太中银铁路典型地段沙害治理效果研究

2014-11-27郝国林杨有海吕晓星

铁道标准设计 2014年1期

郝国林，杨有海，3，刘辉，吕晓星

(1.甘肃省道路桥梁与地下工程重点实验室，兰州 730070;2.兰州交通大学土木工程学院，兰州 730070;3.河西学院土木工程学院，甘肃张掖 734000)

针对各地区沙漠类型、地形和地貌、气候条件不同，目前国内专家学者提出了几种典型的沙害治理模式及防护体系。包兰线沙坡头段“五带一体”铁路防护体系，代表干旱流动沙丘地区铁路沙害防治［1］。兰新线玉门段铁路防护体系，代表戈壁地区铁路沙害防治，采用“阻护结合、前紧后疏”的配置方式，与线路平行或近似平行组成以林带为主的“四带一体”防风阻沙体系［2］。塔里木沙漠公路和塔中油田防沙工程，代表极端干旱区流动沙漠地区工矿交通的沙害治理，结合“先导试验”的生物防沙与植物防沙相结合的固沙体系，为道路的安全运营提供了很好的保障［3］。东胜精煤矿区，代表半干旱沙地地区工矿开发建设中沙害的治理，针对煤矿开发区内建设项目的特点和土地荒漠化的程度，治沙工程主要围绕“线”、“点”及“面”进行措施配置，形成了工矿开发沙害治理模式［4］。

穿越毛乌素沙地的太(原)中(卫)银(川)铁路(以下简称“太中银铁路”)定(边)银(川)线梅花井区段，处于半干旱流动沙丘地区，线路附近存在高大流动沙丘，威胁铁路安全，影响交通运营，需针对该地区气候及沙害特点建立相应的防沙治沙体系。针对太中银铁路梅花井区间的防沙治沙体系，进行调查、测试、研究并评价分析了该区段的防沙治沙效益，观测时间从2012年1月持续到2013年1月。

1 研究区段气候、沙害及植被调查

1.1 梅花井区段气候条件

梅花井段铁路里程为K1 563+500～K1 566+500，地理位置位于东经 106°6'至 106°40'，北纬 37°58'至38°04'之间。沙区冬春季节盛行西北风，冬春两季风力强劲、频繁;年平均风速4.1 m/s。日照丰富，总辐射量608.37 kJ/cm2左右，平均时间为3 000 h左右。气候干燥、冷热剧变、大风频繁、日照强烈是该地区的四大气候特征［5］。该区段黄沙漫天，流动沙丘连绵不绝，植被覆盖率很低，地表粗糙度极低，严重危害到列车的行车安全;对轨道、设备等的磨损比较严重。

1.2 沙害的时间分布特点

根据观测点记录数据，该地区大风天气主要集中在冬春季节，测试主风向大致在NNW—WNW之间。2012年平均风速、最大风速值如图1所示。该地区的风沙活动比较强烈，实测流沙地的起沙风速为4.46 m/s，进入冬季到翌年春季这段时间内，平均风速值大于起沙风速;观测记录到的最大风速值为15.92 m/s;线路在大风过后积沙比较严重，沙土上道，排水沟被沙埋现象时有发生。观测时间段内，风沙活动异常强烈，其中在2011年11月到2012年1月该段时间内起沙天数达到35 d，起沙次数达到81次。严重威胁到铁路的安全运营。

1.3 沙源的空间分布特点

位于梅花井区段装车区间的南侧，沙害尤为严重。靠近线路附近为流沙地，植被稀少，覆盖率极低，稍远处为裸露高大沙丘。靠近线路处顺线路方向沙丘长度达3 km，纵深达30 km，其中有两处为高大沙丘。此处沙源丰富，风沙流活动强烈，风力的作用将沙粒源源不断地输送到线路上，对线路造成严重的沙埋，影响行车安全。

图1 梅花井段2012年风速特征值

1.4 线路附近植被调查

通过对铁路沿线沙丘及沙地的实地调查，发现沿线植物主要有草本植物、半灌木、灌木以及高大乔木。草本植物有沙米、猪毛草、冰草、灯笼草等;半灌木植物有沙蒿、油蒿;灌木植物有沙柳、花棒、沙拐枣;乔木植物有沙枣、小叶杨等。这些植物适宜该地区的气候条件，生长状况良好，可供本区段沙害治理选择。

2 防沙体系建立及沙害治理措施选择

根据该区段的自然环境特征、沙丘分布规律以及沙害成因、特点，确立了“因地制宜，因害设防，就地取材，远阻近固，固阻结合，工程措施与植物措施相结合，植物措施为根本”的防沙治沙原则［6］。由于该区段沙丘高大，风沙活动强烈，沙丘逐渐向线路逼近，沙粒经过风力的作用沉积在线路上，严重影响线路的安全运营。因此需要立即采取措施对沙害进行治理，并能发挥持久作用。首先采取工程措施抑制沙害，为植物提供良好的生长环境;随后采取植物措施，最终依靠植物治理沙害。

