风沙地区铁路深路堑防护形式分析

高越，陈慧娥，张中琼，符锐，原国红

(1.吉林大学建设工程学院，吉林长春130026;2.中国科学院寒区旱区环境与工程研究所冻土工程国家重点实验室，甘肃兰州730000;3.上海岩土工程勘察设计研究院有限公司天津分公司，天津300143)

风沙地区铁路深路堑防护形式分析

高越1，陈慧娥1，张中琼2，符锐1，原国红3

(1.吉林大学建设工程学院，吉林长春130026;2.中国科学院寒区旱区环境与工程研究所冻土工程国家重点实验室，甘肃兰州730000;3.上海岩土工程勘察设计研究院有限公司天津分公司，天津300143)

某煤运铁路部分路段穿过毛乌素沙漠。该地区分布大量固定、半固定沙丘，沉积物中粉粒含量少，砂粒含量高，结构疏松，透水性较大，导致风沙是影响线路稳定性的最大不良地质因素。本文针对一段深路堑(最深22.91 m)的特殊工程条件和风沙危害的特征，提出工程防沙与植物防沙相结合的路基防护形式，即路基本体采用水泥砂浆砌片石拱形骨架护坡，路基两侧设置植被保护带、平整带(防火带)、防护带、阻沙栅栏和围栏的风沙防护体系。

风沙地区 深路堑 防护形式

某煤运铁路通道自内蒙古浩勒报吉至江西省吉安市，正线长度约1 817 km。沿线风沙地区路基工点主要分布在起点至靖边(DK225+600)毛乌素沙漠地区，多为固定沙丘及半固定沙丘，部分地区分布流动沙丘。根据风沙活动程度划分为严重、中等和轻微风沙地段。其中严重风沙地段主要集中在乌审召境内，中等和微风沙地段主要分布在纳林河至靖边段内，由北向南风沙危害整体呈降低趋势。本文选取DK189+870—DK190+740段风沙地区深路堑工点，针对风沙地区路基的防护问题加以阐述。

1 工程地质概况

1.1 区域地理概况

毛乌素沙地是我国四大沙地之一，位于内蒙古鄂尔多斯高原向陕北黄土高原的过渡区内，总面积达3.98万km2，全区流沙面积达1.38万km2。本次研究区域位于毛乌素沙漠南缘，地势起伏较大，年平均降水量364.7 mm，集中于7—9月，尤以8月居多，属半干旱地区。冬春季西北风盛行，夏秋两季东南风盛行，起沙风集中出现在冬末春初季节，风力强劲。地表植被覆盖率30%～80%，以草皮、沙蒿、沙柳为主，地表多辟为耕地、村庄［1-3］。

由于该地区地形复杂，在路基设计施工中势必遇到深路堑，将严重破坏周边植被，并在风力作用下使路堑积沙。本文所选取的深路堑工点位于纳林河—海则滩段内，从纵断面图上(图1)可以看出，该段地势起伏较大，中间高两边低，为路基深路堑挖方集中地段，深路堑段落长度约500 m，占整个工点长度的50%以上。对深路堑的研究主要集中在此段，线路最大挖深17.34 m，最大边坡高22.91 m。

1.2 风积砂的工程特性

该地区从上到下依次分布细砂、粉砂、砂质新黄土三种地层。细砂()，褐黄色，松散～中密，稍湿，厚0～7.0 m，基本承载力σ0=100～270 kPa;粉砂()，褐黄色，松散～密实，稍湿，厚0～2.5 m，σ0= 190～300 kPa;砂质新黄土()，褐黄色，中密～密实，稍湿，厚＞7.1 m，σ0=140～160 kPa，新黄土具湿陷性，湿陷系数δs=0.005～0.065，属Ⅱ级(中等)自重湿陷场地。

风积砂天然干密度为1.53～1.64 g/cm3，天然密度为1.59～1.69 g/cm3。对于沙丘地貌，坡峰的干密度一般较大，在1.59～1.64 g/cm3之间，迎风坡、坡谷、背风坡的干密度相对较低，在1.53～1.59 g/cm3之间［4］。

本工点砂土粒径主要分布在0.075～0.25 mm(见图2)，由国内学者研究结果可知跃移砂粒的粒径范围为0.05～0.50 mm，最易跃移的砂粒粒径为0.10～0.25 mm［5］。由于砂粒粒径处于跃移范围内，其孔隙比为0.70～0.85，结构疏松，极易起沙。在大风作用下，当地沿线砂粒运动以跃移为主，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。

