国道219协林藏布河谷活动沙丘形成机制及建设方案建议

万晓锋

(西安建材地质工程勘察院，陕西 西安 710003)

0 前 言

国道219协林藏布段活动沙丘位于西藏自治区定日县与定结县交界处的协林藏布河谷，活动沙丘的平面分布整体呈带状，分布面积约130 km2。定日县的海拔一般在4 200 m以上，活动沙丘分布区可遥望珠穆朗玛峰，地表植被发育一般，空气稀薄,含氧量小，夏季多雨，冬春季干燥多大风，自然条件极差[1]。新建国道219里程施工里程K347+300-K349+100段以WE向通过活动沙丘区，与河流方向呈垂直向(见图1)。

图1 路线平面位置图

1 地质概况

1.1 地形地貌

线路段地貌类型为风沙地貌，此地貌单元由风力作用堆积而成的各种沙丘和沙堆组成，主要以新月型沙丘及沙堆为主。

1.2 地层岩性

沙丘活动区地表主要分布粉细砂,厚度2～17 m，为第四系全新统风积形成。下部地层主要以冲洪积物为主，如粉质黏土、砾砂等。

1.3 气象特征

研究表明区域内的大风天数、风速、降水量是影响活动沙丘移动的主要气候因素，其中以降水量影响最大[2]。定日县地处青藏高原，为高原亚寒带干旱气候，高原区气压一般较低，空气相对较为稀薄,空气中的含氧量小，紫外线强烈，根据当地的气象资料，年平均气温2.8℃～3.9℃，最热月为7月，平均气温为12℃；最冷月为1月，平均气温-7.4℃；极端最高气温24.8℃，极端最低气温-27.7℃。定日县的年平均蒸发量为2 527.3 mm，而年平均降水量仅319 mm，蒸发量远大于降雨量，历史上的年最高降水量为474.3 mm，最少降水量为104.9 mm。干湿季分明。11月到第二年的5月整体上干旱多风，温度较低，雨雪量相对较少，不到全年降水的10%，这段时期为当地的风季或干(旱)季。

调查期间对活动沙丘区域进行短期的风力实测，监测结果表明区域内主导风向为SW，区域内分布的活动沙丘轴向与主导风向基本一致。监测得风速一般为14～20 m/s，风力等级以7级夹8级大风为主；测得最大瞬时风速为速24 m/s，为9级大风。监测获取风力数据与区域风速资料对比后基本一致。

1.4 水文特征

线路段内地表水主要为协林藏布河，从调查区垂直穿过，协林藏布河为金龙曲河和尼辖河汇聚形成，总体流向由北向南，年平均流量4～35 m3/s，夏秋为洪水期，冬春为枯水期。区域内的水源补给途径主要有冰雪融水、雨水以及地下水，以冰雪融水为主。协林藏布河在调查期内最大水深为0.5 m，宽约40 m。洪水期水面最大宽度200 m左右，水深约1.5 m。

线路段勘察深度范围内地下存在两个含水层，第一层为第四系全新统松散堆积层孔隙潜水，主要赋存在表层的粉细砂之中，埋深一般较浅，埋置深度0.3～18.1 m，该层主要以大气降水、河流入渗的形式补给；排泄主要是人工开采，其次是越流和蒸发。水位随季节而变，幅度为0～1.0 m。枯水期的补给形式为地下水补给地表水，丰水期则与之相反，调查期间处于枯水期。第二层为承压水，水位主要位于淤泥质粉质黏土层的下部，承压水顶板与底板的厚度大于1 m，测得最大涌水量可达70 m3/h，该层水埋深相对较深，揭露最浅埋深为38 m，对风积沙治理影响较小。

2 沙丘分布及特征

2.1 分布范围

本次风积沙灾害调查路段周侧均有沙丘分布，主要沿协林藏布河谷发育，风积沙分布区主要受周侧山体控制。根据调查资料，调查区周侧沙害严重区域面积约130 km2。

2.2 沙丘及沙堆特征

线路区内风积沙丘和沙堆主要位于协林藏布河谷区，沿线路分布方向，河谷两岸和河谷区域内沙丘特征等略有差异。研究表明[3-4]，沙丘的高度越高、宽度越大，其移动速度越慢，调查区河谷沙丘规模较小，移动速度较两侧较快。

