汪耀華

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，西安 710043)

我國沙漠和沙漠化土地分布廣泛，西起新疆、東至內(nèi)蒙古東部，斷續(xù)分布于北部干旱及半干旱地區(qū)，約占國土面積的11.4%。過去對風(fēng)沙區(qū)的關(guān)注相對較低，隨著人類對自然資源需求的急劇增長，逐步展開了風(fēng)沙地區(qū)礦產(chǎn)勘探與開發(fā)，相應(yīng)的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)逐漸展開。新建吉蘭泰至查干德日斯鐵路穿行于烏蘭布和沙漠南部邊緣，和烏吉鐵路相接，烏吉鐵路沙害現(xiàn)象嚴(yán)重，有些區(qū)段風(fēng)沙掩埋路基，局部地段掩埋軌枕及鋼軌。通過對既有與擬建工程環(huán)境地質(zhì)條件的比較，為了避免新建工程病害的產(chǎn)生，在全面詳盡了解局域地質(zhì)概況，風(fēng)沙的分布特點(diǎn)、環(huán)境特點(diǎn)、水文地質(zhì)特點(diǎn)及局域植被特點(diǎn)，特別是該局域風(fēng)沙流的流動特征，確定了不同的風(fēng)沙治理措施。

1 線路通過區(qū)段的自然地理?xiàng)l件

擬建鐵路穿越烏蘭布和沙漠區(qū)段地形平緩，多集中于海拔1 020～1 035 m之間。風(fēng)沙極為發(fā)育，類型以半固定沙丘及流動沙丘為主，沙丘連綿起伏，為新月型、沙壟、沙丘鏈及蜂窩狀等各種形態(tài)，沙丘高度一般為2～8 m，個別高度大于30 m。沙丘迎風(fēng)坡較平緩，坡度5°～12°，背風(fēng)坡凹而陡，坡度 15°～35°，植被覆蓋率低，主要發(fā)育有白刺、沙棘、紅柳、梭梭、蘆葦?shù)饶秃导澳蛪A植物，局部地段長有沙棗樹。

沿線所經(jīng)地區(qū)屬中溫帶干旱氣候區(qū)。年平均氣溫一般為9.0℃，極端最高氣溫為41.8℃，極端最低氣溫為-26.8℃;年平均降水量107.6 mm，年平均蒸發(fā)量2 143.6 mm;土壤最大凍結(jié)深度147 cm。平均風(fēng)速3.3 m/s，最大瞬時風(fēng)速22.7 m/s，主導(dǎo)風(fēng)向NW。年平均大風(fēng)天數(shù)(≥8級)26.5 d。

烏蘭布和沙漠地表水不發(fā)育，僅在局部地段零星有水塘分布，地下水主要有第四系孔隙潛水和承壓水2種類型。地下水位一般為3～8 m，水位視所處位置不同而異，隨季節(jié)變化，地下水來源主要依靠山區(qū)地下水和大氣降水補(bǔ)給。水質(zhì)變化較大，有淡水、微咸水、咸水，礦化度多在1 g/L左右，水質(zhì)自山麓向傾斜平原前緣由好變壞，向盆地中心低洼地帶排泄。

2 鐵路通過區(qū)風(fēng)沙的沙物質(zhì)特點(diǎn)

根據(jù)取樣分析烏蘭布和沙漠粉、細(xì)砂礦物成分主要有:角閃石35.3%，綠簾石27.8%，石榴石8.5%，輝石5.4%;沙粒粒徑在0.25～0.05 mm(細(xì)砂)含量超過50%達(dá)到86.8%;風(fēng)選性較好，風(fēng)選系數(shù)1.1～1.4的約占77.3%。

自然休止角是松散堆積物在堆積過程中所能達(dá)到的最大坡腳，是沙體流動性的表現(xiàn)特征，風(fēng)沙的自然休止角與內(nèi)摩擦角極為接近，根據(jù)所取沙樣實(shí)驗(yàn)自然休止角為 33°47'，內(nèi)摩擦角為 32°08'。

風(fēng)積沙的密度與其所處的地貌部位有關(guān)，不同地貌部位的風(fēng)力差異較大，影響到沙丘各個地貌部位的風(fēng)積沙粒徑、風(fēng)選度、沙粒的排列堆積方式變化較大。在背風(fēng)坡沙粒堆積速度快，沙粒間構(gòu)成架空，形成松散的單粒結(jié)構(gòu);相反在迎風(fēng)坡及沙壟部位形成比較密實(shí)的結(jié)構(gòu)。取樣試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1。

