馬旭東

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司，北京 100055)

我國相繼修建了包蘭、蘭新、青藏、大何、拉日等多條風沙地區(qū)鐵路干線，積累了很多風沙防治的寶貴經驗，形成了風沙地區(qū)鐵路修建的一整套理論和沙害防治科學體系，并有許多成功的案例[1]。包蘭線沙坡頭段位于騰格里沙漠南側，通過對其氣象要素、流動沙丘特性、試驗路基工程的研究，首創(chuàng)了“固、阻、輸”[2]相結合的工程與植物防沙并舉的模式，建立了干旱荒漠區(qū)防沙體系和沙漠人工生態(tài)系統(tǒng)[3]；蘭新線玉門段采取了挖溝筑堤[4]、黏土泥漿抹面的工程措施，與客土造林，喬、灌、草結合的生物措施并舉，建立了戈壁地區(qū)防風治沙體系[5]；青藏鐵路堅持“以防為主、防治結合”的風沙防治原則，采取平鋪卵石土、石方格沙障、混凝土透風式高立式沙障等措施[6-7]，建立了青藏高原特殊地理、氣候、生態(tài)環(huán)境下的風沙防治結構。以上不同風沙地區(qū)環(huán)境條件、風沙活動規(guī)律不同，采取的風沙防治體系各異。

新恩鐵路穿越毛烏素沙漠，工程所在區(qū)域年降水量大于300 mm，且本區(qū)域地下水埋深較淺，水質良好，有利于沙生植物、灌木存活。借鑒本地區(qū)S215、X628公路及昂敖公路兩側防沙治沙的成功經驗，擬優(yōu)先選取植物措施固沙。通過現(xiàn)場試驗研究，確定本線沙害地段平面治沙防沙綜合防護體系。

1 工程概況

1.1 工程情況

新街-恩格阿婁鐵路簡稱新恩鐵路，由東向西逐步進入毛烏素沙漠邊緣及腹地，正線全長91.2 km，是第一條穿越毛烏素沙漠腹地的Ⅰ級電氣化單線鐵路。線路穿越流動沙丘、半固定沙丘沙害地段85處(長14 285 m)，占線路總長度的15.7%，其中穿越流動沙丘30處(長6 430 m)，占沙害地段總長度45%；穿越半固定沙丘55處(長7 855 m)，占沙害地段總長度的55%。

1.2 地形地貌

本線地處內蒙古鄂爾多斯高原南部剝蝕丘陵區(qū)及毛烏素沙漠區(qū)。鄂爾多斯高原南部剝蝕丘陵區(qū)：丘坡與谷地相間，地形相對平緩，河流較發(fā)育，相對高差約60 m；地表大部為風積沙所覆蓋，局部丘坡及沖溝內有基巖出露。毛烏素沙漠地區(qū)：以風積沙丘、沙地和澗灘洼地為主，地形波狀起伏，沙丘相對高差為5～20 m，兩翼不對稱，迎風側(NW側)平緩(10°～25°)，背風側稍陡(25°～45°)；迎風面有少量植被覆蓋，丘頂寬40～150 m；丘前洼地多呈碟形，一般有稀疏植物生長，局部有積水洼地分布。

1.3 氣象特征

新恩鐵路所在區(qū)域屬大陸型中溫帶干旱、半干旱氣候。春秋季節(jié)多風，夏季短促而炎熱，冬季漫長且嚴寒。極端最高氣溫37.4～38 ℃，極端最低氣溫-31.4～-31.1 ℃，年平均氣溫6.7～8.33 ℃；年平均降水量322.31～342.8 mm，年最大降水量531.2～613.6 mm；年平均蒸發(fā)量2 117.47～2 387.3 mm，年平均風速3.16 m/s，瞬時最大風速23～28 m/s；主導風向受季節(jié)變化影響，冬、春多為西北風，夏、秋多為偏南風。

1.4 地質條件

沿線出露地層較為簡單，主要有風積粉砂、細砂，湖積泥炭、粉土、粉砂、細砂，泥巖、泥質砂巖，以及砂、礫巖。

本區(qū)第四系孔隙潛水在沙丘高地埋深大于10 m，而在丘間洼地則為1～3 m，且隨季節(jié)變化幅度可達1～2 m；沖、湖積地層地下水位埋深1～5 m，河流漫灘地下水位埋深0.5～3 m，河流階地地下水位埋深2～10 m，水量較豐富。

