风沙地区铁路路基设计探讨

裴立军

(铁道第三勘察设计院集团有限公司地质路基设计处,天津 300251)

风沙地区铁路路基设计探讨

裴立军

(铁道第三勘察设计院集团有限公司地质路基设计处,天津 300251)

通过我国已建和在建铁路受风沙危害情况,结合一些国内实际案例,说明风沙对铁路路基的主要危害形式为风蚀和沙埋;风沙治理主要建议采用植物治沙与工程治沙相结合,路基本体防护与线路两侧防风治沙的综合防护体系;对于防风固沙所采用的固沙植物要进行合理的配置,有条件时应通过试验确定合理的固沙植物栽植密度;要进行合理的施工组织设计,采取科学合理的施工工艺流程,填筑施工时采取合理的压实遍数及机械组合方式;避免边坡长时间暴露而遭到风蚀和雨蚀,要集中施工力量完成一段,防护一段,最大限度地治理风沙危害,改善生态环境,造福铁路沿线人民。

风沙地区;铁路路基;设计;施工工艺

1 概述

风对地表松散沙物质的吹蚀、搬运、堆积的过程,称为风沙作用[1]。风沙作用过程中形成的地貌,称为风沙地貌[1]。其类型包括沙漠(沙地),沙漠化土地及戈壁,分布于干旱、半干旱及部分半湿润地区[1]。我国是世界上铁路穿越风沙地区较多的国家之一。我国沙漠主要分布于东经 75°～125°、北纬 35°～50°,绵亘于新疆、甘肃、青海、宁夏、内蒙古等省 (区),总面积68.7万 km2,约占国土面积的 6.63%[2]。据不完全统计,我国目前已建和在建的铁路有通霍线、赤大白线、集二线、包兰线、甘武线、兰新线、大郑线、南疆线、包神线、神延线、太中(银)线等数十条铁路受到风沙的危害,其受害线路长度可达上千千米。所以在有风沙影响地区修筑铁路,风沙治理显得十分重要。本文就风沙地区路基设计进行简要的分析,旨在抛砖引玉,以促进我国风沙地区铁路勘测设计水平的提高。

2 风沙对铁路路基危害形式

沙漠地区一般都具有气候干燥、降雨稀少、日照强烈、冷热剧变、风大风多的特殊自然环境[2]。这些地区年平均降水量为 50～400 mm,个别地区最小为 10 mm,而年蒸发量却高达2 500～4 000mm,超出降雨量的几倍至几十倍,在这样恶劣的环境下,一般植物难于生长,致使地表植被稀少,加之大部地表为疏松的沙质地层,在大风作用下,形成活动或半固定的沙丘、沙地及沙垅,且每年沿主导风向缓慢向前移动,这是铁路产生沙害的主要原因[2]。风沙对铁路路基危害的表现形式主要有路基风蚀和沙埋两种。风力对路基的风蚀,可分为吹蚀、磨蚀与掏蚀3种作用[3]。沙漠地区的路堤,一般采用当地的粉细沙填筑,易遭风蚀[3]。风沙地区的道床积沙是普遍现象,轻则道砟孔隙贯入沙粒,道心有少量积沙,造成道砟不洁,给铁路上部结构带来一系列危害;重则积沙掩埋轨道,当积沙超出轨道3 cm以上,就可能引起机车或车辆脱轨,造成停运事故,此种现象一般称为沙埋[3]。风蚀和沙埋的危害形式在我国目前已建和在建的各铁路线上都有广泛的反映。以通霍线为例,路基运营后零星分布多处沙害段落。通霍线线路全长 408km,全线沙害段落长度有12.115km,占线路长度的 3%左右,且沿线风沙病害段落分布较为广泛,且路基风蚀和沙埋两种风沙病害都存在。

