戈壁風沙流地區鐵路路基風沙防護方案分析

余沛，王玉靜，高磊

摘要：風沙是新疆戈壁風沙地區主要的不良鐵路路基地質問題。為了研究戈壁風沙地區風沙對鐵路路基的危害，結合格爾木至庫爾勒鐵路新疆段風沙防護試驗段的施工，基于無人機影像、試驗區段積沙特征及體系斷面風沙觀測數據，分析試驗段防護效果，驗證風沙防護形式和布置形式的有效性和安全性。結果表明，阻沙障對風速的影響主要集中在阻沙障防護高度以下，風沙在經過第一道沙障后，在0.2 m和0.8 m高度，距離沙障2個沙障高度處防風效應達到90.0%～95.0%，在第Ⅳ試驗區段防風效應達到80.0%～90.0%，且隨高度升高，防風效應逐漸減小。防沙效果最高的第Ⅰ防護區的積沙防護率高達95.3%。研究結果滿足該地區鐵路路基風沙防護安全需求，具有較好經濟效益，能為鐵路路基建設成本綜合評價及后期風沙防護大面積施工及項目管理提供數據支撐。

關鍵詞：鐵路路基；戈壁風沙流；風沙防護；施工方案

中圖分類號：U212.32? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標志碼：A

Analyses on the scheme of sand-drift protection for railway subgrade in gobi sand-drift region

YU Pei1， WANG Yujing1， GAO Lei2

（1. School of Civil Engineering， Xinyang University， Xinyang 464000， China; 2. China Railway 15 Bureau Group Co.， Ltd.， Shanghai 200000， China）

Abstract： Aeolian sand is the main geological problem of bad railway subgrade in Gobi Aeolian sand region of Xinjiang. In order to study the harm of sand blown by wind to railway subgrade in Gobi windy sand area， this paper investigated the construction of the test section of sand blown by wind of Xinjiang section of Golmud-Korla railway. Based on the UAV images， the comparison of sediment accumulation characteristics in test sections and the observation data of wind-blown sand in the system section， the protection effects of the test section were analyzed. The effectiveness and safety of the wind-blown sand protection form and arrangement form were verified. The results show that the effects of sand barriers on wind speed are mainly concentrated below the protective height of sand barriers. After the first sand barrier， at the height of 0.2 m and 0.8 m， the windbreak effect reaches 90.0%～95.0% at the distance of twice as the sand barrier's height， and 80.0%～90.0% at the fourth Test section. The windbreak effect decreases gradually with the height increasing. The protection rate of sediment accumulation in the first protection area is as high as 95.3%. The research results meet the safety requirements of the railway roadbed sand protection in this area， and have better economic benefits. It is provides the comprehensive evaluation of railway infrastructure construction cost and the decision-making of large-area construction and project management of wind-sand protection in the later stage.

Key words： railway subgrade; gobi sand flow; sand protection; construction scheme

風沙流侵蝕危害是目前風沙地區鐵路工程重要的病害之一，為防止風沙給鐵路建設及運營帶來危害，目前對風沙危害的形成、整體分布范圍和風沙防治措施等進行了大量研究。風沙會對鐵路路基工程、機車、電力、通信及信號設備等造成風蝕損壞，嚴重時會風沙上道，給列車運行、鐵路運營等造成較大危害，縮短了鐵路設施的使用壽命。

