新建大塔至四眼井铁路沙害防护试验研究

王耀辉

(中铁第一勘察设计院集团有限公司，陕西西安710043)

新建大塔至四眼井铁路沙害防护试验研究

王耀辉

(中铁第一勘察设计院集团有限公司，陕西西安710043)

大塔至四眼井铁路途经库布齐沙漠，沿线气候干旱，沙害严重。沙害路段23处，累计长度达19.97 km，占线路总长的22.51%，以流动沙丘为主。在典型流动沙丘路段进行现场防沙试验的结果表明，采用工程防护与植物防护相结合的综合防护措施可以较好地遏制风沙对铁路的危害。给出了乔木及灌木林带+工程防护、灌木林带+工程防护、种草+工程防护、人工补植灌木四种防护模式，可为大四铁路沙害防治提供参考。

沙漠铁路 沙害 防沙试验 防沙设计

大塔至四眼井铁路位于内蒙古鄂尔多斯高原库布齐沙漠南缘，鄂尔多斯市达拉特旗、杭锦旗境内，呈东西走向。全线分为两段，即大塔—吴四圪堵段(23.154 km，高关支线)及吴四圪堵—四眼井段(65.571 km)，全长88.725 km。线路东起大塔(响沙湾)站与包神铁路接轨，引出后向西跨越罕台川，穿越张栓沟隧道至吴四圪堵，沿库布齐沙漠南缘行走，跨过水多湖川，绕过乌兰格高地，沿塔然高勒矿区北缘行走，之后依次跨黑赖沟、布尔嘎色太沟、纳林沟、叭尔洞沟等再折向西北至终点四眼井站，途中依次设吴四圪堵、元宝湾、蓿亥图、石里霍图等车站(图1)。大四铁路是鄂尔多斯沿河铁路的重要组成部分［1］，对促进鄂尔多斯地区煤炭资源开发利用、支持矿区建设、实施内蒙古资源转换战略、发挥西部地区资源丰富的优势具有重要意义。

图1 大四铁路示意

风沙灾害一直是困扰沙区铁路建设和运营的难题［2-3］。受当地气候和植被的影响，大四铁路沿线地表风积沙广布，海拔1 100～1 300 m，为典型的高原风沙地貌［4］，包括流动沙丘、半固定沙地和固定沙地，风沙活动频繁。铁路在建设中不可避免地会对植被造成破坏［5］。在新月形沙丘、沙丘链、沙垄密布，沙海连绵路段，地表几乎无植被覆盖，铁路沙害严重(图2)。

图2 大四铁路沙害实例

本文通过野外考察与调查、现场试验、室内分析对大四铁路的沙害及其防治加以研究，以期系统认识大四铁路沙害规律，为防沙提供依据。

1 自然环境

大四铁路沿线属中温带大陆性半干旱气候。日照丰富，降水少且分布不均，蒸发强烈，四季分明。春季干旱多风、气温变化大，夏季短促炎热，秋季气温下降快、降水较多，冬季漫长寒冷、少雨雪。沿线年平均气温6.3～6.7℃，极端最高气温38.1～40.2℃，极端最低气温－30.7～－34.5℃，最冷月(1月)平均气温－11.6～－11.4℃，最热月(7月)平均气温22.0～24.5℃。年平均降水量为281.2～332.5 mm，年平均蒸发量2 130.5～2 630.0 mm。年平均风速2.2～3.9 m/s，年平均大风日数(≥8级)17～27 d，沙尘暴日数也较多。大四铁路沿线气象资料见表1。

表1 大四铁路沿线气象资料

2 沙害状况

线路走行于库布齐沙漠南缘(属于半干旱荒漠草原带)。库布齐沙漠位于鄂尔多斯高原脊线的北部，内蒙古伊克昭盟杭锦旗、达拉特旗和准格尔旗的部分地区。西、北、东三面均以黄河为界，地势南部高，北部低。南部为构造台地，中部为风成沙丘，北部为河漫滩地，总面积约145万hm2，流动沙丘约占61%，形态以沙丘链和格状沙丘为主。干沙层一般厚10～20 cm，干沙层下至40 cm深，沙层含水量2%左右，40 cm以下的含水量2%～3%，雨季提高到3%～4%，可供植物生长的有效水分为1.3%～2.3%。沿线以流动沙丘，半固定、固定沙地及洼地，河谷阶地相互交错分布为特色，地表广布风积沙，丘间洼地生长有沙蒿群丛，地形略有起伏，相对高差5～20 m。

