蘭新鐵路思甜至了墩段沙害形成原因分析及防治研究

賀國棟

(蘭州交通大學土木工程學院,蘭州　730070)

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蘭新鐵路思甜至了墩段沙害形成原因分析及防治研究

賀國棟

(蘭州交通大學土木工程學院,蘭州730070)

摘要：為解決蘭新鐵路思甜至了墩段風沙災害問題,基于現場調研,掌握研究區沿線沙害現狀和沙害形成原因,并提出防治措施。沿線風沙危害發生與當地干旱多風的氣候條件、鐵路沿線松散的路塹邊坡、路塹塹頂棄土和路塹內形成弱風區有關。綜合考慮工程造價和現場實際情況,研究區鐵路防沙設計建議采用固化松散路塹邊坡+塹頂棄土構筑擋沙堤+高立式阻沙沙障+大方格阻固沙障相結合的防沙模式,構建立體防沙體系。

關鍵詞：蘭新鐵路；沙害特征；沙害防治

新疆地處歐亞大陸中心，遠離海洋，深居內陸，四周有高山阻隔，海洋濕氣不易進入，形成了明顯的溫帶大陸性氣候。區內干旱少雨，冬季漫長而寒冷，夏季短促而炎熱，春秋兩季氣溫變化劇烈；同時，受西伯利亞寒潮影響，冬春秋三季都有寒潮入侵，加上新疆“三山夾兩盆地”的特殊地形，使得新疆成為多風地區。這種氣候特點導致大部分區域植被相對稀疏，地表裸露，沙源十分豐富，一起風就塵土飛揚；在風季時，沙塵天氣愈加活躍，尤其是寒潮大風來襲時，沙塵遮天蔽日。加之近年來氣候的異常變化和人為活動的催化作用，導致揚塵天氣更加頻繁。在鐵路動工之前的原有環境下，風沙流處于動態平衡狀態，能夠順利通過，但鐵路建成后，鐵路路基成為了風沙流運行的障礙物，風沙流途經鐵路路基時，平衡狀態被破壞，極易在線路上形成積沙，威脅列車的安全運行。

蘭新鐵路自通車以來，風沙災害就成為列車安全運營的重要隱患。國內外學者針對鐵路風沙災害做了一系列研究，取得了大量的研究成果[1-13]，并成功用于工程實踐，效果良好。鐵路作為典型的線性建筑，沿線需要穿越多種風沙地貌，由于不同路段風速風向、沙源豐富程度、地質條件及路基形式等存在差異，導致風沙流對線路的危害程度不同，因而不同路段防治對策不能按部就班，需結合現場實際情況，以因地制宜、安全適用、經濟合理為設計原則，構建立體風沙防護體系。

本文通過對研究區沙害現場調查，掌握了沿線沙害現狀，分析了沙害形成原因，并結合現場實際情況，提出了風沙災害防治措施，為列車的安全運營提供了可靠的技術支持。

1工程地質概況

研究區內線路主要位于北天山山脈南麓剝蝕低山丘陵區，為平坦的剝蝕戈壁，出露巖層主要有泥巖等，表層已風化成磚紅色砂黏土，局部有風積地貌形成，第三紀地層受到強烈的風蝕作用形成許多殘丘和洼地。主要地層為第四系上更新統洪積礫砂，下伏第三系上新統泥巖和礫巖、華力西期花崗巖。巖性特征如下。

(1)礫砂：主要分布于丘間洼地，層厚0.3～1.0 m，顆粒均勻，成分以石英、長石為主，稍濕，稍密，Ⅰ級松土。

(2)泥巖夾礫巖：下伏于礫砂土層，局部初露地表，紅褐色，泥、礫質結構，中厚層構造，礫巖厚度≥10 m，泥巖厚3～6 m，強風化-弱風化，Ⅳ類軟石。

(3)花崗巖:下伏第三系泥巖夾礫巖或出露地表，灰綠色-灰白色，顯晶質細粒結構，塊狀構造，節理發育，地表風化呈碎石狀，部分呈球狀風化，風化層厚度0.5～1.0 m，Ⅳ類軟石。

2沙害現狀

研究區內線路路基形式主要為路塹和低路堤，屬于易積沙路基形式。其中，沙害較為嚴重路段主要包括以下5段。

2.1　K1 267+400～K1 269+700段

該段屬于改建路段，線路走向與風向夾角為15°～20°。路基形式主要為1～6 m的淺路塹，兩側原有1.5 m高立式PE網阻沙沙障，立柱間距5 m。線路主導風向上風側設置了2道，距線路70 m左右；下風側設置了1道，距線路60 m左右。線路主導風向下風側沙障周圍不存在積沙現象，上風側沙障周圍積沙量較少，沙粒粒徑較大，線路兩側排水溝積沙嚴重，沙粒粒徑較小。部分路段線路上風側沙障以外有大量棄土，堆積高度1.0～1.5 m，表層松散，極易被風蝕。

