銀西高速鐵路荒漠化地區微滲滴灌風沙平面防護研究

江 濤 張宗堂 賈 磊 時國偉

(1.中鐵第一勘察設計院集團有限公司， 西安 710043； 2.中鐵三局集團有限公司， 太原 030001)

銀西高速鐵路穿越我國荒漠化問題最突出省區之一的寧夏回族自治區，本段線路長185.32 km[1]，經過區域主要為沙漠及半沙漠區，沿線降雨匱乏、土地干旱貧瘠、植被覆蓋度低、風沙活動較為活躍。鐵路修建擾動原本脆弱的生態系統，導致鐵路周邊區域沙漠化程度加劇，造成鐵路路基和軌道積沙，給鐵路運營帶來了嚴重隱患[2-5]，也大幅度增加了鐵路工務部門的養護費用[6]。

為有效規避風沙對銀西高速鐵路的不利影響，亟需研究一套行之有效且投資可控的平面防護體系，切實形成鐵路高質量的綠色生態長廊，以保障風沙區鐵路的運行安全。

1 沙害特征

銀西高速鐵路甜水堡至白土崗段屬毛烏素沙地西南部邊緣地帶，表層多有片狀風積沙分布，系毛烏素沙漠南侵部分，屬風積地貌，積沙較薄，一般厚0.5～10.5 m。根據地表形態和活動程度，屬固定、半固定沙地，局部零星可見有流動沙地(丘)分布。沿線風沙分布范圍、活動程度及危害程度如表1所示。

表1 銀西高速鐵路風沙分布范圍、活動程度及危害程度表

從表1可以看出，銀西高速鐵路沿線風沙危害等級以輕微為主，局部為中等。沿線分布的風沙對銀西高速鐵路的建設和運營構成了一定危害，主要分為兩類：

(1)道床積沙

風沙浸入道床使道床不潔，增大了軌道的磨損，若積沙嚴重，來不及清理，則造成軌道沙埋，有可能對高速鐵路運行造成嚴重危害。

(2)附屬設施積沙

主要是在背風側邊坡、排水溝、柵欄處出現積沙，積沙影響路基附屬設施的正常使用，造成柵欄沙埋、排水不暢等危害。

2 微滲滴灌風沙平面防護

2.1 風沙平面防護設計原則

針對銀西高速鐵路風沙地區路基，設計根據沿線地形地貌及氣候、水文特征、大風特性、風沙活動規律及對鐵路運營影響程度等因素，按照“因地制宜、 永臨結合、分步實施、綜合治理”等原則[7]，采用工程防護和植物防護相結合的綜合治理思路，分段進行路基風沙平面防護。

工程防護在防治初期起到阻沙作用，植物防護在后期發揮固沙作用，根據風沙危害程度來制定不同地段的風沙防護寬度。

2.2 微滲滴灌風沙平面防護試驗段

2.2.1 試驗段概況

銀西高速鐵路DK 518+089.10～DK 519+085.42、DK 524+415.00～DK 526+750.00和DK 543+700.00～DK 545+500.00路基共長 4 385 m，位于毛烏素沙漠西南邊緣，區域氣候干旱，長期干燥少雨，地表水資源呈鹽堿化，植物成活率較低，受風沙侵害較為嚴重。

選擇DK 518+089.10～DK 519+085.42段路基作為建設鐵路周邊荒漠化區域微滲滴灌風沙平面防護的試驗段，開展樹枝方格結合灌木和沙障等固沙、阻沙措施及建植植物微滲滴灌養管措施的試驗研究。通過研究確定銀西高速鐵路風沙路基區段植被建植和荒漠化防治的有效實施方案。

該試驗段位于靈武市白土崗鄉，地表地層主要為第四系全新統風積粉砂，下伏三疊系上統砂巖。兩側分布流動沙丘，中線地表分布薄層風積砂，主導風向：春季W，夏秋季SE，秋冬季W。地表水不發育，僅在下雨時溝床有流水，地下水位埋深11～13 m。