張克存等[1]以公路風沙為研究對象，總結了沙區公路沿線風動力環境與公路沙害形成機理，分析了塔里木沙漠、策達公路及烏瑪公路等3種典型風沙防治模式，提出了中國沙區公路未來的研究重點與發展趨勢；趙建斌等[2]以和若鐵路S4標段為例，分析了鐵路沿線風沙綜合防護治理技術，提出了蘆葦方格施工、高立式沙障、滴灌管道施工及苗木種植等防護技術；段榮成等[3]以風沙地區鐵路減災為研究對象，提出了鐵路防沙工程設計的總體原則，探討了流沙環境、戈壁大風環境及高寒風沙環境下的鐵路減災選線及防沙工程設計原則；賈燕[4]以敦格鐵路沿線風沙環境為研究對象，從HDPE阻沙柵欄積沙、PE蜂巢式固沙障風沙、功能型塑料防沙網及沖孔鋼板和編織金屬網材料等4個方面對風沙防治進行試驗研究；屈建軍等[5]以青藏鐵路為研究對象，分析了高寒風沙環境特征及防治措施，提出了高寒風沙環境下防護思路及防護體系；鄭典明[6]以拉林段風積沙防治為研究對象，通過風洞試驗設計，研究了不同高度和孔隙率的高立式PE網沙障輸沙率；韓慶杰等[7]以臨哈鐵路典型路段為研究對象，采用三維超聲風速儀對鐵路沿線的阻風效率、沙層濕度及粒度進行分析，為臨河至哈密鐵路沿線風沙防治提供了技術支撐；張凱[8]以格庫鐵路青海段風沙災害防治為研究對象，總結了風沙災害現狀、成因及運動規律，對該鐵路段防沙材料進行篩選及參數界定，提出了格庫鐵路青海段風沙災害防治工程體系模式；張克存等[9]結合中國沙區鐵路的發展歷程，總結了流沙環境、高寒環境及戈壁大風環境下鐵路風沙危害與綜合防治，針對季節性河谷型沙害、湖盆型沙害及高濃度風沙沙害進行專題研究。鐵路沙害類型、風沙防治方案及防護設計是研究的重點和熱點[10-15]，黃海波[16]分析和總結了鐵路路基的施工技術與防護方式，對鐵路路基自身質量標準提出的高標準要求。賀鵬[17]以南疆線焉耆至塔什店某段風沙植物防護作為實例，系統敘述了風蝕、沙埋等風沙危害的表現形式，展示了風沙路基本體和兩側的防護形式及措施等，發現采用植物防護是徹底整治風沙危害的根本措施。柳楊春[18]通過神朔鐵路現場施工實踐，重點介紹風沙地區修建鐵路路基邊坡的防護方法，并針對風沙地區不同條件、特性及其危害，依據工程防護措施和植物防護措施相結合的原則，提出了防沙、固沙、治理沙害的一整套具體措施。賈琦[19]通過對格庫鐵路青海段沿線工程地質條件的研究分析，以及對典型流動沙丘的監測，查明了該地區風沙活動規律，提供了鐵路選線思路原則建議。

可見，鐵路沿線風沙防護已成為研究的熱點，做好鐵路沿線風沙防護，減少風沙災害，已成為戈壁風沙流地區鐵路建設中的難題。風沙防護試驗適合于研究戈壁風沙流地區風沙防治技術迫在眉睫，風沙防護試驗段的施工不僅要配合建設單位、設計單位、相關科研單位做好相關基礎數據的收集工作，滿足風沙防護的設計要求外，而且要對風沙防護的建設成本進行分析。本文通過對戈壁風沙流風沙防護試驗段的施工，對其防護效果及建設成本等進行了研究，取得了相關階段性成果及工程經驗，對后期調整和優化風沙防護設計和施工具有一定的指導性意義，同時對類似風沙地區的鐵路路基工程風沙防護的設計施工具有借鑒意義。

1工程概況

1.1自然特征

格爾木至庫爾勒鐵路新疆段位于新疆維吾爾自治區東南部，設計技術標準為Ⅰ級鐵路，全長156.21 km。設計線路位于阿爾金山山前洪積平原上，氣候條件惡劣。其中，部分范圍內風蝕作用強烈，路基工程需采取防風蝕措施，同時本段范圍內風沙主要形式為戈壁風沙流，表現為在沖溝及陡坎處易形成積砂，主導風向N50°～E70°。每到風沙天氣，塵沙飛揚，風吹沙由北向南經G315國道，沉積于沖、洪積傾斜平原區，形成了新疆干旱區特有的戈壁風沙流。因植物根莖阻沙，地表分部有一些低矮的半固定沙丘，高度一般為0.3～1.0 m。在溝槽、溝坎、沙丘及卵、漂石背風側有積沙和拖尾現象，易產生沙埋和風蝕危害，需采取路基本體防護和平面防沙措施。