2 風沙平面防護試驗研究

2.1 氣象風沙監(jiān)測

(1)氣象風沙監(jiān)測

在DK88 km處設置自動氣象觀測站，如圖1所示，用于氣象風沙監(jiān)測。主要氣象風沙監(jiān)測設備見表1。

圖1 氣象監(jiān)測站

從11月到第二年3月，對氣溫、濕度、風向頻率、風速、沙通量(風沙流單位時間通過與之垂直斷面單位面積的量為風沙通量；現(xiàn)場儀器系統(tǒng)可以測量風沙通量的表征指標，為方便說明，此處稱此數(shù)據(jù)為沙通量。)等進行監(jiān)測；根據(jù)數(shù)字風向傳感器數(shù)據(jù)繪制風向頻率玫瑰圖；根據(jù)儀器檢測到沙通量的最小風速來確定高度2 m、0.5 m兩個起沙風速，如圖2～圖3所示；對平均風速與沙通量數(shù)據(jù)進行回歸分析，得到風速與沙通量的關系，如圖4所示。

表1 氣象風沙監(jiān)測設備

圖2 2 m處風速與起沙的關系

圖3 0.5 m處風速與起沙的關系

圖4 風速與日風沙通量的關系

(2)監(jiān)測結果

由風向頻率玫瑰圖，確認本區(qū)監(jiān)測期內主導風向為西北風和北風；由圖2、圖3可得出最小起沙風速：2 m處為5.5 m/s，0.5 m處為4.6 m/s，表明由于植被等阻擋因素的作用，近地表處風力減速明顯；圖4說明，風是沙流移動的最主要原因，風沙通量與風速存在3次多項式關系，存在“平均風速增大時風沙通量也增大”的相關性。因此，防治沙害的主要措施應為降低地表的風速。

2.2 風沙路基平面防護試驗

按照先試驗成功、再推廣應用的原則[8-9]，依據(jù)氣象風沙監(jiān)測，選取有代表性的段落進行風沙路基平面防護試驗，對擬采用的工程治沙和植物固沙措施進行試驗研究。同時，在線路附近選擇一處植物育苗基地。

(1)機械固沙輔以植物防護

DK87+800～DK88+800為流動沙丘段，首先在外側施工高1.5 m高立式沙障，與主導風向垂直；高立式沙障與鐵路路基之間施工高度為0.25 m的經編防風固沙網格，尺寸為1.0 m×1.0 m[10-11]，與路基呈45°角；網格內種植沙柳、旱柳、楊柴等固沙植物，形成以機械固沙為主、多種類防護植物并存的綜合防護體系。當年10月，沙障、防風固沙網格施工完成，于12月和第二年5月在經編網格內種植沙柳、旱柳、楊柴、沙蒿及沙地柏等植物。第二年6月底，沙柳幼苗發(fā)芽，成活率超過60%；種植的旱柳和沙地柏成活率分別在40%和10%左右，如圖5。

圖5 經編防風固沙網格內種植灌木

一個風季的試驗觀測表明： ①受高立式沙障和防風固沙網格的阻力，風速由外向內迅速降低，防風固沙網格向內20 m處高度0.5 m的平均風速低于起沙風速；②流沙前進受阻后，于高立式沙障前后沉積下來，高立式沙障前后積沙明顯；③最外側3～5格經編防風固沙網方格內積沙明顯，最大厚度達25 cm，積沙量自外向內迅速減少；④迎風側工程防護寬度應不小于150 m；⑤經編防風固沙網格高度采用0.25 m且上疏下密的結構；為防止被風吹蝕裸露，網格固定樁根部處地面需做成鍋底形；高立式沙障需設置2道，以保證阻沙效果。

