風沙地區鐵路減災選線及防沙工程設計原則分析

何建江

（新疆鐵道勘察設計院有限公司，新疆烏魯木齊 830011）

0 引言

在風沙地區鐵路設計中，線路的合理選取及防沙工程的合理開展是降低工程成本、確保鐵路安全運行的關鍵?；诖?，以我國典型風沙區為研究對象，根據風沙區的地形地貌特征，將其劃分為流沙區、戈壁風沙區、高寒風沙區三個典型風沙區域。通過綜合運用選線設計、災害學、風沙物理等相關理論，構建符合我國實際情況的風沙區防災選線方案，為風沙地區鐵路減災選線及防沙工程設計提供參考。

1 風沙地區鐵路減災選線及防沙工程設計

1.1 風沙危害特征

風穿越疏松沙土表面時，受風力作用，泥沙顆粒升騰離地，進入大氣層進行輸移，此現象即為風沙流。鐵路是一種基于地面建設的大型空間結構體，風吹至鐵路沿線時，因氣流阻擋抬升，使其能耗增大、風速減小，泥沙顆粒會在坡腳附近堆積，在風力作用下會發生二次輸移。在風沙較大、地表無遮擋的戈壁強風帶及高寒高海拔地區，經風蝕后的風蝕斜坡會對鐵路行車安全構成極大的威脅。

道床積沙是指在線路表面堆積的泥沙，進入道砟層會降低道砟層的減震和排水水平，會對行車過程中的輪軌動力反應產生一定影響，這種現象在流沙區、風沙區較為常見。此外，該現象還會使桿塔、接觸網、鋼軌及通訊所需設備等產生磨損，進而影響相關設備的運行穩定性[1]。

1.2 特征風沙區域劃分

流沙區降水較少，風沙天氣較多，所以極易形成風沙流，對其進行有效治理，是防沙治沙工作的重要內容。在戈壁風沙區，大風容易導致鐵路列車特別是高速列車出現翻覆問題，因而風災是鐵路建設中的一項巨大挑戰。尤其是青藏高原地，生態環境脆弱，人類活動極易對生態環境產生影響，所以在該地區進行鐵路工程建設時，必須重視環保問題以及生態修復相關工作。

根據風沙物理學基本原理，從自然地理環境特征、風沙危害程度、線路風沙危害特征等方面進行綜合考慮，可將風沙活動區分為流沙區、高寒風沙區及戈壁風沙區三種[2]。

1.3 風沙地區鐵路減災選線流程

在風沙地區鐵路減災選線過程中，需要根據風沙地區的氣候、地形、地質等因素，以防災減災基本思想為基礎，對風沙區的主要災害類型和致災機制進行研究。具體的選線流程如下：

首先，進行資料收集與現場勘察，對不良地質進行識別、整理、分類，確定風沙危害區域。

其次，以相關勘察數據為基礎，結合沙害防治要求及工程投資等因素，初步確定線路平面方案及縱斷面方案。

最后，進行風沙地區線路方案比選，從線路選擇、防沙工程及施工組織等方面進行比較，確立最佳方案，經過批復后方可投入建設。

2 流沙區鐵路減災選線及防沙工程

2.1 選線主要控制因素及難點

流沙區氣候干燥、降水不足，且水分蒸發量大，植被稀少、植被覆蓋面積小，晝夜溫差大。此外，流動沙丘分布廣泛，其中沙顆粒種類繁多，且在風的影響下，沙流異?；钴S。其中，移動沙丘是動態運動的，若線路布置在沙丘移動方向下方，不僅會增大防沙工程規模，且會對線路的安全性產生重大威脅，其中沙埋和路基風蝕問題是影響鐵路安全的主要因素[3]。

2.2 鐵路減災選線原則

在流沙區進行鐵路減災選線時，應以風沙流監測結果為依據，綜合考慮風沙影響范圍及危害程度，確定是否避開沙害區，同時根據風沙運動痕跡判斷路線是否合理，以便進行工程選址。

具體來說，在流沙風沙地區進行鐵路減災選線應遵循以下原則：

第一，要盡可能選取地形較為開闊、沙丘密度較小的地段，以充分發揮地形優勢，確保線路在沙壟之間迎風面開闊。

第二，當線路需要穿越風沙地區時，應優先選擇穿越河岸、湖岸、沙漠前沿的固定沙丘和半固定沙丘，或大山、高原前沿的背風處。通過沙丘鏈條時，要避免直接穿過大沙丘，盡量從低處通過。

