段榮成,高玉祥

(1.軌道交通工程信息化國家重點實驗室(中鐵一院),西安 710043; 2.北京交通大學(xué)土木建筑工程學(xué)院,北京 100044)

中國是世界上沙漠及沙漠化土地分布面積最廣的國家之一，風(fēng)沙地區(qū)氣候惡劣，地質(zhì)復(fù)雜，風(fēng)沙危害一直是困擾沙區(qū)鐵路建設(shè)和運營的主要因素[1-3]。隨著“一帶一路”倡議的深入推進，中西部地區(qū)的鐵路網(wǎng)將得到進一步完善，是未來我國鐵路建設(shè)的重點區(qū)域。然而在西北地區(qū)分布有大面積的風(fēng)沙區(qū)，嚴(yán)重影響著鐵路的建設(shè)及運營，研究風(fēng)沙鐵路減災(zāi)選線及防風(fēng)沙工程設(shè)計具有重要的意義。鐵路風(fēng)沙危害在勘察設(shè)計階段就應(yīng)給予足夠的重視，科學(xué)合理地研判風(fēng)沙危害的范圍及程度，進而實現(xiàn)線路方案及防護體系的優(yōu)化設(shè)計。

學(xué)者們對風(fēng)沙地區(qū)鐵路選線相關(guān)內(nèi)容進行了研究。王爭鳴以蘭新高鐵穿越百里風(fēng)區(qū)為例，從線路的選線要點、走向方案和防風(fēng)措施設(shè)計對線路方案進行比選，為類似項目提供了重要參考[4]。賈琦通過分析線路沿線的工程地質(zhì)條件，明晰了風(fēng)沙流運動規(guī)律，提出了格庫鐵路選線應(yīng)該注意的問題[5]。鄧明萬分析臨策鐵路胡楊林大面積流動沙丘區(qū)風(fēng)沙流的特征與發(fā)展規(guī)律，以減弱風(fēng)沙危害、減小工程投資為原則，選取了沿沙丘活動最弱區(qū)域通過的方案[6]。馬云志從技術(shù)、經(jīng)濟、環(huán)境和社會政治4個方面，構(gòu)建了沙漠地區(qū)鐵路選線方案模糊綜合評價模型，并以格庫鐵路若羌段線路為例進行方法應(yīng)用，為風(fēng)沙區(qū)的線路方案優(yōu)選提供了重要決策方法[7]。王建鵬利用遙感數(shù)字技術(shù)用時短、精度深、效率高的優(yōu)勢，動態(tài)解譯包銀高鐵沿線風(fēng)沙地貌，將現(xiàn)代勘測設(shè)計技術(shù)在高原沙漠區(qū)鐵路線路方案設(shè)計中進行了研究應(yīng)用[8]。縱觀學(xué)者們的研究可知，內(nèi)容主要集中在風(fēng)沙災(zāi)害識別、風(fēng)沙鐵路具體案例介紹、線路比選模型的構(gòu)建上面[9-11]，關(guān)于選線原則的研究也多圍繞某個具體工程案例來進行介紹，雖對風(fēng)沙區(qū)選線設(shè)計具有一定的參考作用，但普適性方面存在不足。

風(fēng)沙危害貫穿著沙區(qū)鐵路建設(shè)、運營的全過程，在設(shè)計階段合理選擇線路走向及進行必要的防沙工程設(shè)置，對降低工程造價、保證鐵路安全運營是最有效的，也是成本最低的措施。根據(jù)風(fēng)沙流對鐵路線路的影響作用機理，結(jié)合地理環(huán)境特性，將風(fēng)沙區(qū)域劃分為流沙環(huán)境、戈壁大風(fēng)環(huán)境和高寒風(fēng)沙環(huán)境，結(jié)合鐵路選線設(shè)計理論、災(zāi)害學(xué)理論及風(fēng)沙物理學(xué)理論，分別提出了3種區(qū)域的鐵路減災(zāi)選線及防護工程設(shè)置的基本原則，并利用具體案例進行其實踐應(yīng)用說明，可為今后風(fēng)沙地區(qū)鐵路選線設(shè)計提供一定的理論依據(jù)和實踐參考。

1 風(fēng)沙鐵路減災(zāi)選線及防沙工程設(shè)計

1.1 鐵路風(fēng)沙危害特征分析

風(fēng)沙流是指含有沙粒的運動氣流，當(dāng)風(fēng)吹過松散的沙質(zhì)地表時，由于風(fēng)力作用出現(xiàn)沙物質(zhì)脫離地表進入氣流而被搬運[12]。鐵路是一個布設(shè)于地面的大型帶狀三維的空間構(gòu)造物，當(dāng)風(fēng)沙流運動到線路附近時，氣流由于遇阻抬升而導(dǎo)致能量消耗，風(fēng)速降低，沙粒沉積路基坡腳附近，在后續(xù)風(fēng)的持續(xù)作用下，沉積在線路附近的沙粒會出現(xiàn)二次搬運。鐵路風(fēng)沙危害的形式主要為路基風(fēng)蝕、道床沙埋、鋼軌磨蝕等，如圖1所示。