3 风沙地区铁路路基治理措施

风沙地区路基设计,应按近期与远期防护相结合、建路与防治同时进行的原则,采取植物防沙与工程防沙相结合的综合治理措施[4]。沙漠地区应遵循边施工边防护的原则,集中力量完成一段,防护一段,以减少风蚀等造成的路堤破坏[5]。铁路通过风沙区时风沙治理的基本原则应该为：保证路基本体的稳定,避免路基受到风蚀和沙埋,同时对沿线两侧一定范围内的风沙进行治理,促使沿线自然环境由沙漠化向非沙漠化方向转化。为此,铁路风沙防护体系包括铁路路基本体防护和路基本体外的风沙治理 2部分,如图1、图2所示。

图1 路堤地段风沙防护示意

3.1 铁路路基本体防护

图2 路堑地段风沙防护示意

(1)路堤坡面防护。以粉、细沙作为填料的路堤边坡的坡度应大于沙丘的自然安息角。风成沙的自然安息角一般在 28°～32°,相应的坡率为 1∶1.5～1∶1.75[4]。考虑到机车振动及自然因素对路基稳定性的影响,路基边坡坡率不宜陡于 1∶1.75,高度超过 6 m时,采用 1∶2[4]。并且路基边坡采用一坡到顶设计为宜。在以粉、细沙作为填料时,应注意采用合理的填筑厚度,以求施工时能达到设计的压实质量。至于路堤坡面有条件时优先采用植物防护措施。植物防护不仅费用低廉、效果好,而且能起到保护和美化环境的作用[6]。也可采用碎石类土或黏性土包坡并栽种适宜当地气候生长条件且存活率高的防风固沙植物或坡面栽砌卵石方格、铺盖水泥砂浆板、铺草皮砖等措施防护。

(2)路堑坡面防护。路堑坡面防护与路堤相同,采用一坡到顶的边坡防护形式。边坡高度 h≤6m时,边坡坡率应采用 1∶1.75;边坡高度 h＞6 m时,边坡坡率应采用 1∶2。戈壁地区的浅路堑,当两侧有风沙流活动且风向与线路交角较大时,宜采用展开式,路堑边坡坡率应缓于 1∶4[4]。

(3)路堤坡角宜受积沙和风蚀掏空等危害,应采用一定厚度的卵石护脚;路堑顶部易受风蚀溜塌应加强防护,如采用浆砌护肩等。同时在风沙危害严重地段加宽路基面,提高路基稳定系数,使路基虽受到一定的风蚀作用却仍能保持稳定。以通霍线、包兰线为例,通霍线由于未采用加宽路基面的措施,加上运营期间自然和人为的破坏,全线出现了多处路肩宽度不足,影响运营安全,增加了养护维修次数;而包兰线一律采用加宽路基面的措施,虽然加大了施工量和工程初期的投资,但是减少了使用期间的养护维修次数,实践证明效果是不错的。近年来,土工合成材料在风沙地区也得到了应用。粉沙、细沙填筑的路堤边坡及粉细沙地层路堑边坡,可选用土工网、土工网垫等作为风蚀防护层[7]。在沙层含水量大于 2%的风沙区,可采用土工网与植物相结合的措施[7]。

(4)不同路基填挖断面防沙性能比较。从风沙路基的积沙轻重情况看,根据通霍线及包兰线等线的经验,高路堤路堤坡角的积沙不宜在短期内堆积到路基顶面,深路堑积沙也较少,浅路堑和低路堤积沙较多,而最不利的路基断面形式是半填半挖断面。