表1 吉蘭泰至查干德日斯鐵路風(fēng)沙土的相對密度、密度及孔隙比

3 鐵路通過區(qū)的風(fēng)沙流特點(diǎn)

3.1 沙粒粒徑和起動風(fēng)速度

風(fēng)沙流是氣流和沙子的相互作用產(chǎn)物，是以空氣為載體的沙子流動的最簡單形式。當(dāng)?shù)乇盹L(fēng)速大于起動風(fēng)速時，沙粒進(jìn)入氣流形成風(fēng)沙流，最大的沙粒沿著地表蠕動或滾動，中間粒徑和部分細(xì)沙脫離地表，在氣流中以拋物線形式運(yùn)動，最細(xì)顆粒以懸移的形式漂浮在大氣中，吉查線地區(qū)性起沙風(fēng)速4.5 m/s。沙粒的起動風(fēng)速與沙粒的粒徑關(guān)系可以用以下表達(dá)式

式中，ut為流體起動速度;A為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)取值0.1;ρs沙粒密度;ρ為空氣密度;d為沙粒粒徑;g為重力加速度。根據(jù)計(jì)算烏蘭布和沙漠的沙粒粒徑和起動風(fēng)速度值與測試結(jié)果很接近，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 烏蘭布和沙漠沙粒粒徑和起動風(fēng)速

3.2 風(fēng)沙流的輸沙能力及其隨高度變化

風(fēng)沙輸沙量的變化特點(diǎn)是合理布設(shè)防沙治沙方案的主要依據(jù)，有很多理論計(jì)算公式，但影響輸沙能力的因素很多，除了風(fēng)力大小、沙粒粒徑、形狀、相對密度外，潮濕程度、地貌位置、植被發(fā)育情況等因素都有很大的影響，計(jì)算輸沙量的變化特點(diǎn)是相當(dāng)困難甚至不可能的，在實(shí)際工作中對輸沙量的確定一般采用直接觀測的辦法，烏蘭布和沙漠新月形沙丘表面風(fēng)速的野外觀測結(jié)果表明，沙丘迎風(fēng)坡氣流加速量主要和沙丘坡面形態(tài)、迎風(fēng)坡風(fēng)速有關(guān)，迎風(fēng)坡風(fēng)速放大率介于1.02～1.59。近地面風(fēng)速和輸沙強(qiáng)度由坡腳至丘頂總體呈遞增趨勢，丘頂風(fēng)速和輸沙率最大，到背風(fēng)坡因渦流作用，風(fēng)速由丘頂至坡腳減小，輸沙率銳減，相對于丘頂?shù)娘L(fēng)速率變化在0.17～0.49。由于輸沙率與起沙風(fēng)速的立方成正比，因而風(fēng)速在迎風(fēng)坡上向丘頂增加時，丘頂區(qū)域的輸沙率(相對于坡腳)將成倍增加。在本次工程項(xiàng)目中觀測到輸沙量隨高度的變化關(guān)系如圖1所示。

4 鐵路通過區(qū)沙害劃分

圖1 輸沙量與高度的變化關(guān)系

吉蘭泰地區(qū)西北風(fēng)強(qiáng)盛行，冬春季節(jié)西北風(fēng)強(qiáng)，沙丘向東南移動，秋季北風(fēng)較強(qiáng)，沙脊向南部延伸，形成沙丘的復(fù)雜遷移。沙害和沙丘移動方向和鐵路走向基本平行，局部地段成45°～60°夾角。沙害主要有風(fēng)沙流對鐵路路肩的掏蝕、鋼軌的磨蝕和積沙掩埋。根據(jù)鐵路穿越區(qū)段風(fēng)沙分布的地理環(huán)境、地層分布、水文地質(zhì)條件、沙物質(zhì)特點(diǎn)、風(fēng)沙流特點(diǎn)、輸沙量能力及其隨高度的變化、植被種類、植被覆蓋率及發(fā)育狀況，結(jié)合沙害的形成原因、危害程度、治理難度等綜合因素，對擬建鐵路的沙害進(jìn)行分類，見表3。

