阿布扎比酋長國Al Mirfa至Mezairaa段鐵路沙丘特征及選線

王建鵬

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司，陜西 西安 710043)

阿布扎比酋長國修建的Al Mirfa至Shah段鐵路，位于魯卜哈利沙漠 Rub Al Khalid(Empty Quarter)，該沙漠覆蓋了阿拉伯半島的三分之一。為了防風固沙，減小風沙對鐵路工程的危害，為鐵路修建提供合理的治沙方案，根據沙漠不同地段風沙的特點，重點探討了工程區的地形地質、氣候特征、沙丘的類型、分布與活動特征、粒度組成、風況、地表干沙厚度及含水量等風沙特性，預測了風沙對鐵路的危害，為鐵路選線提供合理的設計原則［1］。

1 地形地質簡介

阿聯酋的阿布扎比邦位于阿拉伯半島東部，地處阿拉伯沙漠東南部的東北側，境內除東北部有少量山地外，絕大部分是海拔200 m以下的洼地和沙漠;北部沿波斯灣為734 km的海岸線，分布有海岸鹽沼帶，地勢較平坦，從西往東地勢抬高，從海岸往山區，海拔變高。

Al Mirfa至Shah段表層由5種第四紀沉積地層組成，分別是海岸地帶、沙丘、碳酸鹽濱海砂層沉積地帶，沙丘—海岸地帶夾雜地層以及古沙丘沉積層。第四系全新統地層有鹽漬土、粉土、砂類土，碳酸鈣及氯化鈉鹽殼，沙丘砂;其下古沙丘沉積地層主要為第四系更新統的沙丘砂沉積壓實形成。古沙丘以下地層形成于上第三系中新統(N1)，主要由淺層海洋泥巖和粉砂巖構成，夾雜有碳酸鹽和蒸發巖。基底為上第三系中新統(N1)大陸環境形成的碎屑沉積巖。

沙漠區主要的地質問題除風沙危害外，還有軟弱地基，鹽漬土，地震液化及地表水、高含鹽度的地下水對混凝土侵蝕性問題。地震動峰值加速度為0.09g，為7度區。

2 氣候特征

2.1 溫度和溫差

阿布扎比酋長國的特點是氣候炎熱干旱，夏天極其炎熱，冬天非常暖和。最高氣溫通常在12∶00至14∶00，而最低氣溫一般在 03∶00 至 04∶00。

2.2 降雨量

由于沙漠遍布，水氣來源于印度洋阿拉伯海的波斯灣，由于北部內陸受高山阻隔，東南季風難以深入，造成氣候干旱，降水稀少，除東部山區雨量較多外，阿布扎比地區從1971年至2004年的年平均降雨量約為47.2 mm/年，雨季大多數集中在11月—翌年2月，降雨也沒按月平均分布，而一般集中在2月—3月的1～3 d的強降雨之中。

2.3 蒸發量

該區降水稀少，蒸發強烈，在地表組成物質粗疏和易于滲漏的條件下，地表水和地下水比較貧乏。周期年平均總蒸發量(土壤水分蒸發蒸騰損失總量)5 400 mm，最大蒸發期為5月—10月，此時風力較強，空氣干燥。

2.4 日照

研究段落太陽直射水平年變化(單位:Wh/m2)平均最大值約為900 Wh/m2，平均值約為480 Wh/m2，平均最小值約為250 Wh/m2。總體太陽直射水平很高。

2.5 風況

該區段季風氣候顯著，深受北風、西北偏北風和東風的影響，風向及風力隨地區和季節的不同而不同。大部分丘陵流動沙丘區處在印度洋阿拉伯海的波斯灣海岸高壓控制下，受北風和西北風氣流的影響，丘陵流動沙丘區風力較大，在風季風速達到5～9級是常見的，三月份Shamal(當地稱“薩姆拉”)季風來臨時為風速高峰期。風力日變化為午后14∶00～16∶00風速最大，凌晨3點左右最小。所以，在冬、春風季，沙質地表受風力吹揚，造成風沙彌漫，沙暴頻繁。

鐵路區當地面以上2 m風速超過4 m/s時，直徑為0.10～0.25 mm的地表沙粒隨即隨風移動。最大風速為9級，每月最大風速均高于起沙風速。

3 沙丘特征

3.1 沙丘分布

流動沙丘主要分布于微丘區和丘陵區，固定、半固定沙丘僅分布在沙漠的邊緣和一些水流條件較好的溝谷附近。流動沙丘受主導風向及季風影響，整體為NW－N向的大型沙壟及NE－E或近E－W向的橫向大型新月形沙丘鏈，及鏈間橫向小沙丘。沙丘之間圍成平坦的鹽沼地帶，丘表和丘間局部有少量植物。