3.2 铁路路基本体外的风沙治理措施

路基两侧应结合当地的治沙经验,采取固沙、阻沙、输沙和封沙育草、保护天然植被等多种防护措施,构成严密的、整体性的防沙结构体系[4]。路基两侧防沙工程的设计应采取固沙与阻沙相结合的措施,固沙措施宜采用土工网、土工网垫等覆盖于沙面或沙地上固定浮沙;阻沙措施宜采用土工网方格沙障和高立式土工合成材料防沙网沙障[7]。风沙治理一般可分为工程治沙与植物治沙 2种。包兰线中卫沙漠路基,以路基为中线,由近及远,设置砾石平台输沙带、草方格与植物固沙带及高立式栅栏阻沙带的综合防护体系,防沙效果十分显著[4]。砾石平台输沙带起到了防火的作用。沙漠地区气候干燥,草类沙障及防护林带,容易引起火灾[4]。已有的工程经验表明,铁路路基本体外应设置防火带。路基两侧防沙体系宽度参见表1[2]。

表1 路基两侧防沙体系宽度 m

(1)工程治沙,是指采用各种工程手段防治风沙危害的一种工程技术体系。工程治沙根据采用的材料和实施的目的不同可以有很多措施,但在铁路风沙治理中最常用的是机械沙障固沙措施。机械沙障固沙是指利用柴草、黏土、板条、卵石等在沙面上设置各种形式的障碍物或挡沙墙,从而控制风沙流的运动方向、速度、结构,起到阻挡风沙作用的一种工程技术措施。

(2)植物治沙,是指通过采取种草种树等措施增加人工植被,保护和恢复天然植被等各种手段,它是有效阻止流沙移动,防止风沙危害,改善风沙区生态环境和提高土地生产力的一种植物防护技术措施。植物治沙是我国最主要和最根本的防沙治沙的有效手段。

(3)我国铁路通过的风沙区的各个地段的自然条件差异非常大,而且风沙危害的方式和原因也各不相同,因此根据铁路所经风沙地区的不同,以上两种措施的侧重点也有所不同。以通霍线为例,通霍线地处干草原地区,风沙对铁路的危害主要是由于天然植被遭受破坏所造成,防治沙害的措施应以植物治沙为主,工程治沙作为辅助性措施即可。

4 风沙地区固沙植物的选择原则

固沙植物应根据当地的造林经验和水源条件,采用乔木、灌木、草本植物相结合或以灌木为主的混交林等,具体植物品种很多,常见的有：沙棘、柠条、油蒿、籽蒿、花棒、沙柳、紫穗槐、杨树、柳树等。路基边坡绿色防护应选用适应性强、耐干旱、耐贫瘠、根系发达和种子繁殖能力强的乡土植物[8]。树(草)种应选择生长良好、固沙能力强的当地沙漠植物[4]。引种外地树(草)种时,应经过栽培试验,成功后推广应用[4]。树种选择适当与否,是造林成败的关键[1]。树种的选择,应以生长良好、固沙能力强的当地植物和引进优良外地植物相结合、先锋植物与后期植物相结合,选择适应当地条件的耐旱、耐盐、耐沙埋的优质树种为原则。如通霍线的固沙植物主要以沙棘、沙柳、杨树、柳树等为主。植物的灌溉应优先采用喷灌和滴灌[4];条件不允许时也可采用漫灌。植树造林初期,应采取工程防沙措施过渡,同时在距林带前缘 20m以外设置阻沙措施[4]。防沙林带,应该设置专门养护机构,必要时应设置围栏建筑物,严禁人为破坏。

4.1 固沙植物的配置

根据沙坡头自然保护区经验：固沙植物之间需要合理的配置,要考虑到地上部分及地下部分的结构合理,应采取灌木与半灌木配置,以包兰线沙坡头地区为例：采用柠条(或小叶锦鸡儿)与油蒿或花棒与油蒿混交栽植。从地上部分看,花棒与柠条植株直立且高,油蒿植株矮而丛生,二者配置在一起就能更有效地控制风沙活动。从地下部分看,花棒与柠条的根系分布深,可达 80～90 cm以下,最深可达 3m,而油蒿的根系主要分布在 20～40 cm。采用不同根系分布层的植物种混交种植,就能有效地利用不同沙层中的水分和养分,从而有利于植物地上部分的生长发育。

