裴立軍

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司地質(zhì)路基設(shè)計(jì)處,天津 300251)

風(fēng)沙地區(qū)鐵路路基設(shè)計(jì)探討

裴立軍

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司地質(zhì)路基設(shè)計(jì)處,天津 300251)

通過我國(guó)已建和在建鐵路受風(fēng)沙危害情況,結(jié)合一些國(guó)內(nèi)實(shí)際案例,說明風(fēng)沙對(duì)鐵路路基的主要危害形式為風(fēng)蝕和沙埋;風(fēng)沙治理主要建議采用植物治沙與工程治沙相結(jié)合,路基本體防護(hù)與線路兩側(cè)防風(fēng)治沙的綜合防護(hù)體系;對(duì)于防風(fēng)固沙所采用的固沙植物要進(jìn)行合理的配置,有條件時(shí)應(yīng)通過試驗(yàn)確定合理的固沙植物栽植密度;要進(jìn)行合理的施工組織設(shè)計(jì),采取科學(xué)合理的施工工藝流程,填筑施工時(shí)采取合理的壓實(shí)遍數(shù)及機(jī)械組合方式;避免邊坡長(zhǎng)時(shí)間暴露而遭到風(fēng)蝕和雨蝕,要集中施工力量完成一段,防護(hù)一段,最大限度地治理風(fēng)沙危害,改善生態(tài)環(huán)境,造福鐵路沿線人民。

風(fēng)沙地區(qū);鐵路路基;設(shè)計(jì);施工工藝

1 概述

風(fēng)對(duì)地表松散沙物質(zhì)的吹蝕、搬運(yùn)、堆積的過程,稱為風(fēng)沙作用[1]。風(fēng)沙作用過程中形成的地貌,稱為風(fēng)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(rùn)地區(qū)[1]。我國(guó)是世界上鐵路穿越風(fēng)沙地區(qū)較多的國(guó)家之一。我國(guó)沙漠主要分布于東經(jīng) 75°～125°、北緯 35°～50°,綿亙于新疆、甘肅、青海、寧夏、內(nèi)蒙古等省 (區(qū)),總面積68.7萬(wàn) km2,約占國(guó)土面積的 6.63%[2]。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),我國(guó)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(shù)十條鐵路受到風(fēng)沙的危害,其受害線路長(zhǎng)度可達(dá)上千千米。所以在有風(fēng)沙影響地區(qū)修筑鐵路,風(fēng)沙治理顯得十分重要。本文就風(fēng)沙地區(qū)路基設(shè)計(jì)進(jìn)行簡(jiǎn)要的分析,旨在拋磚引玉,以促進(jìn)我國(guó)風(fēng)沙地區(qū)鐵路勘測(cè)設(shè)計(jì)水平的提高。

2 風(fēng)沙對(duì)鐵路路基危害形式

沙漠地區(qū)一般都具有氣候干燥、降雨稀少、日照強(qiáng)烈、冷熱劇變、風(fēng)大風(fēng)多的特殊自然環(huán)境[2]。這些地區(qū)年平均降水量為 50～400 mm,個(gè)別地區(qū)最小為 10 mm,而年蒸發(fā)量卻高達(dá)2 500～4 000mm,超出降雨量的幾倍至幾十倍,在這樣惡劣的環(huán)境下,一般植物難于生長(zhǎng),致使地表植被稀少,加之大部地表為疏松的沙質(zhì)地層,在大風(fēng)作用下,形成活動(dòng)或半固定的沙丘、沙地及沙垅,且每年沿主導(dǎo)風(fēng)向緩慢向前移動(dòng),這是鐵路產(chǎn)生沙害的主要原因[2]。風(fēng)沙對(duì)鐵路路基危害的表現(xiàn)形式主要有路基風(fēng)蝕和沙埋兩種。風(fēng)力對(duì)路基的風(fēng)蝕,可分為吹蝕、磨蝕與掏蝕3種作用[3]。沙漠地區(qū)的路堤,一般采用當(dāng)?shù)氐姆奂?xì)沙填筑,易遭風(fēng)蝕[3]。風(fēng)沙地區(qū)的道床積沙是普遍現(xiàn)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(jié)構(gòu)帶來一系列危害;重則積沙掩埋軌道,當(dāng)積沙超出軌道3 cm以上,就可能引起機(jī)車或車輛脫軌,造成停運(yùn)事故,此種現(xiàn)象一般稱為沙埋[3]。風(fēng)蝕和沙埋的危害形式在我國(guó)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(yùn)營(yíng)后零星分布多處沙害段落。通霍線線路全長(zhǎng) 408km,全線沙害段落長(zhǎng)度有12.115km,占線路長(zhǎng)度的 3%左右,且沿線風(fēng)沙病害段落分布較為廣泛,且路基風(fēng)蝕和沙埋兩種風(fēng)沙病害都存在。

