青藏铁路西格二线新型防风固沙体系的设计研究

收稿日期:2010－10－29基金项目:中铁一院科研项目(院科08－02)作者简介:唐玉龙(1971－)，男，甘肃武威人。高级工程师，主要从事道路与铁路工程的勘察、设计与研究。E-mail:[e-mail]。青藏铁路西格二线新型防风固沙体系的设计研究唐玉龙(兰州铁道设计院有限公司，兰州730000)摘要:对青藏铁路西格二线在日照冻融变化强烈、风力强劲的高原砾质荒漠环境下，以PE防风固沙网为平面防护，结合HDPE高立式防风栅栏的立体防护，构成新型综合防风固沙体系，具有抗风蚀性能强及环保等特点;现场观测及风洞试验结果证明:其防风固沙效果良好，工程可靠，可完全替代传统草方格等措施，并能显著减少养护工作量。对类似生态脆弱、沙害严重的地区，具有借鉴和示范作用。关键词:青藏铁路;防风固沙;高原砾质荒漠中图分类号:U216.41+3文献标志码:A文章编号:1003－8825(2011)02－0060－040引言我国西北部属于高海拔和生态脆弱的干旱气候地区，沙漠分布比较集中，沙漠铁路约为6000km，占我国铁路总长的7.5%［1］。由于沙漠地区气候干旱，风沙活动频繁，公路、铁路等工程不同程度受到沙埋与沙蚀的危害［2］，因而防治风沙危害成为西北交通建设中的重大课题。西宁至格尔木铁路沿线地质条件复杂，工务部门历年春检报告及病害整治资料表明:关角山隧道出口至乌兰段、连湖至浩鲁格段、锡铁山至临山以及格尔木东至格尔木段共计48.315km，约为全线27.2%，风沙肆虐，路基沙害现象严重。传统治沙主要有机械(物理)和植物方法［3］，以部分覆盖和全面覆盖流沙表面，以达到减轻沙害程度和稳定流沙表面的目的［4］。机械固沙中，较成熟的是“草方格”治沙。但这种方法工程量大，周期长，一般4～5年才能有效地形成“沙结皮”;同时，由于沙漠区地形复杂，风况不稳定，不同地貌对治沙措施、治沙材料的孔隙度和埋深等条件要求不同;在日照强烈的荒漠区，理想的强度大、抗老化性、抗冻融稳定性、抗风蚀等性能优越的治沙材料至今尚未找到。植物治沙对水热条件有一定的要求，在极端干旱、风力强劲的内陆荒漠区，即使能暂时培育一些耐旱植物，但其覆盖度很小，亦不能有效治理沙害。1风沙特点及既有线固沙措施现状西格二线气象特征主要表现为，青藏高原大陆性气候，高寒干燥，蒸发量大，日照强烈，大风频繁，昼夜温差极大，年平均降水量41.2～413.0mm，年平均蒸发量1357～2689mm。年平均风速1.8～3.5m/s，最大风速26.0m/s，年平均八级以上大风日数15～47天。西格二线沙害主要是由处于沙漠边缘的平沙地、沙丘活动所造成，也具有戈壁风沙流及大风区风沙流沙害的特点。关角隧道出口至格尔木段线路均不同程度分布有沙窖。乌兰附近、连湖至浩鲁格部分地段多位于山前洪积倾斜平原前缘及山间走廊地带，地表多见半固定沙地;饮马峡至临山、格尔木东至格尔木部分地段分布有流动沙地;以上几段多存在戈壁风沙流现象。根据青藏铁路公司格尔木工务段2004年及2005年的防沙年报，既有机械固沙设施不仅投资巨大，且已大面积失效，或由于沙源丰富、风速大，无法从根本上抑制流沙对线路的巨大影响。石方格措施在技术、经济和环保方面存在诸多缺点，连湖至浩鲁格、饮马峡至临山、格尔木东至格尔木地段片石缺乏，运距较远，石方格砌筑费工，投资较大。同时，既有线已设置的石方格多处被沙淹没，失去防沙作用，路肩及道碴内覆盖细沙，路基边坡坡脚均有细沙堆积现象。草方格、卤水方格、竹栅栏等措施在西格既有线也曾使用，但防沙效果不佳。这种方法不仅工程量大，而且西格线沿线麦草秸秆等来源贫乏;在日照冻融变化强烈、风力强劲的高原荒漠区，草方格等材料的有效使用寿命一般仅为1～2年，而沙漠化地区一·06·路基工程SubgradeEngineering2011年第2期(总第155期)般要4～5年才能形成有效的“沙结皮”，因此草方格等防风固沙措施不适合使用。同时，植物防沙措施限于西格二线恶劣的自然环境也无法使用。