铁路风沙成灾机理及防护技术研究

铁路风沙成灾机理及防护技术研究

【摘要】特殊路基是指修建在不良地质现象，特殊地形地质情况，某些特殊气候因素等不利条件下的道路路基。特殊路基有可能因自然平衡条件被打破，或者边坡过陡，或者地质承载力过低，而出现各种各样的问题，因此，除要按一般路基标准、要求进行设计外，还要针对特殊问题进行研究，做出处理。

【关键词】高原路基特殊路基施工地质特征气候因素 防治工程措施

一、工程背景

二、拉林铁路地处雅鲁藏布江河谷，地形复杂、高差大、风向多变，路基工程所面临的风沙问题特殊而复杂，国内外相关学者针对该问题的研究几乎是空白，没有工程经验可以借鉴，开展课题研究工作，研发适合于青藏高原河谷地区大高差、强辐射环境下的风沙灾害防治技术，试验研究适合该地区立地条件类型的人工植物建植技术，形成适合高寒、强震河谷区的风沙防治及绿化防护技术等，具有十分重要的意义。课题研究成果可以在其他类似地区的施工过程中遇到的风沙和绿化防护问题提供借鉴和参考。

1、川藏线拉萨至林芝段铁路风沙路基防护技术难度大

我标段路基范围为宽大河谷区，所经河谷风沙地区存在以下特点：①高海拔：平均海拔3600-3800m；②低气压：年平均气压620-715hPa；③山谷风：风沙流异常活跃，风向与线路交角较小，局地环流路径复杂，山谷风作用强烈，经常出现山体中部积沙这种特殊的风沙现象，风沙流的活动路径也成为未解难题，风沙流结构也与其他地区完全不同；④河谷沙源：在融冻膨胀冷缩作用下，山体岩石的剥蚀作用非常强烈，河水水位随季节的变化而升降，导致第四纪冲洪积层发育出露点较多，这些丰富的松散物质为风沙流活动提供了丰富的沙源，在河谷区复杂多变的河谷风作用下极易侵袭铁路线路。

2、雅鲁藏布江峡谷环境保护的重要性突出

青藏高原是全球海拔最高、面积最大的独特地理单元，素有“世界屋脊”之称，又由于严寒的气候条件，人们称之为“世界第三极”。这里空气稀薄，植物生长期短，生态环境异常脆弱。课题研究区域位于雅鲁藏布江峡谷，铁路沿线生态环境敏感，具有独特、原始、脆弱的特点，受干扰易退化，且自然恢复过程慢。但是由于铁路建设过程中不可避免进行挖方、填方施工，在沿线形成了大量的裸露边坡，裸露边坡会带来一系列环境问题，如改变地形地貌、扰乱土壤结构、破坏植物群落、降低生物多样性、影响局地气候、增加水土流失危险性等，同时由于其视觉效果和周边环境反差较大，会降低旅客乘车的舒适度。在铁路修建过程中，这些工程所形成的边坡靠自然界自身的力量不可能得到恢复。而铁路通车运营后铁路沿线又成为人为活动最活跃的区域，铁路修建时遗留的裸露地表和运营期由于人类活动形成的工程创面往往成为生态退化的源头。同时西藏是一个旅游资源非常丰富的地区，西藏自治区对西藏境内铁路建设在环保方面提出了非常明确的要求：“继续处理好工程建设和生态环境保护的关系，更加注重环境保护和生态恢复，避免水土流失，切实保护好西藏的蓝天碧水和一草一木”。

三、国内外现状

铁路沙害防治的研究在国外已有较长的历史，俄国沙漠铁路建设早在19世纪就开始了，铁路风沙危害的防治研究也随之展开，后来世界很多沙漠或沙漠化国家与地区都修建了沙漠铁路并展开了铁路防沙的研究。

近年来随着风沙地区铁路的不断开通，防沙工程成为了各国关注的热点，针对铁路沙害国内外学者提出了较多的防沙措施，主要包括生物防沙与机械防沙。在植物防沙技术研究方面，国外对植物防沙的机理和流场变化等做了较细致的研究，并提出了拖拽力的概念；在铁路机械防沙方面也做了许多研究，特别是对栅栏在防治沙害中的作用进行了大量的研究，并取得了一些实质性的进展，另外对砾石覆盖固沙方面的研究也较多。

目前我标段路基工程已正式开工，通过实地考察发现，本工程沿线处于高寒河谷区，在高海拔、低气压和山谷风作用下形成极为特殊的风沙流结构，全世界还没有与拉林铁路路基防沙问题类似的区域，较为接近的是海拔高度类似的青藏铁路、拉日铁路，但青藏铁路沿线受西风带控制作用显著，风向单一，拉日铁路地处河谷较为宽阔，风沙地貌状态以河流宽谷、戈壁和流动沙丘为主，和拉林铁路风沙环境存在明显的差异，其研究成果仅可以为本工程提供一定的借鉴作用。

我国科技工作者在各种防沙措施的防沙机理、防沙效果评价上也做过很多研究。比如通过对粘土沙障及麦草沙障合理间距的调查研究认为，机械沙障间距设置的基本原则是障间风蚀沙量等于积沙量，障间凹曲面面积与障间距及沙面坡度之间存在着显著的回归线，运用这种回归线关系就可以建立障间风蚀沙量与积沙量的等式方程，这一方法对方格型沙障间距的确定有很好的借鉴意义。以及铁路沿线的挡风墙在受强侧风作用时避免行进列车倾覆方面的有效性进行了研究，结果表明，列车运行速度和挡风墙高度对车厢的临界倾覆风速有明显影响。

