鐵路風沙成災機理及防護技術研究

鐵路風沙成災機理及防護技術研究

【摘要】特殊路基是指修建在不良地質現象，特殊地形地質情況，某些特殊氣候因素等不利條件下的道路路基。特殊路基有可能因自然平衡條件被打破，或者邊坡過陡，或者地質承載力過低，而出現各種各樣的問題，因此，除要按一般路基標準、要求進行設計外，還要針對特殊問題進行研究，做出處理。

【關鍵詞】高原路基特殊路基施工地質特徵氣候因素 防治工程措施

一、工程背景

二、拉林鐵路地處雅魯藏布江河谷，地形複雜、高差大、風向多變，路基工程所面臨的風沙問題特殊而複雜，國內外相關學者針對該問題的研究幾乎是空白，沒有工程經驗可以借鑑，開展課題研究工作，研發適合於青藏高原河谷地區大高差、強輻射環境下的風沙災害防治技術，試驗研究適合該地區立地條件類型的人工植物建植技術，形成適合高寒、強震河谷區的風沙防治及綠化防護技術等，具有十分重要的意義。課題研究成果可以在其他類似地區的施工過程中遇到的風沙和綠化防護問題提供借鑑和參考。

1、川藏線拉薩至林芝段鐵路風沙路基防護技術難度大

我標段路基範圍為寬大河谷區，所經河谷風沙地區存在以下特點：①高海拔：平均海拔3600-3800m；②低氣壓：年平均氣壓620-715hPa；③山谷風：風沙流異常活躍，風向與線路交角較小，局地環流路徑複雜，山谷風作用強烈，經常出現山體中部積沙這種特殊的風沙現象，風沙流的活動路徑也成為未解難題，風沙流結構也與其他地區完全不同；④河谷沙源：在融凍膨脹冷縮作用下，山體巖石的剝蝕作用非常強烈，河水水位隨季節的變化而升降，導致第四紀衝洪積層發育出露點較多，這些豐富的鬆散物質為風沙流活動提供了豐富的沙源，在河谷區複雜多變的河谷風作用下極易侵襲鐵路線路。

2、雅魯藏布江峽谷環境保護的重要性突出

青藏高原是全球海拔最高、面積最大的獨特地理單元，素有“世界屋脊”之稱，又由於嚴寒的氣候條件，人們稱之為“世界第三極”。這裏空氣稀薄，植物生長期短，生態環境異常脆弱。課題研究區域位於雅魯藏布江峽谷，鐵路沿線生態環境敏感，具有獨特、原始、脆弱的特點，受干擾易退化，且自然恢復過程慢。但是由於鐵路建設過程中不可避免進行挖方、填方施工，在沿線形成了大量的裸露邊坡，裸露邊坡會帶來一系列環境問題，如改變地形地貌、擾亂土壤結構、破壞植物羣落、降低生物多樣性、影響局地氣候、增加水土流失危險性等，同時由於其視覺效果和周邊環境反差較大，會降低旅客乘車的舒適度。在鐵路修建過程中，這些工程所形成的邊坡靠自然界自身的力量不可能得到恢復。而鐵路通車運營後鐵路沿線又成為人為活動最活躍的區域，鐵路修建時遺留的裸露地表和運營期由於人類活動形成的工程創面往往成為生態退化的源頭。同時西藏是一個旅遊資源非常豐富的地區，西藏自治區對西藏境內鐵路建設在環保方面提出了非常明確的要求：“繼續處理好工程建設和生態環境保護的關係，更加註重環境保護和生態恢復，避免水土流失，切實保護好西藏的藍天碧水和一草一木”。

三、國內外現狀

鐵路沙害防治的研究在國外已有較長的歷史，俄國沙漠鐵路建設早在19世紀就開始了，鐵路風沙危害的防治研究也隨之展開，後來世界很多沙漠或沙漠化國家與地區都修建了沙漠鐵路並展開了鐵路防沙的研究。

近年來隨着風沙地區鐵路的不斷開通，防沙工程成為了各國關注的熱點，針對鐵路沙害國內外學者提出了較多的防沙措施，主要包括生物防沙與機械防沙。在植物防沙技術研究方面，國外對植物防沙的機理和流場變化等做了較細緻的研究，並提出了拖拽力的概念；在鐵路機械防沙方面也做了許多研究，特別是對柵欄在防治沙害中的作用進行了大量的研究，並取得了一些實質性的進展，另外對礫石覆蓋固沙方面的研究也較多。

目前我標段路基工程已正式開工，通過實地考察發現，本工程沿線處於高寒河谷區，在高海拔、低氣壓和山谷風作用下形成極為特殊的風沙流結構，全世界還沒有與拉林鐵路路基防沙問題類似的區域，較為接近的是海拔高度類似的青藏鐵路、拉日鐵路，但青藏鐵路沿線受西風帶控制作用顯著，風向單一，拉日鐵路地處河谷較為寬闊，風沙地貌狀態以河流寬谷、戈壁和流動沙丘為主，和拉林鐵路風沙環境存在明顯的差異，其研究成果僅可以為本工程提供一定的借鑑作用。

我國科技工作者在各種防沙措施的防沙機理、防沙效果評價上也做過很多研究。比如通過對粘土沙障及麥草沙障合理間距的調查研究認為，機械沙障間距設置的基本原則是障間風蝕沙量等於積沙量，障間凹曲面面積與障間距及沙面坡度之間存在着顯著的迴歸線，運用這種迴歸線關係就可以建立障間風蝕沙量與積沙量的等式方程，這一方法對方格型沙障間距的確定有很好的借鑑意義。以及鐵路沿線的擋風牆在受強側風作用時避免行進列車傾覆方面的有效性進行了研究，結果表明，列車運行速度和擋風牆高度對車廂的臨界傾覆風速有明顯影響。