2.2　K1 288+200～K1 299+700段

該段屬于改建路段，線路走向與風向夾角為10°～15°，路基主要形式為1～8 m的路塹，邊坡未做防護措施，邊坡土質疏松。線路兩側均有1.5 m高立式PE網阻沙沙障，立柱間距5 m。線路主導風向上風側設置了2道，距線路70 m左右；下風側設置了1道，距線路60 m左右。線路主導風向下風沙障周圍積沙量很少，上風側沙障周圍均存在大量積沙，部分立柱間的PE網已被大風刮破或被積沙所掩埋，失去了阻沙功能。

2.3　K1 302+500～K1 315+570段

該段線路的路基形式主要為低路堤和4～15 m的路塹，主導風向與線路夾角大致在45°～60°，線路兩側均未設防沙措施。DK1 313+500～DK1 314+500段主要為邊坡未做封面處理的深路塹，邊坡坡度大，土質疏松，路塹塹頂兩側由于放坡堆積了大量棄土。由于道砟新更換過，道床上未見積沙，僅在道砟坡腳可見少量積沙。為了排洪，工務段于2015年5月25日對該段排水溝進行了清沙，但在2015年6月7日現場調查時溝底已重新出現積沙現象，厚度為5～30 cm。

2.4　K1 458+500～K1 459+500段

該段路基的主要形式為0.5～6.0 m路塹，主導風向與線路走向的夾角60°～70°，線路兩側均無防沙措施。路塹邊坡近乎垂直，邊坡無防護措施，土質疏松，塹頂兩側由于卸荷堆積了大量棄土，道床出現板結現象。K1 459+500附近可見地下水初露，植物覆蓋率可達50%以上。

2.5　K1 471+392～K1 472+200段

該段路基的主要形式為2～10 m路塹，主導風向與線路走向的夾角55°～65°，線路兩側均無防沙措施。路塹邊坡近乎垂直，邊坡無防護措施，土質疏松，在風力作用下，可見土顆粒隨風跌落在排水溝。塹頂沿線路兩側堆積了大量棄土，表層疏松，紅褐色，高度在1 m左右。由于近期道砟更換過，道床未見積沙，僅在道砟坡底可見少量積沙。

3沙害形成原因

通過對沿線地形地貌、氣候特征、路基斷面形式、風沙流結構特征和線路積沙特點實地勘察與分析，結合其他類似地區沙害形成機理，初步認為該段線路沙害形成的原因主要有以下幾點。

媽經過了大風大浪，也知道向南的斤兩，她已經不向往揚眉吐氣什么的了，她只求能像個普通老太太一樣，抱個孫子、頤養天年就滿足了。

3.1　氣候干燥、降雨稀少

該段線路主要位于哈密地區，鐵路走行于北天山南麓。哈密地區屬典型的溫帶大陸性干旱氣候，干燥少雨，年均氣溫9.8 ℃，年均降水量33.8 mm，年均蒸發量3 300 mm，年均日照3 358 h，無霜期平均182 d。春季多風、冷暖多變，夏季酷熱、蒸發強，秋季晴朗、降溫迅速，冬季寒冷、低空氣層穩定。極端最高氣溫43 ℃，極端最低氣溫-32 ℃。降水量少，蒸發量大，導致當地植被稀疏，地表裸露，除了部分地下水出露地區綠洲覆蓋外，大部分地區的植被覆蓋度在5%以下，缺少植被覆蓋的裸露地表在大風天氣下很容易遭受風蝕形成風沙流。

3.2　大風頻繁、風力強勁

該段線路主要位于煙墩風區和百里風區影響范圍之內，風速高、風期長，起風速度快，瞬時風速最高可達到60 m/s以上。表1是烏魯木齊鐵路科研所提供的2015年3～5月風速、風向統計，可以看出該段線路最大瞬時風速可達46.6 m/s，平均風速最大可達39.2 m/s。頻繁強勁的大風為風沙流活動和風沙地貌的發育提供了有力的動力條件。

表1　2015年3～5月不同站點風速、風向統計

3.3　松散邊坡的沖刷與風蝕

經過現場勘查，沿線路塹邊坡均為未采取封面處理的土質邊坡。受雨水的沖刷和熱脹冷縮的反復作用，土質較為疏松，部分路段甚至出現開裂和坍塌現象。加之邊坡坡度較大，在風力作用下土顆粒很容易失去穩定性，被氣流搬運至排水溝和線路上沉積形成沙害。受路塹內氣流分布的影響，這種現象在路塹迎風坡尤為明顯。