圖1 鐵路風(fēng)沙危害

路基風(fēng)蝕多發(fā)生在風(fēng)力較大、地表缺乏保護的戈壁大風(fēng)地區(qū)和高寒高海拔地區(qū)，被風(fēng)蝕以后寬度減小、枕木外露，形成坎坷不平的風(fēng)蝕坡面，嚴(yán)重威脅列車運行安全性。道床積沙則是沙粒沉積在軌道上，進入道床、掩埋鋼軌，充斥在道砟間的沙粒降低了道床的減震、排水性能，增大了列車通過時輪軌間的動力響應(yīng)，多發(fā)生于流沙地區(qū)、戈壁風(fēng)沙流地區(qū)。風(fēng)沙流還會磨蝕電線桿、接觸網(wǎng)、鋼軌及通信設(shè)施，降低了設(shè)備工作穩(wěn)定性。

1.2 特征風(fēng)沙區(qū)域環(huán)境劃分

沙漠地區(qū)的特點是沙源極為豐富，降雨稀少、風(fēng)沙天氣多，極易發(fā)生風(fēng)沙流活動，風(fēng)沙災(zāi)害防治的關(guān)鍵是控制流沙運動。戈壁大風(fēng)地區(qū)風(fēng)力強勁，列車特別是高速列車有被大風(fēng)吹翻的可能性，因而風(fēng)害是制約該區(qū)域內(nèi)鐵路建設(shè)的主要因素。高原地區(qū)風(fēng)沙流的形成過程與低海拔地區(qū)的沙漠、戈壁區(qū)差異較大，青藏高原的起沙風(fēng)速低于戈壁風(fēng)沙地區(qū)[13]，脆弱生態(tài)環(huán)境導(dǎo)致其容易受外界活動的擾動，工程建設(shè)時要特別注意環(huán)境保護和生態(tài)修復(fù)。根據(jù)風(fēng)沙物理學(xué)原理，結(jié)合風(fēng)沙地區(qū)的地理環(huán)境特性、風(fēng)沙流危害強度和鐵路沙害特征，將風(fēng)沙區(qū)域劃分為3種類型，如表1所示。

表1 風(fēng)沙地區(qū)特征環(huán)境劃分

1.3 風(fēng)沙鐵路減災(zāi)選線總體原則

根據(jù)鐵路選線設(shè)計的基本理論與方法[14-15]，考慮到風(fēng)沙流對鐵路危害的主要形式及作用機理，結(jié)合風(fēng)沙地區(qū)的氣候條件、地形條件和地質(zhì)條件，基于防災(zāi)減災(zāi)的基本理念，設(shè)計的風(fēng)沙鐵路減災(zāi)選線流程如圖2所示。

圖2 風(fēng)沙地區(qū)鐵路減災(zāi)選線流程

線路選線設(shè)計時應(yīng)遵循如下基本原則。

(1)處理好近期與遠景的關(guān)系

根據(jù)線路功能定位，結(jié)合沿線地區(qū)的城市發(fā)展、區(qū)域發(fā)展規(guī)劃和線路總體規(guī)劃，通過綜合研究充分論證比較有價值的方案，找出符合線路使用任務(wù)和設(shè)計要求的設(shè)計方案。

(2)保護生態(tài)環(huán)境

風(fēng)沙地區(qū)生態(tài)環(huán)境極為脆弱，鐵路作為布設(shè)于地面的三維帶狀空間實體，應(yīng)遵循“綠色選線”“環(huán)保選線”的設(shè)計理念，做到減少沿線地區(qū)植被破壞和水土流失，盡可能減小鐵路建設(shè)對區(qū)域生態(tài)環(huán)境的擾動和破壞。

(3)科學(xué)繞避風(fēng)沙危害嚴(yán)重區(qū)域

加強對風(fēng)沙流區(qū)域的地質(zhì)地貌勘察及風(fēng)沙災(zāi)害估計，遵循“繞避、預(yù)防、減輕”災(zāi)害的方式，對不同類型風(fēng)沙危害采取合理的處置措施。線路方案比選時，需從災(zāi)害程度、工程投資、施工、運維等多角度分析，若長度及費用均增加不多的情況下，盡量選擇繞避方案。

(4)充分利用有利地形

線路盡可能規(guī)避大風(fēng)區(qū)域、風(fēng)沙流嚴(yán)重區(qū)域，必須穿過風(fēng)沙段時，要充分利用各種有利地形，將線路盡量選擇在沙害較輕的地帶。