1)协林藏布河谷西岸区(K347+300～K347+600段)。该段落主要是受单一主导风向作用形成，该段整体地势相对较高，表层长有植物，地表粉细砂多处于半固结作用，调查可见植物周侧多形成小型沙堆或大型新月形沙丘，移动一般较为缓慢。沙堆一般高度小于2 m，长度和宽度均小于2 m，间距一般为2～5 m。而该段落沙丘则规模较大，高度3～8 m，长度20～80 m，宽度10～50 m，沙丘平面顺风向分布间距约50～100 m。沙堆、沙丘整体迎风侧坡度约10°～35°，背风侧坡度40°～60°，具有迎风侧凸缓而背风面凹陡的特点，表面植被一般不发育。沙丘轴向以S35°W为主，该段落沙丘移动速度为10～80 m/年，该段落沙丘移动速度整体与其分布位置及规模有关，总体表现为西侧临近山体位置的沙丘移动速度较东侧沙丘较缓，大型沙丘移动速度缓于较小型沙丘。

2)河谷区(K347+600-K347+800段)。该段为河谷区域，表层粉细砂无固结，多形成小型的沙丘，移动速度极快。该段落沙丘主要是受单一主导风向作用形成，由于沙丘移动速度较快，多数沙丘呈不规则月牙状。河谷区沙丘高度相对较低，一般为2～5 m，长度5～50 m，与周侧相差较少，而宽度则较小，为2～20 m。仅有少数沙丘的规模相对较大。沙丘顺风向间距一般为5～50 m。沙丘迎风侧坡度约5°～25°，背风侧坡度35°～60°，具有迎风侧凸缓而背风面凹陡的特点，表面植被不发育。沙丘轴向以S35°W为主，该段落沙丘移动速度一般为50～150 m/年，个别小沙丘最快可达200 m/年。该段落处于河谷段，整体受风作用强烈，沙丘移动速度整体差异较小，仅见规模较大的沙丘较小型沙丘移动速度略缓。

3)协林藏布东岸区(K348+800～K349+100段)。该段线路南侧为叶如藏布河，叶如藏布河及协林藏布河于此处汇聚。受风蚀作用，南侧临近叶如藏布河河谷的岸坡整体呈缓坡状，且有少量植被覆盖，风沙多沿植被根部及岸坡底部堆积形成沙堆。南侧沿植被形成沙堆一般高度小于1 m，长度和宽度均小于2 m，间距一般为2～5 m。沿岸坡底部形成的沙堆多呈条形状分布，轴向长度一般为5～10 m，厚度一般小于2 m，岸坡斜坡处多有分布。沙丘迎风侧坡度约5°～20°，背风侧坡度20°～40°，具有迎风侧凸缓而背风面凹陡的特点。北侧岸坡为平台状，岸坡表层粉细砂为半固结状态，少量植被覆盖，多形成沙丘。沙丘高度2～5 m，长度10～60 m，宽度15～50 m，间距一般为10～30 m。沙丘轴向以S35°W为主，该段落沙丘移动速度一般为50～100 m/年。沙丘迎风侧坡度约10°～30°，背风侧坡度30°～60°。

2.3 沙丘的物质组成

风积沙一般主要由松散、干燥的粉细砂组成，其天然含水量多在2%～3%，迎风坡及坡谷的粉细砂含水量较背风坡略大。风积沙颗粒相对较为均匀，矿物成分多为长石、石英等，沙粒粒径0.1～0.25 mm，其中超过0.1 mm的颗粒占比大于90%，粉黏粒相对较小。

线路区整体砂层含水率表现为起点和终点位置的两侧岸坡水位埋深较深，表层含水率较小，粉细砂整体较为干燥，未固结的粉细砂易产生起沙现象；下部河谷水位埋深较浅，含水率较高，河谷粉细砂多为潮湿-饱和状态，起沙较为困难。