既有线设置的卤水方格、草方格、石方格，包括一些立面防护等，在防风固沙方面取得了一定成效，但使用寿命短，工程实施困难，周期长，投资大。传统草方格、石方格、竹栅栏等固沙措施在生态极为脆弱的高海拔地区，特别在满足铁路提速的要求下，迫切需要改善或替代。西格二线基本属于砾质荒漠地区，原地面积沙较少，属于风吹沙地，采用砂质固沙障固沙存在砂源不足，同时该技术尚不成熟，尚处于科研阶段，无法大量使用。西格二线既有固沙措施现状如图1。综合考虑以上因素，结论为:在西格二线日照冻融变化强烈、风力强劲的高原荒漠环境下，理想的固沙材料需要具有强度大、抗老化性、抗冻融稳定性、抗风蚀性能强等特点;针对西格二线的自然气候环境，如何建立更为有效的新型防风固沙体系，对减少路基病害，保证西格二线优质畅通具有关键意义。2新型防风固沙体系的工程可靠性为寻找行之有效、因地制宜的平立面防护措施，对砂质固沙障、固化剂固沙及石方格方案进行比选，同时对植物固沙、石方格、草方格、卤水方格等措施进行了技术经济比较;由于受沿线自然环境、风速及材料来源的影响，上述方案均不适合作为本线的防风固沙措施。而内地使用的植被护坡也不适用［3］。在综合分析大量研究资料的基础上，借鉴相近工程实践经验，以PE防风固沙网为平面防护，结合HDPE高立式防风栅栏立体防护，构成一种新型综合体系，作为西格二线的防风固沙措施。试验研究表明，PE防风固沙网具有抗老化、抗化学腐蚀、抗蠕变等良好的性能，使用寿命一般在3～8年以上，因此在保证现场施工质量的前提下，PE防风固沙网具有耐久性好，抗风阻沙性能优越和不易损坏的特点。另外，PE防风固沙网维护方便，施工简便快捷，运输方便，能够达到较为显著的防风固沙效果。在沙害区域勘察工作的基础上，锡铁山至临山段K687+715.00～DK689+199.71设置了观测点，试验表明使用具有一定弹性的材料是行之有效的工程措施。2.1工程应用情况及效果验证以PE防风固沙网为平面防护，结合HDPE高立式防风栅栏立体防护所构成的新型综合体系，在南疆线、包兰线沙坡头、海军南海基地、塔里木盆地沙漠公路、甘肃民勤治沙综合试验站、敦煌莫高窟的治沙工程中已广泛应用，并取得良好效果。为评价PE防风固沙网西格段沿线防沙的有效性，在锡铁山进行了野外风流场的观测(图2)，并从10个典型积沙状态的防沙网格内收集了积沙。观测结果表明:依据每个网格积沙的平均重量2.469kg来推算，自2009年1月至2010年3月期间，迎风侧防沙网的总积沙量为1450t。试验段的防沙网格拦截了大量沙源，有效抑制了风沙流对铁路的危害。·16·唐玉龙:青藏铁路西格二线新型防风固沙体系的设计研究图3为戈壁表面与固沙网内同步风速廓线的分布特征，防沙网内的廓线坡度明显小于原始戈壁的廓线坡度，高度低于40cm尤为明显，结果表明:防沙网格的设置，有效增加了地表粗糙度，降低了地表风速，使过境风沙流大量沉积在防沙网格内，抑制了流沙对铁路的危害。2.2新型防风固沙体系的固沙原理［4－6］为了揭示PE防风固沙网的固沙原理，在野外风沙环境风洞中对其进行了长期的模拟试验［4］(图4)，其试验段长21.0m，风洞横断面1.2m×1.2m。气流场研究结果表明:防沙格内风速降低幅度大，固沙网使风速降低25%～70%，且在风速较大时，网格内地表风速仍然小于起沙风速，从而具有更好的固沙作用。新型防风固沙体系通过“阻”和“固”作用来达到防风固沙的目的，其固沙原理和固沙效果优于传统平面固沙措施。“阻”:主要是在活动的沙面上设置高立式防风阻沙栅栏和PE防风固沙网方格状风沙障。使障体阻滞或迫使风沙流从障顶提升，从而产生障体前后靠近地层的两个减速区，打乱了空气流，削弱了风速，使风能量减小，挟沙量下降，有效阻滞了跃移的沙粒，控制了输沙量，阻滞了沙丘的前移，达到防风固沙的目的。“固”:是通过设置PE防风固沙网方格状风沙障，以增大沙漠地面的粗糙度，将靠近地面的风速控制在起动风速之下，使固沙区的岩土体不再成为风沙流的沙源。