裴立軍

(鐵道第三勘察設(shè)計院集團有限公司地質(zhì)路基設(shè)計處,天津 300251)

風(fēng)沙地區(qū)鐵路路基設(shè)計探討

裴立軍

(鐵道第三勘察設(shè)計院集團有限公司地質(zhì)路基設(shè)計處,天津 300251)

通過我國已建和在建鐵路受風(fēng)沙危害情況,結(jié)合一些國內(nèi)實際案例,說明風(fēng)沙對鐵路路基的主要危害形式為風(fēng)蝕和沙埋;風(fēng)沙治理主要建議采用植物治沙與工程治沙相結(jié)合,路基本體防護與線路兩側(cè)防風(fēng)治沙的綜合防護體系;對于防風(fēng)固沙所采用的固沙植物要進行合理的配置,有條件時應(yīng)通過試驗確定合理的固沙植物栽植密度;要進行合理的施工組織設(shè)計,采取科學(xué)合理的施工工藝流程,填筑施工時采取合理的壓實遍數(shù)及機械組合方式;避免邊坡長時間暴露而遭到風(fēng)蝕和雨蝕,要集中施工力量完成一段,防護一段,最大限度地治理風(fēng)沙危害,改善生態(tài)環(huán)境,造福鐵路沿線人民。

風(fēng)沙地區(qū);鐵路路基;設(shè)計;施工工藝

1 概述

風(fēng)對地表松散沙物質(zhì)的吹蝕、搬運、堆積的過程,稱為風(fēng)沙作用[1]。風(fēng)沙作用過程中形成的地貌,稱為風(fēng)沙地貌[1]。其類型包括沙漠(沙地),沙漠化土地及戈壁,分布于干旱、半干旱及部分半濕潤地區(qū)[1]。我國是世界上鐵路穿越風(fēng)沙地區(qū)較多的國家之一。我國沙漠主要分布于東經(jīng) 75°～125°、北緯 35°～50°,綿亙于新疆、甘肅、青海、寧夏、內(nèi)蒙古等省 (區(qū)),總面積68.7萬 km2,約占國土面積的 6.63%[2]。據(jù)不完全統(tǒng)計,我國目前已建和在建的鐵路有通霍線、赤大白線、集二線、包蘭線、甘武線、蘭新線、大鄭線、南疆線、包神線、神延線、太中(銀)線等數(shù)十條鐵路受到風(fēng)沙的危害,其受害線路長度可達上千千米。所以在有風(fēng)沙影響地區(qū)修筑鐵路,風(fēng)沙治理顯得十分重要。本文就風(fēng)沙地區(qū)路基設(shè)計進行簡要的分析,旨在拋磚引玉,以促進我國風(fēng)沙地區(qū)鐵路勘測設(shè)計水平的提高。

2 風(fēng)沙對鐵路路基危害形式

沙漠地區(qū)一般都具有氣候干燥、降雨稀少、日照強烈、冷熱劇變、風(fēng)大風(fēng)多的特殊自然環(huán)境[2]。這些地區(qū)年平均降水量為 50～400 mm,個別地區(qū)最小為 10 mm,而年蒸發(fā)量卻高達2 500～4 000mm,超出降雨量的幾倍至幾十倍,在這樣惡劣的環(huán)境下,一般植物難于生長,致使地表植被稀少,加之大部地表為疏松的沙質(zhì)地層,在大風(fēng)作用下,形成活動或半固定的沙丘、沙地及沙垅,且每年沿主導(dǎo)風(fēng)向緩慢向前移動,這是鐵路產(chǎn)生沙害的主要原因[2]。風(fēng)沙對鐵路路基危害的表現(xiàn)形式主要有路基風(fēng)蝕和沙埋兩種。風(fēng)力對路基的風(fēng)蝕,可分為吹蝕、磨蝕與掏蝕3種作用[3]。沙漠地區(qū)的路堤,一般采用當?shù)氐姆奂毶程钪?易遭風(fēng)蝕[3]。風(fēng)沙地區(qū)的道床積沙是普遍現(xiàn)象,輕則道砟孔隙貫入沙粒,道心有少量積沙,造成道砟不潔,給鐵路上部結(jié)構(gòu)帶來一系列危害;重則積沙掩埋軌道,當積沙超出軌道3 cm以上,就可能引起機車或車輛脫軌,造成停運事故,此種現(xiàn)象一般稱為沙埋[3]。風(fēng)蝕和沙埋的危害形式在我國目前已建和在建的各鐵路線上都有廣泛的反映。以通霍線為例,路基運營后零星分布多處沙害段落。通霍線線路全長 408km,全線沙害段落長度有12.115km,占線路長度的 3%左右,且沿線風(fēng)沙病害段落分布較為廣泛,且路基風(fēng)蝕和沙埋兩種風(fēng)沙病害都存在。