(5)力爭在沙丘有利部位通過

通過風(fēng)沙流活動較強區(qū)域時，由流沙最窄地段通過，為了避免沙丘前移而掩埋鐵路，應(yīng)將線路設(shè)置在沙丘的上風(fēng)向。盡量從風(fēng)沙活動較弱的區(qū)域穿過，應(yīng)選擇固定沙地、半固定沙丘區(qū)通過，且從半固定沙丘上風(fēng)向的一側(cè)通過。

(6)盡量使線路與主導(dǎo)風(fēng)向平行

若線路與主導(dǎo)風(fēng)向相互垂直，在其上風(fēng)側(cè)位置很容易形成積沙，還會使路肩、邊坡受到風(fēng)蝕，降低線路結(jié)構(gòu)的安全性，故最好選擇兩者呈平行狀態(tài)。盡量不設(shè)置曲線或者少設(shè)置曲線，若由于地形、技術(shù)條件限制必須要設(shè)置曲線時，采用較大的曲線半徑，且曲線外側(cè)應(yīng)朝主風(fēng)向。

(7)合理設(shè)計平縱斷面

盡量不改變沿線區(qū)域的地貌形態(tài)，進行縱斷面設(shè)計時，盡量避免不填不挖、半填半挖形式的路基、路塹，不出現(xiàn)高路堤、長大深路塹。強風(fēng)沙流區(qū)進行線路布設(shè)時，若無法規(guī)避沙害，而防護工程規(guī)模又較大時，可選擇以橋梁形式徹底解決沙害，但應(yīng)設(shè)置足夠的橋下凈空，避免風(fēng)沙在橋下堆積。

1.4 鐵路防沙工程設(shè)計總體原則

鐵路風(fēng)沙災(zāi)害防治工程就是指在線路易受風(fēng)沙危害的路段，通過設(shè)置一定規(guī)模的防風(fēng)沙措施來減小風(fēng)沙流對鐵路運營的影響，主要措施如圖3所示。

圖3 鐵路風(fēng)沙災(zāi)害防治措施

根據(jù)鐵路風(fēng)沙危害的特征、風(fēng)沙工程的防護原理和鐵路工程的特點[16]，鐵路風(fēng)沙災(zāi)害防治工程設(shè)計應(yīng)遵循的原則如下。

(1)堅持風(fēng)沙防治與環(huán)境保護并重。風(fēng)沙地區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱，鐵路線路作為百年工程，在設(shè)計防沙工程時，堅持做到保護區(qū)域生態(tài)環(huán)境，對有植物防護條件地段盡可能設(shè)計工程與植物相結(jié)合的措施，避免后期反復(fù)施工對環(huán)境造成影響，工程與生物結(jié)合防沙工程如圖4所示。

圖4 工程措施結(jié)合生物措施防沙

(2)工程設(shè)計科學(xué)合理。對于需要進行防風(fēng)沙保護的路段，進行工程設(shè)計時要盡可能將產(chǎn)生線路沙害的區(qū)域做到全面防治，在風(fēng)沙流氣象監(jiān)測、實地地質(zhì)調(diào)研的基礎(chǔ)上，采用科學(xué)合理的防沙體系及規(guī)模，以期取得最大的防護效益。

(3)預(yù)防為主，防治結(jié)合。鐵路作為大型的帶狀空間結(jié)構(gòu)物，穿越風(fēng)沙危害區(qū)的段落往往較長，沙害防治要積極地從產(chǎn)生沙害的原因出發(fā)，對已經(jīng)出現(xiàn)的沙害或由于修建鐵路而可能出現(xiàn)的沙害進行積極主動治理，盡可能做到有備無患。

(4)先易后難，突出重點。鐵路風(fēng)沙防護工程是一項規(guī)模巨大的系統(tǒng)工程，往往需要耗費很大的人力、財力，應(yīng)該根據(jù)線路所處風(fēng)沙環(huán)境的特性，結(jié)合線路工程設(shè)計，因地制宜，明確防護的總體目標(biāo)，先易后難，做到沙害嚴(yán)重的地段進行重點防治。

(5)系統(tǒng)設(shè)計，綜合治理。沙害區(qū)域的地質(zhì)情況復(fù)雜，自然條件惡劣，單純使用一種措施很難實現(xiàn)風(fēng)沙危害的有效治理，需要不同類型的防治措施有機地配合，充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢，鐵路風(fēng)沙“遠阻近固”防護體系示意如圖5所示。