据调查和统计，大四铁路累计经过沙地路段68.83 km，占线路总长的77.57%，大部分为固定沙地，对铁路基本不造成危害，其次为流动沙丘，严重危害铁路，半固定沙地最少，对铁路造成一定危害，大四铁路沿线沙地类型见表2。沙地形态以梁窝状沙丘及沙垄为主。由于该地区河流经常泛滥改道，形成以坨、甸、泡相间的自然景观，风沙危害的主要形式是人为破坏地表植被而引起沙漠化造成流沙埋压线路。

表2 大四铁路沿线沙地类型

根据对铁路沿线风沙分布范围、危害程度等的调查，大四铁路有沙害路段23处，累计里程19.97 km，占线路总长的22.51%。其中，流动沙丘16.72 km，占沙害路段总长的83.73%，半固定沙地3.25 km，占沙害路段总长的16.27%。全线500 m以上的中长大流动沙丘共9处，大塔至蓿亥图4处，蓿亥图至石里霍图2处，石里霍图至四眼井3处。按危害程度:严重沙害路段12.79 km，占总长的64.05%;中度沙害路段3.0 km，占总长的15.02%;轻微沙害路段4.18 km，占总长的20.93%。

大塔至石里霍图段，跨过吴四圪堵、水多湖川，途径乔家圪卜、耳字耳沟、黑赖沟、昌汗沟、昂坑池、布尔嘎色太沟，地势平坦，固定沙地、半固定沙地及流动沙丘交错分布，植被主要为沙蒿，流沙呈斑点状。沙丘相对高度1～5 m，迎风坡坡度8°～15°，背风坡坡度30°～32°，干沙层厚度5～15 cm。半固定沙地植被覆盖率一般可达20%～35%。据气象站观测资料主导风向为E，根据沙丘形态调查，主导风向WWN，局部为SWS，年平均风速2.2 m/s，具有冬春季以WWN为主，夏秋季以EES为主，双向作用、往复前进的特点。

石里霍图至四眼井段，途径纳林沟、叭尔洞沟、米地不拉，线路逐渐进入库布齐沙漠南缘腹地，流动沙丘分布较多，危害严重。其中石里霍图至米地不拉以固定沙地为主，植被覆盖率50%;米地不拉至四眼井地形起伏较大，以流动沙丘为主，丘间低洼地带为固定沙地，沿线新月形沙丘密布，沙丘相对高度5～20 m，迎风坡坡度8°～15°，背风坡坡度30°～40°，干沙层厚度5～15 cm，局部丘间洼地有零星湿地分布，可见地表水。据气象站观测资料主导风向为SSE，根据沙丘形态及实测主导风向为WWN，年平均风速3.9 m/s。

此外，在调查中发现部分路堑侧沟、平台、低路堤、浅路堑及施工便道等有被风沙掩埋的现象，主要分布在DK22+600—DK22+900，DK26+500—DK27+ 800，DK58+700—DK60+500，DK73+700—DK79+ 800等路段。

3 防沙试验

3.1 试验设计

根据先试验成功、后推广应用的原则［6-7］，2012年4月选择蓿亥图火车站附近一典型流动沙丘路段(DK59+620—DK60+620，属鄂尔多斯高原区，风沙对线路危害严重)。参照以往经验［8-9］，采用植物林带、灌木林带和工程防护等方式进行综合防沙试验。根据流沙分布情况，分成三段进行防沙试验。

DK59+620—DK60+000段两侧防护宽度不等，该段内防护设置普通沙柳方格沙障(树枝方格，图3)，在沙障内种植灌木，4株/m2，方格尺寸1 m×1 m。

图3 普通沙柳方格沙障

DK60+130—DK60+620左侧防护总宽度365 m，该段采用2条植物林带、10条灌木林带、3道高立式沙障、1道刺铁丝网进行防护。依次为60 m活沙柳方格沙障、90 m普通沙柳方格沙障、210 m低立式经编固沙方格［10］(图4)，方格尺寸均为1 m×1 m。

DK59+620—DK60+560右侧防护宽度为275 m，该段采用2条植物林带、7条灌木林带、2道高立式沙障、1道刺铁丝网进行防护。依次为120 m活沙柳方格沙障、60 m普通沙柳方格沙障、90 m低立式经编固沙方格，方格尺寸均为1 m×1 m。