表3 吉蘭泰至查干德日斯鐵路沙害類型劃分

5 地質(zhì)選線原則、防治措施及范圍

5.1 選線原則

線路宜選擇在固定或半固定的沙丘高度較小、連續(xù)性較差的風(fēng)沙區(qū)段，繞避風(fēng)沙危害嚴(yán)重地段，當(dāng)有工程措施可靠、經(jīng)濟(jì)上合理時，可在低矮沙丘的區(qū)段穿越;沙漠地區(qū)掩埋古河床、湖盆、山前平原地下水溢出帶植被恢復(fù)能力條件較好，要充分利用;線路走向宜與主風(fēng)向平行，避免大風(fēng)風(fēng)口、高路堤和深路塹;在縱向沙壟地區(qū)，線路應(yīng)順主風(fēng)向從壟間通過，遠(yuǎn)離沙丘背風(fēng)坡。

5.2 防治措施

治理沙害的原則是減弱風(fēng)沙流的強(qiáng)度和固定沙丘，沙害的治理辦法主要有植物固沙與機(jī)械治沙。植物固沙是阻止沙流、固定沙丘和防治土地沙漠化的基本措施;機(jī)械治沙多采用人工沙障，目的在于穩(wěn)定風(fēng)源區(qū)域地表。根據(jù)烏蘭布和沙漠的特點(diǎn)及沙害程度，結(jié)合擬建工程的類型與周圍地質(zhì)環(huán)境，確定了植物固沙與工程固沙相結(jié)合的治沙原則。

在有地表水分布、沙粒潮濕程度較高及有條件灌溉的區(qū)段，不論沙害程度多種，均可選擇當(dāng)?shù)剡m宜的植物種群，采取植物固沙的措施治理。植物固沙可以干擾大氣與地表的相互作用，降低風(fēng)力作用的效果，主要表現(xiàn)在覆蓋地表使其免受風(fēng)力作用、分散地面上一定高度內(nèi)的風(fēng)能、攔截運(yùn)動沙粒促其沉積。據(jù)調(diào)查當(dāng)?shù)剡m宜的固沙植物主要有:黃柳、紅柳、梭梭、白刺、沙冬青、駱駝刺、花棒、沙棗樹等。當(dāng)?shù)鼐用襁x擇1～3年生黃柳條，直徑在0.5～1 cm，截成40～60 cm的插條，在秋末或春節(jié)解凍進(jìn)行插條，插條與地面成60°～90°角，按照行距2～3 m，埋深不小于30 cm，埋后壓實(shí)，在沙的含水率不小于30%的條件下，成活率可達(dá)到80%。當(dāng)?shù)鼐用竦牟鍡l固沙如圖2所示。

圖2 當(dāng)?shù)鼐用裰参锊鍡l治沙

工程固沙的方式較多，在固沙時要做到使風(fēng)沙分散攔截，不能使漂移的沙物質(zhì)聚集堆積。吉查線根據(jù)當(dāng)?shù)氐乩?、氣象及地質(zhì)條件選擇了PE固沙網(wǎng)、HDPE高立式阻沙柵欄及設(shè)置防護(hù)禁牧帶。

在風(fēng)蝕及風(fēng)積沙害嚴(yán)重的區(qū)段，在地表埋設(shè)PE固沙網(wǎng)，如圖3所示。PE固沙網(wǎng)能夠改變流場結(jié)構(gòu)，降低柵欄后一定范圍內(nèi)的風(fēng)速，引起風(fēng)沙流飽和度的變化，使風(fēng)的能量減小，控制了輸沙量，阻滯了沙丘的前移，網(wǎng)格內(nèi)人工整理成鍋底形狀，表面用粗顆粒物質(zhì)覆蓋，增大了表面的粗糙度，將貼地風(fēng)速控制在臨界起動風(fēng)速之下，防止了多風(fēng)向的風(fēng)沙危害，形成了穩(wěn)定的凹曲沙面，利于雨雪的存留，創(chuàng)造了利于沙漠野生植被生長恢復(fù)條件。柵欄的高度是決定防護(hù)效益的主要因素，柵欄越高，防沙效果越好。在沙源豐富，風(fēng)力強(qiáng)盛，輸沙量大的地方，埋設(shè)HDPE高立式阻沙柵欄，如圖4所示。

圖3PE固沙網(wǎng)平面布置示意(單位:m)

