太中银铁路沙害现状调查及防治原则探讨

刘 辉,朱生宪,杨有海

(1.兰州交通大学土木工程学院,兰州 730070;2.兰州铁路局,兰州 73000)

太中银铁路沙害现状调查及防治原则探讨

刘 辉1,朱生宪2,杨有海1

(1.兰州交通大学土木工程学院,兰州 730070;2.兰州铁路局,兰州 73000)

介绍铁路沙害的类型及危害,总结沙害的表现形式。通过现场调查研究,掌握了太中银铁路沿线的自然环境条件、沙害原因、分布、特点,在借鉴其他沙漠铁路防沙治沙成功经验的基础上,针对本区域的特有条件,因地制宜、因害设防,设计出一套行之有效的治理方案。

太中银铁路;毛乌素沙地;铁路沙害;防治原则

太原至中卫(银川)铁路,简称太中银铁路,东起太原市,西达银川市和中卫市,沿途穿越山西省西部、陕西省北部、宁夏回族自治区东北部、中部地区,线路正线全长970 km,是西北地区通往华北、东北地区便捷的铁路通道之一。它的开通缓解了包兰、陇海2条线路运力紧张的情况,对进一步完善路网格局、提高路网灵活性具有重要作用。

线路在陕西及宁夏的部分地段穿越毛乌素沙地的南缘,沙丘高大,风沙流强烈。自开通运营以来,风沙掩埋排水沟、道床积沙、风蚀路基的情况时有发生,不仅影响线路的正常运营,还要花费大量的人力、物力清沙,增加养护维修费用。经过调查,兰州铁路局管段存在Ⅰ级沙害9处,Ⅱ级沙害13处,绵延近40 km。沙害形式多样,点多线长,有些路段流沙已侵袭到路基底部,遇有大风天气,沙粒在风的裹挟下随时有上道甚至埋没道床的危险,严重威胁线路的行车安全,并缩短养护周期,增加养护工作量和费用。

我国在风沙地区修筑的铁路总长度超过5 000 km,在铁路防沙治沙方面积累了丰富的经验。太中银铁路沿线的自然环境特点及风沙强度与以往沙漠及戈壁铁路存在差异,在总结过去铁路防沙成功经验的基础上,对毛乌素沙地的自然环境条件及太中银铁路沙害的分布和防治原则进行分析研究。

1 铁路沙害的种类及危害

1.1 铁路沙害种类

铁路沙害是指风沙流对铁路运营及线路养护带来的危害,具体是指对路基、道床、排水设施、机车、通讯设备等的磨损和掩埋[1]。沙漠铁路风沙危害类型主要有沙埋、风蚀、磨蚀3种形式[2]。

1.2 铁路沙害的表现形式

沙漠地段铁路由于受到风沙流的影响,带来很多次生灾害,具体表现如下所述。

(1)影响线路行车安全[3]。线路沙埋高度在轨底与轨面之间时,机车通行就会受到影响,稍有不慎就会发生脱轨事故。

(2)产生路基病害,降低线路质量[3]。沙粒沿道砟孔隙进入并沉积,机车通过时道砟受到振动,沙粒在振动作用下渗漏到道砟底部,长时间不进行清理就会填满道砟孔隙,使道床失去弹性,甚至引起线路拱道,造成不平顺及三角坑,降低线路质量。

(3)缩短钢轨及配件的使用寿命[3]。风沙流磨蚀、撞击钢轨,使钢轨出现麻坑,甚至不均匀磨蚀而出现线路不平顺,加剧轨面磨耗。风沙流还会引起连接零件和扣件的锈蚀、松动,影响线路弹性的一致性。