2.2.2 試驗段基本方案

路堤左側(迎風側)防護帶寬150 m，其中鐵路防護柵欄外設置5 m寬防火帶，樹枝方格固沙帶寬145 m，前沿設3道高立式沙障；路堤右側(背風側)防護帶寬70 m，其中鐵路防護柵欄外設置5 m寬防火帶，樹枝方格固沙帶寬65 m。樹枝方格尺寸為1.0 m×1.0 m，方格內栽植灌木，灌木種類采用檸條或梭梭，栽植密度為6株/m2。

防火帶地表平鋪10 cm厚碎石土，高立式沙障為HDPE制成的阻沙網[8-12]，高1.5 m，沙網孔隙度為50%，孔徑約2 mm。阻沙網下端邊與緊密固沙網上端邊鎖扣鏈接，并固定于間距為2.0 m的立柱上，立柱基礎為30 cm×30 cm×30 cm的混凝土，其上、下端和對角線均采用鐵絲連接，構成固定阻沙柵欄框架，并在兩側45°用鐵絲加固。消能通風段為網狀，位于疏透阻沙段上部，其下邊沿與疏透阻沙段連接，高20 cm。

選取樹枝長約50 cm，施工時將樹枝垂直插入地面20 cm，地面上留30 cm。 施工前應拉線，確保線條順直，并保證方格尺寸，沿拉線挖溝，溝內放入準備好的樹枝，樹枝要連續、均勻、緊密，粗細搭配需合理。

灌木選擇1～2 a檸條或梭梭的實生苗，株高30 cm左右，根系發育良好，生長旺盛，姿態豐滿，品種優良，無病蟲害，所選苗木的規格尺寸滿足要求。

2.2.3 微滲滴灌

試驗段采取微滲滴灌技術，微滲滴灌風沙平面防護試驗段橫斷面和平面布置如圖1所示。

圖1 微滲滴灌風沙平面防護試驗段橫斷面和平面布置圖(m)

(1)微滲滴灌是將具有一定壓力的水，經管網、出水管道(滴灌帶)或滴頭以水滴的形式緩慢而均勻地滴入植物根部附近土壤的一種灌水方法。此種灌水方法可充分滿足灌木生長所需水分的需要，保證栽植成活率，且布置方便，適合現場運行和維護；可充分節水，亦可解決傳統水車澆灌無法進入的問題，降低養護費用，同時還可避免傳統澆灌方式對原有地形及植被造成較大的生態破壞。

(2)根據原地貌布設微滲滴灌系統，采用高位蓄水桶自流或水泵加壓的方式，通過主管道向低位施工區域樹枝方格內每隔30 m引支管并鋪設滴灌帶，根據樹枝方格內灌木間距，引入滴灌帶進行灌溉。

(3)蓄水裝置由2×1 000 L的大型儲水桶組成，每個裝置可承擔約 10 000 m2的澆水范圍，選擇樹枝方格區域地勢較高的地段，迎風側沿線路方向每隔150 m為1個單元，背風側沿線路方向每隔300 m為 1個單元。每單元架設臨時蓄水裝置，同側相鄰單元可共用1個蓄水裝置，由鋼筋固定至現場高位。干旱期間可進行水泵加壓，由水車從取水點將水運輸至工地，加入蓄水桶。澆水期間應由專人看護并隨時加滿。

(4)主管道選用DN75 PE管，支管道選用DN32 PE管，滴灌帶選用DN16 PE管。管道鋪設均采取明鋪或淺埋的方式，需要覆蓋的區域采用人工或小型機械進行開挖，開挖的土方放置于溝槽旁邊以方便回填。滴灌帶采用人工鋪設安裝，間距為1.0 m。管道安裝嚴格按照相關規范進行，在蓄水裝置地勢相當的區域鋪設DN75主管道，采取現場焊接；DN32支管道與DN16滴灌帶均采取現場打孔焊接的形式。滴灌帶與主管道相連，加設閥門控制。

(5)滴灌帶鋪設完畢后，根據灌木的位置，現場使用專用打孔器進行打孔，做到一穴一管，保證灌木根部均可接受滴水灌溉。澆水期間需專人進行維修和保養。微滲滴灌系統如圖2所示，單個方格內微滲滴灌布置如圖3所示。