图1 地质纵断面

图2 砂土颗粒级配曲线

图3 砂层含水率随深度变化曲线

该地区降雨量小，保水能力低，表层天然含水率在2%～3.2%之间，砂粒具有良好的透水性，砂粒表面对水几乎没有物理吸附性。风积砂的滤水作用十分明显，水在砂层中直接向下渗透，表层一般都为干燥状态。试验表明(图3)，砂层的含水率随深度的增加有增大趋势，但变化幅度较小，工点大里程方向含水率先增大后减小。总体上看，砂层的含水率＞4%，具备植物生长的条件，适合采用植物固沙。

风沙对铁路路基危害的表现形式主要有沙埋和风蚀两种［6］。沙埋的产生是在风沙流通过路基时风速减慢，造成了一部分砂粒的沉落把路基掩埋。风蚀是由于风力作用引起坡面砂粒的搬移。风蚀的形成给路基造成了削低、掏空和坍塌等危害［7］，这一后果直接影响了路基的宽度以及高度，使路基严重变形。在风力作用下，路堑积沙严重，特别是深路堑。气流在路堑处形成反向涡流使气流受阻，堑内风力显著降低，气流中的砂粒沿背风坡堆积，逐渐掩埋道床，危及行车安全［8］。研究段落内风沙危害等级为轻微，以沙埋为主，风蚀次之。主要表现为铁路积沙使道床不洁，易引起线路其他病害。考虑到深路堑的高边坡对其自身稳定性的影响及风沙的危害特点，本段线路潜在危害较大。

2 深路堑支护结构选择

在风沙地区，路基本体采取的防护措施，应因地制宜。目前常用的堑坡防护形式有以下几种。

1)卵砾石包坡。在砂质路基边坡及路基面上铺设0.1～0.2 m厚卵砾石。卵砾石包坡施工简便，坚固耐用，防风蚀效果良好，且有效抵御雨水冲刷，适用于石料来源丰富的地区，但造价较高。

2)浆砌片石护坡。浆砌片石是用水泥砂浆将片石间隙填满，使砌石成为一个整体，以保护坡面不受外界因素的侵蚀。但这种封闭性不适合植物的生长，且自重大，不宜在高边坡上使用。

3)拱形骨架护坡。这种方法适用于砂土路堑边坡的风沙危害防护。大面积的坡面被分成小块的窗格后，滑体的范围和厚度有很大程度的减少，而骨架可以有效地阻止其上方将要滑动的小块体，保证坡面的稳定。骨架间种植植被，在固沙的同时，达到绿化的效果。为减轻坡面冲刷，设计时采用截水型浆砌片石骨架(图4)。

图4 路堑拱形骨架护坡设计方案(单位:cm)

3 路基防护工程设计

在对DK189+870—DK190+740段风沙地区深路堑工点风沙特点调查的基础上，综合考虑深路堑段本身的特殊条件及沿线的风沙特点，借鉴以往防沙治沙的成功经验，结合当地的施工条件，提出该工点的沙害治理原则为工程防沙与植物防沙相结合，即工程前期以工程防沙为主，工程后期以植物防沙为主。

3.1 坡率的选定

不同于黄土地区的分级防护，该方法会使坡面及平台积沙，且施工较困难，也不易保持，故边坡采用一坡到顶的直线型［9］。研究表明:边坡越平缓，高度越矮，这样的边坡越稳定，反之边坡在堑顶受到巨大的张应力，使边坡发生失稳。深路堑由于其挖深较大，边坡较高，开挖过程中破坏了原土体的内力平衡及周边植被，更容易失稳。为了维持堑坡稳定，随着边坡高度的增加，应适当放缓边坡。本工点地势起伏较大，边坡高度为0.31～22.91 m。考虑到前后断面的连续性，边坡坡率并未严格按照《铁路路基设计规范》［10］的规定。其具体坡率见表1。

3.2 防护形式

铁路的正常运营离不开各种防护措施，沙害治理的关键是抑制风蚀及沙埋。通过前文对风沙铁路的各种危害来看，风沙地区路基防护工程应包括两部分:工程防沙及植物防沙。工程防沙针对路基本体而言，通过在路堑坡面安置拱形骨架，防止边坡土体在重力作用下滑动失稳，同时达到防风蚀的目的;植物防沙针对路基两侧而言，在铁路两侧设置风沙防护体系，防止沙丘或沙流侵向路基。

1)路基本体防护——工程防沙

通过对各种防护措施的对比，结合本工点的地质条件，在该地区没有石料来源，所以卵砾石包坡的方法不适用;而在深路堑工点边坡较高，不宜采用自重较大的浆砌片石护坡。因此采取3 m×3 m M7.5水泥砂浆砌片石带截水槽拱形骨架，骨架内铺0.10 m厚碎石土并种沙棘、柠条防护。路堑两侧设梯形侧沟，沟深0.8 m，底宽0.4 m，侧沟外留设积沙平台，根据风沙危害程度，选用2 m平台。路基本体防护形式见图5。

