王耀輝

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

新建大塔至四眼井鐵路沙害防護(hù)試驗(yàn)研究

王耀輝

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

大塔至四眼井鐵路途經(jīng)庫(kù)布齊沙漠，沿線氣候干旱，沙害嚴(yán)重。沙害路段23處，累計(jì)長(zhǎng)度達(dá)19.97 km，占線路總長(zhǎng)的22.51%，以流動(dòng)沙丘為主。在典型流動(dòng)沙丘路段進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)防沙試驗(yàn)的結(jié)果表明，采用工程防護(hù)與植物防護(hù)相結(jié)合的綜合防護(hù)措施可以較好地遏制風(fēng)沙對(duì)鐵路的危害。給出了喬木及灌木林帶+工程防護(hù)、灌木林帶+工程防護(hù)、種草+工程防護(hù)、人工補(bǔ)植灌木四種防護(hù)模式，可為大四鐵路沙害防治提供參考。

沙漠鐵路 沙害 防沙試驗(yàn) 防沙設(shè)計(jì)

大塔至四眼井鐵路位于內(nèi)蒙古鄂爾多斯高原庫(kù)布齊沙漠南緣，鄂爾多斯市達(dá)拉特旗、杭錦旗境內(nèi)，呈東西走向。全線分為兩段，即大塔—吳四圪堵段(23.154 km，高關(guān)支線)及吳四圪堵—四眼井段(65.571 km)，全長(zhǎng)88.725 km。線路東起大塔(響沙灣)站與包神鐵路接軌，引出后向西跨越罕臺(tái)川，穿越張栓溝隧道至吳四圪堵，沿庫(kù)布齊沙漠南緣行走，跨過(guò)水多湖川，繞過(guò)烏蘭格高地，沿塔然高勒礦區(qū)北緣行走，之后依次跨黑賴溝、布爾嘎色太溝、納林溝、叭爾洞溝等再折向西北至終點(diǎn)四眼井站，途中依次設(shè)吳四圪堵、元寶灣、蓿亥圖、石里霍圖等車站(圖1)。大四鐵路是鄂爾多斯沿河鐵路的重要組成部分［1］，對(duì)促進(jìn)鄂爾多斯地區(qū)煤炭資源開(kāi)發(fā)利用、支持礦區(qū)建設(shè)、實(shí)施內(nèi)蒙古資源轉(zhuǎn)換戰(zhàn)略、發(fā)揮西部地區(qū)資源豐富的優(yōu)勢(shì)具有重要意義。

圖1 大四鐵路示意

風(fēng)沙災(zāi)害一直是困擾沙區(qū)鐵路建設(shè)和運(yùn)營(yíng)的難題［2-3］。受當(dāng)?shù)貧夂蚝椭脖坏挠绊?，大四鐵路沿線地表風(fēng)積沙廣布，海拔1 100～1 300 m，為典型的高原風(fēng)沙地貌［4］，包括流動(dòng)沙丘、半固定沙地和固定沙地，風(fēng)沙活動(dòng)頻繁。鐵路在建設(shè)中不可避免地會(huì)對(duì)植被造成破壞［5］。在新月形沙丘、沙丘鏈、沙壟密布，沙海連綿路段，地表幾乎無(wú)植被覆蓋，鐵路沙害嚴(yán)重(圖2)。

圖2 大四鐵路沙害實(shí)例

本文通過(guò)野外考察與調(diào)查、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)、室內(nèi)分析對(duì)大四鐵路的沙害及其防治加以研究，以期系統(tǒng)認(rèn)識(shí)大四鐵路沙害規(guī)律，為防沙提供依據(jù)。