(4)对机车、水电设备造成破坏。沙粒通过机车进气系统进入机车发动机,造成各部分摩擦加剧,磨耗增大,更换频繁;风沙流还会对水电设备、信号机等附属设施造成磨蚀危害。

(5)降低列车通行速度。沙尘天气时,机车乘务员瞭望距离缩短,为了保证行车安全,必须降低运行速度,单位时间内通行列车对数下降,降低线路运输能力。

(6)堵塞排水设施。风沙沉积引起涵洞净空减少,排水沟被掩埋,洪水来临时,造成路基进水甚至冲垮路基。

(7)增加线路的养护维修工作量[3]。沙漠段铁路为保证行车安全,必须加强巡视和养护,风沙在线路及附属设施上的沉积要及时清理,磨蚀的钢轨要进行打磨,道床要定期进行清筛,这些都要消耗大量的人力、物力,增加开支。

2 毛乌素沙地的自然条件

毛乌素沙地位于北纬37°27.5′～39°22.5′,东经107°20′～111°30′,面积3.21万km2,是我国12大沙漠之一,固定、半固定沙丘广泛分布,个别地区有流动沙丘分布。沙丘高度5～15 m,植被覆盖度低,沙层松散,易于风吹起沙。

2.1 地质地貌特征

毛乌素沙地海拔1 100～1 500m,个别地区可高达1 600m,地形起伏较大,以“硬梁”、“软梁”、“滩地”、“丘陵”组成[4]。硬梁地构成物质为白垩纪紫砂岩和侏罗纪的灰绿砂岩,风化强烈,岩性松软。软梁地分布于该区东南部,系第四纪松软沙质与沙壤质间层的沉积物,局部为第三纪沉积物。滩地由河流、湖泊的沉积物构成,主要物质为细沙和粉沙。本区东部分布着黄土丘陵,组成物质为沙黄土。

沙区分布着大量的固定、半固定沙丘,流动沙丘集中在南部。北部为黄河冲积平原,地势平坦,起伏小,适宜种植农作物;西接腾格里沙漠,北接库布齐沙漠,地形以沙丘、沙山为主,起伏大,生态环境恶劣;东部及南部主要分布着丘陵与低山。

2.2 气候特征

毛乌素沙地处于一个西北向东南逐渐湿润的过渡带,干旱—半干旱—湿润的气候过渡使全区的降水很不均匀,西北部年降水量不足200 mm,南部湿润区降水量却高达400mm。由于受到季风的影响,全年降水季节分布也不均匀,7、8、9三个月的综合降水量占全年降水量的60%～75%,尤以8月份最多。降水年季节变化大,丰水年后的1～3年为枯水年,严重影响植物的生长。

沙区年平均气温6.0～9.0℃,气温最低的1月份均温为-9.5～-12℃,气温最高的7月份均温为22～24℃,全年积温为2 700～3 000℃。年蒸发量1 600～2 550mm,是降水量的5～12倍[5]。

年平均风速为2.8 m/s,大风天数49.8d,最大风速18m/s。1～4月份主导风向为西北风,5～10月份以东南风为主,11～12月风向由东南风逐渐转变为西北风。

2.3 水文条件

毛乌素沙地所在地构造基础为鄂尔多斯盆地,是一个地下水盆地[5],地面以下数百米至千米以下分布有多个含水层系统,深层地下水储量相当丰富。浅层地下水储量是我国主要沙漠、沙地中相对丰富的,并且水质好、埋藏浅,丘间低地地下水埋藏深度一般为1～2m。全区分布着170多个湖泊,河流有秃尾河、无定河、窟野河及其支流,这些地表水与地下水相互补充。

2.4 土壤

毛乌素沙地土壤自西北向东南呈现出半荒漠棕钙土和灰钙土—典型草原淡栗钙土—黄土高原淡黑垆土的变化[6]。土壤类型有盐渍土、沼泽土、黄土、沙土等,机械组成偏沙性,地质松散,保水力低,肥力差。

2.5 植被

毛乌素沙地水分条件优越,水热配合好,适合植物的生长[7]。全区面积的60%以上为草场,近2 km2,生长着一些沙生、旱生草本植物。林地面积占全区面积的20%以上,其中一半以上是灌木丛林,广泛生长着沙柳、臭柏、白刺、花棒等。

