程實踐先例[13-15]，而最直接有效的辦法就是開展動態(tài)設(shè)計，因此，格庫鐵路首次提出了風(fēng)沙防護動態(tài)設(shè)計的理念。

動態(tài)設(shè)計理念的提出，得到了建設(shè)主管部門的充分認(rèn)可，在格庫鐵路項目原鐵路總公司的初步設(shè)計批復(fù)(鐵總鑒函[2015]581號)中，同意風(fēng)沙影響段落在路基本體施工完成后按照實際積沙情況，調(diào)查確定風(fēng)沙路基工點段落和具體設(shè)計范圍；同意按照“先試驗、后推廣”的設(shè)計原則，開展各種類型的風(fēng)沙防護措施試驗，取得相關(guān)階段性成果及工程經(jīng)驗后，調(diào)整和優(yōu)化風(fēng)沙防護設(shè)計[16]。

3.2 風(fēng)沙防護動態(tài)設(shè)計流程

新建鐵路工程風(fēng)沙防護動態(tài)設(shè)計就是分階段開展工程設(shè)計，根據(jù)在不同工程階段的風(fēng)沙危害情況分步驟修改風(fēng)沙防護范圍和等級，使風(fēng)沙防護等級與風(fēng)沙危害程度相匹配。風(fēng)沙防護動態(tài)設(shè)計流程如圖2所示。

圖2 風(fēng)沙防護動態(tài)設(shè)計流程

(1)初步設(shè)計階段。對原地貌風(fēng)沙影響的勘察分析，劃分各段風(fēng)沙類型并預(yù)估對鐵路的危害程度，合理擬定相應(yīng)的防風(fēng)沙工程方案，以控制工程規(guī)模和投資。

(2)施工圖階段。完成風(fēng)沙防護施工圖預(yù)設(shè)計，該圖用于與后續(xù)動態(tài)設(shè)計對照。

(3)鐵路路基、橋涵等土建工程主體完工后，利用站后工程施工期間，通過對一個及以上風(fēng)季的風(fēng)沙活動觀測，調(diào)查風(fēng)沙流動和堆積影響實際情況，劃分不同區(qū)域風(fēng)沙對鐵路工程危害的程度等級，與預(yù)設(shè)計進行對照，分析原因，經(jīng)專家評審后調(diào)整細化風(fēng)沙防護和治理措施，修正原設(shè)計，使之更有針對性，精準(zhǔn)施策，避免不合理的工程浪費，達到有的放矢目的。按規(guī)定經(jīng)施工圖審核機構(gòu)評審后交付施工[17-19]。

4 動態(tài)設(shè)計風(fēng)沙危害程度分類

4.1 勘察規(guī)程相關(guān)規(guī)定

TB10027—2012《鐵路工程不良地質(zhì)勘察規(guī)程》表D.0.1對風(fēng)沙危害程度進行分類劃分，見表1。

表1 風(fēng)沙危害程度分類[20]

表1中的規(guī)定適用于鐵路建設(shè)前風(fēng)沙防護的分類，不適用于風(fēng)沙防護動態(tài)設(shè)計過程中路基等主體工程形成后風(fēng)沙危害程度的分類指導(dǎo)。TB10027—2012《鐵路工程不良地質(zhì)勘察規(guī)程》表D.0.4對既有鐵路沙害程度劃分見表2。

表2 既有鐵路沙害危害程度及沙害等級

針對表2“既有鐵路沙害程度”沙害標(biāo)準(zhǔn)，一方面，雖然本線風(fēng)沙防護動態(tài)設(shè)計階段與既有鐵路防沙防護有相似性，但本項目為新建鐵路項目，設(shè)計目標(biāo)不允許產(chǎn)生風(fēng)沙病害預(yù)期，與既有線病害治理的思路有較大差別；另一方面，隨著我國風(fēng)沙地區(qū)鐵路規(guī)模的逐步增加，列車運行速度的普遍提高，對鐵路線路安全要求和維護標(biāo)準(zhǔn)發(fā)生了較大變化，“積沙淹埋軌頭”危及行車安全的情況在運營線路上已經(jīng)不允許發(fā)生、不可接受，必須在積沙淹埋軌頭前及時清理積沙，否則列車不得放行[21]。