2.1 工程措施

近线路处建立固沙带，远处的高大沙丘处建立阻沙、固沙结合带，同时在固沙、阻沙带内部种植草、灌植物形成混合植物沙障带，形成适合该区段气候条件、地形地貌的防风治沙体系。

(1)固沙带

靠近线路附近扎设1 m×1 m的麦草方格以及1 m×1 m的尼龙格状防沙网(图2)，减小近地表风速，防止就地起沙，减小了输沙量，阻止沙丘向线路移动，同时为植物的生长提供一个稳定的环境，起到保持水分、蓄积植物所需养分的作用［7-8］。

(2)固阻结合带

在高大沙丘的三分之二高度处扎设高立式阻沙栅栏(图3)，即采用玉米秸秆扎设为长、宽均为2 m、高度为1 m的积沙方格，同时在栅栏的南侧扎设1 m×1 m的尼龙格状防沙网，形成固阻结合带，阻止沙丘向线路方向移动。

图2 尼龙网格状沙障

图3 高立式阻沙栅栏

2.2 植物措施

春秋季节在固沙带内播撒油蒿、沙米草籽，并扦插沙拐枣、柠条、花棒等灌木幼苗。在阻沙栅栏、尼龙格状防沙网以及草方格中最终形成植物沙障，提高地表植被覆盖率，降低近地表风速，同时使输沙量大大降低。

3 防沙体系效果分析

3.1 沙层含水率

沙层含水率的高低及变化对植物是否能够良好生长起到决定性的作用。在不同措施内各选取10个测试点，观测时间段内每隔10 d取样1次，测得干沙层平均厚度和沙层表面下不同位置0～50 cm深度范围内的平均含水率如表1所示，距离湿沙层表面20 cm以下沙层平均含水率均大于3%，草方格沙障内距离湿沙层表面50 cm处的平均含水率可达到5.37%。可知该区段沙层含水率基本满足植物的生长条件［9］。

表1 不同位置处干沙层平均厚度及沙层平均含水率

3.2 风速

观测地点均选取地势较为平坦的地段，2012年11月至2013年4月不同下垫面大风天气的平均风速值如表2所示。不同下垫面高度位于0.5、2 m的平均风速与流沙地对比，风速降低很明显，尤其近地表风速降低值平均达到59.2%。当平坦流沙地风速大于起沙风速4.46 m/s时，沙障内风速都降低至起沙风速以下，起到了降低风速的作用。

表2 不同下垫面高度风速值与风速降低值

3.3 地表粗糙度

地表粗糙度是反映风沙流空间分布的重要参数，也可以反映防沙工程的效益［7，10-12］。各种措施地表粗糙度如表3所示。与平坦流沙地比较，草方格、尼龙格状防沙网、阻沙栅栏的地表粗糙度都有所提高。尼龙格状防沙网内粗糙度为5.75 cm，高于草方格内的4.37 cm。而阻沙栅栏内粗糙度提高到25.96 cm，起到了提高地表粗糙度的效果。

表3 不同下垫面的地表粗糙度

3.4 输沙率

在单位时间内通过单位宽度或者单位面积所搬运的沙量，叫作风沙流的固体流量，也称输沙率［7］。

表4 不同位置的输沙量与输沙率

3种措施内2 m高度处平均风速为8.57 m/s时，0～50 cm高度范围内的输沙率明显降低。流沙地的输沙率为14.73 g/min，尼龙格状防沙网内输沙率为流沙地的1.01%;草方格沙障内输沙率为流沙地的1.42%，而阻沙栅栏的输沙率则更小，为0.04 g/min，测得平行线路20 m处的输沙率为0.007 6 g/min。由此可见，措施建立起来后，线路附近的输沙量明显降低。

3.5 风蚀

平坦流沙地观测一年内的平均风蚀量为51.3 cm。沙障内的风蚀沙埋情况如图4所示，图中距离0～3 m范围内为草方格或尼龙格状防沙网外部，距离3～16 m范围内为两种沙障内部。草方格沙障边缘处最大沙埋量为17.8 cm，尼龙网格边缘最大沙埋量为23.0 cm。两种措施6 m以内，风沙环境都处于较为稳定的状态，平均蚀积量绝对值在0～1.5 cm，可为植物的生长提供了稳定的环境。草方格沙障及尼龙格状防沙网沙障边缘无措施处形成一条宽约5 m、深度约1 m左右的凹槽，2种沙障边缘被沙埋的宽度约4 m左右，平均最大积沙高度为20.4 cm。

图4 沙障边缘及内部的蚀积量(“－”代表风蚀，“+”代表沙埋)

3.6 植被覆盖率

在沙障布设1年之后，沙障内植被覆盖率达到25%，沙拐枣、沙米长势良好。该区段沙拐枣相比种植的柠条、花棒成活率较高，柠条、花棒由于野兔啃食成活率较低，该地区应选择沙拐枣作为后期灌木丛带首选植被。如图5、图6所示，草方格沙障内沙拐枣长势良好，阻沙栅栏两侧也形成了沙米等“植物墙”，植物生长状况良好，提高了地表粗糙度，起到了阻沙固沙的作用。