3 風(fēng)沙地區(qū)鐵路路基治理措施

風(fēng)沙地區(qū)路基設(shè)計(jì),應(yīng)按近期與遠(yuǎn)期防護(hù)相結(jié)合、建路與防治同時(shí)進(jìn)行的原則,采取植物防沙與工程防沙相結(jié)合的綜合治理措施[4]。沙漠地區(qū)應(yīng)遵循邊施工邊防護(hù)的原則,集中力量完成一段,防護(hù)一段,以減少風(fēng)蝕等造成的路堤破壞[5]。鐵路通過風(fēng)沙區(qū)時(shí)風(fēng)沙治理的基本原則應(yīng)該為：保證路基本體的穩(wěn)定,避免路基受到風(fēng)蝕和沙埋,同時(shí)對(duì)沿線兩側(cè)一定范圍內(nèi)的風(fēng)沙進(jìn)行治理,促使沿線自然環(huán)境由沙漠化向非沙漠化方向轉(zhuǎn)化。為此,鐵路風(fēng)沙防護(hù)體系包括鐵路路基本體防護(hù)和路基本體外的風(fēng)沙治理 2部分,如圖1、圖2所示。

圖1 路堤地段風(fēng)沙防護(hù)示意

3.1 鐵路路基本體防護(hù)

圖2 路塹地段風(fēng)沙防護(hù)示意

(1)路堤坡面防護(hù)。以粉、細(xì)沙作為填料的路堤邊坡的坡度應(yīng)大于沙丘的自然安息角。風(fēng)成沙的自然安息角一般在 28°～32°,相應(yīng)的坡率為 1∶1.5～1∶1.75[4]?？紤]到機(jī)車振動(dòng)及自然因素對(duì)路基穩(wěn)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(shí),采用 1∶2[4]。并且路基邊坡采用一坡到頂設(shè)計(jì)為宜。在以粉、細(xì)沙作為填料時(shí),應(yīng)注意采用合理的填筑厚度,以求施工時(shí)能達(dá)到設(shè)計(jì)的壓實(shí)質(zhì)量。至于路堤坡面有條件時(shí)優(yōu)先采用植物防護(hù)措施。植物防護(hù)不僅費(fèi)用低廉、效果好,而且能起到保護(hù)和美化環(huán)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(dāng)?shù)貧夂蛏L(zhǎng)條件且存活率高的防風(fēng)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(hù)。

(2)路塹坡面防護(hù)。路塹坡面防護(hù)與路堤相同,采用一坡到頂?shù)倪吰路雷o(hù)形式。邊坡高度 h≤6m時(shí),邊坡坡率應(yīng)采用 1∶1.75;邊坡高度 h＞6 m時(shí),邊坡坡率應(yīng)采用 1∶2。戈壁地區(qū)的淺路塹,當(dāng)兩側(cè)有風(fēng)沙流活動(dòng)且風(fēng)向與線路交角較大時(shí),宜采用展開式,路塹邊坡坡率應(yīng)緩于 1∶4[4]。

(3)路堤坡角宜受積沙和風(fēng)蝕掏空等危害,應(yīng)采用一定厚度的卵石護(hù)腳;路塹頂部易受風(fēng)蝕溜塌應(yīng)加強(qiáng)防護(hù),如采用漿砌護(hù)肩等。同時(shí)在風(fēng)沙危害嚴(yán)重地段加寬路基面,提高路基穩(wěn)定系數(shù),使路基雖受到一定的風(fēng)蝕作用卻仍能保持穩(wěn)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(yùn)營(yíng)期間自然和人為的破壞,全線出現(xiàn)了多處路肩寬度不足,影響運(yùn)營(yíng)安全,增加了養(yǎng)護(hù)維修次數(shù);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(yǎng)護(hù)維修次數(shù),實(shí)踐證明效果是不錯(cuò)的。近年來,土工合成材料在風(fēng)沙地區(qū)也得到了應(yīng)用。粉沙、細(xì)沙填筑的路堤邊坡及粉細(xì)沙地層路塹邊坡,可選用土工網(wǎng)、土工網(wǎng)墊等作為風(fēng)蝕防護(hù)層[7]。在沙層含水量大于 2%的風(fēng)沙區(qū),可采用土工網(wǎng)與植物相結(jié)合的措施[7]。