因此，新建鐵路風(fēng)沙防護動態(tài)設(shè)計不適宜直接采用表1、表2的劃分標(biāo)準(zhǔn)，需提出符合風(fēng)沙防護設(shè)計需要的風(fēng)沙危害程度等級。

4.2 動態(tài)設(shè)計鐵路沙害程度等級劃分細化

為滿足風(fēng)沙防護動態(tài)設(shè)計需要，有必要結(jié)合表D.0.1“風(fēng)沙危害程度分類”及其他項目設(shè)計經(jīng)驗，從沙源分布、積沙到達路基橋涵軌道的位置、積沙程度、發(fā)展趨勢等方面，進行沙害程度等級劃分，力求從嚴(yán)控制、提高鐵路運營條件。考慮到原三級分類過于籠統(tǒng)簡單，不利于區(qū)別不同危害程度分級施策，為更好按照危害程度大小安排合理的工程方案，將沙害危害程度分為極嚴(yán)重、嚴(yán)重、中等、輕微和極輕微五類，細化內(nèi)容見表3。

表3 格庫鐵路風(fēng)沙防護動態(tài)設(shè)計鐵路沙害程度等級劃分

5 格庫鐵路風(fēng)沙防護動態(tài)設(shè)計實例

5.1 動態(tài)設(shè)計現(xiàn)場調(diào)查

格庫鐵路柴達木盆地段路基、橋涵主體工程2016年10月至2017年10月陸續(xù)分段建成，2017年4月至2019年3月逐段完成鋪軌。根據(jù)本項目初步設(shè)計批復(fù)“先試驗、后推廣”的動態(tài)設(shè)計原則，一方面配合建設(shè)單位開展不同風(fēng)沙防護形式的研究試驗，選擇具有代表性風(fēng)沙段落；另一方面加強路基形成后風(fēng)沙影響變遷的調(diào)查，設(shè)計單位協(xié)調(diào)建設(shè)、施工等參建單位按共同組成的專業(yè)調(diào)查小組，于2018年3月至2019年5月進行多次現(xiàn)場實地勘察、核對設(shè)計圖紙和收集資料等工作。

現(xiàn)場共完成工程地質(zhì)平面圖復(fù)核約300 km2，風(fēng)沙危害復(fù)核點132處，收集施工水井等水文地質(zhì)資料10余處。調(diào)查中結(jié)合現(xiàn)場實際情況重點核查風(fēng)沙的沙源(土地沙漠化程度)和年輸沙量(積沙沙害程度)這兩個實物化指標(biāo)，通過對比初步設(shè)計階段與施工后現(xiàn)場沙漠化變化的特點，沿線土地沙漠化分布演變情況得到驗證；通過分析風(fēng)沙積沙段落的分布特征，查清了路基建成后風(fēng)沙危害變遷情況，查明了沿線實體工程沙害現(xiàn)狀，掌握了地下水總體分布特征和植物固沙水源條件；結(jié)合現(xiàn)場情況按照擬定的標(biāo)準(zhǔn)進行了危害程度的劃分。

5.2 風(fēng)沙危害程度原設(shè)計與動態(tài)設(shè)計對照分析

根據(jù)動態(tài)設(shè)計階段現(xiàn)場調(diào)查情況，沿線土地的沙漠化程度與初設(shè)階段時基本相同，總體未因施工破壞而惡化，局部地段受地下水位變化、城市建設(shè)、工農(nóng)業(yè)發(fā)展及鐵路建設(shè)等因素影響，沙漠化程度發(fā)生了一定變化。

與定測階段風(fēng)沙調(diào)查情況對比見表4。

表4 兩階段風(fēng)沙影響段對比

全段風(fēng)沙路基長372.19 km，其中，危害程度為極嚴(yán)重、嚴(yán)重的41.29 km，中等138.691 km，輕微、極輕微192.209 km。