1 自然環(huán)境

大四鐵路沿線屬中溫帶大陸性半干旱氣候。日照豐富，降水少且分布不均，蒸發(fā)強(qiáng)烈，四季分明。春季干旱多風(fēng)、氣溫變化大，夏季短促炎熱，秋季氣溫下降快、降水較多，冬季漫長(zhǎng)寒冷、少雨雪。沿線年平均氣溫6.3～6.7℃，極端最高氣溫38.1～40.2℃，極端最低氣溫－30.7～－34.5℃，最冷月(1月)平均氣溫－11.6～－11.4℃，最熱月(7月)平均氣溫22.0～24.5℃。年平均降水量為281.2～332.5 mm，年平均蒸發(fā)量2 130.5～2 630.0 mm。年平均風(fēng)速2.2～3.9 m/s，年平均大風(fēng)日數(shù)(≥8級(jí))17～27 d，沙塵暴日數(shù)也較多。大四鐵路沿線氣象資料見(jiàn)表1。

表1 大四鐵路沿線氣象資料

2 沙害狀況

線路走行于庫(kù)布齊沙漠南緣(屬于半干旱荒漠草原帶)。庫(kù)布齊沙漠位于鄂爾多斯高原脊線的北部，內(nèi)蒙古伊克昭盟杭錦旗、達(dá)拉特旗和準(zhǔn)格爾旗的部分地區(qū)。西、北、東三面均以黃河為界，地勢(shì)南部高，北部低。南部為構(gòu)造臺(tái)地，中部為風(fēng)成沙丘，北部為河漫灘地，總面積約145萬(wàn)hm2，流動(dòng)沙丘約占61%，形態(tài)以沙丘鏈和格狀沙丘為主。干沙層一般厚10～20 cm，干沙層下至40 cm深，沙層含水量2%左右，40 cm以下的含水量2%～3%，雨季提高到3%～4%，可供植物生長(zhǎng)的有效水分為1.3%～2.3%。沿線以流動(dòng)沙丘，半固定、固定沙地及洼地，河谷階地相互交錯(cuò)分布為特色，地表廣布風(fēng)積沙，丘間洼地生長(zhǎng)有沙蒿群叢，地形略有起伏，相對(duì)高差5～20 m。

據(jù)調(diào)查和統(tǒng)計(jì)，大四鐵路累計(jì)經(jīng)過(guò)沙地路段68.83 km，占線路總長(zhǎng)的77.57%，大部分為固定沙地，對(duì)鐵路基本不造成危害，其次為流動(dòng)沙丘，嚴(yán)重危害鐵路，半固定沙地最少，對(duì)鐵路造成一定危害，大四鐵路沿線沙地類型見(jiàn)表2。沙地形態(tài)以梁窩狀沙丘及沙壟為主。由于該地區(qū)河流經(jīng)常泛濫改道，形成以坨、甸、泡相間的自然景觀，風(fēng)沙危害的主要形式是人為破壞地表植被而引起沙漠化造成流沙埋壓線路。

表2 大四鐵路沿線沙地類型

根據(jù)對(duì)鐵路沿線風(fēng)沙分布范圍、危害程度等的調(diào)查，大四鐵路有沙害路段23處，累計(jì)里程19.97 km，占線路總長(zhǎng)的22.51%。其中，流動(dòng)沙丘16.72 km，占沙害路段總長(zhǎng)的83.73%，半固定沙地3.25 km，占沙害路段總長(zhǎng)的16.27%。全線500 m以上的中長(zhǎng)大流動(dòng)沙丘共9處，大塔至蓿亥圖4處，蓿亥圖至石里霍圖2處，石里霍圖至四眼井3處。按危害程度:嚴(yán)重沙害路段12.79 km，占總長(zhǎng)的64.05%;中度沙害路段3.0 km，占總長(zhǎng)的15.02%;輕微沙害路段4.18 km，占總長(zhǎng)的20.93%。

大塔至石里霍圖段，跨過(guò)吳四圪堵、水多湖川，途徑喬家圪卜、耳字耳溝、黑賴溝、昌汗溝、昂坑池、布爾嘎色太溝，地勢(shì)平坦，固定沙地、半固定沙地及流動(dòng)沙丘交錯(cuò)分布，植被主要為沙蒿，流沙呈斑點(diǎn)狀。沙丘相對(duì)高度1～5 m，迎風(fēng)坡坡度8°～15°，背風(fēng)坡坡度30°～32°，干沙層厚度5～15 cm。半固定沙地植被覆蓋率一般可達(dá)20%～35%。據(jù)氣象站觀測(cè)資料主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)镋，根據(jù)沙丘形態(tài)調(diào)查，主導(dǎo)風(fēng)向WWN，局部為SWS，年平均風(fēng)速2.2 m/s，具有冬春季以WWN為主，夏秋季以EES為主，雙向作用、往復(fù)前進(jìn)的特點(diǎn)。