3 風(fēng)沙地區(qū)鐵路路基治理措施

風(fēng)沙地區(qū)路基設(shè)計,應(yīng)按近期與遠期防護相結(jié)合、建路與防治同時進行的原則,采取植物防沙與工程防沙相結(jié)合的綜合治理措施[4]。沙漠地區(qū)應(yīng)遵循邊施工邊防護的原則,集中力量完成一段,防護一段,以減少風(fēng)蝕等造成的路堤破壞[5]。鐵路通過風(fēng)沙區(qū)時風(fēng)沙治理的基本原則應(yīng)該為：保證路基本體的穩(wěn)定,避免路基受到風(fēng)蝕和沙埋,同時對沿線兩側(cè)一定范圍內(nèi)的風(fēng)沙進行治理,促使沿線自然環(huán)境由沙漠化向非沙漠化方向轉(zhuǎn)化。為此,鐵路風(fēng)沙防護體系包括鐵路路基本體防護和路基本體外的風(fēng)沙治理 2部分,如圖1、圖2所示。

圖1 路堤地段風(fēng)沙防護示意

3.1 鐵路路基本體防護

圖2 路塹地段風(fēng)沙防護示意

(1)路堤坡面防護。以粉、細沙作為填料的路堤邊坡的坡度應(yīng)大于沙丘的自然安息角。風(fēng)成沙的自然安息角一般在 28°～32°,相應(yīng)的坡率為 1∶1.5～1∶1.75[4]?？紤]到機車振動及自然因素對路基穩(wěn)定性的影響,路基邊坡坡率不宜陡于 1∶1.75,高度超過 6 m時,采用 1∶2[4]。并且路基邊坡采用一坡到頂設(shè)計為宜。在以粉、細沙作為填料時,應(yīng)注意采用合理的填筑厚度,以求施工時能達到設(shè)計的壓實質(zhì)量。至于路堤坡面有條件時優(yōu)先采用植物防護措施。植物防護不僅費用低廉、效果好,而且能起到保護和美化環(huán)境的作用[6]。也可采用碎石類土或黏性土包坡并栽種適宜當?shù)貧夂蛏L條件且存活率高的防風(fēng)固沙植物或坡面栽砌卵石方格、鋪蓋水泥砂漿板、鋪草皮磚等措施防護。

(2)路塹坡面防護。路塹坡面防護與路堤相同,采用一坡到頂?shù)倪吰路雷o形式。邊坡高度 h≤6m時,邊坡坡率應(yīng)采用 1∶1.75;邊坡高度 h＞6 m時,邊坡坡率應(yīng)采用 1∶2。戈壁地區(qū)的淺路塹,當兩側(cè)有風(fēng)沙流活動且風(fēng)向與線路交角較大時,宜采用展開式,路塹邊坡坡率應(yīng)緩于 1∶4[4]。

(3)路堤坡角宜受積沙和風(fēng)蝕掏空等危害,應(yīng)采用一定厚度的卵石護腳;路塹頂部易受風(fēng)蝕溜塌應(yīng)加強防護,如采用漿砌護肩等。同時在風(fēng)沙危害嚴重地段加寬路基面,提高路基穩(wěn)定系數(shù),使路基雖受到一定的風(fēng)蝕作用卻仍能保持穩(wěn)定。以通霍線、包蘭線為例,通霍線由于未采用加寬路基面的措施,加上運營期間自然和人為的破壞,全線出現(xiàn)了多處路肩寬度不足,影響運營安全,增加了養(yǎng)護維修次數(shù);而包蘭線一律采用加寬路基面的措施,雖然加大了施工量和工程初期的投資,但是減少了使用期間的養(yǎng)護維修次數(shù),實踐證明效果是不錯的。近年來,土工合成材料在風(fēng)沙地區(qū)也得到了應(yīng)用。粉沙、細沙填筑的路堤邊坡及粉細沙地層路塹邊坡,可選用土工網(wǎng)、土工網(wǎng)墊等作為風(fēng)蝕防護層[7]。在沙層含水量大于 2%的風(fēng)沙區(qū),可采用土工網(wǎng)與植物相結(jié)合的措施[7]。

(4)不同路基填挖斷面防沙性能比較。從風(fēng)沙路基的積沙輕重情況看,根據(jù)通霍線及包蘭線等線的經(jīng)驗,高路堤路堤坡角的積沙不宜在短期內(nèi)堆積到路基頂面,深路塹積沙也較少,淺路塹和低路堤積沙較多,而最不利的路基斷面形式是半填半挖斷面。