3 太中银铁路沙害分布及成因分析

3.1 分布

太中银铁路兰州铁路局管段沙害集中在定边至中卫、定边至银川两条线路上,共有22处沙害路段。定银线存在17处沙害路段,Ⅰ级沙害8处,Ⅱ级沙害9处,总长度约26 km,大部分路段位于沙漠边缘地带,风沙流强烈。定中线存在5处沙害路段,Ⅰ级沙害1处,Ⅱ级沙害4处,总长度约12 km,主要沙害原因为人为破坏植被造成沙面裸露。

3.2 沙害成因分析

3.2.1 自然因素

太中银铁路在选线时就开始考虑沙害的影响,尽量避绕沙区,但是受到地形及建设经费的影响,有些路段不得不从沙漠中穿过,如定银线K1 559+200～K1 563+500、K1 519+000～K1 523+500。这部分路段两侧原本就有高大沙丘,植被覆盖度低、黄沙裸露,风季积沙现象特别严重,并且沙丘向线路方向移动,存在风沙流和沙丘移动双重危害。

3.2.2 人为因素

太中银铁路位于毛乌素沙地南缘,此地土地贫瘠,保水力低,植物类型单一,生态系统十分脆弱,一经破坏很难自行修复。铁路在修建和运营过程中,原本植被覆盖度较好的地段,也会因人类不正当的活动产生沙害。人为因素造成的沙害可以分为以下3个方面。

(1)超载放牧、无度樵采。沿线人口密集的地域,土地贫瘠,农作物产量低,当地老乡只有靠大量饲养牲畜和无节制地樵采灌木丛林为生,缺少封草育草的措施,长时间的破坏使沙面裸露,风蚀加剧。

(2)随意开垦。沿线居民把铁路防护栏外侧的沙地开垦为农田,一般4月初播种,10月末收获,在11月到来年4月这段时间内,地表裸露,并且与风季同步,风吹沙起,给线路带来沙害。

(3)施工破坏。修筑铁路时运输物资的车辆反复碾压,压死原有植物,“切割”土层形成破口,使下伏散沙出露[8],风蚀、堆积随之加剧,由于施工便道距离线路近,风沙危害十分严重。

4 防沙原则及措施研究

4.1 防治原则

针对铁路沿线的气候特点,总结以往铁路防沙的成功经验,提出本线路防治工作的总的原则是建立起一套三维防护体系,时间上近期规划和远期规划相结合,空间上铁路两侧由远及近设立一条屏障。近期以工程防护为主,植物防护相结合,远期以植物措施为主,最终建立起一条防沙效果好、景色美观的绿色长廊。根据太中银铁路沿线的风沙流强度,铁路两侧各布设100～200m宽的格状防沙网或麦草方格沙障,就足以固定原有沙面,防止就地起沙。部分工点沙丘范围较大,对于这些工点还需要在固沙措施外侧扎设高立式阻沙栏,拦截外部风沙流。工程措施建立起来后,雨季来临前将植物幼苗种植在固沙方格内,利用工程措施保护其生长。

4.2 近远期结合

通过研究本线路通过区的风沙流强度和沙丘范围,一定覆盖度的植物措施就足以固定沙面,避免或减少沙害的发生,而且本地的降水量足以维持植物的生长。但是直接在沙丘上播撒草籽,植物幼苗抵抗力弱,很容易被沙埋或风蚀死亡,不但浪费物资,更为严重的是延误了治沙的时机。因此本工程前期以工程措施为主体,铺设格状防沙网、扎设高立式阻沙栏、挖积沙沟堤等等,利用工程设施初步固定原有沙面及阻挡外部流沙,形成一个稳定的环境,然后在雨季来临前种植灌木、撒播草籽,利用工程措施保护植物生长。防沙网、高立式沙障等在使用过程中会出现破损、倒伏、沙埋等现象,前期要加强巡视和养护,随时对出现问题的部位进行修补、替换,到后期植物覆盖度措施达到足以防沙固沙时,工程措施自行报废。在地下水储量大、埋藏浅的工点,打简易井,人工抽水灌溉,帮助植物顺利度过枯水年,加快生长速度。最终形成一套治标治本、一劳永逸、防沙彻底的植物防护体系。