第三，路線宜與主風方向平行，曲線半徑要小，且沿主風面的外彎度要盡可能大，不能小于1m。

第四，線路選址盡可能在接近水源、材料產地的位置，以及具有自然防護帶區域的背風面，同時要注意對沿線植物的保護。

第五，遇高沙丘時，應盡量利用地勢，如果線路在沙丘底部，應遠離背風坡，以免在大風天氣中被風沙掩埋，同時避免雨淋造成路基損壞。

第六，在大范圍流沙區鋪設線路時，如果不能避開流沙層，應選取沙害相對較輕的沙漠邊緣區、大山高原前緣背風區等，選取施工相對簡單、易布設的區域布線。

2.3 風沙防護工程設計原則

流沙區沙源豐富、風沙流強度高，進行風沙防治工程設計時，必須遵循“以固為主，固阻結合”原則?？稍诒Ｗo系統的最外層，設置垂直于鐵軌方向的高柵欄，作為攔沙帶，可采用網柵欄、蘆葦柵欄等。用1m×1m 的草方格沙障組成沙障帶，依據實際風沙強度確定沙障帶寬度。若具備灌溉條件，可結合當地氣候條件、沙層厚度及地質條件等因素，在沙障帶種植成活率高、防沙效果好的植被，進一步強化防風沙工程的防護作用[4]。

3 戈壁風沙區鐵路減災選線及防沙工程

3.1 選線主要控制因素及難點

首先，戈壁風沙區的地表主要由礫石和粗砂構成，這種結構相對穩定，因此起沙速度快但含沙量并不高。然而，由于強風的作用，該區域風沙流攜帶的顆粒相對較大，破壞力較大。

其次，在戈壁風災中，當強風掠過路基，會在某些地方造成泥沙堆積，在泥沙含量高的情況下，無論是迎風坡還是背風坡都可能出現泥沙積聚。在泥沙含量較低時，迎風面可能不會堆積泥沙，背風面仍可能有堆積現象。

最后，戈壁風沙區的強風不僅會對鐵路施工構成威脅，還會對已經建成的鐵路線造成嚴重影響。強風會導致軌道積沙，進而使列車速度下降，甚至導致列車停運，在極端情況下，還可能造成列車傾覆，對行車安全和鐵路運營構成極大威脅。

3.2 鐵路減災選線原則

戈壁風沙區的風災害具有突發性強、易阻而難治的特點，針對戈壁風沙區的自然地理條件和風沙災害特征，鐵路減災選線應遵循以下原則：

首先，線路應盡量平直，盡量與當地主要風向保持一致，在受技術條件限制的情況下，應盡量減小線路與主風向之間的夾角，以便于設置防護性設施，降低風沙流動對線路的影響。當線路與主風向的夾角較大時，應盡可能采用低路堤和緩邊坡，使一部分流沙能通過路基輸移，從而降低路基的風蝕效應，防止出現“零斷面”或“路塹”[5]。

其次，線路穿越多山丘陵地區時，宜選擇無沙的戈壁丘陵地區穿越，或選擇溝谷背風面穿越。

再次，路線應選在地表粗糙、無流沙和植被發育的戈壁地帶。在此基礎上，根據沿線地區的風沙防治方案，可選在地下水位較深的區域或與水源相近的區域，以利于后期的防沙治沙。

最后，選線要盡量避開大風區和強風區，盡量減少測線長度。若不能回避大風區，應以短直大角度穿越強風區；若不能回避強風區，縱向斷面應盡量設置路堤，以減小強風氣流對路基及兩側坡面的侵蝕作用。

3.3 風沙防護工程設計原則

在戈壁風沙區，風沙活動強烈，會對行車安全造成很大威脅，根據區域內風沙防治工程功能，可將其分為以防沙為主和以防風為主的兩類。其中，防沙工程包括攔沙堤、高立式蘆葦圍欄、高密度聚乙烯板、高密度聚乙烯網，以及具有一定孔隙率的混凝土圍欄等[6]。防風工程是指在路基上布置一種既能起到防止風沙侵蝕，又能起到一定防護效果的構筑物，如防風明洞，這是一種封閉的防風沙建筑物，通過在路基上部設置特殊的混凝土結構物，從而阻隔外部風沙流環境，進一步減少風沙流風險。