3.2 鐵路路基本體外的風(fēng)沙治理措施

路基兩側(cè)應(yīng)結(jié)合當?shù)氐闹紊辰?jīng)驗,采取固沙、阻沙、輸沙和封沙育草、保護天然植被等多種防護措施,構(gòu)成嚴密的、整體性的防沙結(jié)構(gòu)體系[4]。路基兩側(cè)防沙工程的設(shè)計應(yīng)采取固沙與阻沙相結(jié)合的措施,固沙措施宜采用土工網(wǎng)、土工網(wǎng)墊等覆蓋于沙面或沙地上固定浮沙;阻沙措施宜采用土工網(wǎng)方格沙障和高立式土工合成材料防沙網(wǎng)沙障[7]。風(fēng)沙治理一般可分為工程治沙與植物治沙 2種。包蘭線中衛(wèi)沙漠路基,以路基為中線,由近及遠,設(shè)置礫石平臺輸沙帶、草方格與植物固沙帶及高立式柵欄阻沙帶的綜合防護體系,防沙效果十分顯著[4]。礫石平臺輸沙帶起到了防火的作用。沙漠地區(qū)氣候干燥,草類沙障及防護林帶,容易引起火災(zāi)[4]。已有的工程經(jīng)驗表明,鐵路路基本體外應(yīng)設(shè)置防火帶。路基兩側(cè)防沙體系寬度參見表1[2]。

表1 路基兩側(cè)防沙體系寬度 m

(1)工程治沙,是指采用各種工程手段防治風(fēng)沙危害的一種工程技術(shù)體系。工程治沙根據(jù)采用的材料和實施的目的不同可以有很多措施,但在鐵路風(fēng)沙治理中最常用的是機械沙障固沙措施。機械沙障固沙是指利用柴草、黏土、板條、卵石等在沙面上設(shè)置各種形式的障礙物或擋沙墻,從而控制風(fēng)沙流的運動方向、速度、結(jié)構(gòu),起到阻擋風(fēng)沙作用的一種工程技術(shù)措施。

(2)植物治沙,是指通過采取種草種樹等措施增加人工植被,保護和恢復(fù)天然植被等各種手段,它是有效阻止流沙移動,防止風(fēng)沙危害,改善風(fēng)沙區(qū)生態(tài)環(huán)境和提高土地生產(chǎn)力的一種植物防護技術(shù)措施。植物治沙是我國最主要和最根本的防沙治沙的有效手段。

(3)我國鐵路通過的風(fēng)沙區(qū)的各個地段的自然條件差異非常大,而且風(fēng)沙危害的方式和原因也各不相同,因此根據(jù)鐵路所經(jīng)風(fēng)沙地區(qū)的不同,以上兩種措施的側(cè)重點也有所不同。以通霍線為例,通霍線地處干草原地區(qū),風(fēng)沙對鐵路的危害主要是由于天然植被遭受破壞所造成,防治沙害的措施應(yīng)以植物治沙為主,工程治沙作為輔助性措施即可。

4 風(fēng)沙地區(qū)固沙植物的選擇原則

固沙植物應(yīng)根據(jù)當?shù)氐脑炝纸?jīng)驗和水源條件,采用喬木、灌木、草本植物相結(jié)合或以灌木為主的混交林等,具體植物品種很多,常見的有：沙棘、檸條、油蒿、籽蒿、花棒、沙柳、紫穗槐、楊樹、柳樹等。路基邊坡綠色防護應(yīng)選用適應(yīng)性強、耐干旱、耐貧瘠、根系發(fā)達和種子繁殖能力強的鄉(xiāng)土植物[8]。樹(草)種應(yīng)選擇生長良好、固沙能力強的當?shù)厣衬参颷4]。引種外地樹(草)種時,應(yīng)經(jīng)過栽培試驗,成功后推廣應(yīng)用[4]。樹種選擇適當與否,是造林成敗的關(guān)鍵[1]。樹種的選擇,應(yīng)以生長良好、固沙能力強的當?shù)刂参锖鸵M優(yōu)良外地植物相結(jié)合、先鋒植物與后期植物相結(jié)合,選擇適應(yīng)當?shù)貤l件的耐旱、耐鹽、耐沙埋的優(yōu)質(zhì)樹種為原則。如通霍線的固沙植物主要以沙棘、沙柳、楊樹、柳樹等為主。植物的灌溉應(yīng)優(yōu)先采用噴灌和滴灌[4];條件不允許時也可采用漫灌。植樹造林初期,應(yīng)采取工程防沙措施過渡,同時在距林帶前緣 20m以外設(shè)置阻沙措施[4]。防沙林帶,應(yīng)該設(shè)置專門養(yǎng)護機構(gòu),必要時應(yīng)設(shè)置圍欄建筑物,嚴禁人為破壞。