在平面固沙障与流沙交界处设置高立式防风固沙栅栏，控制一定风沙流，减弱输流强度，使PE防风固沙网方格状沙障内不起沙，达到了稳定沙漠地表，阻止风蚀的发生。新型防风固沙体系的显著效果，是沙障网格内的沙面不起沙，同时防止外来沙源，输沙率仅为流沙表面的0.3%，控制了99.7%左右的输沙量，同时使风速大幅度降低，在风速较大时，地表风速仍然小于起沙风速;格状沙障不仅明显减弱输沙强度，且有效地改变了风沙流的运动条件。石方格沙障属于刚性材料，不能有效减小风速，顺地面起风时，遇到刚性物体会使流沙扬程加高，风沙流强度增加。风沙流风速较小时，其越过刚性物体形成积沙，有一定的固沙效果;风速较大时，则会失去作用或作用很小。石方格沙障其有效使用年限一般为1～2年，之后常年累月被风沙淹埋，工务维护困难。因此在类似于西格二线这种风沙流速较大、沙害较为严重的地区使用石方格沙障，其固沙效果不明显。新型防风固沙体系不受自然环境、风速及材料来源的影响，抗拉强度高，在保证现场施工质量的前提下，其使用寿命也明显高于草方格，并具有耐久性好，抗风阻沙性能优越和不易损坏的特点，与草方格相比减少工务维护费用;同时，施工简便快捷，防沙效果优越，完全可替代传统固沙措施。3施工与维护技术及环保要求PE防风固沙网的施工技术标准要求较高:施工前应先对铺设范围内的场地简单平整，避免地形起伏过大而影响网格平整度，榫桩埋设必须达到规定深度并确保扎实稳固，不能左摇右晃、东倒西歪;绑扎PE防风固沙网时必须缠绕牢固，并用细铁丝绑扎，绑扎时不能摇晃榫桩影响其稳定。单项工程初步验收时对榫桩和PE防风固沙网随机抽样检查，抽样率不小于50%，重点检查榫桩稳固程度、PE网的平整程度及其是否绑扎牢固。防风固沙工程最终验收时间一般安排在工程完毕后的风季之后进行，以验证其施工质量。验收时如果出现榫桩和PE网变形破坏，应责成施工单位予以修整。PE防风固沙网产品采购应加强监管，确保施工和材料质量，抗老化使用寿命、抗化学腐蚀、抗蠕变和抗拉强度达到设计要求标准。·26·路基工程SubgradeEngineering2011年第2期(总第155期)PE防风固沙网使用一段时间被沙埋后，工务人员可通过现场大面积把楔桩向上提20cm，仍能达到减小风速固沙的效果，大大提高了其重复使用效率，节省运营成本，而草方格和石方格一旦被沙掩埋，无法找到踪迹，二次设置造成投资过大，资源浪费。PE防风固沙网采用绿色环保材料制造，其材料具有防紫外线、抗老化和抗化学腐蚀等性能;达到设计使用年限后及时更换固沙网，对旧网集中掩埋处理或联系生产企业回收二次利用，可避免对环境的污染。工程实施后在铁路周边形成鲜明的绿色视觉效果(图5)，大大降低旅客的视觉疲劳感，而石方格沙障在视觉效果上灰白一片，不能形成绿色环保的视觉效果。4结论对青藏铁路西格二线在日照冻融变化强烈、风力强劲的高原砾质荒漠环境下，以PE防风固沙网为平面防护，结合HDPE高立式防风栅栏立体防护，构成新型综合体系，具有强度大、抗老化性、抗冻融稳定性、抗风蚀性能强及环保等特点;在保证施工质量的前提下，与传统固沙措施相比，其防风固沙效果优越，可完全替代传统草方格等平面防风固沙措施。这项技术对青藏铁路西格二线的路基风沙危害起到了有效防治，并显著减少了养护工作量。因此对类似生态脆弱、沙害严重的地区，新型综合防风固沙体系具有借鉴和示范作用。参考文献:［1］赵性存.中国沙漠铁路工程［M］.北京:中国铁道出版社，1988:15－26.［2］王银梅，韩文峰，等.对在沙漠地区应用化学固沙剂固沙的探讨［J］．灾害学，2003，18(4):78－81.［3］宋庆丰，黄小芸．植被护坡功能分析［J］．路基工程，2010(1):104－106．［4］胡英娣.几种化学固沙材料抗风蚀的风洞实验研究［J］．中国沙漠，1997，17(1):103－105.［5］龚福华，何兴东，等.塔里木沙漠公路不同固沙体系的性能与成本比较［J］．中国沙漠，2001，21(1):45－49.［6］朱俊风，朱震