圖2 微滲滴灌系統詳圖

圖3 單個方格內微滲滴灌布置圖

2.2.4 養護管理和質量驗收

根據現場實際布置水塔(鋼支架+水桶)，采用水車就近取水、機動補水的方法，確保現場植物澆灌持續進行。于每年春、夏季干旱時，秋、冬季封凍之前，根據天氣和土壤情況進行灌水，一年澆3～4次。

微滲滴灌系統質量驗收采用觀察法，主管道和支管道不漏水，水可通過管道灌溉到滴灌帶末梢的灌木即為合格；同時記錄灌溉相同面積綠化帶所需的水量，并進行對比。

灌木作為鐵路主體工程的分部工程進行檢驗和驗收，質量需滿足鐵路行業相關規定。

3 微滲滴灌平面防護效果研究

3.1 微滲滴灌平面防護維養效能研究

2020年3月銀西高速鐵路微滲滴灌風沙平面防護試驗段建成，通過半年的維養，取得了一些初步效果，綠化成效顯著。試驗段微滲滴灌與一般區域采用水車人工維養的效能對比如表2所示。

表2 試驗段與一般區域維養效能對比表

從表3可以看出，與一般區域采用水車人工維養相比，微滲滴灌節省總用水量33%，節省養護人工60%，具有明顯的優勢。該方法可解決傳統水車澆灌無法進入的問題，避免傳統澆灌方式對原有地形及植被造成較大生態破壞。

3.2 微滲滴灌平面防護綠化效果研究

通過半年的觀測，非微滲滴灌區域植被覆蓋度為23%，微滲滴灌區域植被覆蓋率達到了42%，微滲滴灌平面防護措施的綠化效果較為顯著。

3.3 微滲滴灌技術優勢研究

微滲滴灌與其他滴灌技術相比較，其系統組成和功能的實現具有以下特點：

(1)微滲滴灌投資比傳統滴灌少，同時還可有效減少地面漫流并控制灌溉深度，大大節省水資源。

(2)微滲滴灌管網主要采用PE管，適應地形能力較強，特別是在地形起伏較大的區域，管網可靈活調節，使滴灌末端直達灌木。

(3)有效控制樹枝方格內的土壤含水率，降低雜草和病蟲害發生率，同時減少農藥用量，起到保護環境的效果。

(4)在大面積的干旱、半干旱區域，水源離施工區域相對較遠，微滲滴灌技術能發揮較大的工程應用優勢。

3.4 推廣應用

試驗段微滲滴灌技術取得了較好的綠化效果，繼而在銀西高速鐵路DK 524+415.00～DK 526+750.00、DK 543+700.00～DK 545+500.00兩段受風沙侵害較為嚴重的路基段落都布設了微滲滴灌系統，累計鋪設長度近4.3 km，覆蓋綠化面積89 hm2，植物生長態勢良好，有效阻止了風沙對銀西高速鐵路的進一步侵害。

4 結論

本文在對銀西高速鐵路沙害特征進行分析的基礎上，通過在DK 518+089.10～DK 519+085.42段鐵路周邊荒漠化區域建設微滲滴灌風沙平面防護試驗段，并對觀測數據進行分析研究，得出以下結論：

(1)與傳統水車人工維養技術相比，微滲滴灌技術總用水量和養護人工都有較大幅度的節省，其建設成本較傳統滴灌技術也有節省。微滲滴灌區域植被覆蓋度較非微滲滴灌區域有較大提高，微滲滴灌平面防護措施綠化效果較為顯著。在大面積的干旱、半干旱區域，水源離施工區域相對較遠，微滲滴灌技術能發揮較大的工程應用優勢。

(2)銀西高速鐵路風沙路基微滲滴灌平面防護工程克服了氣候干旱、缺水少雨、水資源鹽堿化、植物成活率較低等一系列治理難題，為荒漠化地區鐵路路基沙害治理積累了有益經驗，具有較大的推廣應用價值。