1.2風沙防護試驗段概況

根據沿線風蝕地貌及沿線風沙流積沙情況，選定較有代表性段落作為本標段風沙防護試驗段。試驗段共分為4個區段，分別為第Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ區，路基背風側路堤坡腳100 m處設一道2 m高土堤，土堤上設1.5 m高混凝土立柱蘆葦把式設阻沙沙障。路基迎風側路基本體用地界外依次設置20 m寬隔離帶、40 m寬中立式蘆葦方格裝沙帶和前沿阻沙帶，3個阻沙區帶。

試驗段設計中，隔離帶、中立式蘆葦方格裝沙帶4個試驗區段縱向設計一致，前沿阻沙帶根據防護類型做了分區對比。前沿阻沙帶防護形式及分布見表1、圖1和圖2。

2風沙防護試驗段外業觀測數據分析

結合施工現場的防沙布置，開展了風沙防護試驗段施工，觀測期為1年，采用無人機影像對風沙防護試驗段施工前后的地貌特征（積沙情況）進行對比，并基于體系斷面風沙觀測的兩種觀測方法對各試驗區段的防護效果進行了分析。

2.1基于無人機影像的試驗段防護效果分析

2.1.1地貌特征變化對比

戈壁礫石覆蓋度介于40%～50%之間，地表粗糙度較大，起沙風速相對較高。本區域戈壁地表以下，含有大量的粉細砂，在強風力作用下會形成明顯的沙源，進一步發展形成戈壁風沙流災害。本區段為塔里木盆地山前沖、洪積傾斜平原區，地形起伏較小，地勢較平坦。施工后8個月后，防護區的沙障在一定程度上增大了地表的粗糙度，其風沙流基本為過境風沙流，但過境風速有較大降低，改變了貼地表的風流結構，風沙流受到柵欄阻擋后，其動能急劇下降，大量運動的風沙接近柵欄時，在迎風側發生了沉積，造成該地區15 cm以下高度內風的攜沙能力和輸沙能力均有較大程度的降低，防護區的防風固沙效益較為顯著。

通過現場的查看，施工前后有了明顯變化。風沙防護施工后，在強風力的作用下，過境風沙流在風沙防護措施周邊出現了較為明顯的積沙現象，總體的積沙率提升了67.2%，其中第Ⅰ防護區的積沙防護率高達95.3%，在4個區內的防沙效果最高。由于本區新增加構筑物，在攜沙氣流經過沙障時，受氣流擾動的影響，沙障兩側會出現較為明顯的積沙，起到明顯的積沙防護的效果，尤其是迎風側和最外側沙障兩側，攔截了大量的過境風沙流，起到了明顯的風沙流凈化效果。

2.1.2各試驗區段積沙特征對比

通過對比各試驗區段的無人機影像，選取2021年9月初到2022年8月末的無人機影像，并從中剔除測量范圍不完整及成像較差的數據，最終保留數據較好的月份，分別是2021年9月初、11月、12月以及2022年4月和7月底的數據，分別作為工程所在地2021年夏季至2022年夏季的積沙數據來源。

通過分析無人機影像資料，發現4個試驗區段的背風側積沙量存在較明顯差別，施工后的阻沙效果明顯提升，見圖3。風沙防護試驗段分為第Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ試驗區。