3.2 沙丘類型

多為新月形沙丘鏈首尾相接，與沙壟以及丘間鹽沼形成網狀結構，沙丘高度達10～50 m。沙丘高，連成一片，局部為魚鱗狀復合型沙丘，對142 km段落進行了統計，類型多樣。

3.2.1 新月形沙丘

沙丘中部高，兩翼端角低，形似新月，高度10～30 m居多，最小的有2 m高，最大的高度＞50 m。迎風坡10°～12°，背風坡 23°～32°，滑跌坡緩圓，移動快，危害大，多分布于微丘陵區的沙壟之上。新月形沙丘形成風向為 N、NW、W 風。

3.2.2 新月形沙丘鏈

單個新月形沙丘并肩相連，呈E－W向及NE－E向與主導風向(NW、N)垂直，成群結隊，近平行展布，起伏較大，一般高10～30 m，個例高達50 m以上。

3.2.3 新月形沙壟

新月形沙丘相互套生，基本沿主導風向延伸，縱向長度較大，發育于古沙丘之上，繼承了海水退時古沙丘留下的地貌特點，長達300 m，有的近1 000 m。

3.2.4 魚鱗狀復合沙丘

各種大型新月形沙丘鏈首尾相連與丘間鹽沼洼地形成的復合體，新月形沙丘相互疊置，鏈間有小沙丘連接，在俯視圖上酷似魚鱗。高度較大，洼地到丘頂一般＞50 m，近洼地的背風坡較陡，約 28°～35°。

3.3 沙丘的物質特征

3.3.1 顆粒

吹揚作用下微小顆粒不斷被吹走，使粉粒、黏粒的含量減少，中等顆粒(細砂)的百分比相對增加。鐵路沙丘區表層松散層最淺2 m，最深11 m，

3.3.2 成分

該區沙質來源于母巖細、粉砂巖的風化、搬運、剝蝕，在搬運過程中，礦物成分90%以上為石英和長石。風積沙顏色與母巖砂巖相似。

3.3.3 含水率

該地區旱、熱，地表土壤一般不固化，表層10 cm取樣分析，含水率＜3%，表層10～100 cm的含水率為3% ～19%，平均11%。

3.3.4 沙丘移動

我國學者根據室內風洞和野外進行的不同條件下風沙運動的動態攝影［2］試驗和高速閃頻攝影［3-5］，精確地記錄了沙粒運動的微觀過程，對沙粒運動圖像有了較清晰的了解，并對沙粒躍移的物理過程及其機理作出新的解釋［6-7］。

當風速為9.4 m/s，風向為NW時，地面以上0～10 cm內的輸沙量占總輸沙量的75.30%，位于大沙漠邊緣的沙丘移動快，年移動值一般5～10 m，局部＞10 m，沙漠中部的沙丘移動慢，年移動值甚至不到1 m。

4 沙害預測及選線

4.1 風沙危害程度預測

根據風沙對鐵路的沙埋、風蝕、磨蝕等危害，按危害程度可分為嚴重、中等和輕微。

哈布桑(Habshan)—沙赫(Shah)段為丘陵沙漠區，為嚴重風沙地段。工程通過大面積(＞10 km2)的高大、密集流動沙丘、風沙流活動頻繁地區，附近有大面積稀疏、低矮流動沙丘，沙丘年移動值＞10 m。沙源豐富(包括明沙，鹽沼沙)。8級以上大風將可能造成嚴重沙害。活動沙丘的整體移動可形成堆狀沙埋，這種沙埋、風沙流危害嚴重。可以看到，附近公路局部路面1/4以上被流沙壓埋。

馬里夫(Al Mirfa)—哈布桑(Habshan)段為微丘陵沙漠區，為中等風沙地段。工程通過大面積半固定沙丘和部分流動沙丘為主的地區，沙丘年向前移動值5～10 m;通過段沙層疏松，沙地深厚，風蝕作用顯著。8級以上大風時，有中等危害。附近公路局部沙埋路肩的一半至路肩。

我國沙漠在干旱和極干旱區以重度危害為主，其比例可占沙害的一半以上，重度危害出現于距工程較近，沙丘密度大的高大流動沙丘區。

4.2 選線原則

阿布扎比鐵路Al Mirfa至Shah段沿線幾乎全為風沙覆蓋，沿線風沙地段包括流動沙丘(沙地)、半固定沙丘(沙地)，其中沙害嚴重地段新月形沙丘、沙丘鏈、沙壟密布，沙海連綿，表層幾乎無植被覆蓋。受主導風向的影響，沙丘由西北向東南呈往復擺動式前進。流動沙丘上很少有植物生長，在沙丘坡腳和丘間洼地生長有沙生植物。區內流動沙丘以流動的新月形沙丘鏈為主，一般高度在3 ～20 m，個別可達20 ～50 m。低洼地帶沙層厚度為5～10 m。固定、半固定沙丘僅分布在沙漠的邊緣和一些水流條件較好的溝谷附近。