4.3 因害设防

沿线沙害地段沙害程度差别甚大,有的工点是绵延近10 km的沙丘链,有的工点只是几百米长的裸露沙地,沙害类型也存在差异,所以在设计防护体系时要针对每个工点的情况单独设计,不强求统一。

定银线K1 559+200～K1 563+700工点,沙丘沿线路分布长度约5 km,宽度在100 km以上,沙丘高大、范围广。沙源既有铁路附近的就地起沙,又有从远处吹过来的风沙流,针对这样的情况,单独采取固沙措施,远处的风沙流被固沙带拦截并沉积,短时间内积沙就会埋没固沙带。对于这些工点防护工程要从2个方面入手:(1)在线路外侧铺设格状防沙网固定沙面;(2)在固沙带外侧100～150m处设立阻沙栏,拦截外部风沙流。对于沙丘范围在线路两侧150 m以内的工点,没有外来沙源补充,风沙流主要来自就地起沙的工点,要着重注意固定沙面,利用固沙措施将整个沙丘包裹,防止就地起沙现象的发生。真正做到因害设防,修建有针对性的防护工程,有效减少沙害。

5 结语

太中银铁路兰州铁路局管段存在严重沙害地段22处,总长度近40 km,沙丘靠近线路,随时有上道的危险。沙害分布点多线长,类型及程度差异大,单独制定每个工点的防沙固沙措施,防沙效果显著并且节约经费。经过调查,毛乌素沙地的气象水文条件足以支持灌木丛林的生长,植被在工程措施的保护下短时间内就能达到防沙固沙的要求,最终建立起一套植物防护体系。

参考文献:

[1] 李肖伦.我国铁路沙害的防治[J].中国铁路,2004(11):28 -30.

[2] 赵性存.中国沙漠铁路工程[M].北京:中国铁道出版社,1988.

[3] 钱征宇.中国沙漠铁路的风沙危害及其防治技术[J].中国铁路, 2003(10):24 -26.

[4] 刘广峰.毛乌素沙地荒漠化监测及定居放牧的影响研究[D].哈尔滨:东北林业大学,2007.

[5] 何彤慧.毛乌素沙地历史时期环境研究[D].兰州:兰州大学,2008.

[6] 杨永梅.毛乌素沙地沙漠化驱动因素研究[D].西安:西北农林科技大学,2007.

[7] 任仓钰.毛乌素沙地沙漠化原因探讨[J].地质灾害与环境保护, 2002,13(2):30 -31.

[8] 王国联,张道金.临策铁路天鹅湖至额济纳段线路及防沙工程方案研究[J].铁道标准设计,2011(4):1 -5.

[9] 张德平,德力,赵家明,等.车辆碾压引起草原沙漠化研究进展[J].呼伦贝尔学院学报,2011,19(3):82 -88.

Investigation on Current Status of Blown-sand Hazards and Discussion on Prevention Principle along Taiyuan-Zhongwei-Yinchuan Railway

LIU Hui1,ZHU Sheng-xian2,YANG You-hai1
(1.School of Civil Engineering,Lanzhou Jiaotong University,Lanzhou 730070,China; 2.Lanzhou Railway Bureau,Lanzhou 730000,China)

This paper gives a brief introduction on the situations and characteristics of blown-sand hazards along railway and summarizes the action mode of blown-sand.Through field investigation and research, the natural environment conditions,reasons distributions and characteristics of blown-sand hazards along Taiyuan-Zhongwei-Yinchuan Railway weremastered.Based on the successful experiences of other desert railways in preventing and controlling the desertification,according to the special conditions of this area, and by way of adjusting measures to local conditions,a set of effective preventing and controlling plan were worked out.

Taiyuan-Zhongwei-Yinchuan Railway;Maowusu sandy land;railway blown-sand hazards; prevention principle

U216.41+3

A

1004 -2954(2012)10 -0008 -03

2012-03-06

铁道部科技研究开发计划项目(2011G023-C)

刘 辉(1987—),男,硕士研究生,E-mail:ganwei2010@ 126.com。