石里霍圖至四眼井段，途徑納林溝、叭爾洞溝、米地不拉，線路逐漸進(jìn)入庫(kù)布齊沙漠南緣腹地，流動(dòng)沙丘分布較多，危害嚴(yán)重。其中石里霍圖至米地不拉以固定沙地為主，植被覆蓋率50%;米地不拉至四眼井地形起伏較大，以流動(dòng)沙丘為主，丘間低洼地帶為固定沙地，沿線新月形沙丘密布，沙丘相對(duì)高度5～20 m，迎風(fēng)坡坡度8°～15°，背風(fēng)坡坡度30°～40°，干沙層厚度5～15 cm，局部丘間洼地有零星濕地分布，可見(jiàn)地表水。據(jù)氣象站觀測(cè)資料主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)镾SE，根據(jù)沙丘形態(tài)及實(shí)測(cè)主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)閃WN，年平均風(fēng)速3.9 m/s。

此外，在調(diào)查中發(fā)現(xiàn)部分路塹側(cè)溝、平臺(tái)、低路堤、淺路塹及施工便道等有被風(fēng)沙掩埋的現(xiàn)象，主要分布在DK22+600—DK22+900，DK26+500—DK27+ 800，DK58+700—DK60+500，DK73+700—DK79+ 800等路段。

3 防沙試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)先試驗(yàn)成功、后推廣應(yīng)用的原則［6-7］，2012年4月選擇蓿亥圖火車站附近一典型流動(dòng)沙丘路段(DK59+620—DK60+620，屬鄂爾多斯高原區(qū)，風(fēng)沙對(duì)線路危害嚴(yán)重)。參照以往經(jīng)驗(yàn)［8-9］，采用植物林帶、灌木林帶和工程防護(hù)等方式進(jìn)行綜合防沙試驗(yàn)。根據(jù)流沙分布情況，分成三段進(jìn)行防沙試驗(yàn)。

DK59+620—DK60+000段兩側(cè)防護(hù)寬度不等，該段內(nèi)防護(hù)設(shè)置普通沙柳方格沙障(樹枝方格，圖3)，在沙障內(nèi)種植灌木，4株/m2，方格尺寸1 m×1 m。

圖3 普通沙柳方格沙障

DK60+130—DK60+620左側(cè)防護(hù)總寬度365 m，該段采用2條植物林帶、10條灌木林帶、3道高立式沙障、1道刺鐵絲網(wǎng)進(jìn)行防護(hù)。依次為60 m活沙柳方格沙障、90 m普通沙柳方格沙障、210 m低立式經(jīng)編固沙方格［10］(圖4)，方格尺寸均為1 m×1 m。

DK59+620—DK60+560右側(cè)防護(hù)寬度為275 m，該段采用2條植物林帶、7條灌木林帶、2道高立式沙障、1道刺鐵絲網(wǎng)進(jìn)行防護(hù)。依次為120 m活沙柳方格沙障、60 m普通沙柳方格沙障、90 m低立式經(jīng)編固沙方格，方格尺寸均為1 m×1 m。

圖4 低立式經(jīng)編固沙方格

植物林帶采用喬、灌、草相結(jié)合，每條防護(hù)林帶寬30 m，林帶布置采取中間6行喬木+兩側(cè)各10行灌木。喬木采用胸徑大于2 cm的楊樹，行距2 m，株距2 m。灌木林帶采用單根沙柳、檸條、紫穗槐、沙地柏、楊柴等間隔種植，4株/m2。所有防護(hù)方格內(nèi)均種植沙蒿、沙打旺、苜蓿等草籽，按1∶1的比例與黏土拌和均勻后撒播。植物種植時(shí)澆定根水。

