太中銀鐵路沙害現狀調查及防治原則探討

劉 輝,朱生憲,楊有海

(1.蘭州交通大學土木工程學院,蘭州 730070;2.蘭州鐵路局,蘭州 73000)

太中銀鐵路沙害現狀調查及防治原則探討

劉 輝1,朱生憲2,楊有海1

(1.蘭州交通大學土木工程學院,蘭州 730070;2.蘭州鐵路局,蘭州 73000)

介紹鐵路沙害的類型及危害,總結沙害的表現形式。通過現場調查研究,掌握了太中銀鐵路沿線的自然環境條件、沙害原因、分布、特點,在借鑒其他沙漠鐵路防沙治沙成功經驗的基礎上,針對本區域的特有條件,因地制宜、因害設防,設計出一套行之有效的治理方案。

太中銀鐵路;毛烏素沙地;鐵路沙害;防治原則

太原至中衛(銀川)鐵路,簡稱太中銀鐵路,東起太原市,西達銀川市和中衛市,沿途穿越山西省西部、陜西省北部、寧夏回族自治區東北部、中部地區,線路正線全長970 km,是西北地區通往華北、東北地區便捷的鐵路通道之一。它的開通緩解了包蘭、隴海2條線路運力緊張的情況,對進一步完善路網格局、提高路網靈活性具有重要作用。

線路在陜西及寧夏的部分地段穿越毛烏素沙地的南緣,沙丘高大,風沙流強烈。自開通運營以來,風沙掩埋排水溝、道床積沙、風蝕路基的情況時有發生,不僅影響線路的正常運營,還要花費大量的人力、物力清沙,增加養護維修費用。經過調查,蘭州鐵路局管段存在Ⅰ級沙害9處,Ⅱ級沙害13處,綿延近40 km。沙害形式多樣,點多線長,有些路段流沙已侵襲到路基底部,遇有大風天氣,沙粒在風的裹挾下隨時有上道甚至埋沒道床的危險,嚴重威脅線路的行車安全,并縮短養護周期,增加養護工作量和費用。

我國在風沙地區修筑的鐵路總長度超過5 000 km,在鐵路防沙治沙方面積累了豐富的經驗。太中銀鐵路沿線的自然環境特點及風沙強度與以往沙漠及戈壁鐵路存在差異,在總結過去鐵路防沙成功經驗的基礎上,對毛烏素沙地的自然環境條件及太中銀鐵路沙害的分布和防治原則進行分析研究。

1 鐵路沙害的種類及危害

1.1 鐵路沙害種類

鐵路沙害是指風沙流對鐵路運營及線路養護帶來的危害,具體是指對路基、道床、排水設施、機車、通訊設備等的磨損和掩埋[1]。沙漠鐵路風沙危害類型主要有沙埋、風蝕、磨蝕3種形式[2]。

1.2 鐵路沙害的表現形式

沙漠地段鐵路由于受到風沙流的影響,帶來很多次生災害,具體表現如下所述。

(1)影響線路行車安全[3]。線路沙埋高度在軌底與軌面之間時,機車通行就會受到影響,稍有不慎就會發生脫軌事故。

(2)產生路基病害,降低線路質量[3]。沙粒沿道砟孔隙進入并沉積,機車通過時道砟受到振動,沙粒在振動作用下滲漏到道砟底部,長時間不進行清理就會填滿道砟孔隙,使道床失去彈性,甚至引起線路拱道,造成不平順及三角坑,降低線路質量。

(3)縮短鋼軌及配件的使用壽命[3]。風沙流磨蝕、撞擊鋼軌,使鋼軌出現麻坑,甚至不均勻磨蝕而出現線路不平順,加劇軌面磨耗。風沙流還會引起連接零件和扣件的銹蝕、松動,影響線路彈性的一致性。