戈壁風沙區風沙防護工程主要設計原則如下：

第一，預防為主、防治結合，施工時要注重礫石戈壁防護問題，為避免產生新的沙源，禁止隨意開挖、堆填填料。

第二，對風沙活動類型、風速分布和頻度、泥沙含量、地形地貌、危害程度及防護物的特性等進行全面考慮，采用生物防治與工程防治相結合的方式。

第三，對于水源較為充足且具備一定植被的區域，可進行生物防治；對于風沙問題嚴重、植被不易存活的區域，可進行綜合性防治。

第四，應結合當地實際情況選取沙障材料、植物種類，尤其要選擇適應性強、防沙性能良好的植被種類。

4 高寒風沙區鐵路減災選線及防沙工程

4.1 選線主要控制因素及難點

首先，高寒風沙區具有年均氣溫低、日溫差大、空氣透明度高和太陽輻射強等氣候特征，且該地區在冬季受到強烈的高原氣候影響，多風多雨。同時，降雨主要集中在夏季，強風天氣較為頻繁，導致顯著的風旱同季問題。

其次，高寒風沙區河湖縱橫，在冬季強烈的凍融作用下，流域內堆積大量泥沙，成為風沙流的主要沙源。同時，大風條件為沙塵暴的生成提供了有利條件。此外，因具有風旱同季、夏季多雨等特點，風沙災害主要發生在冬季。

最后，氣候變化導致凍土區發生明顯的劣化，部分區域地表物質離散化，會加劇風沙運動，在極端天氣影響下會形成類戈壁型風蝕石灘，生態環境脆弱，易于受干擾，一旦生態失衡，會加速荒漠化進程。

上述因素限制了鐵路選線的靈活性，會增加材料獲取與運輸、環境保護、地質風險評估等方面的難度與成本。

4.2 鐵路減災選線原則

在高寒風沙區進行鐵路減災選線時，需要綜合考慮多個因素，以保證工程的可行性、經濟性和環境友好性。

第一，由于高寒風沙區地理位置和地質條件特殊，因此需要優化路線布局，以縮短材料運輸距離，同時減少對生態環境的損害。

第二，鑒于高寒風沙區生態環境的脆弱性，鐵路建設必須注重生態效益，保護沿線土地資源、水源地和野生動植物，同時考慮環境變化影響因素等。

第三，選擇路線時，應遵循“寧填不挖，最小擾動”的原則，以最大程度地保留原有地形，減少土方開挖和防護工作量，從而降低工程成本并保護生態環境。

第四，在與現有交通整合方面，應合理安排鐵路線路與已有交通網絡的聯系，盡量將線路布置在交通廊道中，以最大限度地發揮地貌優勢，并減少對周圍環境的影響。

4.3 風沙防護工程設計原則

由于高寒風沙地區的生態環境過于脆弱，因此需要以風沙活動規律、風沙危害空間分布與特點、自然環境特點為依據，堅持可持續發展理念，明確高寒風沙地區鐵路防風沙工程設計原則。

一是要重點考慮高寒風沙地區生態環境的脆弱性，重視環境保護與植被恢復，盡量保護沿線生態環境，在此基礎上，構建“生物措施為主，機械措施為輔”的綜合防治系統。

二是在保護系統最外圍設置直立式高沙屏障，以最大限度地攔截沙源，沙屏障可采用HDPE 網或混凝土懸（插）板式擋墻等。

三是在攔沙帶內側設置固沙帶，針對高海拔地區的環境特點，建議采用更耐久的材料，如礫石方格，以降低沿線原地起沙問題的發生率。

5 結語

鐵路作為重要的交通基礎設施，其安全性與穩定性對社會經濟發展和民眾出行有重要意義。在風沙地區，鐵路容易受到風沙災害的影響，因此合理的減災選線和防沙工程設計至關重要。鐵路工作人員一定要以實際情況為依據，針對不同風沙區域的特點，遵循相關原則，制訂科學、合理的減災選線和防沙工程設計方案，以有效降低風沙災害對鐵路的影響，提高鐵路的安全性和穩定性，促進我國鐵路交通事業的可持續發展。