圖5 大四鐵路防沙試驗(yàn)段植物生長(zhǎng)情況

3.2 防沙效果

2012年8月對(duì)3處試驗(yàn)段植物的成活率、生長(zhǎng)情況和撒播的種子發(fā)芽情況進(jìn)行了調(diào)查，植物生長(zhǎng)情況見(jiàn)圖5。植物種植后經(jīng)過(guò)幾個(gè)月的生長(zhǎng)，楊樹成活率在85%以上。灌木中沙柳長(zhǎng)勢(shì)良好，最高1.6 m，最矮0.6 m，平均1.1 m，發(fā)出的柳枝有3～6株，部分發(fā)出沙柳枝條多達(dá)8株。沙柳的根系最長(zhǎng)超過(guò)2 m，根系四通八達(dá)。尤其是沙柳母苗經(jīng)育苗后，柳苗生長(zhǎng)旺盛。大部分地表都被生長(zhǎng)起來(lái)的沙柳所覆蓋，防風(fēng)固沙效果好。但沙柳幼苗經(jīng)過(guò)一個(gè)夏季高溫和干旱的考驗(yàn)，從最初70%的發(fā)芽率，遞減到50%的成活率，主要原因是夏季地表水的蒸發(fā)使沙柳吸收不到賴以生存的水分而枯死(未養(yǎng)護(hù))。其它灌木中紫穗槐成活率較高，達(dá)90%，檸條成活率為60%，沙地柏成活率約50%。方格內(nèi)播撒的草籽，生長(zhǎng)也較好?？梢?jiàn)，試驗(yàn)段植物成活率較高，長(zhǎng)勢(shì)良好。這除跟種植季節(jié)、苗木選擇、種植方法、后期養(yǎng)護(hù)有很大關(guān)系外，更重要的原因是當(dāng)年該地區(qū)的降雨量為歷年同期的136%，達(dá)到453.5 mm。

對(duì)試驗(yàn)段采取防沙措施前后加以對(duì)比(圖6)，可見(jiàn)防沙措施達(dá)到了保護(hù)鐵路路基免遭沙害和快速恢復(fù)生態(tài)的目的。防護(hù)后鐵路路基上未見(jiàn)沙害，施工便道暢通，鐵路兩旁到處可見(jiàn)生長(zhǎng)的沙生植物，種植試驗(yàn)區(qū)沙地出現(xiàn)了數(shù)種之前未見(jiàn)的動(dòng)物如鳥、沙蜥、蜘蛛、金龜?shù)取Ｔ囼?yàn)路段流沙已得到有效的遏制，生態(tài)逐步改善，總體上，大四鐵路防沙試驗(yàn)段防護(hù)效果明顯。

圖6 大四鐵路防沙試驗(yàn)段防護(hù)前后效果

4 沙害防治建議

鑒于前述防沙試驗(yàn)取得的初步成效，建議在大四鐵路沙害路段推廣應(yīng)用防沙措施。

4.1 防沙設(shè)計(jì)

在輕微沙害路段，一般不設(shè)防護(hù)帶［11］，只設(shè)刺鐵絲網(wǎng)，對(duì)當(dāng)?shù)剡M(jìn)行封育，重點(diǎn)保護(hù)生態(tài)，恢復(fù)植被。在中等及嚴(yán)重沙害路段，路堤坡腳、路塹塹頂外20 m設(shè)防火帶。其中坡腳、塹頂外2.0 m范圍內(nèi)鋪設(shè)0.2 m厚粗圓礫土(防護(hù)路基本體)，其余18 m范圍內(nèi)鋪設(shè)0.1 m厚粗圓礫土。防火帶外為防護(hù)帶，防護(hù)帶寬度根據(jù)野外考察與調(diào)查情況，結(jié)合當(dāng)?shù)刈匀画h(huán)境、水源、沙害程度等布設(shè)［12］。采用工程防護(hù)與植物防護(hù)相結(jié)合的防護(hù)措施，提出以下幾種防護(hù)模式。

4.1.1 喬木及灌木林帶+工程防護(hù)