(4)對機車、水電設備造成破壞。沙粒通過機車進氣系統進入機車發動機,造成各部分摩擦加劇,磨耗增大,更換頻繁;風沙流還會對水電設備、信號機等附屬設施造成磨蝕危害。

(5)降低列車通行速度。沙塵天氣時,機車乘務員瞭望距離縮短,為了保證行車安全,必須降低運行速度,單位時間內通行列車對數下降,降低線路運輸能力。

(6)堵塞排水設施。風沙沉積引起涵洞凈空減少,排水溝被掩埋,洪水來臨時,造成路基進水甚至沖垮路基。

(7)增加線路的養護維修工作量[3]。沙漠段鐵路為保證行車安全,必須加強巡視和養護,風沙在線路及附屬設施上的沉積要及時清理,磨蝕的鋼軌要進行打磨,道床要定期進行清篩,這些都要消耗大量的人力、物力,增加開支。

2 毛烏素沙地的自然條件

毛烏素沙地位于北緯37°27.5′～39°22.5′,東經107°20′～111°30′,面積3.21萬km2,是我國12大沙漠之一,固定、半固定沙丘廣泛分布,個別地區有流動沙丘分布。沙丘高度5～15 m,植被覆蓋度低,沙層松散,易于風吹起沙。

2.1 地質地貌特征

毛烏素沙地海拔1 100～1 500m,個別地區可高達1 600m,地形起伏較大,以“硬梁”、“軟梁”、“灘地”、“丘陵”組成[4]。硬梁地構成物質為白堊紀紫砂巖和侏羅紀的灰綠砂巖,風化強烈,巖性松軟。軟梁地分布于該區東南部,系第四紀松軟沙質與沙壤質間層的沉積物,局部為第三紀沉積物。灘地由河流、湖泊的沉積物構成,主要物質為細沙和粉沙。本區東部分布著黃土丘陵,組成物質為沙黃土。

沙區分布著大量的固定、半固定沙丘,流動沙丘集中在南部。北部為黃河沖積平原,地勢平坦,起伏小,適宜種植農作物;西接騰格里沙漠,北接庫布齊沙漠,地形以沙丘、沙山為主,起伏大,生態環境惡劣;東部及南部主要分布著丘陵與低山。

2.2 氣候特征

毛烏素沙地處于一個西北向東南逐漸濕潤的過渡帶,干旱—半干旱—濕潤的氣候過渡使全區的降水很不均勻,西北部年降水量不足200 mm,南部濕潤區降水量卻高達400mm。由于受到季風的影響,全年降水季節分布也不均勻,7、8、9三個月的綜合降水量占全年降水量的60%～75%,尤以8月份最多。降水年季節變化大,豐水年后的1～3年為枯水年,嚴重影響植物的生長。

沙區年平均氣溫6.0～9.0℃,氣溫最低的1月份均溫為-9.5～-12℃,氣溫最高的7月份均溫為22～24℃,全年積溫為2 700～3 000℃。年蒸發量1 600～2 550mm,是降水量的5～12倍[5]。

年平均風速為2.8 m/s,大風天數49.8d,最大風速18m/s。1～4月份主導風向為西北風,5～10月份以東南風為主,11～12月風向由東南風逐漸轉變為西北風。

2.3 水文條件

毛烏素沙地所在地構造基礎為鄂爾多斯盆地,是一個地下水盆地[5],地面以下數百米至千米以下分布有多個含水層系統,深層地下水儲量相當豐富。淺層地下水儲量是我國主要沙漠、沙地中相對豐富的,并且水質好、埋藏淺,丘間低地地下水埋藏深度一般為1～2m。全區分布著170多個湖泊,河流有禿尾河、無定河、窟野河及其支流,這些地表水與地下水相互補充。

2.4 土壤

毛烏素沙地土壤自西北向東南呈現出半荒漠棕鈣土和灰鈣土—典型草原淡栗鈣土—黃土高原淡黑壚土的變化[6]。土壤類型有鹽漬土、沼澤土、黃土、沙土等,機械組成偏沙性,地質松散,保水力低,肥力差。