4.2 固沙植物栽植密度

固沙植物栽植密度对于风沙治理的成败起着至关重要的作用。固沙植物栽植过少,不能控制沙子流动;密度过大,沙丘水分供应不足,植株生长不良,一遇干旱年份,则大量干枯死亡。

植物应配置合理、密度适宜,宜采用稀疏结构林带[4]。长期试验证明,合理的密度和配置才能保证植物的存活率,最终达到风沙治理的目的。

5 风沙地区路基施工工艺及主要施工注意事项

5.1 路基施工工艺流程

风沙地区路基施工应连续进行,施工间隔时间不宜过长,并在路基施工完成后,迅速地完成封层及包边处理[9]。路基施工工艺流程见图3[10]。

5.2 主要施工注意事项

宜在风速较小和有雨季节分段集中施工,并在大风来临前配套完成,路基成形一段,防护紧跟一段[10]。施工中采取措施保护好线路两侧各 500m范围内的地表原有植被和地表硬壳[10]。沙漠路基在碾压过程中,对下层有扰动,也影响下层干密度的变化,须通过试验路段确立既要达到上面层的压实度要求,又不会导致对下层过大扰动的压实遍数及机械组合方式[9]。黏土包坡覆盖所用黏性土的塑性指数要大于 7,包坡厚度符合设计及施工规范要求,并洒水拍打密实,修整平顺,要避免边坡长时间暴露而遭到风蚀和雨蚀[10]。

图3 沙漠铁路路基施工工艺流程

6 结语

铁路通过风沙地区时,应统筹兼顾,科学研究,合理规划,必要时应进行科学试验,最大限度地治理风沙危害,改善生态环境,造福铁路沿线人民。

(1)应根据风沙对铁路的危害程度采取切实可行的风沙治理措施,因地制宜、因势利导,采用植物治沙与工程治沙相结合,路基本体防护与线路两侧防风治沙的综合防护体系。

(2)对于防风固沙所采用的固沙植物要进行合理的配置,根据当地的造林经验和水源条件,采用乔木、灌木、草本植物相结合或以灌木为主的混交林等防风固沙植物,应该根据植物的根系分布特点、耗水量、沙层的贮水量、栽植年限等确定合理的栽植密度,条件允许时应先进行栽植密度试验,通过试验确定合理的防风固沙植物栽植密度,最大限度地治理风沙危害。

(3)要进行合理的施工组织设计,采取科学合理的施工工艺流程,填筑施工时采取合理的压实遍数及机械组合方式,避免边坡长时间暴露而遭到风蚀和雨蚀,集中施工力量完成一段,防护一段。

[1]铁道部第一勘测设计院.铁路工程地质手册(修订版)[M].北京：中国铁道出版社,1999.

[2]薛增利.沙漠地区铁路沙害及路基防护工程设计[J].路基工程,2001(2)：18-19

[3]铁道部第一勘测设计院.铁路工程设计技术手册◦路基(修订版)[M].北京：中国铁道出版社,1995.

[4]TB10035—2006,铁路特殊土路基设计规范[S].

[5]龚海科,张展弢.风积沙的分类与路基填筑施工[J].路基工程,2005(6)：9.

[6]TB10001— 2005,铁路路基设计规范[S].

[7]刘建坤,曾巧玲,侯永峰.路基工程[M].北京：中国建筑工业出版社,2006：272.

[8]建技[2003]7号,铁路路基边坡绿色防护技术暂行规定[S].

[9]郭有宏,杨 建.风积沙路基施工工艺及质量控制措施分析与探讨[J].路基工程,2002(2)：50-51.

[10]卿国平.神延铁路风沙路基防护工程的设计与施工[J].路基工程,2004(5)：25-26.

U 213.1+4

A

1004-2954(2010)07-0008-03

2010-03-11

裴立军(1972—),男,高级工程师,1996年毕业于桂林工学院岩土工程专业,工学学士。