黄 勇

(中铁第一勘察设计院集团有限公司，西安 710043)

酒额铁路戈壁风沙流地区沙害成因及防治措施

黄 勇

(中铁第一勘察设计院集团有限公司，西安 710043)

戈壁风沙流是西北地区一种较为常见的风沙灾害，严重威胁到铁路的建设与运营，以酒额铁路为例，采用现场调查和室内分析的方法，对该地区戈壁风沙流结构、特征、形成原因及危害形式进行分析，结合酒额铁路所经区域的自然地理、气候特征等条件，提出戈壁风沙流地区选线的基本原则，阐述以预防为主防治结合的治沙思路和植被防沙为主、工程防沙为辅的防治措施。

戈壁风沙流；风沙灾害；铁路选线；植物防沙；工程防沙

风沙是我国西北干旱地区一种常见的不良地质现象，戈壁风沙流作为沙害的一种形式在我国西北地区广泛分布，沙埋、风蚀等时有发生，危害铁路工程。酒额铁路位于甘肃省和内蒙古自治区西部大陆腹地，线路全长约400 km，其中戈壁风沙流危害地段长约250 km，主要集中在金塔境内。风沙地区铁路选线与风沙防治关系到铁路设计的成败，查明戈壁风沙流的特征、危害程度，评价其影响，并提出相应选线原则和措施建议是设计中的重中之重。

1 自然概况

1.1 自然地理基本特征

酒额铁路南接兰新铁路酒泉站，北通哈临铁路策克口岸，经酒泉卫星发射中心东风航天城，位于金塔盆地、黑河洪积平原区，其东侧为巴丹吉林沙漠西缘，西侧为夹山、北山。戈壁风沙流危害区多属砾质假戈壁，地形平坦开阔，局部地段分布有半固定沙丘、沙地。区内地表上部为第四系洪积砂砾石，粒径为1～20 mm，砾石含量达50%～60%，余为粉细砂充填，下部为粉细砂及粉土等细颗粒物质，沙源丰富。地下水埋深10～50 m，地表植被较稀少，局部分布有自然生长的灌木、乔木等及零星分布有人工灌溉的杨树[1]。

1.2 气候特征

酒额铁路位于甘肃酒泉金塔地区及内蒙额济纳旗地区的大陆腹地，属温带干旱气候区，日照时间长，太阳辐射强，昼夜温差大，降水量小，蒸发量大，空气干燥，夏季炎热而短促，冬季寒冷而漫长。处在内蒙古冷高压控制之下，大风日多，扬沙、沙尘暴日数较多。年平均降水量31.2～86.2 mm，年最小降水量7.0～36.2 mm，年最大降水量77.3～165.6 mm。年平均蒸发量2 004.9～2 794.1 mm，年最大蒸发量2 284.9～3 546.2 mm。

戈壁风沙流地区(主要为金塔境内)主导风向为WNW，W，最多风向为E，年平均大风日数(大于8级)26 d，沙尘暴日数9 d；大风天气主要集中在每年的3～5月份，年平均风速2.5～3 m/s，最大风速18～25.7 m/s。其多年风向频率玫瑰图见图1。

图1 酒额铁路戈壁风沙流段累年风向频率玫瑰图

2 戈壁风沙流运动规律

2.1 戈壁风沙流的形成

在干旱的气候条件下，当风吹经沙质地表时，由于气流运动冲击力的作用，将松散的沙粒吹起，并纳入运动的气流中，随之搬运前进，形成风沙流。但沙粒只有在一定的风力(即起沙风速)作用下才开始移动，颗粒越小，起沙风速越低，沙粒粒径0.1～0.25 mm的沙质地表，形成风沙流的最低临界风速为4～5 m/s，对颗粒较粗的砂砾质戈壁，风速需达8～9 m/s[2]。