動態(tài)設(shè)計階段風(fēng)沙危害段落與2014年定測階段風(fēng)沙危害段落長度區(qū)總體有所縮短，但中等、嚴(yán)重及極嚴(yán)重段落增加均有增長。一是嚴(yán)重風(fēng)沙段落較原設(shè)計有一定增加，主要體現(xiàn)為原設(shè)計為中等戈壁風(fēng)沙流的地段，現(xiàn)場實際調(diào)查路基積沙很明顯、成規(guī)模，雖然其沙源地為遠在1～2 km外的半固定沙丘，但沙丘與鐵路之間地勢開闊，且位于風(fēng)口，造成施工后路基積沙嚴(yán)重，風(fēng)沙流危害程度進行了相應(yīng)調(diào)整。二是中等段落略有增加、輕微段落略有減少，主要是原設(shè)計為戈壁風(fēng)沙流的段落，路基成型后鐵路附近戈壁灘上覆浮沙明顯增加，路基積沙較明顯，后續(xù)積沙危害可能進一步增大，引起中等段落增加。三是靠近格爾木城區(qū)段線路兩側(cè)開發(fā)枸杞地等經(jīng)濟林，有效消除了風(fēng)沙的危害，輕微段有所減少。

5.3 動態(tài)設(shè)計風(fēng)沙路基平面防護

根據(jù)線路附近下墊面類型(戈壁礫石覆蓋度、粒度、形狀、砂/礫比例，沙質(zhì)地表粒度組成等)、地形條件和沙物質(zhì)來源，將本線風(fēng)沙分為戈壁風(fēng)沙流和風(fēng)積沙兩種類型，相應(yīng)按照風(fēng)沙危害的5個等級，結(jié)合線路附近地形地貌、下墊面類型、風(fēng)速風(fēng)向、沙源和地質(zhì)、水文等情況，分別采取不同的平面防護措施，見表5及圖3～圖6。

表5 格庫鐵路動態(tài)設(shè)計風(fēng)沙路基平面防護措施

圖3 風(fēng)積沙區(qū)危害極嚴(yán)重地段路基風(fēng)沙平面防護措施示意(單位：m)

圖4 風(fēng)積沙區(qū)危害嚴(yán)重地段路基風(fēng)沙平面防護措施示意(單位：m)

圖5 風(fēng)積沙區(qū)危害中等地段路基風(fēng)沙平面防護措施示意(單位：m)

圖6 風(fēng)積沙區(qū)危害輕微地段路基風(fēng)沙平面防護措施示意(單位：m)

5.4 工程效果

2020年1月格庫鐵路柴達木盆地段重點地段風(fēng)沙防護工程完成施工，經(jīng)過一個完整風(fēng)沙季的檢驗，尤其是隨著格庫鐵路青海段2020年6月30日開通以來的運營實踐，防沙治沙效果明顯，重點地段沒有出現(xiàn)風(fēng)沙上道情況，風(fēng)沙危害鐵路的問題得到根本遏制，消除了風(fēng)沙危害隱患，在科學(xué)維護的基礎(chǔ)上可保證鐵路長期安全運營，達到了設(shè)計預(yù)期。

6 結(jié)語

(1)風(fēng)沙防護是風(fēng)沙地區(qū)鐵路不可避免的工程措施，也是設(shè)計工作的重點和難點。基于路基建成前后風(fēng)沙危害段落變遷問題，首次提出鐵路風(fēng)沙防護動態(tài)設(shè)計的理念，采用動態(tài)設(shè)計方法可做到防沙工程類型與風(fēng)沙危害程度相匹配，工程設(shè)置有的放矢。

(2)新建鐵路風(fēng)沙防護動態(tài)設(shè)計，可利用土建工程完工后站后、鋪架工程施工階段開展，一般不影響工程總工期。風(fēng)沙防護動態(tài)設(shè)計應(yīng)經(jīng)過1個及以上風(fēng)沙季的積沙試驗，通過調(diào)查風(fēng)沙危害變遷情況，動態(tài)調(diào)整風(fēng)沙防護設(shè)計。

(3)在新建鐵路風(fēng)沙危害分級的基礎(chǔ)上，提出適合新建鐵路風(fēng)沙防護動態(tài)設(shè)計需要的風(fēng)沙危害程度等級劃分標(biāo)準(zhǔn)，通過實踐檢驗是行之有效的。這一劃分標(biāo)準(zhǔn)可供其他類似項目動態(tài)設(shè)計參考。