图4 低立式经编固沙方格

植物林带采用乔、灌、草相结合，每条防护林带宽30 m，林带布置采取中间6行乔木+两侧各10行灌木。乔木采用胸径大于2 cm的杨树，行距2 m，株距2 m。灌木林带采用单根沙柳、柠条、紫穗槐、沙地柏、杨柴等间隔种植，4株/m2。所有防护方格内均种植沙蒿、沙打旺、苜蓿等草籽，按1∶1的比例与黏土拌和均匀后撒播。植物种植时浇定根水。

图5 大四铁路防沙试验段植物生长情况

3.2 防沙效果

2012年8月对3处试验段植物的成活率、生长情况和撒播的种子发芽情况进行了调查，植物生长情况见图5。植物种植后经过几个月的生长，杨树成活率在85%以上。灌木中沙柳长势良好，最高1.6 m，最矮0.6 m，平均1.1 m，发出的柳枝有3～6株，部分发出沙柳枝条多达8株。沙柳的根系最长超过2 m，根系四通八达。尤其是沙柳母苗经育苗后，柳苗生长旺盛。大部分地表都被生长起来的沙柳所覆盖，防风固沙效果好。但沙柳幼苗经过一个夏季高温和干旱的考验，从最初70%的发芽率，递减到50%的成活率，主要原因是夏季地表水的蒸发使沙柳吸收不到赖以生存的水分而枯死(未养护)。其它灌木中紫穗槐成活率较高，达90%，柠条成活率为60%，沙地柏成活率约50%。方格内播撒的草籽，生长也较好。可见，试验段植物成活率较高，长势良好。这除跟种植季节、苗木选择、种植方法、后期养护有很大关系外，更重要的原因是当年该地区的降雨量为历年同期的136%，达到453.5 mm。

对试验段采取防沙措施前后加以对比(图6)，可见防沙措施达到了保护铁路路基免遭沙害和快速恢复生态的目的。防护后铁路路基上未见沙害，施工便道畅通，铁路两旁到处可见生长的沙生植物，种植试验区沙地出现了数种之前未见的动物如鸟、沙蜥、蜘蛛、金龟等。试验路段流沙已得到有效的遏制，生态逐步改善，总体上，大四铁路防沙试验段防护效果明显。

图6 大四铁路防沙试验段防护前后效果

4 沙害防治建议

鉴于前述防沙试验取得的初步成效，建议在大四铁路沙害路段推广应用防沙措施。

4.1 防沙设计

在轻微沙害路段，一般不设防护带［11］，只设刺铁丝网，对当地进行封育，重点保护生态，恢复植被。在中等及严重沙害路段，路堤坡脚、路堑堑顶外20 m设防火带。其中坡脚、堑顶外2.0 m范围内铺设0.2 m厚粗圆砾土(防护路基本体)，其余18 m范围内铺设0.1 m厚粗圆砾土。防火带外为防护带，防护带宽度根据野外考察与调查情况，结合当地自然环境、水源、沙害程度等布设［12］。采用工程防护与植物防护相结合的防护措施，提出以下几种防护模式。

4.1.1 乔木及灌木林带+工程防护

在铁路通过流动沙丘区且水源相对充足的路段采取乔木及灌木林带+工程防护的防沙措施。乔木及灌木林带均采用浇定根水及微灌(滴灌、喷灌)系统进行浇灌。植物浇灌所需水主要利用附近地下水，打井取水。

防护结构:在严重沙害路段，主导风向侧依次交叉设6条植物防护林带及隔离带，宽300 m，防护带外设3道高立式沙障及刺铁丝网;背主导风向侧依次交叉设3条植物防护林带及隔离带，宽150 m，防护带外设1道高立式沙障及刺铁丝网。在中等沙害路段，主导风向侧依次交叉设4条植物防护林带及隔离带，宽200 m，防护带外设2道高立式沙障及刺铁丝网;背主导风向侧依次交叉设2条植物防护林带及隔离带，宽100 m，防护林带外设1道高立式沙障及刺铁丝网。