4.1 固沙植物的配置

根據(jù)沙坡頭自然保護區(qū)經(jīng)驗：固沙植物之間需要合理的配置,要考慮到地上部分及地下部分的結(jié)構(gòu)合理,應(yīng)采取灌木與半灌木配置,以包蘭線沙坡頭地區(qū)為例：采用檸條(或小葉錦雞兒)與油蒿或花棒與油蒿混交栽植。從地上部分看,花棒與檸條植株直立且高,油蒿植株矮而叢生,二者配置在一起就能更有效地控制風(fēng)沙活動。從地下部分看,花棒與檸條的根系分布深,可達 80～90 cm以下,最深可達 3m,而油蒿的根系主要分布在 20～40 cm。采用不同根系分布層的植物種混交種植,就能有效地利用不同沙層中的水分和養(yǎng)分,從而有利于植物地上部分的生長發(fā)育。

4.2 固沙植物栽植密度

固沙植物栽植密度對于風(fēng)沙治理的成敗起著至關(guān)重要的作用。固沙植物栽植過少,不能控制沙子流動;密度過大,沙丘水分供應(yīng)不足,植株生長不良,一遇干旱年份,則大量干枯死亡。

植物應(yīng)配置合理、密度適宜,宜采用稀疏結(jié)構(gòu)林帶[4]。長期試驗證明,合理的密度和配置才能保證植物的存活率,最終達到風(fēng)沙治理的目的。

5 風(fēng)沙地區(qū)路基施工工藝及主要施工注意事項

5.1 路基施工工藝流程

風(fēng)沙地區(qū)路基施工應(yīng)連續(xù)進行,施工間隔時間不宜過長,并在路基施工完成后,迅速地完成封層及包邊處理[9]。路基施工工藝流程見圖3[10]。

5.2 主要施工注意事項

宜在風(fēng)速較小和有雨季節(jié)分段集中施工,并在大風(fēng)來臨前配套完成,路基成形一段,防護緊跟一段[10]。施工中采取措施保護好線路兩側(cè)各 500m范圍內(nèi)的地表原有植被和地表硬殼[10]。沙漠路基在碾壓過程中,對下層有擾動,也影響下層干密度的變化,須通過試驗路段確立既要達到上面層的壓實度要求,又不會導(dǎo)致對下層過大擾動的壓實遍數(shù)及機械組合方式[9]。黏土包坡覆蓋所用黏性土的塑性指數(shù)要大于 7,包坡厚度符合設(shè)計及施工規(guī)范要求,并灑水拍打密實,修整平順,要避免邊坡長時間暴露而遭到風(fēng)蝕和雨蝕[10]。

圖3 沙漠鐵路路基施工工藝流程

6 結(jié)語

鐵路通過風(fēng)沙地區(qū)時,應(yīng)統(tǒng)籌兼顧,科學(xué)研究,合理規(guī)劃,必要時應(yīng)進行科學(xué)試驗,最大限度地治理風(fēng)沙危害,改善生態(tài)環(huán)境,造福鐵路沿線人民。

(1)應(yīng)根據(jù)風(fēng)沙對鐵路的危害程度采取切實可行的風(fēng)沙治理措施,因地制宜、因勢利導(dǎo),采用植物治沙與工程治沙相結(jié)合,路基本體防護與線路兩側(cè)防風(fēng)治沙的綜合防護體系。

(2)對于防風(fēng)固沙所采用的固沙植物要進行合理的配置,根據(jù)當?shù)氐脑炝纸?jīng)驗和水源條件,采用喬木、灌木、草本植物相結(jié)合或以灌木為主的混交林等防風(fēng)固沙植物,應(yīng)該根據(jù)植物的根系分布特點、耗水量、沙層的貯水量、栽植年限等確定合理的栽植密度,條件允許時應(yīng)先進行栽植密度試驗,通過試驗確定合理的防風(fēng)固沙植物栽植密度,最大限度地治理風(fēng)沙危害。

(3)要進行合理的施工組織設(shè)計,采取科學(xué)合理的施工工藝流程,填筑施工時采取合理的壓實遍數(shù)及機械組合方式,避免邊坡長時間暴露而遭到風(fēng)蝕和雨蝕,集中施工力量完成一段,防護一段。

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1004-2954(2010)07-0008-03

2010-03-11

裴立軍(1972—),男,高級工程師,1996年畢業(yè)于桂林工學(xué)院巖土工程專業(yè),工學(xué)學(xué)士。