2.5 植被

毛烏素沙地水分條件優越,水熱配合好,適合植物的生長[7]。全區面積的60%以上為草場,近2 km2,生長著一些沙生、旱生草本植物。林地面積占全區面積的20%以上,其中一半以上是灌木叢林,廣泛生長著沙柳、臭柏、白刺、花棒等。

3 太中銀鐵路沙害分布及成因分析

3.1 分布

太中銀鐵路蘭州鐵路局管段沙害集中在定邊至中衛、定邊至銀川兩條線路上,共有22處沙害路段。定銀線存在17處沙害路段,Ⅰ級沙害8處,Ⅱ級沙害9處,總長度約26 km,大部分路段位于沙漠邊緣地帶,風沙流強烈。定中線存在5處沙害路段,Ⅰ級沙害1處,Ⅱ級沙害4處,總長度約12 km,主要沙害原因為人為破壞植被造成沙面裸露。

3.2 沙害成因分析

3.2.1 自然因素

太中銀鐵路在選線時就開始考慮沙害的影響,盡量避繞沙區,但是受到地形及建設經費的影響,有些路段不得不從沙漠中穿過,如定銀線K1 559+200～K1 563+500、K1 519+000～K1 523+500。這部分路段兩側原本就有高大沙丘,植被覆蓋度低、黃沙裸露,風季積沙現象特別嚴重,并且沙丘向線路方向移動,存在風沙流和沙丘移動雙重危害。

3.2.2 人為因素

太中銀鐵路位于毛烏素沙地南緣,此地土地貧瘠,保水力低,植物類型單一,生態系統十分脆弱,一經破壞很難自行修復。鐵路在修建和運營過程中,原本植被覆蓋度較好的地段,也會因人類不正當的活動產生沙害。人為因素造成的沙害可以分為以下3個方面。

(1)超載放牧、無度樵采。沿線人口密集的地域,土地貧瘠,農作物產量低,當地老鄉只有靠大量飼養牲畜和無節制地樵采灌木叢林為生,缺少封草育草的措施,長時間的破壞使沙面裸露,風蝕加劇。

(2)隨意開墾。沿線居民把鐵路防護欄外側的沙地開墾為農田,一般4月初播種,10月末收獲,在11月到來年4月這段時間內,地表裸露,并且與風季同步,風吹沙起,給線路帶來沙害。

(3)施工破壞。修筑鐵路時運輸物資的車輛反復碾壓,壓死原有植物,“切割”土層形成破口,使下伏散沙出露[8],風蝕、堆積隨之加劇,由于施工便道距離線路近,風沙危害十分嚴重。

4 防沙原則及措施研究

4.1 防治原則

針對鐵路沿線的氣候特點,總結以往鐵路防沙的成功經驗,提出本線路防治工作的總的原則是建立起一套三維防護體系,時間上近期規劃和遠期規劃相結合,空間上鐵路兩側由遠及近設立一條屏障。近期以工程防護為主,植物防護相結合,遠期以植物措施為主,最終建立起一條防沙效果好、景色美觀的綠色長廊。根據太中銀鐵路沿線的風沙流強度,鐵路兩側各布設100～200m寬的格狀防沙網或麥草方格沙障,就足以固定原有沙面,防止就地起沙。部分工點沙丘范圍較大,對于這些工點還需要在固沙措施外側扎設高立式阻沙欄,攔截外部風沙流。工程措施建立起來后,雨季來臨前將植物幼苗種植在固沙方格內,利用工程措施保護其生長。