酒额铁路特别是金塔境内所经地区为干旱地区，蒸发强烈而降水量小，常年多风且风速较大，植被稀疏而沙源丰富，这些条件使得该地区的风沙活动强烈。

2.2 戈壁风沙流结构

风沙流中沙量在垂直空间上的分布主要受高度、风速、地表组成物质等因素影响。

在一定风速条件和地表形态下，地表高度范围内的输沙量与高度成反比，高度越高，其气流中的含砂量越低。研究表明，在沙质地表0～10 cm高度范围内搬运的沙量占总输沙量的75%，在沙质地表0～2 m高度范围内搬运的沙量占总输沙量的90%以上[3]，因此，戈壁风沙流中沙粒的搬运基本是贴近地面完成的。

在一定风速条件下，地表颗粒越细，气流中沙粒含量越大，影响的高度也越大；反之，地表颗粒越粗，其气流中沙粒含量越低，影响高度也越小[4]，当地表颗粒达到一定粒径时，气流中含沙量极低，即不会起沙。

在地表颗粒条件相同下，同一高度范围内，当风速增加时，气流中的含沙量增加[5]，同时风沙影响高度也变大[6]。

风是自然界中客观存在且难以控制，但据风沙流的结构特征，可以改变风沙地表特征、减弱近地表风的侵蚀力、增加地表抗风蚀能力而控制风沙流的产生和发展。

3 戈壁风沙流对铁路工程的危害

戈壁风沙流对铁路工程的危害主要表现在沙埋、风蚀两个方面。

3.1 沙埋

风沙流携带大量的沙粒在搬运过程中，遇到路堤及铁路附属建筑物阻挡，风力减弱，路堤一侧形成积沙上道、掩埋道床、扣件甚至轨头等现象，严重时造成列车停车、缓行或脱轨等重大行车事故。根据现场调查，仅一次大风过后，该区域内既有清绿铁路专线近50 km铁轨被风沙掩埋，见图2。

3.2 风蚀

由于路堤长期受到风蚀作用，极易造成局部段落路肩宽度不足、枕木外露、道砟全无，严重时会致使路肩全无，危及行车安全，该区域内既有清绿军用铁路因长期受风蚀作用而路肩全无，见图3。

图2 风沙掩埋清绿铁路道床

图3 风蚀严重的清绿铁路路堤

4 戈壁风沙流地区选线原则

戈壁风沙流对铁路工程的危害具有隐蔽性、突发性，容易阻截但不易根除。因此，在选线设计阶段，应结合工程设置及戈壁风沙流的沙害特征进行综合考虑，将风沙流的危害降到最低。

根据酒额铁路的地质条件及风沙流危害特点，在选线阶段应从地形地貌、线路走向、路基断面和站位布置等方面进行考虑。

4.1 地形地貌

线路应避开山地陡坡积沙地段，在山地陡坎地段基底砂层稳定性存在风险。宜选在山地背风侧风影部分以外的地段通过，当风沙流通过背风侧风影区时会产生涡流[7]，造成积沙。

线路应与当地防风沙规划结合，宜选择在地下水埋深较浅、接近水源等地。在有水源保障的前提下，可以采取防护林带防风防沙，形成绿色走廊。

4.2 线路走向

线路走向宜顺直，尽量减少弯道，走向尽量与主导风向平行。

线路走向与主导风向平行后，风沙对工程的危险，只表现于路堤两侧的狭长地带，可使风沙沿路堤两侧移动，不至于产生大量积沙。如走向与主导风向垂直，则易将风沙流中的沙粒阻挡在路堤的上风侧，极易造成积沙；同样，线路走向垂直于主导风向，其路基受风蚀作用的影响比平行于主导风向的情况要严重得多。

在弯道处，由于风沙流的流动受阻，不利于风沙流的移动，易造成积沙，特别在弯道内侧。

4.3 路基断面

路基宜选用路堤，路堤高度不宜过高也不宜过低，一般采用1.0～2.5 m，应避免采用零断面和路堑。

采用路堤工程且高度适宜时，当线路与主导风向平行时，风沙流沿路堤坡脚移动，坡面不易造成积沙，路堤顶面由于风速加大，砂粒也不易在路堤顶面停留，借助于风力将顶面砂粒吹散。但当填方过高时，背风坡风力降低导致沙粒在背风坡大量停留堆积[8]。