圖5 鐵路兩側(cè)遠阻近固防護體系

2 流沙環(huán)境鐵路減災(zāi)選線及防沙工程

2.1 選線主要控制因素及難點分析

沙漠地區(qū)氣候干旱，降水少、蒸發(fā)量大，植物種類及數(shù)量很少，植被覆蓋率低，氣溫日變化非常大，地下水較難被利用，自然條件惡劣[17]。流動沙丘分布范圍廣，內(nèi)部存在多種類型的沙丘，沙物質(zhì)極其豐富，在風(fēng)力作用下風(fēng)沙流活動頻繁，風(fēng)沙危害較為嚴(yán)重。其中，移動沙丘還隨著時間變化在不斷移動，將線路布設(shè)于移動方向下側(cè)則會極大地增加防護工程的規(guī)模，還會對線路的安全造成嚴(yán)重危害，風(fēng)沙流鐵路構(gòu)成較大危害的主要為鐵路沙埋、路基風(fēng)蝕問題。

2.2 線路減災(zāi)選線總體原則

沙漠地區(qū)選線過程中，一方面可基于風(fēng)沙流監(jiān)測、影響范圍及危害程度考慮是否繞避沙害區(qū)；另一方面根據(jù)風(fēng)沙活動的軌跡判斷線位的合理性，輔助開展工程選線。根據(jù)流沙環(huán)境的特點，選線應(yīng)遵循以下原則。

(1)流沙環(huán)境鐵路選線過程中，盡量選擇地形相對開闊、沙丘密度不大的區(qū)域，利用地勢平坦地區(qū)的有利地形進行線路布設(shè)，保證線路在沙壟間迎風(fēng)側(cè)的開闊地帶。

(2)線路穿過沙漠地區(qū)時，應(yīng)盡可能選擇如河岸、湖岸、沙漠前沿的固定及半固定沙丘地帶、大山或高地的前緣背風(fēng)地帶等。穿越沙丘鏈時，要避免直穿大沙丘，選擇從低矮沙丘或者高度較低的埡口處通過。

(3)線路走向宜與當(dāng)?shù)刂鲗?dǎo)風(fēng)向平行，若必須要設(shè)置曲線，應(yīng)采用小半徑并盡量將曲線設(shè)置為外側(cè)朝主風(fēng)向方向的路堤，高度不宜小于1 m。

(4)盡量將線位選擇在靠近水源、防護材料產(chǎn)地和既有天然防護林帶的背風(fēng)側(cè)，并做到保護線路工程周圍的植被。

(5)遇到高大沙丘時，要盡最大可能利用地形在丘間低地建立下風(fēng)側(cè)路線，保證沙丘迎風(fēng)坡腳地帶遠離后方沙丘，規(guī)避流沙掩埋鐵路，避免路基在雨季遭雨水浸泡而被破壞。

(6)在大面積流沙地帶進行布線時，若由于技術(shù)條件限制無法繞避流沙，則必須選擇風(fēng)沙危害較輕的沙丘邊緣地帶、大山高地前緣背風(fēng)地帶，選擇施工難度小且易于布設(shè)線路的地區(qū)進行布線。

2.3 選線實例

格庫鐵路是連接青海省格爾木市和新疆維吾爾自治區(qū)庫爾勒市的一條時速120 km的單線電氣化鐵路，沿線地區(qū)自然條件差，生態(tài)環(huán)境脆弱、風(fēng)沙危害嚴(yán)重、地形高差大是影響鐵路建設(shè)的三大難題[18]。以格庫鐵路某段的風(fēng)沙區(qū)線路選線為例，設(shè)計方案如圖6所示，方案Ⅰ為穿沙壟取直方案，方案Ⅱ為沿公路繞避流動沙壟方案，方案信息見表2。

表2 線路方案工程比選

圖6 格庫鐵路穿越某沙害區(qū)線路方案比選

從技術(shù)可行性、安全性方面來看，方案Ⅰ線路取直穿過流動沙丘時，考慮到風(fēng)沙流強度，為了規(guī)避道床、軌道積沙，需設(shè)約14 km長橋通過沙害區(qū)。但是由于地形條件限制，橋下凈空的區(qū)間受限坡限制，凈空為3～7 m，根據(jù)相關(guān)研究成果，橋梁兩側(cè)會逐漸出現(xiàn)積沙，從而影響線路的安全運營，沙害問題不能得到徹底解決，線路工程的可靠性差。

方案Ⅱ沿公路繞避流動沙壟，只有一小部分線路位于沙壟邊緣，可采用工程防沙措施進行該區(qū)域的風(fēng)沙防治，其他區(qū)段線路離沙害區(qū)較遠，且區(qū)域主導(dǎo)風(fēng)向為西北風(fēng)，沙丘運動方向與線路位置成背離狀態(tài)，不會影響到線路的建設(shè)及安全運營，工程可靠性較高。且大部分路段距離公路小于5 km，施工養(yǎng)護條件好，對土地荒漠化的影響較小，在修建過程中采取工程和植被相結(jié)合的防沙措施后可以有效控制沙害，故推薦方案Ⅱ為最終的線路方案。