在鐵路通過(guò)流動(dòng)沙丘區(qū)且水源相對(duì)充足的路段采取喬木及灌木林帶+工程防護(hù)的防沙措施。喬木及灌木林帶均采用澆定根水及微灌(滴灌、噴灌)系統(tǒng)進(jìn)行澆灌。植物澆灌所需水主要利用附近地下水，打井取水。

防護(hù)結(jié)構(gòu):在嚴(yán)重沙害路段，主導(dǎo)風(fēng)向側(cè)依次交叉設(shè)6條植物防護(hù)林帶及隔離帶，寬300 m，防護(hù)帶外設(shè)3道高立式沙障及刺鐵絲網(wǎng);背主導(dǎo)風(fēng)向側(cè)依次交叉設(shè)3條植物防護(hù)林帶及隔離帶，寬150 m，防護(hù)帶外設(shè)1道高立式沙障及刺鐵絲網(wǎng)。在中等沙害路段，主導(dǎo)風(fēng)向側(cè)依次交叉設(shè)4條植物防護(hù)林帶及隔離帶，寬200 m，防護(hù)帶外設(shè)2道高立式沙障及刺鐵絲網(wǎng);背主導(dǎo)風(fēng)向側(cè)依次交叉設(shè)2條植物防護(hù)林帶及隔離帶，寬100 m，防護(hù)林帶外設(shè)1道高立式沙障及刺鐵絲網(wǎng)。

植物防護(hù)帶布置及栽植、養(yǎng)護(hù)要求:采用喬木(楊樹)、灌木(沙柳、檸條等)條帶相結(jié)合的措施，每條植物防護(hù)帶寬30 m，在植物防護(hù)條帶內(nèi)設(shè)置間距1.0 m ×1.0 m樹枝方格沙障(或PE網(wǎng)方格)防護(hù)，喬木按2 m行距、2 m株距栽種，灌木按2 m行距、1 m株距栽種，灌木2株/穴。植物林帶中灌木最外側(cè)2行采用埋條造林，株距0.1 m。每?jī)蓷l植物防護(hù)帶間設(shè)寬20 m隔離帶，在隔離帶內(nèi)設(shè)置間距1.0 m×1.0 m樹枝方格沙障并撒草籽。

4.1.2 灌木林帶+工程防護(hù)

在鐵路通過(guò)流動(dòng)沙丘區(qū)且水源困難、水量少、運(yùn)水距離＜10 km的路段采取灌木林帶+工程防護(hù)的措施。灌木林帶采用澆定根水，有條件時(shí)人工養(yǎng)管2年。植物澆灌所需定根水主要利用附近地下水，打井取水或運(yùn)水。

防護(hù)結(jié)構(gòu):在嚴(yán)重沙害路段，主導(dǎo)風(fēng)向側(cè)依次交叉設(shè)6條灌木林帶及隔離帶，寬300 m，防護(hù)帶外設(shè)3道高立式沙障及刺鐵絲網(wǎng);背主導(dǎo)風(fēng)向側(cè)依次交叉設(shè)3條灌木林帶及隔離帶，寬150 m，防護(hù)帶外設(shè)1道高立式沙障及刺鐵絲網(wǎng)。在中等沙害路段，主導(dǎo)風(fēng)向側(cè)依次交叉設(shè)4條灌木林帶及3條隔離帶，寬200 m，防護(hù)帶外設(shè)2道高立式沙障及刺鐵絲網(wǎng);背主導(dǎo)風(fēng)向側(cè)依次交叉設(shè)2條灌木林帶及1條隔離帶，寬100 m，防護(hù)帶外設(shè)1道高立式沙障及刺鐵絲網(wǎng)。

灌木林帶布置及栽植、養(yǎng)護(hù)要求:灌木采用沙柳、檸條、紫穗槐、楊柴等，每條林帶寬30 m，灌木按1 m行距、0.5 m株距栽種，2穴/m2，2株/穴，“品”字形布置，在灌木林帶內(nèi)設(shè)置樹枝方格沙障防護(hù)。每?jī)蓷l灌木林帶間設(shè)寬20 m隔離帶，隔離帶內(nèi)設(shè)置樹枝方格沙障并撒草籽。樹枝方格均采用1.0 m×1.0 m正方形布置。