表1 边坡坡率

图5 路基本体防护设计(单位:m)

图6 路基两侧风沙防护体系(单位:m)

2)路基两侧防护——植物防沙

风沙地区路基应根据风沙的危害程度，于路基两侧设置风沙防护体系(图6)。自路堑向外依次设置平整带(防火带)、防护带、阻沙栅栏、植被保护带和围栏。阻沙栅栏采用高立式土工材料栅栏，设置于防护带外侧20 m处。于植被保护带边缘设置严禁放牧和开垦等护林标志的刺铁丝网围栏。

植物防沙是铁路防沙的一项根本措施，凡具备植物生长条件的沙害地段，都要采取植物固沙措施。植物可以很好地改善当地小气候，且沙生植物具有发达的根系，能固定周围砂层，对抑制土壤沙化具有长期效果。本工点砂层含水率＞4%，具备植物生长的条件;再考虑风沙危害程度，采用植物固沙，具有可靠性。

4 结论

综上所述，DK189+870—DK190+740段风沙地区深路堑工点采取工程防沙与植物防沙相结合的方法。其防护形式如下:路基本体采用3 m×3 m M7.5水泥砂浆砌片石带截水槽拱形骨架，骨架内铺0.10 m厚碎石土并种沙棘、柠条防护。路基两侧设置平整带(防火带)、防护带、阻沙栅栏、植被保护带和围栏。工程前期以工程防沙为主，植物防沙为辅;当植物生长到一定程度时，采取植物防沙为主、工程防沙为辅的综合措施。这种方法能有效地抑制风蚀及沙埋两种风沙危害形式，提高了路基的稳定性，是一种值得推广的方法。

［1］秦雷.太中银铁路沙害调查和治理措施选择及效果评价［D］.兰州:兰州交通大学，2013.

［2］李鹏，高雪莲.某运煤铁路风沙地区工程地质选线及工程处理措施［J］.铁道勘察，2013，39(3):44-46.

［3］秦雷，朱生宪，杨有海.太中银铁路沿线沙害特征及防治措施［J］.路基工程，2013，30(3):44-46.

［4］宋焱勋.毛乌素沙漠风积砂力学特性及复合地基承载力试验研究［D］.西安:长安大学，2011.

［5］刘辉.太中银铁路沙害特点及其防治措施研究［D］.兰州:兰州交通大学，2013.

［6］贺鹏.风沙地区铁路防护工程设计［J］.铁道建筑，2013 (5):112-115.

［7］裴立军.风沙地区铁路路基设计探讨［J］.铁道标准设计，2010，35(7):8-10.

［8］李银芳.兰新铁路哈密地区的沙害［J］.中国沙漠，1986，6 (4):44-46.

［9］贺斌.风积沙地区铁路路基设计浅议［J］.山西建筑，2011，37(9):161-162.

［10］中华人民共和国铁道部.TB 10001—2005铁路路基设计规范［S］.北京:中国铁道出版社，2005.

Analysis of protective types of railway deep cut in w ind drift sand region

GAO Yue1，CHEN Hui'e1，ZHANG Zhongqiong2，FU Rui1，YUAN Guohong3
(1.Engineering College of Jilin University，Changchun Jilin 130026，China;2.State Key Laboratory of Frozen Soil Engineering，Cold and Arid Regions Environmental and Engineering Research Institute，Chinese Academy of Sciences，Lanzhou Gansu 730000; 3.Shanghai Geotechnical Investigations＆Design Institute Co.，Ltd.，Tianjin 300143，China)

A coal-transport railway line of China，bypassing the M aow usu desert，is severely p lagued by sand-w ind inf luence，as fixed and sem i-fixed dunes w idely distributes and gravel-dom inan t p recipitan t is loosely com posed and perm eable.T he paper selects one deep cut section(w ith a m axim um depth of 22.91 m)and looks in to its engineering conditions and the w ind-sand hazard.O n this basis，it proposes the integration o f engineering and vegetation approaches for subgrade protection，in other wo rds arch-shaped fram ew ork slope protection w ith rubble intervals filled w ith concrete m ortar is adopted fo r the m ain body，while two sides of the subgrade is equipped w ith a w ind-sand protection system of vegetation protection zone，sm ooth zone(fire-p roof zone)，protection zone，sandblocking fence and fence.

W ind drift sand region;Deep cut;Protective types

U216.41+3

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2015.06.26

1003-1995(2015)06-0101-04

(责任审编孟庆伶)

2014-12-08;

2015-04-13

国家自然科学基金(41472242)

高越(1991—)，女，辽宁沈阳人，硕士研究生。