2.4 風(fēng)沙防護工程設(shè)計原則

流沙環(huán)境中沙源豐富，風(fēng)沙流活動頻繁，風(fēng)沙防護工程設(shè)計應(yīng)主要考慮以下幾個方面。

(1)由于流沙地區(qū)沙源豐富，風(fēng)沙量大，因此風(fēng)沙防護工程應(yīng)該遵循“以固為主，固阻結(jié)合”的防治原則，主要由最外圍高立式柵欄、草方格固沙帶組成，如圖7所示。

圖7 蘆葦方格防沙

(2)在防護體系的最外圍設(shè)置與鐵路走向基本平行的高立式柵欄形成前沿阻沙帶，柵欄的寬度、條數(shù)可根據(jù)風(fēng)沙流強度確定，可采用HDPE網(wǎng)柵欄、蘆葦柵欄等。

(3)固沙帶由草方格沙障組成，大小為1 m×1 m，寬度由當(dāng)?shù)氐娘L(fēng)沙強度決定，若具備灌溉條件，可在草方格沙障的中間栽植植物，逐步提高防沙工程防護能力。

(4)阻沙帶、固沙帶栽植的植物應(yīng)是適宜于當(dāng)?shù)丨h(huán)境的植物，對當(dāng)?shù)氐臏囟?、降水、風(fēng)況、沙層厚度、地下水等進行了解后，選擇比較容易成活、防沙能力強的植物。

3 戈壁大風(fēng)環(huán)境鐵路減災(zāi)選線及防沙工程

3.1 選線主要控制因素及難點分析

戈壁風(fēng)沙地區(qū)地表主要以礫石、粗砂覆蓋物為主，由于具有一定的礫石覆蓋度，地表穩(wěn)定性強，因而起沙風(fēng)速較高，風(fēng)沙流中沙粒的含量隨高度上升而下降。由于風(fēng)速較大，風(fēng)沙流可帶動顆粒的粒徑大，因此一旦發(fā)生戈壁風(fēng)沙流現(xiàn)象，破壞程度遠高于一般流沙地區(qū)。

戈壁地區(qū)的風(fēng)沙流危害主要是大風(fēng)引起的，氣流遇到路基出現(xiàn)沙粒沉積，當(dāng)含沙量較高時，迎風(fēng)側(cè)路基坡腳、背風(fēng)側(cè)坡腳具有積沙；若含沙量較低，則迎風(fēng)側(cè)坡腳無積沙，背風(fēng)側(cè)有積沙。部分戈壁地區(qū)還分布著很多的大風(fēng)區(qū)域，大風(fēng)不僅影響著鐵路建設(shè)，使軌道積沙、列車停運、限速，嚴(yán)重時還有可能造成列車傾覆，對運營列車的安全性及鐵路網(wǎng)的暢通會造成很嚴(yán)重的威脅。

3.2 線路減災(zāi)選線原則

戈壁風(fēng)沙流對鐵路的危害具有明顯的突發(fā)性，容易阻攔但不易徹底治理，根據(jù)戈壁地區(qū)地理環(huán)境與風(fēng)沙危害特點，鐵路選線應(yīng)遵循以下原則。

(1)線路走向應(yīng)順直，盡量與當(dāng)?shù)刂鲗?dǎo)風(fēng)向平行，若受到技術(shù)條件限制時，則盡可能減小兩者間的夾角，有利于防護工程的設(shè)置，減小風(fēng)沙流對線路工程的危害。

(2)線路與主風(fēng)向呈大角度相交時，盡量采用低路堤、緩邊坡使部分流沙越過路基進行輸送，一般為1～2.5 m，進而減小路基的風(fēng)蝕作用，避免采用零斷面或是路塹。

(3)線路經(jīng)過風(fēng)沙覆蓋的山地、丘陵地區(qū)，鐵路應(yīng)選在無積沙的戈壁丘陵區(qū)域通過或選在山溝中迎風(fēng)側(cè)通過。

(4)線路宜選擇在地表粗化、無流沙、植被發(fā)育的戈壁地段通過。結(jié)合沿線區(qū)域的防風(fēng)沙規(guī)劃，可選擇地下水埋深淺或接近水源的區(qū)域，便于后期采用防護林帶防風(fēng)固沙。

(5)大風(fēng)地區(qū)選線時，應(yīng)盡可能避開大風(fēng)區(qū)域、強風(fēng)區(qū)域，縮短線路長度。若無法避開大風(fēng)區(qū)時，盡量以短直、大角度穿過大風(fēng)區(qū)域。

(6)在風(fēng)力較強區(qū)域縱斷面設(shè)計時，多設(shè)路堤，盡可能減少戈壁地區(qū)強勁的風(fēng)沙流對路基的風(fēng)蝕和路基兩側(cè)的坡腳積沙。