4.2 近遠期結合

通過研究本線路通過區的風沙流強度和沙丘范圍,一定覆蓋度的植物措施就足以固定沙面,避免或減少沙害的發生,而且本地的降水量足以維持植物的生長。但是直接在沙丘上播撒草籽,植物幼苗抵抗力弱,很容易被沙埋或風蝕死亡,不但浪費物資,更為嚴重的是延誤了治沙的時機。因此本工程前期以工程措施為主體,鋪設格狀防沙網、扎設高立式阻沙欄、挖積沙溝堤等等,利用工程設施初步固定原有沙面及阻擋外部流沙,形成一個穩定的環境,然后在雨季來臨前種植灌木、撒播草籽,利用工程措施保護植物生長。防沙網、高立式沙障等在使用過程中會出現破損、倒伏、沙埋等現象,前期要加強巡視和養護,隨時對出現問題的部位進行修補、替換,到后期植物覆蓋度措施達到足以防沙固沙時,工程措施自行報廢。在地下水儲量大、埋藏淺的工點,打簡易井,人工抽水灌溉,幫助植物順利度過枯水年,加快生長速度。最終形成一套治標治本、一勞永逸、防沙徹底的植物防護體系。

4.3 因害設防

沿線沙害地段沙害程度差別甚大,有的工點是綿延近10 km的沙丘鏈,有的工點只是幾百米長的裸露沙地,沙害類型也存在差異,所以在設計防護體系時要針對每個工點的情況單獨設計,不強求統一。

定銀線K1 559+200～K1 563+700工點,沙丘沿線路分布長度約5 km,寬度在100 km以上,沙丘高大、范圍廣。沙源既有鐵路附近的就地起沙,又有從遠處吹過來的風沙流,針對這樣的情況,單獨采取固沙措施,遠處的風沙流被固沙帶攔截并沉積,短時間內積沙就會埋沒固沙帶。對于這些工點防護工程要從2個方面入手:(1)在線路外側鋪設格狀防沙網固定沙面;(2)在固沙帶外側100～150m處設立阻沙欄,攔截外部風沙流。對于沙丘范圍在線路兩側150 m以內的工點,沒有外來沙源補充,風沙流主要來自就地起沙的工點,要著重注意固定沙面,利用固沙措施將整個沙丘包裹,防止就地起沙現象的發生。真正做到因害設防,修建有針對性的防護工程,有效減少沙害。

5 結語

太中銀鐵路蘭州鐵路局管段存在嚴重沙害地段22處,總長度近40 km,沙丘靠近線路,隨時有上道的危險。沙害分布點多線長,類型及程度差異大,單獨制定每個工點的防沙固沙措施,防沙效果顯著并且節約經費。經過調查,毛烏素沙地的氣象水文條件足以支持灌木叢林的生長,植被在工程措施的保護下短時間內就能達到防沙固沙的要求,最終建立起一套植物防護體系。

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Investigation on Current Status of Blown-sand Hazards and Discussion on Prevention Principle along Taiyuan-Zhongwei-Yinchuan Railway

LIU Hui1,ZHU Sheng-xian2,YANG You-hai1
(1.School of Civil Engineering,Lanzhou Jiaotong University,Lanzhou 730070,China; 2.Lanzhou Railway Bureau,Lanzhou 730000,China)

This paper gives a brief introduction on the situations and characteristics of blown-sand hazards along railway and summarizes the action mode of blown-sand.Through field investigation and research, the natural environment conditions,reasons distributions and characteristics of blown-sand hazards along Taiyuan-Zhongwei-Yinchuan Railway weremastered.Based on the successful experiences of other desert railways in preventing and controlling the desertification,according to the special conditions of this area, and by way of adjusting measures to local conditions,a set of effective preventing and controlling plan were worked out.

Taiyuan-Zhongwei-Yinchuan Railway;Maowusu sandy land;railway blown-sand hazards; prevention principle

U216.41+3

A

1004 -2954(2012)10 -0008 -03

2012-03-06

鐵道部科技研究開發計劃項目(2011G023-C)

劉 輝(1987—),男,碩士研究生,E-mail:ganwei2010@ 126.com。