3 沙丘的形成机质

1)主导风向及最大风速。根据搜集的气象资料，定日县主导风向为西风，而调查区由于周围山体影响，主导风向发生略微改变，监测得风速一般为14～20 m/s，风力等级以7级夹8级大风为主；测得最大瞬时风速为24 m/s，为9级大风。调查区风速每日随时间也存在一定变化，整体为上午风速较小，一般为2～3级微风，中午12时之后风速逐步增大，大风每日持续10～12 h。

2)活动沙丘的形成机制。新月形沙丘的形成主要取决于两个方面：周围的地形地貌以及区域内的地质条件[5]。从地形地貌角度来看，调查区处于河流侵蚀河谷区，周侧山体遮挡形成了独立的小气候环境区，风力的剥蚀搬运与河流侵蚀搬运作用在环境区内进一步加强，易于加速沙丘形成；从地质条件来看，项目区蒸发量大，周侧山体极为干燥，风化剥蚀严重，为沙丘形成提供了充足的物质来源。

调查区沙源主要从两个方面得到循环补充(见图2)：从外部因素来说，调查区周围山体表层风化极为严重，河谷东、西、北三侧的山体因风化剥蚀作用而形成较多的细颗粒，降雨时因坡体洪积作用而搬运至协林藏布河谷中，然后经河谷常年流水搬运沉积至协林藏布下游西侧河岸，进而成为风积沙沙源，该过程主要对沙源进行不间断的补充，促使了沙丘的不间断形成。从内部因素来看，调查区河谷通道的风积沙丘沿主风向向北侧移动，沙丘最终将于金龙曲河和尼辖河交汇处跨越河流，沙丘进入河水后绝大部分将经河水的搬运沉积至协林藏布下游西侧河岸，成为风积沙内部补充沙源。在大风时段，区内的主导向大风将沿N55°E方向将粉细砂搬运前进，在风速减缓或遇到障碍物时，风中所携带的细沙将会逐步沉积下来，进而形成新月形沙丘及流动沙地。区内沙丘在风及河流作用下，循环往复地搬运沉积，积沙区与外部沙源、积沙区与沙丘表现出循环互补的特点。

图2 沙丘形成机制示意图

4 风积沙丘的危害

活动性沙丘严重危害工程建设，表现在风蚀、风积及其共同作用。调查区蒸发量远大于降雨量，表层沙多处于干燥状态，在风力作用下活动频繁，造成较强的风蚀能力；同时风将地表粉细砂由南侧向北侧搬运，因风的持续时间、大小、频率等因素的不同而形成不同的堆积效果,进而因风积作用形成可移动的沙丘，线路区沙丘密布，特别是协林藏布河谷区，由于风积作用造成河流多次变道。因此线路区沙丘危害以风积作用最强，风蚀作用为辅。

5 建设方案建议

本段路线为影响线路方案的不良地质现象，一般情况下针对风沙影响区域应采取避让措施，无法避让时应平行主导风向布设线位，但该段区域内由于风沙分布范围较广，不能完全做到以上方案，因此该段落建设方案建议如下。

1)河谷两岸不宜以路堑形式通过。现场调查可知平坦的岸坡段积沙极少,但在其坡角坡积、风积现象较为严重，以路堑形式设计方案后会导致沙埋路基现象。因此，两侧岸坡处路面高度应不低于周侧地面。若因设计纵坡控制形成路堑时，应对迎风侧坡体予以挖除，确保风沙可快速通过路面。

2)河谷区应以合适跨径的桥梁通过。协林藏布河谷积沙严重，风速极大,沙丘移动速度快，线路跨越应充分地考虑河床变化以及移动沙丘的情况,防止风沙堵塞桥孔及排洪不畅而导致出现路基水害。

3)采取合理的治理措施。线路区风沙危害极大，在选择合理设计方案的同时，需要做好风积沙治理[6]。风沙治理应以设置沙障为主，片石压沙为辅。在线路两侧设置带状或网状沙障,铺设范围不小于300 m，沙障埂高一般为20～30 cm，底宽40～50 cm，在部分区域可适当铺设片石压沙。

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