四、本工程路基防沙設計狀況

本工程風沙路基設計方案按照一般地區鐵路防沙經驗，在勘察階段線路經過區，有明顯風沙活動的地段進行了防沙設計，但由於鐵路為大型線性工程，跨度較大，勘察時收集的氣象資料不具備代表性，並沒有採集現場風沙檢測數據，對有害風向、積沙區域、路基防沙設計參數的判斷缺少依據，設計中存在較多的不確定性。

1、防沙設計仍參考一般地區鐵路防沙經驗

施工圖中風沙路基防護設計方案由於缺乏沿線局部地區的風沙檢測數據和風沙活動規律的認識，只能借鑑既有鐵路防沙經驗，相應的風沙路基防護措施仍參考一般地區鐵路防沙經驗。由於河谷風沙流特徵具有地域性，下墊面的不同會導致風沙活動規律產生差異，加之本工程線路行進於雅魯藏布江河谷，在山谷風和大氣環流的作用下，風沙流活動規律又具有區域獨特性。而河谷風沙流特徵（攜沙高度、風沙流密度、防沙措施的阻沙率等）和風沙流活動規律（空間分佈特徵、時間分佈特徵等）是風沙防護成功與否的關鍵，缺少本工程區域風沙流檢測數據將會導致防護設計沒有針對性，防沙效果難以保證。

2、對過境風沙流認識不夠

本地風沙流和過境風沙流都是形成風積沙害的原因，受地貌特徵和氣候條件等因素的影響，在未見沙源的地區，如存在過境風沙流，路基填築完成後會發生較為嚴重的沙害，其主要原因是這些地區沙害受過境風沙流的影響。在未填築路基之前，過境風沙流處於非堆積搬運狀態，能夠順利通過本地區而不產生積沙；路基建成後，風沙流運動狀態發生改變，路堤周圍分區域出現風蝕和風積現象。風沙流途經路堤時，風沙流場發生變化，氣流速度重新分佈：在迎風坡中下部氣流速度減小，風沙流處於風積狀態，導致本工程易發生風積現象；在迎風坡中上部及路肩處氣流速度增大，風沙流處於風蝕狀態，導致本工程易發生風蝕現象；氣流過了迎風側路肩後發生分離，在路堤頂面和背風坡產生多個大小不一的渦旋，氣流速度減小，風沙流處於風積狀態，導致本工程易發生風蝕現象，同時受背風坡高速渦旋氣流的影響，背風坡還會出現掏飾現象。

本工程由於工期緊，路基風沙防護設計之前並沒有對沿線風沙流進行現場監測，只是在有積沙的路段進行防護，忽略了過境風沙流對鐵路的危害，有可能導致鐵路前期未做防護設計的路段出現嚴重的沙害，不僅給鐵路安全運營帶來嚴重隱患，並可能造成巨大的經濟損失。因此，有必要針對該問題進行系統的科研工作，為拉林鐵路安全運營消除隱患。

3、河谷區鐵路風沙防治技術研究儲備不足

與前兩條高原鐵路相比，拉林鐵路地處青藏高原邊緣藏南谷地，屬於西藏生態穩定性極差地區，風向多變，微地形地貌特殊，沿線地質環境、植被條件更復雜多變。

4、解決對策

在全面系統調查和已有成果分析的基礎上，結合本工程風沙路基分佈情況，擬在沿線選取經典河谷風沙地段設置定位風沙監測點，監測內容包括風速、風向、不同高度輸沙量、攜沙高度、顆粒組成等，掌握高寒河谷區風沙流結構特徵、風沙災害主要表現形式及發展變化趨勢，確定風沙防護措施的組合形式、佈設方式等，摸清特殊氣候地區、小尺度地形下風沙流的運動特點，建立試驗段對防護方案進行驗證，闡明不同下墊面和不同路基斷面的風沙與路基的相互作用機理。然後依據現場監測數據，對防護方案進行評價和優化，總結出高寒河谷區風沙路基防護技術體系。

五、主要研究內容及研究方法

研究內容與方法：

1、高寒河谷風積沙形成機理及危害方式；收集當地氣象資料、類似地區風沙防護技術、風積沙路基加固技術、生態環境現狀等相關資料；

2、植物防沙技術研究；瞭解該地區地表特徵、地形地貌特點、風積沙分佈趨勢、當地採用的風積沙防護類型及效果、立地條件、水文特徵、植被種類、分佈及生長情況；

3、高寒河谷區典型地段風沙路基防護體系評價及優化；選取典型河谷風沙地段設置定位風沙監測點；

4、高寒河谷區鐵路風沙防護技術體系的集成。現場取樣進行土壤理化性質測試及沙物質物理化學性質分析等實驗；

5、室內完成草本植物種子萌發試驗；

6、在上述工作的基礎上，結合該區域風沙流結構特徵、風沙災害主要表現形式及發展變化趨勢，確定風沙防護措施的組合形式、佈設方式等。

六、總結及主要技術指標

摸清高寒河谷區特殊氣候條件下風沙流的運動特點，因地制宜地提出適合該地區的“永臨結合”風沙路基防護技術，總結出高寒河谷區鐵路風沙路基防治技術體系，為其他類似地區的施工過程中遇到的風沙和綠化防護問題提供借鑑和參考。

參考文獻：

[1]《鐵路路基工程施工質量驗收標準》（TB10414-2003）

[2]《鐵路路基設計規範》（TB 10001-2016）

[3]《客貨共線鐵路路基工程施工技術規程》(Q/CR 9651-2017)

[4]沙區鐵路路基改良填料施工工法 中鐵電氣化局集團有限公司 張建華 庹恩海.工程資料庫