圖4 HDPE高立式阻沙柵欄結(jié)構(gòu)示意(單位:cm)

當(dāng)風(fēng)速較小時，在阻沙柵欄前有少量沙物質(zhì)堆積，后側(cè)堆積量較大，形成沙脊，隨著風(fēng)速的加大，柵欄前積沙減少，柵欄后的沙脊向下風(fēng)側(cè)移動，積沙范圍增加不明顯，但積沙厚度明顯增加。

5.3 沙害治理的防治范圍

5.3.1 路基本體防護(hù)

擬建工程沙害的防治主要為路基本體防護(hù)與路肩兩側(cè)平面防護(hù)，路基本體防護(hù)的范圍為路肩、坡面及路堤坡腳或塹頂外2～5 m。防護(hù)措施:邊坡高度3.0 m≤H＜5.0 m時，在輕微風(fēng)沙地段，坡面鋪0.2 m厚的粗礫石土包坡;在中等風(fēng)沙和嚴(yán)重風(fēng)沙地段，坡面設(shè)置C25混凝土預(yù)制六角空心磚骨架包坡，六角空心磚內(nèi)鋪0.2 m厚的粗礫石土包坡。邊坡高度H≥5.0 m時，坡面設(shè)C25混凝土預(yù)制塊拱形骨架護(hù)坡防護(hù)，拱形骨架內(nèi)鋪0.2 m厚的粗礫石土包坡。

5.3.2 路基兩側(cè)平面防護(hù)帶寬度

路堤坡腳、路塹塹頂外10 m范圍內(nèi)為防火帶，防火帶內(nèi)鋪設(shè)0.2 m厚卵石土，防火帶外為平面防護(hù)帶，防護(hù)帶寬度根據(jù)風(fēng)沙嚴(yán)重程度布設(shè):嚴(yán)重風(fēng)沙地段，迎主導(dǎo)風(fēng)向側(cè)防護(hù)帶寬度300 m;背主導(dǎo)風(fēng)向側(cè)防護(hù)帶寬度150 m，保護(hù)帶外緣設(shè)刺鐵絲網(wǎng)圍欄。中等風(fēng)沙地段，迎主導(dǎo)風(fēng)向側(cè)防護(hù)帶寬度200 m;背主導(dǎo)風(fēng)向側(cè)防護(hù)帶寬度100 m，保護(hù)帶外緣設(shè)刺鐵絲網(wǎng)圍欄。輕微風(fēng)沙地段，迎主導(dǎo)風(fēng)向側(cè)防護(hù)帶寬度100 m;背主導(dǎo)風(fēng)向側(cè)防護(hù)帶寬度50 m，保護(hù)帶外緣設(shè)刺鐵絲網(wǎng)圍欄。嚴(yán)重風(fēng)沙地段迎主導(dǎo)風(fēng)向側(cè)外側(cè)設(shè)2排高立式HDPE經(jīng)編防沙障，背主導(dǎo)風(fēng)向側(cè)外側(cè)設(shè)1排高立式HDPE經(jīng)編防沙障。中等風(fēng)沙地段迎主導(dǎo)風(fēng)向側(cè)外側(cè)設(shè)1排高立式HDPE經(jīng)編防沙障，背主導(dǎo)風(fēng)向側(cè)外側(cè)設(shè)1排高立式HDPE經(jīng)編防沙障。輕微風(fēng)沙地段迎主導(dǎo)風(fēng)向側(cè)外側(cè)設(shè)1排高立式HDPE經(jīng)編防沙障。防護(hù)帶寬度如圖5所示。

圖5 風(fēng)沙路基兩側(cè)防護(hù)帶設(shè)置示意(單位:m)

6 結(jié)語

風(fēng)沙地區(qū)的自然地理?xiàng)l件復(fù)雜多變，該區(qū)域的基礎(chǔ)工程建設(shè)中沙害對工程影響評價及處理措施的判定，是評價工程建設(shè)適宜性的重要因素之一。影響沙害的因素眾多，要全面了解環(huán)境地質(zhì)條件、氣象條件、沙物質(zhì)條件及當(dāng)?shù)氐闹脖话l(fā)育等條件，對風(fēng)沙區(qū)的沙物質(zhì)組成、風(fēng)沙流運(yùn)動特點(diǎn)、沙害的形成及表現(xiàn)形式做出科學(xué)的判定，才能做出合理可行的治理措施。

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