当采用路堑工程时，风沙通过路堑产生明显的漩涡运动，风力显著降低导致沙粒大量停留于路堑中而产生堆积[9]；零断面路基地段也易造成钢轨、枕木、扣件等部位积沙。

4.4 站位布置

站位尽量选择无风沙或是轻微风沙地段，避免有风沙活动的隘口，站房及住宅应朝向背风侧。

5 戈壁风沙流地区沙害防治措施

风沙防治坚持“以防为主，防治结合”的原则，根据戈壁风沙流地区地形地貌、沙源、风况、危害程度等情况，结合当地铁路、公路及地方防沙治沙经验，因地制宜，就地取材，综合治理。

5.1 保护地表和植被

“治沙”应先从预防入手，酒额铁路戈壁风沙流地区为假戈壁，上部表层为砾石，下部为粉细砂等细颗粒物质，在铁路施工过程中应对周边地表进行保护，特别是做好取弃土场地的保护，严禁对地表随意开挖、堆填，特别对上风口更应如此，避免造成地表粗颗粒物质被破坏后导致下部细颗粒物质大量出露而形成新的沙源。

如果破坏了地表粗颗粒砾石结构和植被，会导致地表抗风蚀能力降低和沙源的增加，会加大戈壁风沙流的危害。

5.2 植被防沙

根据现场调查，植被茂盛地段，戈壁风沙流危害明显降低，基本以轻微为主，仅坡脚有少量积沙，而植被稀少地段，风沙流危害严重甚至极严重，沙粒上道，掩埋轨面经常发生。

植树造林不仅可防风，而且还能起到固沙作用。种植植被可以提高地表的粗糙度而降低风速[10]，风沙流中的沙粒因风速降低而停留于铁路两侧，同时植物根系也可以起到改良土壤固沙作用，减少沙粒的来源。

通过削弱风速和改变地表沙源形态，可达到长久防沙的目的，是防治铁路沙害的根本措施，而且酒额铁路走行于黑河两侧，大部分地段地下水位在10～25 m，具备自然生长植被和采取人工灌溉造林的条件。在有水源条件且林木能成活的戈壁风沙流地段，可以优先采取植被防沙措施，根据风沙流的危害程度及风向、沙源特点，选择好树种，做好防沙林带宽度、结构、组成的设计。

防护林带应根据当地造林经验和水源条件，采用乔木、灌木、草本植物相结合，以灌木为主的混交林或纯林[11]。轻微风沙地段，林带宽度迎主导风向侧约100 m，背主导风向侧约50 m；中等风沙地段，林带宽度迎主导风向侧150～200 m，背主导风向侧100 m左右，见图4；严重风沙地段，林带宽度迎主导风向侧250～300 m，背主导风向侧100～200 m[12]。

树(草)种选择生长良好、防沙能力强的当地沙漠植物，如红柳、拧条、梭梭、花棒、麻黄、沙枣。先锋植物与后期植物互相配合。

植物的灌溉优先采用滴(渗)灌。地下水位较浅且水资源较丰富、地形平坦地段采用渠灌。

在戈壁风沙流严重或中等地段，设置植被防护带的同时也需在外侧设置高立式沙障等阻沙栅栏，在主导方向一侧，一般在距林带20～30 m以外设置阻沙栅栏，在非主导方向一侧，可在临近林带处设置阻沙栅栏。

5.3 工程防沙

酒额铁路戈壁风沙流地区中部分地段地下水位埋深大，水量较小，植物存活较为困难，无植物防护条件，需采取工程防沙措施。

防护类型依据风沙活动特征、输沙量、地形和防护材料性质等综合确定，采用下列防护措施。

平铺卵石土、碎石土、粗砾土等粗颗粒土。

设置草方格、苇把、PE沙障等。

设置高立式沙障，高立式沙障距路基坡脚或堑顶迎主导风向侧不小于200 m，背主导风向不小于100 m。在戈壁风沙流危害中等地段，其工程防沙构筑物设置见图5。在沙源丰富地段，可向外适当增加沙障排数，其排间距离不小于障高的20倍。