(2)栽種樹枝沙障

本著“因地制宜、就地取材”的原則，樹枝沙障以鄉(xiāng)土植物沙柳為主；試驗段選擇在線路DK57+140～DK58+460段，種植面積約60 000 m2；沙障規(guī)格為1.0 m×1.0 m，和路基走向呈45°角。沙柳苗木在清明節(jié)以前采伐，利用育苗基地適當延長沙柳苗的種植周期，加工后的苗木長度約為55 cm；采用開槽法施工，沙柳埋入地下35 cm，外露20 cm；4月份栽種，試驗段沙柳苗成活率達到80%，如圖6。

圖6 栽種樹枝沙障網格內種灌木

試驗總結：①在半固定沙丘、平沙地地段，采用沙柳樹枝沙障阻沙、固沙效果十分顯著；②監(jiān)測期間沙障內風速顯著降低；③苗木的直徑對沙柳成活、生長速度快慢起決定作用(不同沙柳直徑苗木成活率見表2)；④為保證沙障固沙、阻沙作用，設計施工需采用直徑不小于10 mm的沙柳苗木，苗木長度為55 cm，應保證不小于70%的沙柳成活率。

表2 沙柳成活率統(tǒng)計

3 新恩鐵路風沙平面防護主要設計原則

通過現(xiàn)場試驗研究，確定了新恩鐵路流動沙丘、半固定沙丘地段的主要風沙平面防護措施。

平面防護寬度：線路通過活動沙丘地段，當流動沙丘分布范圍小于200 m時，工程防護寬度迎風一側為150 m；當流動沙丘分布范圍大于200 m時，工程防護寬度迎風一側為200 m，背風一側均為100 m；迎風側植被保護帶寬度為300 m，背風側植被保護帶寬度為150 m。線路通過半固定沙丘地段，平面防護寬度迎風一側為100 m、背風一側為50 m；迎風側植被保護帶寬度為200 m、背風側植被保護帶寬度為 100 m。

線路通過流動沙丘地段：采用“阻”、“固”相結合的措施。當流動沙丘分布范圍小于200 m時，于工程防護寬度范圍內采用經編防風固沙網格；當流動沙丘分布范圍大于200 m時，由于工程措施難以一次完成，宜分期實施；第一階段，迎風側150～200 m范圍內采用防風固沙網格；第二階段，在其余部分范圍采用樹枝沙障。網格和沙障內栽種沙柳、旱柳、沙地柏等固沙植物；并于迎風面最外側設置兩道高立式沙障；植被保護帶范圍種植沙柳、檸條、羊柴等灌木品種或撒沙蒿草籽等。

線路通過半固定沙丘地段：主要以“固”為主、輔以“阻”的措施，工程防護范圍內采用樹枝沙障固沙，沙障內栽種沙柳、檸條、沙地柏等固沙植物，并于迎風面最外側設高立式沙障；植被保護帶范圍栽種沙柳、檸條、羊柴等灌木品種或撒沙蒿草籽等。

高立式沙障高度為1.5 m；經編防風固沙網格、沙柳樹枝沙障規(guī)格為1.0 m×1.0 m；沙障中沙柳成活率不低于70%，沙柳木苗直徑不小于10 mm，長度約為55 cm。

4 主要施工注意事項

風沙路基平面防護工程措施施工時，需先在植物保護帶外側設置深溝、鐵絲網、隔離柵欄等[12-13]，防止牲畜進入；工程防護措施宜在春季大風來臨之前完成，以防止風沙流對工程產生風蝕和沙埋[14]，減小工程施工對地表的破壞；采取必要措施對風沙路基兩側各 500 m范圍內的原有地表植被及硬殼進行保護[15]，避免產生新的風沙源；在防護工程施工的同時打井，為植物種植、播撒提供充足水份；沙柳用量較大，一次采購收集困難，應結合工點地形、地貌、植被情況、填方挖方形式等因素，采用重點地段先期施工、分批施工的方法。挖方、低填方及填挖方結合部位線路兩側為重點防護地段，應先行施工。

5 結束語

通過現(xiàn)場試驗，采取高立式沙障與經編防風固沙網格、沙柳樹枝沙障結合治理沙害，均能起到降低地表風速、減少風沙流量的作用。據(jù)此制定的風沙路基設計原則已在本線推廣實施。目前，該鐵路已通車多年，植物生長良好，并在生長和繁殖過程中不斷擴張，增加了生物活動，進一步改善了周邊環(huán)境條件。