3.4　塹頂棄土形成新的沙源

該段鐵路沿線大部分路段兩側有卸荷和改線所產生大量棄土，棄土表面疏松，未經固化處理，直接就近堆積在塹頂兩側，在大風天氣為風沙流提供了豐富的沙源。當風沙流運動到路塹頂部時，風沙流平衡狀態被破壞，沙粒極易沉積在線路上形成沙害。部分路段雖然棄土上風側設置了防沙工程，但沙障距離路塹較遠，棄土在沙障風影區以外，表面疏松的土顆粒仍然會被氣流搬運至線路上形成沙害。

3.5　路塹內形成弱風區

基于計算流體力學軟件，對路塹周圍流場進行了數值模擬，結果表明，氣流運動到路塹背風坡坡頂時發生分離，路塹內氣流速度大幅度衰減(圖1)，并在路塹內形成渦旋氣流(圖2)。從圖1可以看出，雖然在路塹內速度出現不同程度的衰減，但路塹迎風坡與背風坡出現明顯的差異，背風坡附近氣流速度衰減幅度最大，迎風坡附近氣流衰減幅度最小。以上分析表明，路塹背風坡附近容易出現風積沙現象，而迎風坡容易出現風蝕現象。

注：1.風向從左到右；2.來流風速v=35 m/s圖1　氣流速度等值線

圖2　氣流流線

4風沙防護措施

鐵路屬于典型的線性建筑，位于風沙地區的鐵路沿線需要穿越多種風沙地貌，由于不同路段風速風向、沙源豐富程度、地質條件及路基形式等存在差異，導致風沙流對線路的危害程度不同，因而不同路段防治對策不能按步就班，需結合現場實際情況，建立風沙防護體系，以因地制宜、安全適用、經濟合理為設計原則。本次沙害防治中，在充分考慮現場實際情況的基礎上，主要從經濟性、耐久性等方面入手，用最有效便捷的手段來解決鐵路沙害難題。

該段鐵路風沙防治可采用以下方案：線路主導風向上風側(線路北側)，從塹頂或坡腳開始依次設置下列防沙措施：距線路15～33 m范圍內設置大方格阻固結合沙障，距線路45 m和60 m處分別設置1道高立式阻沙沙障；下風側(線路南側)，從坡腳開始依次設置下列防沙措施：距線路15～27 m范圍內設置大方格阻固結合沙障，距線路坡腳40 m處設置1道高立式阻沙沙障。在有棄土路段，可利用棄土做成擋沙堤代替高立式阻沙沙障，變廢為寶，減少固化棄土費用，降低工程造價。在路塹邊坡松散路段，采用混凝土砂漿固化處理邊坡，防止拉溝風對邊坡的風蝕以及雨水對邊坡的沖刷。

5結論

(1)研究區內線路路基形式主要為路塹，當風沙流途經路塹時，過流斷面發生變化，能量重新分布，在路塹內形成弱風區，導致該區域內氣流攜沙能力下降，極易在路塹內形成積沙。

(2)該段鐵路沙害形成的主要原因有：氣候干燥、降雨稀少，大風頻繁、風力強勁，松散邊坡的沖刷與風蝕，塹頂棄土形成新的沙源，路塹內形成弱風區。

(3)按照遠阻、近固的設計理念，結合現場實際情況和防沙經驗，研究區內鐵路應采用2.0 m折線形PE網高立式阻沙沙障+6 m×6 m×1 m PE網大方格阻固沙障相結合的防沙模式，構建立體防沙體系。在有棄土路段，可利用棄土做成擋沙堤代替高立式阻沙沙障；在路塹邊坡松散路段，采用混凝土砂漿固化處理邊坡，防止拉溝風對邊坡的風蝕以及雨水對邊坡的沖刷。

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Cause Analysis of Sand Disaster on Sitian-Liaodun Section along Lanzhou-Urimqi Railway and Prevention Research HE Guo-dong

(School of Civil Engineering, Lanzhou Jiaotong University, Lanzhou730070, China)

Abstract：In order to solve problems of blown sand disaster on Sitian-Liaodun Section along Lanzhou-Urimqi Railway, this paper focuses on the causes of sand disaster based on field investigation and proposes control measures. Blown sand disaster is contributed by the local climate conditions of drought and frequent wind, the loose cutting slopes along the railway line, the spoil on the top of the road cut and the weak wind area formed within the road cut. Comprehensive consideration of project cost and actual site situation concludes that the combination of blockage and fixation of sand is employed by means of solidifying loose cut slopes, building retaining wall with spoils on the top of the road cut, and constructing high sand barriers and the large pane fixing～sand barriers.

Key words：Lanzhou-Urimqi Railway; Characteristic of sand disaster; Prevention of sand disaster

中圖分類號：U216.41+3

文獻標識碼：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.02.009

文章編號：1004-2954(2016)02-0044-03

作者簡介：賀國棟(1972—)，男，講師，工學碩士，E-mail：364440038@qq.com。

收稿日期：2015-08-31； 修回日期：2015-09-16