图4 酒额铁路戈壁风沙流风沙危害中等地段植被防沙示意(单位：m)

图5 酒额铁路戈壁风沙流风沙危害中等地段工程防沙示意(单位：m)

6 结论

(1)酒额铁路位于西北戈壁地区，干旱少雨、常年多风、植被稀疏而沙源丰富的外部条件，极易发生戈壁风沙流；戈壁风沙流具有隐蔽性、突发性，危害主要表现在沙埋和风蚀。

(2)酒额铁路戈壁风沙流危害段落长约250 km，该区域内主导风向为WNW，W，线路走向选择时尽量平行或与之小角度相交，避免长大段落线路走向垂直于主导风向；路基断面选择方式尽量选用路堤，路堤高度宜为1.0～2.5 m，避免采用零断面或是路堑。

(3)戈壁风沙流地区“治沙”应先从预防入手，在施工中切实保护既有地表已形成的砾石保护膜，严禁对地表随意开挖、堆填，避免形成新的沙源。

(4)戈壁风沙流沙害治理采取植被防沙与工程防沙相结合的方式，以植被防沙为主，在风沙流危害极其严重地段或水源严重匮乏地段可以采取工程防沙措施，起到防风与固沙双重效果。

[1] 中铁第一勘察设计院集团有限公司.酒额铁路风沙灾害总结与治理措施[Z].西安：中铁第一勘察设计院集团有限公司，2013.

[2] 楚涌池，李法昶.铁路工程地质手册[M].北京：中国铁道出版社，1999．

[3] 李凯崇，等.高原与戈壁地区风沙流结构特性差异研究[J].铁道工程学报，2014(7)：7-11．

[4] 张伟民，等.不同沙源供给条件下砾石床面的风沙流结构与蚀量变化风洞实验研究[J].中国沙漠，2009，29(6)：1015-1020.

[5] 石龙，蒋富强，韩峰.风沙两相流对铁路路堤响应规律的数值模拟研究[J].铁道学报，2014，36(5)：82-87．

[6] 张正偲，等.人工模拟戈壁风沙流与风程效应观测[J].中国科学，2011，41(10)：1005-1510．

[7] 刘建新.风沙地区铁路地质选线原则及工程地质勘察要点[J].铁道勘察，2013(1)：66-67.

[8] 张德保，许志勇.中东地区某铁路风沙防治措施研究[J].铁道标准设计，2014，58(S)：64-66.

[9] 李成，周学军.临河至策克铁路防风治沙措施设计方案初步研究[J].中国沙漠，2006，26(6)：920-925.

[10]程建军，蒋富强，等.戈壁铁路沿线风沙灾害特征与挡风沙措施及功效研究[J].中国铁道科学，2010，31(5)：15-19.

[11]刘辉，朱生宪，杨有海.太中银铁路沙害现状调查及防治原则探讨[J].铁道标准设计，2012(10)：8-10.

[12]李毓林.铁路工程路基设计技术手册[M].北京：中国铁道出版社，1992.

Analysis and Prevention of Sand Disaster in Gobi Wind-sand Flow Region along Jiuquan to Ejina Banner Railway

HUANG Yong

(China Railway First Railway Survey and Design Institute Group Co. Ltd.， Xi’an 710043， China)

Gobi wind-sand flow is one of the typical sand disasters in northwest of China that severely threatens the railway construction and operation. With reference to Jiuquan to Ejina Banner railway， the configurations， characters， causes and harms of wind-sand flow in Gobi region are analyzed by means of field investigation and laboratory test. This paper puts forward basic principles for route selection in such region in view of physical geography and climate factors. Additionally， prevention is prioritized in combination with vegetation protection and supplemented engineering protection．

Gobi wind-sand flow; Sand disaster; Route selection; Vegetation protection; Engineering protection

2015-01-15；

2015-01-26

黄 勇(1983—)，男，工程师，2006年毕业于中国地质大学(武汉)岩土工程专业，E-mail：bairen2006@163.com。

1004-2954(2015)07-0032-04

U213.1+54

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2015.07.007