植物防护带布置及栽植、养护要求:采用乔木(杨树)、灌木(沙柳、柠条等)条带相结合的措施，每条植物防护带宽30 m，在植物防护条带内设置间距1.0 m ×1.0 m树枝方格沙障(或PE网方格)防护，乔木按2 m行距、2 m株距栽种，灌木按2 m行距、1 m株距栽种，灌木2株/穴。植物林带中灌木最外侧2行采用埋条造林，株距0.1 m。每两条植物防护带间设宽20 m隔离带，在隔离带内设置间距1.0 m×1.0 m树枝方格沙障并撒草籽。

4.1.2 灌木林带+工程防护

在铁路通过流动沙丘区且水源困难、水量少、运水距离＜10 km的路段采取灌木林带+工程防护的措施。灌木林带采用浇定根水，有条件时人工养管2年。植物浇灌所需定根水主要利用附近地下水，打井取水或运水。

防护结构:在严重沙害路段，主导风向侧依次交叉设6条灌木林带及隔离带，宽300 m，防护带外设3道高立式沙障及刺铁丝网;背主导风向侧依次交叉设3条灌木林带及隔离带，宽150 m，防护带外设1道高立式沙障及刺铁丝网。在中等沙害路段，主导风向侧依次交叉设4条灌木林带及3条隔离带，宽200 m，防护带外设2道高立式沙障及刺铁丝网;背主导风向侧依次交叉设2条灌木林带及1条隔离带，宽100 m，防护带外设1道高立式沙障及刺铁丝网。

灌木林带布置及栽植、养护要求:灌木采用沙柳、柠条、紫穗槐、杨柴等，每条林带宽30 m，灌木按1 m行距、0.5 m株距栽种，2穴/m2，2株/穴，“品”字形布置，在灌木林带内设置树枝方格沙障防护。每两条灌木林带间设宽20 m隔离带，隔离带内设置树枝方格沙障并撒草籽。树枝方格均采用1.0 m×1.0 m正方形布置。

4.1.3 种草+工程防护

在铁路通过流动沙丘区，水源缺乏且10 km内无可利用水资源的路段，采取种草+工程防护的措施。

防护结构:在严重沙害路段，主导风向侧依次设300 m宽树枝方格并撒草籽、3道高立式沙障及刺铁丝网;背主导风向侧依次设150 m宽树枝方格并撒草籽、1道高立式沙障及刺铁丝网。在中等沙害路段，主导风向侧依次设200 m宽树枝方格并撒草籽、2道高立式沙障及刺铁丝网;背主导风向侧依次设100 m宽树枝方格并撒草籽、1道高立式沙障及刺铁丝网。

4.1.4 人工补植灌木

在铁路通过个别半固定、半流动沙地，具有少量植被覆盖的路段，进行人工补植。灌木栽植初期浇定根水并进行养管。

防护结构:主导风向侧防护宽度100 m，背主导风向侧防护宽度50 m。防护带宽度范围内人工种植灌木并撒草籽，使得植被覆盖率不低于45%，灌木裸露面积2穴/m2(2株/穴)。栽种时浇定根水，养管2年，养管期每年浇灌3～5次。

4.2 养管措施

鉴于水分对植物生长的重要作用，尤其是在库布齐沙漠地区，年降雨量小，蒸发量大，因此及时补充植物水分很关键。乔木、灌木均在雨季栽种［13］，种植时分别按30 L/株、15 L/株浇定根水，养管2年，每年浇灌3～5次，干旱年份适当增加浇灌次数(以满足植物成活为目的)。栽种前两年在入冬及开春时对植物进行满灌，满灌水量乔木、灌木分别为30 L/株、15 L/株，满灌2年共计4次。由于沙漠里的植物不易成活或当年成活来年又死亡，因此，来年要对死亡的乔木和灌木进行补植。根据经验，第2年按补植率15%对铁路沿线死亡乔木、灌木进行补植。

此外，在铁路两侧中间隔离带内各设一条宽4 m的纵向养护行车通道，其余隔离带内预留4 m宽养护通道，纵向每300 m左右交错设置横向养护通道，宽4 m，以方便植物养管。

5 结语

本文分析大塔至四眼井铁路沿线自然环境及沙害情况，总结了该线试验段防沙措施及效果，给出工程措施与植物防护相结合防治沙害的具体模式及植物的养管措施，可供同类工程参考。

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(责任审编李付军)

U416.1+66

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2015.06.25

1003-1995(2015)06-0096-05

2015-01-25;

2015-03-26

王耀辉(1981—)，男，甘肃天水人，工程师。