通過對4個試驗區段的數據對比分析，發現阻沙沙障背風側積沙量出現了較明顯的變化。其中折線形布置的2 m高混凝土立柱蘆葦把高立式阻沙沙障（Ⅰ區）、2 m高HDPE板鍍鋅方管立柱高立式阻沙沙障（Ⅱ區）積沙寬度明顯大于直線形沙障。2 m高混凝土立柱蘆葦把高立式阻沙沙障（Ⅰ區）的積沙厚度主要在2.5～5.0 m范圍內，積沙寬度在1 199.0 m以上范圍，后期積沙厚度較小，防護效果較好；Ⅱ區的積沙厚度主要在2.00～8.34 m區間，積沙寬度在1 200.3 m范圍以上，防護效果較Ⅰ區稍差，整體積沙較多；Ⅲ試驗區的積沙厚度主要在6.0～12.5 m區間，積沙厚度范圍比較長，防護效果稍差；Ⅳ試驗區的積沙厚度范圍在2.5～6.5 m區間，且后期積沙厚度整體較多，防護效果比較差。

綜上所述，通過軟件測算結果的對比分析，2 m高混凝土立柱蘆葦把高立式阻沙沙障（Ⅰ區）在積沙范圍、積沙厚度及積沙寬度方面優于其他3個試驗區的防護效果，尤其是對過境風沙流的攔截效果較好，對鐵路路基施工起到較好的防護。

2.2基于體系斷面風沙觀測的數據分析

2.2.1觀測方法

在4個試驗區段迎風側和背風側布設八方位集沙儀，進行長期監測，見圖4。在各試驗區段第一道阻沙障迎風側外圍無影響區（設置對照區，距離為20H以上，H為沙障高度），第一道后2H和14H，第二道阻沙障后2H和12H以及中立式蘆葦方格阻沙帶設置HOBO氣象站及便攜式集沙儀進行觀測，見圖5，通過對各試驗區段風速衰減比值進行計算分析。

2.2.2數據分析

根據防風效應計算公式Ex=（u0-ux）/u0×100%，分別對各試驗區段監測斷面風速衰減比值進行計算，見圖6～9。

圖6中采用2 m高混凝土立柱蘆葦把高立式阻沙沙障，沿主風向設置柵欄，在2H處，0.2、0.8及2.0 m高度的防風效應超過85.9%，而3.0 m處的防風效應僅為40.6%，后面區間的防風效應呈直線遞減。通過設置大網格的隔離帶，提升了防風效果，其中0.2 m高度，距離沙障40H處防風效應超過了90%。圖7中采用2 m高HDPE板鍍鋅方管立柱高立式阻沙沙障，沿主風向設置柵欄1、柵欄2和大網格的隔離帶，在0.2 m高度，距離沙障2H處和40H處防風效應為95.0%和90.0%。而3.0 m高度距離沙障2H和40H處的防風效應僅為25.0%和35.0%。防風效應明顯低于Ⅰ試驗區。圖8中采用2.0 m高混凝土立柱鍍鋅鐵絲網阻沙沙障，圖9采取 2 m高木立柱蘆葦把式阻沙沙障，沿主風向設置柵欄1、柵欄2及大網格的隔離帶，在0.2 m高度，距離沙障2H和40H處的防風效應僅為45.0%和85.0%左右，防風沙效果明顯低于前兩個試驗區。

由圖6～9可知，試驗區各阻沙障對風速的影響主要集中在阻沙障防護高度以下，其中，0.2 m和0.8 m監測高度防風效應較為明顯，且隨高度升高，防風效應逐漸減小。通過對比分析第Ⅱ試驗區段，以主風向為分析對象，在經過第一道阻沙障后，在0.2 m和0.8 m高度，距離沙障2H處防風效應達到了90.0%～95.0%；第Ⅳ試驗區段，在0.2 m和0.8 m高度，距離沙障2H處防風效應達到了80.0%～90.0%。綜合試驗數據分析及施工現場實際情況，采用HDPE板阻沙障和蘆葦把式阻沙障防風效應要優于其他防護措施。