(4)不同路基填挖斷面防沙性能比較。從風(fēng)沙路基的積沙輕重情況看,根據(jù)通霍線及包蘭線等線的經(jīng)驗(yàn),高路堤路堤坡角的積沙不宜在短期內(nèi)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(fēng)沙治理措施

路基兩側(cè)應(yīng)結(jié)合當(dāng)?shù)氐闹紊辰?jīng)驗(yàn),采取固沙、阻沙、輸沙和封沙育草、保護(hù)天然植被等多種防護(hù)措施,構(gòu)成嚴(yán)密的、整體性的防沙結(jié)構(gòu)體系[4]。路基兩側(cè)防沙工程的設(shè)計(jì)應(yīng)采取固沙與阻沙相結(jié)合的措施,固沙措施宜采用土工網(wǎng)、土工網(wǎng)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(wǎng)方格沙障和高立式土工合成材料防沙網(wǎng)沙障[7]。風(fēng)沙治理一般可分為工程治沙與植物治沙 2種。包蘭線中衛(wèi)沙漠路基,以路基為中線,由近及遠(yuǎn),設(shè)置礫石平臺(tái)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(hù)體系,防沙效果十分顯著[4]。礫石平臺(tái)輸沙帶起到了防火的作用。沙漠地區(qū)氣候干燥,草類沙障及防護(hù)林帶,容易引起火災(zāi)[4]。已有的工程經(jīng)驗(yàn)表明,鐵路路基本體外應(yīng)設(shè)置防火帶。路基兩側(cè)防沙體系寬度參見表1[2]。

表1 路基兩側(cè)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(fēng)沙危害的一種工程技術(shù)體系。工程治沙根據(jù)采用的材料和實(shí)施的目的不同可以有很多措施,但在鐵路風(fēng)沙治理中最常用的是機(jī)械沙障固沙措施。機(jī)械沙障固沙是指利用柴草、黏土、板條、卵石等在沙面上設(shè)置各種形式的障礙物或擋沙墻,從而控制風(fēng)沙流的運(yùn)動(dòng)方向、速度、結(jié)構(gòu),起到阻擋風(fēng)沙作用的一種工程技術(shù)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(hù)和恢復(fù)天然植被等各種手段,它是有效阻止流沙移動(dòng),防止風(fēng)沙危害,改善風(fēng)沙區(qū)生態(tài)環(huán)境和提高土地生產(chǎn)力的一種植物防護(hù)技術(shù)措施。植物治沙是我國(guó)最主要和最根本的防沙治沙的有效手段。

(3)我國(guó)鐵路通過的風(fēng)沙區(qū)的各個(gè)地段的自然條件差異非常大,而且風(fēng)沙危害的方式和原因也各不相同,因此根據(jù)鐵路所經(jīng)風(fēng)沙地區(qū)的不同,以上兩種措施的側(cè)重點(diǎn)也有所不同。以通霍線為例,通霍線地處干草原地區(qū),風(fēng)沙對(duì)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(yīng)以植物治沙為主,工程治沙作為輔助性措施即可。

4 風(fēng)沙地區(qū)固沙植物的選擇原則

固沙植物應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)氐脑炝纸?jīng)驗(yàn)和水源條件,采用喬木、灌木、草本植物相結(jié)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(hù)應(yīng)選用適應(yīng)性強(qiáng)、耐干旱、耐貧瘠、根系發(fā)達(dá)和種子繁殖能力強(qiáng)的鄉(xiāng)土植物[8]。樹(草)種應(yīng)選擇生長(zhǎng)良好、固沙能力強(qiáng)的當(dāng)?shù)厣衬参颷4]。引種外地樹(草)種時(shí),應(yīng)經(jīng)過栽培試驗(yàn),成功后推廣應(yīng)用[4]。樹種選擇適當(dāng)與否,是造林成敗的關(guān)鍵[1]。樹種的選擇,應(yīng)以生長(zhǎng)良好、固沙能力強(qiáng)的當(dāng)?shù)刂参锖鸵M(jìn)優(yōu)良外地植物相結(jié)合、先鋒植物與后期植物相結(jié)合,選擇適應(yīng)當(dāng)?shù)貤l件的耐旱、耐鹽、耐沙埋的優(yōu)質(zhì)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(yīng)優(yōu)先采用噴灌和滴灌[4];條件不允許時(shí)也可采用漫灌。植樹造林初期,應(yīng)采取工程防沙措施過渡,同時(shí)在距林帶前緣 20m以外設(shè)置阻沙措施[4]。防沙林帶,應(yīng)該設(shè)置專門養(yǎng)護(hù)機(jī)構(gòu),必要時(shí)應(yīng)設(shè)置圍欄建筑物,嚴(yán)禁人為破壞。