3.3 選線實例

蘭新高鐵是蘭州市至烏魯木齊市的一條設(shè)計時速250 km的高速鐵路[19]，連接了甘肅省、青海省和新疆維吾爾自治區(qū)，是亞歐大陸橋的重要客運通道，正線全長1 776 km。沿線的地形地質(zhì)條件復(fù)雜，風(fēng)沙危害嚴(yán)重，途徑我國著名的五大風(fēng)區(qū)，大風(fēng)地區(qū)線路長度約占總里程的1/3，線路地理位置及沿線的風(fēng)區(qū)分布如圖8所示。

圖8 蘭新高鐵及沿線風(fēng)區(qū)分布

蘭新高鐵在三十里風(fēng)區(qū)起訖里程分別為DK1656+000、DK1746+227，由于其位于天山山口[20]。受下坡地形和狹管效應(yīng)的共同作用，具有風(fēng)季長、風(fēng)速高、風(fēng)區(qū)長的特點，冬季、夏季風(fēng)力可達6～13級，最大風(fēng)速40 m/s，每年8級以上大風(fēng)天數(shù)超過150 d。

根據(jù)各類型風(fēng)速、風(fēng)頻、沿線地理環(huán)境及其災(zāi)害特征等，對蘭新高鐵沿線的大風(fēng)區(qū)域按表3劃分。

表3 風(fēng)災(zāi)影響程度劃分

線路前進時需要翻越天山山脈，線路設(shè)計受地形、地質(zhì)條件的制約很大，縱斷面設(shè)計中，為了減小防風(fēng)工程設(shè)置進而節(jié)約工程投資，以低填方、路塹為主，用足最大坡度，80%以上段落均為足坡段落?？紤]到大風(fēng)對鐵路建設(shè)及運營的影響，還將縱斷面設(shè)計與風(fēng)沙防護工程設(shè)置充分結(jié)合，在限制坡度允許的地段采用了低路堤、深路塹和低高度橋梁的結(jié)構(gòu)形式，有效地節(jié)約了防風(fēng)工程投資，該區(qū)段共設(shè)計橋梁19.415 km(26座)，隧道2座(2.738 km)。

3.4 風(fēng)沙防護工程設(shè)計原則

戈壁風(fēng)沙地區(qū)的風(fēng)沙流作用強勁，嚴(yán)重影響列車運營安全，區(qū)域內(nèi)風(fēng)沙防治工程按其作用主要可分為2種類型：一種是防沙，另外一種則主要是防風(fēng)[21]。防沙工程主要有阻沙堤、高立式蘆葦柵欄、高立式HDPE板、HDPE網(wǎng)、具有一定孔隙率的混凝土結(jié)構(gòu)柵欄等，如圖9所示。

圖9 高立式阻沙工程

線路防風(fēng)工程主要為設(shè)置于路基上的混凝土結(jié)構(gòu)擋風(fēng)墻，并具有一定的防沙作用，結(jié)構(gòu)形式可分為懸臂式、扶臂式、柱版式等。防風(fēng)明洞是一種封閉式防風(fēng)沙結(jié)構(gòu)，通過在路基上方修建如圖10所示的混凝土結(jié)構(gòu)，將列車的行車環(huán)境與外界風(fēng)沙流環(huán)境隔離開，進而避免風(fēng)沙流對列車及線路造成危害。

圖10 蘭新高鐵防風(fēng)工程

(1)戈壁風(fēng)沙流地區(qū)沙害防治應(yīng)該遵循“預(yù)防為主、防治結(jié)合”的原則，從預(yù)防入手，由于礫石戈壁已形成較為穩(wěn)定的保護面，在施工過程中應(yīng)做到最大程度的保護，避免隨意開挖地面、堆填填料而形成新的沙源。

(2)防護類型應(yīng)根據(jù)風(fēng)沙活動類型、風(fēng)速分布及頻率特征、輸沙量、地形地貌、危害程度和防護材料性質(zhì)等綜合確定，盡量采取植物防沙與工程措施相結(jié)合的方式。

(3)在具備水源條件和栽種植物地段，以生物防沙為主；在風(fēng)沙流危害嚴(yán)重、地下水埋深大、植物存活困難的無植物條件路段采用工程防沙措施，起到防風(fēng)固沙的綜合效果。

(4)防沙材料、栽植植物應(yīng)結(jié)合當(dāng)?shù)貤l件，做到就地取材、因地制宜，選擇生長好、防沙能力強的當(dāng)?shù)厣成参铩?/p>