3試驗區段優化分析

3.1建設成本分析

因試驗段全段線路右側均設40 m寬的蘆葦混凝土立柱方格沙障防護帶，對各試驗區段建設成本影響均等，故在分析中只針對各試驗區段前沿阻沙沙障的直接成本進行分析。

試驗段施工主材主要采用電商采購，蘆葦選用博斯騰湖優質粗壯毛葦，運至現場后，人工集中綁扎成束，現場綁扎成排安裝。在試驗段施工過程中，中立式蘆葦方格沙障及高立式組沙障采用了大量的蘆葦束，屬勞動密集型工作，所以在施工過程中現場對蘆葦束的加工及現場安裝綁扎的人工用量進行了詳細記錄，并對各試驗區段的直接成本進行了分析，見表2，通過對比分析發現，第Ⅰ、Ⅳ區采用蘆葦把式阻沙障直接成本較低，分別為88.45元/m和69.2元/m。第Ⅲ區段采用混凝土立柱鍍鋅鐵絲網阻沙障直接成本為315.34元/m，第Ⅱ區段直接成本最高，為466.06/m。

3.2綜合對比分析

通過分析風沙防護試驗段外業監測數據，無論是基于無人機影像的試驗段防護效果分析還是基于體系斷面風沙觀測的數據分析，對4種前沿阻沙帶的防護效果的分析結果基本一致，4個試驗區段的前沿阻沙帶中，采用蘆葦把式阻沙障和HDPE板阻沙障阻沙效果明顯高于采用鍍鋅鐵絲網阻沙障。

通過對各區段直接建設成本分析，整體采用蘆葦把式阻沙障經濟效益較好。綜合對比各試驗區段的風沙防護效果及建設成本，采用蘆葦把式阻沙障既能達到較好的風沙防護效果，且成本較為低廉，經濟效益較好。通過對風沙試驗段后期觀測發現，第Ⅳ區段圓木立柱蘆葦把式阻沙障圓木立柱由于風速較大部分被風吹斷，對防風沙效果、防護整體性及耐久性有較大影響，基于鐵路路基風沙防護工程的經驗，沙障設置越高，工程施工成本越高，而且整個結構的穩定性較差，容易受到破壞。綜上所述，確定第Ⅰ區段采用混凝土立柱蘆葦把式阻沙障為首選方案，即本工程鐵路路基工程中可優先選用2 m高混凝土立柱蘆葦把高立式阻沙沙障。

4結論

1）通過數值軟件分析可知，采取2.0 m高混凝土立柱蘆葦把高立式阻沙沙障和高HDPE板鍍鋅方管立柱高立式阻沙沙障積沙寬度明顯大于直線形沙障，積沙厚度主要在2.5～5.0 m范圍內，積沙寬度在1 199.0 m以上，防護效果較好；基于體系斷面風沙觀測的數據，得到沙障在0.2 m和0.8 m高度，距離沙障2H處防風效應達到了90%～95%，明顯優于其他3個試驗區的防風效應。

2）采用路基迎風側路基本體用地界外依次設置20 m寬隔離帶、40 m寬中立式蘆葦方格裝沙帶和2 m高混凝土立柱蘆葦把高立式阻沙沙障前沿阻沙帶的方案，能滿足風沙防護要求，是建設成本最低、經濟效益最佳的最優防護方案。

3）對戈壁風沙流地區采用機械式防沙措施進行了分析，由于設計線路處有米蘭河與線路正交通過，米蘭河全長167 km，出山口處多年平均年徑流量1.31億m3，可利用量1.18億m3，徑流的年際變化相對較平穩，水資源主要利用為農業灌溉。在不影響周邊河流既有生態的情況下，能否在設計線路周邊引用河水并采用生物防沙措施，這是后期設計和施工過程中還需深入研究的問題。

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