根據衛星遙感圖像和帶狀地形圖，結合該段客貨混行(200 km/h時速)、土建工程及現場調查，對于線路經過處不同高度不同類型的沙丘采取了如下選線原則。

4.2.1 線路平面

1)線路依據控制點馬里夫(Al Mirfa)—哈布桑(Habshan)—麥迪納特·扎伊德(Madinat Zayed)—哈布桑(Habshan)—沙赫(Shah)段方向盡量以最短直線布設，多采用大半徑4 200～7 000 m平曲線線形，偏角控制在30°范圍以內。

2)充分利用有利地形，布設線路于沙丘、沙壟間開闊地帶。或沙丘迎風坡側，保持路線流暢平坦。避開山地陡坡積沙地段，宜選在山地背風側鹽沼洼地內、背風坡及風影部分以外的地段通過。

3)以沿線的深入沙漠的公路(馬里夫—里瓦E44公路)為依托，盡量走在公路的背風側，以E44公路作天然屏障。公路沿線已經做過治理，防護林及人工阻沙帶有一定寬度，風沙危害相對較小。

4)大范圍無有利地形時，直穿相對高度＜20 m的沙丘分布路段;合理繞避高度 ＞20 m的大沙體，線路總體走向NW －N與主導風向 NW，N，W 角度 ＜15°，近平行。

5)避免采用小半徑，并宜將曲線設計為路堤，外側朝向主導風向。

4.2.2 路基縱斷面

對于縱斷面設計，較窄的線狀工程和過風性的面狀工程或較寬的線狀工程設計思路有所不同，最大的不同是輸沙和阻沙上。一般公路工程和透風的一些小型工程，表面流暢，較平整，部分風沙流攜帶的沙可以輕易地通過工程表面而被帶走，這是輸沙理念，縱斷面設計遵循零填挖，即縱斷面高度與原自然地面盡量平齊，設置低路基，采用填挖平衡，或填方略大于挖方，便于輸沙。

4.2.3 路基橫斷面

首先考慮以工程防沙為主的基本治沙方案，以滿足擋沙要求及線路正常運營為基本原則［8-9］。

1)當路堤邊坡高度h≤3 m時，邊坡坡率采用1∶5;當邊坡高度10 m≥h＞3 m時，邊坡坡率采用1∶2;當邊坡高度h＞10 m時，路堤邊坡形式采用折線型邊坡，考慮邊坡穩定及施工的便利，從路基面向下邊坡每5 m設3 m寬平臺。

當路堤邊坡較陡(1∶1.75～1∶2)，氣流受路堤阻擋作用明顯，在路堤迎風側產生高壓區，邊坡下部的風速減小，上部增大，在路肩上部達到最高值，然后擴散，從路堤中心開始減速，至路堤背風側形成低速區。見圖1。當邊坡坡率緩于1∶1.75，低速區長度一般為路堤高度的7～8倍。路堤越高，迎風側路肩風速增值愈大。例如，2.1 m高的路堤比2.0 m高的路堤在路肩以上20 cm處的風速高10%左右;路堤高8 m時，該位置的風速增加為50%左右。

當路堤邊坡緩于1∶4，越過路堤的流線比較勻稱，氣流的分離層較薄。

圖1 路堤風速增減率等值線(單位:%)

顯然，在路堤高度確定的情況下，應盡量采用緩邊坡路堤通過。路肩及道心積沙相對少點。

2)路塹地段采用展開式路塹，挖開后填筑成高度1.1 m的低路堤，低路堤邊坡坡率采用1∶2，低路堤兩側設一定寬度的積沙平臺，低路堤邊坡采用碎石類土包坡。

邊坡坡率陡于1∶4的情況下，則于塹內出現順線路方向的順槽風，順槽風頂面和路塹頂風層的底面之間形成“渦旋風”使沙粒躍入路塹內，路塹短，堆積在路塹溝口，路塹長，堆積于背風側的平臺，或呈舌形從背風側堆積至迎風側，掩埋軌頂。

邊坡坡率緩于 1∶4，尤其是 1∶7 ～1∶8時，氣流流線比較平順，且產生滑移沖力，可將大部分沙粒輸送至迎風側塹頂以外，但受鐵路上部結構的阻擋，使部分沙粒積于道床邊坡兩側與道心。因此，路塹地段盡量以降低甚至“消滅”順槽風為目標，以敞開式、緩邊坡通過。