4 高寒風(fēng)沙環(huán)境鐵路減災(zāi)選線及防沙工程

4.1 選線主要控制因素及難點分析

高寒高海拔地區(qū)年平均氣溫低，晝夜溫差大，大氣透明度高，太陽輻射強烈，再加上大陸性氣候的作用，冬季寒冷干燥、風(fēng)多水少。降水主要集中在夏季，大風(fēng)日數(shù)多，具有明顯的風(fēng)旱同季現(xiàn)象。

高寒高海拔地區(qū)河流、湖盆廣泛分布，特別是冬季凍融循環(huán)作用明顯，在河湖周圍形成了大量的沙粒松散物質(zhì)，為風(fēng)沙流提供了豐富的物質(zhì)基礎(chǔ)。而大風(fēng)日數(shù)較多，強勁的風(fēng)力為風(fēng)沙流活動提供了豐富的風(fēng)動力環(huán)境，風(fēng)沙危害嚴(yán)重。由于具有“風(fēng)旱同季”的特征，夏季降水多，植被生長較好，風(fēng)沙危害主要發(fā)生在冬季。

凍土分布范圍廣，加上全球氣候逐漸變暖的影響，凍土退化趨勢明顯，部分區(qū)域地表物質(zhì)離散分解，加劇了風(fēng)沙活動的強度。惡劣的氣候條件使青藏高原布滿了類似戈壁的風(fēng)蝕沙粒石灘地，地表生態(tài)環(huán)境脆弱，微小的擾動就可能改變地理環(huán)境的平衡狀態(tài)，從而加劇地表的沙化過程。

4.2 線路減災(zāi)選線原則

高寒高海拔地區(qū)地形地質(zhì)復(fù)雜，生態(tài)環(huán)境極為脆弱，線路選線過程中要遵循以下原則。

(1)充分了解修路地區(qū)的筑路材料，根據(jù)控制點對線路進行優(yōu)化布置的過程中，盡量離原材料、水源較近，減小材料運輸?shù)木嚯x和對生態(tài)環(huán)境破壞。

(2)高原地區(qū)河流縱橫，夏季雨水充沛季節(jié)河流泥沙量較大，容易出現(xiàn)改道，橋梁、涵洞應(yīng)選擇河道穩(wěn)定、平直的地段，在部分區(qū)域采取有針對性的護岸工程措施。

(3)考慮到高原地區(qū)的生態(tài)環(huán)境脆弱問題，應(yīng)盡量保證鐵路沿線的生態(tài)效益，兼顧環(huán)境變遷問題，保護沿線地區(qū)的土地資源、水源地及野生動植物。

(4)在選線過程中，秉承“寧填勿挖、減少擾動”的原則，盡量保持原地面地貌狀況，減少填挖工程與防護工程量，保護生態(tài)環(huán)境和降低工程造價。

(5)高寒高海拔地區(qū)通常不發(fā)達，而鐵路建設(shè)又需要一定的施工便道，為了盡可能利用地形，減少鐵路及施工便道帶來的環(huán)境破壞，在處理好與既有交通的關(guān)系時可將線路盡可能布設(shè)于交通走廊內(nèi)。

4.3 選線實例

青藏鐵路是連接青海省西寧市和西藏自治區(qū)拉薩市的一條高原鐵路[22]，也是內(nèi)地通往西藏的第一條鐵路，全長1 956 km，其中海拔大于4 000 m的路段為960 km，線路地理位置如圖11所示。

圖11 青藏鐵路地理位置

鐵路沿線地區(qū)自然條件惡劣，生態(tài)環(huán)境脆弱，是我國生態(tài)環(huán)境最脆弱的地區(qū)之一，沙質(zhì)戈壁、沙化草地、干河床/湖盆廣泛分布。降水集中，雨季主要集中在6～9月，冬春季節(jié)地表植被覆蓋度低，也是大風(fēng)的多發(fā)季節(jié)，凍融風(fēng)蝕交互作用明顯，粗粒碎屑物被大量分解為沙粒，為風(fēng)沙活動形成提供了大量的物質(zhì)基礎(chǔ)。沿線地區(qū)的降水、風(fēng)速情況如圖12所示。

圖12 青藏鐵路沿線站點多年風(fēng)速與降水

青藏鐵路在設(shè)計及建設(shè)初期就將生態(tài)環(huán)境保護放在首位，力求達到工程建設(shè)與環(huán)境保護的有效統(tǒng)一，線路完全避開了自然保護區(qū)核心區(qū)，基本避開了試驗區(qū)。在線路行經(jīng)可可西里等國家級自然保護區(qū)時，通過對線路方案的多次比選，采用了對自然影響及景觀隔離最小的線位。

由于獨特的氣候條件，植被生長緩慢，破壞后難以恢復(fù)。在平面定線及縱、橫斷面設(shè)計中，充分考慮工程建設(shè)對植被保護、水土保持的影響，線路盡量避開了面積較大的濕地，不破壞野生動物生存環(huán)境。且線路盡量不要遠離青藏公路，以避免鐵路、公路對高原生態(tài)環(huán)境雙重切割造成破壞。