4.1 固沙植物的配置

根據(jù)沙坡頭自然保護(hù)區(qū)經(jīng)驗(yàn)：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(jié)構(gòu)合理,應(yīng)采取灌木與半灌木配置,以包蘭線沙坡頭地區(qū)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(fēng)沙活動(dòng)。從地下部分看,花棒與檸條的根系分布深,可達(dá) 80～90 cm以下,最深可達(dá) 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(yǎng)分,從而有利于植物地上部分的生長(zhǎng)發(fā)育。

4.2 固沙植物栽植密度

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

植物應(yīng)配置合理、密度適宜,宜采用稀疏結(jié)構(gòu)林帶[4]。長(zhǎng)期試驗(yàn)證明,合理的密度和配置才能保證植物的存活率,最終達(dá)到風(fēng)沙治理的目的。

5 風(fēng)沙地區(qū)路基施工工藝及主要施工注意事項(xiàng)

5.1 路基施工工藝流程

風(fēng)沙地區(qū)路基施工應(yīng)連續(xù)進(jìn)行,施工間隔時(shí)間不宜過長(zhǎng),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(xiàng)

宜在風(fēng)速較小和有雨季節(jié)分段集中施工,并在大風(fēng)來臨前配套完成,路基成形一段,防護(hù)緊跟一段[10]。施工中采取措施保護(hù)好線路兩側(cè)各 500m范圍內(nèi)的地表原有植被和地表硬殼[10]。沙漠路基在碾壓過程中,對(duì)下層有擾動(dòng),也影響下層干密度的變化,須通過試驗(yàn)路段確立既要達(dá)到上面層的壓實(shí)度要求,又不會(huì)導(dǎo)致對(duì)下層過大擾動(dòng)的壓實(shí)遍數(shù)及機(jī)械組合方式[9]。黏土包坡覆蓋所用黏性土的塑性指數(shù)要大于 7,包坡厚度符合設(shè)計(jì)及施工規(guī)范要求,并灑水拍打密實(shí),修整平順,要避免邊坡長(zhǎng)時(shí)間暴露而遭到風(fēng)蝕和雨蝕[10]。

圖3 沙漠鐵路路基施工工藝流程

6 結(jié)語(yǔ)

鐵路通過風(fēng)沙地區(qū)時(shí),應(yīng)統(tǒng)籌兼顧,科學(xué)研究,合理規(guī)劃,必要時(shí)應(yīng)進(jìn)行科學(xué)試驗(yàn),最大限度地治理風(fēng)沙危害,改善生態(tài)環(huán)境,造福鐵路沿線人民。

(1)應(yīng)根據(jù)風(fēng)沙對(duì)鐵路的危害程度采取切實(shí)可行的風(fēng)沙治理措施,因地制宜、因勢(shì)利導(dǎo),采用植物治沙與工程治沙相結(jié)合,路基本體防護(hù)與線路兩側(cè)防風(fēng)治沙的綜合防護(hù)體系。

(2)對(duì)于防風(fēng)固沙所采用的固沙植物要進(jìn)行合理的配置,根據(jù)當(dāng)?shù)氐脑炝纸?jīng)驗(yàn)和水源條件,采用喬木、灌木、草本植物相結(jié)合或以灌木為主的混交林等防風(fēng)固沙植物,應(yīng)該根據(jù)植物的根系分布特點(diǎn)、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(shí)應(yīng)先進(jìn)行栽植密度試驗(yàn),通過試驗(yàn)確定合理的防風(fēng)固沙植物栽植密度,最大限度地治理風(fēng)沙危害。

(3)要進(jìn)行合理的施工組織設(shè)計(jì),采取科學(xué)合理的施工工藝流程,填筑施工時(shí)采取合理的壓實(shí)遍數(shù)及機(jī)械組合方式,避免邊坡長(zhǎng)時(shí)間暴露而遭到風(fēng)蝕和雨蝕,集中施工力量完成一段,防護(hù)一段。

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1004-2954(2010)07-0008-03

2010-03-11

裴立軍(1972—),男,高級(jí)工程師,1996年畢業(yè)于桂林工學(xué)院巖土工程專業(yè),工學(xué)學(xué)士。