四、本工程路基防沙设计状况

本工程风沙路基设计方案按照一般地区铁路防沙经验，在勘察阶段线路经过区，有明显风沙活动的地段进行了防沙设计，但由于铁路为大型线性工程，跨度较大，勘察时收集的气象资料不具备代表性，并没有采集现场风沙检测数据，对有害风向、积沙区域、路基防沙设计参数的判断缺少依据，设计中存在较多的不确定性。

1、防沙设计仍参考一般地区铁路防沙经验

施工图中风沙路基防护设计方案由于缺乏沿线局部地区的风沙检测数据和风沙活动规律的认识，只能借鉴既有铁路防沙经验，相应的风沙路基防护措施仍参考一般地区铁路防沙经验。由于河谷风沙流特征具有地域性，下垫面的不同会导致风沙活动规律产生差异，加之本工程线路行进于雅鲁藏布江河谷，在山谷风和大气环流的作用下，风沙流活动规律又具有区域独特性。而河谷风沙流特征（携沙高度、风沙流密度、防沙措施的阻沙率等）和风沙流活动规律（空间分布特征、时间分布特征等）是风沙防护成功与否的关键，缺少本工程区域风沙流检测数据将会导致防护设计没有针对性，防沙效果难以保证。

2、对过境风沙流认识不够

本地风沙流和过境风沙流都是形成风积沙害的原因，受地貌特征和气候条件等因素的影响，在未见沙源的地区，如存在过境风沙流，路基填筑完成后会发生较为严重的沙害，其主要原因是这些地区沙害受过境风沙流的影响。在未填筑路基之前，过境风沙流处于非堆积搬运状态，能够顺利通过本地区而不产生积沙；路基建成后，风沙流运动状态发生改变，路堤周围分区域出现风蚀和风积现象。风沙流途经路堤时，风沙流场发生变化，气流速度重新分布：在迎风坡中下部气流速度减小，风沙流处于风积状态，导致本工程易发生风积现象；在迎风坡中上部及路肩处气流速度增大，风沙流处于风蚀状态，导致本工程易发生风蚀现象；气流过了迎风侧路肩后发生分离，在路堤顶面和背风坡产生多个大小不一的涡旋，气流速度减小，风沙流处于风积状态，导致本工程易发生风蚀现象，同时受背风坡高速涡旋气流的影响，背风坡还会出现掏饰现象。

本工程由于工期紧，路基风沙防护设计之前并没有对沿线风沙流进行现场监测，只是在有积沙的路段进行防护，忽略了过境风沙流对铁路的危害，有可能导致铁路前期未做防护设计的路段出现严重的沙害，不仅给铁路安全运营带来严重隐患，并可能造成巨大的经济损失。因此，有必要针对该问题进行系统的科研工作，为拉林铁路安全运营消除隐患。

3、河谷区铁路风沙防治技术研究储备不足

与前两条高原铁路相比，拉林铁路地处青藏高原边缘藏南谷地，属于西藏生态稳定性极差地区，风向多变，微地形地貌特殊，沿线地质环境、植被条件更复杂多变。

4、解决对策

在全面系统调查和已有成果分析的基础上，结合本工程风沙路基分布情况，拟在沿线选取经典河谷风沙地段设置定位风沙监测点，监测内容包括风速、风向、不同高度输沙量、携沙高度、颗粒组成等，掌握高寒河谷区风沙流结构特征、风沙灾害主要表现形式及发展变化趋势，确定风沙防护措施的组合形式、布设方式等，摸清特殊气候地区、小尺度地形下风沙流的运动特点，建立试验段对防护方案进行验证，阐明不同下垫面和不同路基断面的风沙与路基的相互作用机理。然后依据现场监测数据，对防护方案进行评价和优化，总结出高寒河谷区风沙路基防护技术体系。

五、主要研究内容及研究方法

研究内容与方法：

1、高寒河谷风积沙形成机理及危害方式；收集当地气象资料、类似地区风沙防护技术、风积沙路基加固技术、生态环境现状等相关资料；

2、植物防沙技术研究；了解该地区地表特征、地形地貌特点、风积沙分布趋势、当地采用的风积沙防护类型及效果、立地条件、水文特征、植被种类、分布及生长情况；

3、高寒河谷区典型地段风沙路基防护体系评价及优化；选取典型河谷风沙地段设置定位风沙监测点；

4、高寒河谷区铁路风沙防护技术体系的集成。现场取样进行土壤理化性质测试及沙物质物理化学性质分析等实验；

5、室内完成草本植物种子萌发试验；

6、在上述工作的基础上，结合该区域风沙流结构特征、风沙灾害主要表现形式及发展变化趋势，确定风沙防护措施的组合形式、布设方式等。

六、总结及主要技术指标

摸清高寒河谷区特殊气候条件下风沙流的运动特点，因地制宜地提出适合该地区的“永临结合”风沙路基防护技术，总结出高寒河谷区铁路风沙路基防治技术体系，为其他类似地区的施工过程中遇到的风沙和绿化防护问题提供借鉴和参考。

参考文献：

[1]《铁路路基工程施工质量验收标准》（TB10414-2003）

[2]《铁路路基设计规范》（TB 10001-2016）

[3]《客货共线铁路路基工程施工技术规程》(Q/CR 9651-2017)

[4]沙区铁路路基改良填料施工工法 中铁电气化局集团有限公司 张建华 庹恩海.工程资料库