線路沿線地貌具有山脈、河湖盆地、寬谷等主要特征，在長期凍融循環(huán)的作用下，在河流與湖泊灘地、洪積扇及山麓地帶存在著碎石、沙粒等松散物質(zhì)，是主要的沙源。線路在這些區(qū)域設(shè)計時充分考慮了沙害對線路工程運營的影響，對可能發(fā)生嚴(yán)重沙害地區(qū)的線路方案論證比選。

平面設(shè)計中優(yōu)先選用了≥1 200 m的曲線半徑，減小800 m最小曲線半徑使用，曲線半徑≥1 200 m的路段約占到全線的1/4。在風(fēng)沙地段，經(jīng)過風(fēng)洞試驗和數(shù)值模擬，確定了合理的路基形式及高度，避免了地表的高填深挖，從而有效地保護了植被、土地被沙化。

4.4 風(fēng)沙防護工程設(shè)計原則

青藏鐵路沿線受風(fēng)沙災(zāi)害威脅路段長約269.7 km，占全路段的23.62%。其中，嚴(yán)重沙害路段10.3 km，中度沙害路段49.8 km，輕度沙害路段209.5 km。嚴(yán)重和中度沙害路段主要分布在紅梁河、秀水河、北麓河、扎加藏布及錯那湖等地[23]。

鐵路風(fēng)沙防護工程的效果會隨著時間推移逐漸降低，高原地區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱，反復(fù)的防沙工程布置不利于生態(tài)環(huán)境的保護。根據(jù)對風(fēng)沙活動規(guī)律、沙害空間分布及其特征、自然環(huán)境特性的分析，從工程建設(shè)及環(huán)境保護可持續(xù)角度看，高寒高海拔地區(qū)的鐵路風(fēng)沙災(zāi)害防治工程應(yīng)該遵循以下原則。

(1)考慮到高原地區(qū)脆弱的生態(tài)環(huán)境，著重生態(tài)環(huán)境保護、恢復(fù)植被的原則，在實現(xiàn)防護目標(biāo)的同時盡可能地保護沿線生態(tài)環(huán)境，逐步建立“以生物措施為主、機械措施為輔”的綜合防沙體系。

(2)在防護體系的最外緣設(shè)置高立式沙障盡可能地阻攔沙源，高立式沙障可采用HDPE網(wǎng)、混凝土掛(插)板式擋沙墻，如圖13所示。

圖13 阻沙帶高立式沙障

(3)在阻沙帶內(nèi)側(cè)布設(shè)固沙帶，考慮到高原地區(qū)的環(huán)境特性，固沙帶應(yīng)布置耐久性好一點的材料，故以礫石方格、碎石方格來對流沙進行穩(wěn)定，減少線路兩側(cè)區(qū)域的就地起沙現(xiàn)象，如圖14所示。

圖14 固沙帶石方格、碎石壓沙

(4)隨著風(fēng)沙流的持續(xù)作用，阻沙帶周圍、固沙帶內(nèi)部的積沙超過一定量時，防護工程的作用會大大減弱。因此，在有植物栽培條件的區(qū)域，可以選擇適宜當(dāng)?shù)貧夂?、環(huán)境的植物，先期利用防護工程的保護作用構(gòu)建植物成長的環(huán)境，后期逐步建立起以生物措施為主的防護體系。

5 結(jié)論

(1)不同環(huán)境下風(fēng)沙流的特征及危害形式具有明顯的差異性，只有將不同屬性的風(fēng)沙區(qū)分類，針對性地提出適用于各類區(qū)域的設(shè)計原則、方法，才能更準(zhǔn)確科學(xué)地指導(dǎo)風(fēng)沙鐵路及防沙工程的建設(shè)。

(2)通過研究風(fēng)沙流對鐵路工程的影響機理及危害形式，將風(fēng)沙地區(qū)分類為流沙環(huán)境、戈壁大風(fēng)環(huán)境和高寒風(fēng)沙環(huán)境，基于災(zāi)害學(xué)理論和線路設(shè)計要求，提出了各環(huán)境下風(fēng)沙鐵路減災(zāi)選線及防沙工程設(shè)計的基本原則。

(3)結(jié)合具體的風(fēng)沙鐵路選線實例，從風(fēng)沙危害、線路走向、平縱斷面設(shè)計和環(huán)境影響等方面出發(fā)，綜合分析了基本原則在實際線路中的應(yīng)用，可為今后風(fēng)沙地區(qū)鐵路減災(zāi)選線及防風(fēng)沙工程設(shè)計提供一定的理論依據(jù)和實踐參考。