4.2.4 防護帶寬度

結合防護帶形式，防沙措施根據沿線風沙活動程度確定，典型的布置方案為:至路堤坡腳向外依次為:①防火隔離帶;②植物防沙帶;③土工網方格帶;④空留帶;⑤高立式防沙柵欄(高2 m);⑥空留帶;⑦高立式防沙柵欄(高2 m);⑧封沙帶;⑨防護柵欄。可以選其中 1+2，1+2+5+8+9，1+2+3+4+5+8+9 或 1～9個帶全上的防治措施，依據工程的情況設置，選線要考慮其整體寬度。

4.2.5 復雜沙丘區

沙丘連綿不斷的地區，一般的選線原則是線路應選擇通過較為低矮的沙丘區，不宜直接穿越高大沙丘區并盡量與主導風向平行。

但是，根據近幾年的研究，沙漠腹地的高大沙丘的整體移動是極其微弱的，而低矮沙丘和沙丘鏈移動速度則較快。

新月形沙壟和魚鱗狀復合型沙丘地形起伏劇烈，選線難度相對較大，對這類沙丘高在20 m以上的，地形一般10年不發生明顯變化，對于這種雖然高大，但地形比較穩定的沙丘區，繞避不了的可以考慮穿越。不是不能涉足的。

因阿布扎比酋長國Al Mirfa至Mezairaa段鐵路與沙特鐵路同為魯卜哈利沙漠，依據沙特鐵路的成功經驗，鐵路線路應位于大沙丘的向風側。如果可能的話，鐵路線路盡量沿盛行風走向，當盛行風沿鐵路線吹時，鐵路應位于較高的易于疏導流沙的路基上面。在風速高的沙地，路基的高度應至少與其周圍的沙丘一樣高，采用挖方或填方。

4.2.6 沙漠地區選線設計分清工程類型是至關重要的

設計過程中，公路的設計思路和鐵路的設計思路是不同的。沙漠公路根據設計等級可以允許路面過沙。其路面平順，少許沙粒能被帶走，但鐵路不同，由于路基特殊的結構，沙粒會在路基附近堆積。因此，設計的邊坡坡率是不一樣的。以路基斷面為例:我國毛烏素沙漠公路路堤多采用緩邊坡或淺槽式。當h＜1 m時，坡率為1∶8;當3 m ≥h＞1 m 時，坡率為1∶3;當10 m ≥h＞3 m 時，坡率為 1∶2。

路塹，采用敞開式或寬平臺式。路塹深1.5 m，外邊坡1∶8，積沙平臺寬度迎風側3 m，背風側4 m。路塹深1.5～6.0 m，外邊坡1∶4，積沙平臺寬度迎風側6 m，背風側4 m。

聯合鐵路專家認為無論是路堤還是路塹，理想的坡度為1∶200，即平展式。但這是不現實的。這種理念期盼風將沙粒全部帶走，更接近于低等級公路的設計思想。對于鐵路，因為路基特殊的結構層，定會阻擋部分風沙流運動而將沙粒沉積于路肩或道心，造成沙害。因此，只能盡可能使道床的外形與鐵路路肩平坦和光滑，以增加鐵路上方的風速，并減少沙塵沉積的可能性。必須果斷地采取阻沙、固沙措施，鐵路選線必須考慮合適的坡率和一個能長期維護的綜合防護體系。

5 結論

要選好Al Mirfa至 Mezairaa段鐵路線路，弄清地形地質、氣候特點、沙丘特征是很關鍵的，針對風沙的可能危害，定位好防護措施是一次實施，還是分期維護，確定好治沙的動態設計步驟，才能選好路堤、路塹坡率，從而確定出防護帶的寬度，選好線位。同時，在借鑒國內及一些國際工程經驗時，不能盲目照搬，理解設計的內涵，區分表面光滑，能使風加速的沙漠公路和表面結構特殊，能使風沙流減速沉積的沙漠鐵路的質不同，才能綜合考慮，在新月形沙壟和魚鱗狀復合型沙丘迎風側的較高位置選出一個長期的能夠得到維護和完善的線路。

［1］OMAR HELMY.聯合鐵路初步階段 SHAH-HABSHANRUWAIS鐵路項目《氣候研究》［Z］.阿聯酋聯合鐵路公司出版社，2010.

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［4］蘇維，王琪民，劉賢萬.風沙運動的頻閃攝影實驗與解析［J］.中國科技大學學報，1988(增刊):75-82.

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