4.1.3 種草+工程防護(hù)

在鐵路通過(guò)流動(dòng)沙丘區(qū)，水源缺乏且10 km內(nèi)無(wú)可利用水資源的路段，采取種草+工程防護(hù)的措施。

防護(hù)結(jié)構(gòu):在嚴(yán)重沙害路段，主導(dǎo)風(fēng)向側(cè)依次設(shè)300 m寬樹枝方格并撒草籽、3道高立式沙障及刺鐵絲網(wǎng);背主導(dǎo)風(fēng)向側(cè)依次設(shè)150 m寬樹枝方格并撒草籽、1道高立式沙障及刺鐵絲網(wǎng)。在中等沙害路段，主導(dǎo)風(fēng)向側(cè)依次設(shè)200 m寬樹枝方格并撒草籽、2道高立式沙障及刺鐵絲網(wǎng);背主導(dǎo)風(fēng)向側(cè)依次設(shè)100 m寬樹枝方格并撒草籽、1道高立式沙障及刺鐵絲網(wǎng)。

4.1.4 人工補(bǔ)植灌木

在鐵路通過(guò)個(gè)別半固定、半流動(dòng)沙地，具有少量植被覆蓋的路段，進(jìn)行人工補(bǔ)植。灌木栽植初期澆定根水并進(jìn)行養(yǎng)管。

防護(hù)結(jié)構(gòu):主導(dǎo)風(fēng)向側(cè)防護(hù)寬度100 m，背主導(dǎo)風(fēng)向側(cè)防護(hù)寬度50 m。防護(hù)帶寬度范圍內(nèi)人工種植灌木并撒草籽，使得植被覆蓋率不低于45%，灌木裸露面積2穴/m2(2株/穴)。栽種時(shí)澆定根水，養(yǎng)管2年，養(yǎng)管期每年澆灌3～5次。

4.2 養(yǎng)管措施

鑒于水分對(duì)植物生長(zhǎng)的重要作用，尤其是在庫(kù)布齊沙漠地區(qū)，年降雨量小，蒸發(fā)量大，因此及時(shí)補(bǔ)充植物水分很關(guān)鍵。喬木、灌木均在雨季栽種［13］，種植時(shí)分別按30 L/株、15 L/株澆定根水，養(yǎng)管2年，每年澆灌3～5次，干旱年份適當(dāng)增加澆灌次數(shù)(以滿足植物成活為目的)。栽種前兩年在入冬及開(kāi)春時(shí)對(duì)植物進(jìn)行滿灌，滿灌水量喬木、灌木分別為30 L/株、15 L/株，滿灌2年共計(jì)4次。由于沙漠里的植物不易成活或當(dāng)年成活來(lái)年又死亡，因此，來(lái)年要對(duì)死亡的喬木和灌木進(jìn)行補(bǔ)植。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，第2年按補(bǔ)植率15%對(duì)鐵路沿線死亡喬木、灌木進(jìn)行補(bǔ)植。

此外，在鐵路兩側(cè)中間隔離帶內(nèi)各設(shè)一條寬4 m的縱向養(yǎng)護(hù)行車通道，其余隔離帶內(nèi)預(yù)留4 m寬養(yǎng)護(hù)通道，縱向每300 m左右交錯(cuò)設(shè)置橫向養(yǎng)護(hù)通道，寬4 m，以方便植物養(yǎng)管。

5 結(jié)語(yǔ)

本文分析大塔至四眼井鐵路沿線自然環(huán)境及沙害情況，總結(jié)了該線試驗(yàn)段防沙措施及效果，給出工程措施與植物防護(hù)相結(jié)合防治沙害的具體模式及植物的養(yǎng)管措施，可供同類工程參考。

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(責(zé)任審編李付軍)

U416.1+66

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2015.06.25

1003-1995(2015)06-0096-05

2015-01-25;

2015-03-26

王耀輝(1981—)，男，甘肅天水人，工程師。