戈壁风沙流地区铁路路基风沙防护方案分析

余沛，王玉静，高磊

摘要：风沙是新疆戈壁风沙地区主要的不良铁路路基地质问题。为了研究戈壁风沙地区风沙对铁路路基的危害，结合格尔木至库尔勒铁路新疆段风沙防护试验段的施工，基于无人机影像、试验区段积沙特征及体系断面风沙观测数据，分析试验段防护效果，验证风沙防护形式和布置形式的有效性和安全性。结果表明，阻沙障对风速的影响主要集中在阻沙障防护高度以下，风沙在经过第一道沙障后，在0.2 m和0.8 m高度，距离沙障2个沙障高度处防风效应达到90.0%～95.0%，在第Ⅳ试验区段防风效应达到80.0%～90.0%，且随高度升高，防风效应逐渐减小。防沙效果最高的第Ⅰ防护区的积沙防护率高达95.3%。研究结果满足该地区铁路路基风沙防护安全需求，具有较好经济效益，能为铁路路基建设成本综合评价及后期风沙防护大面积施工及项目管理提供数据支撑。

关键词：铁路路基；戈壁风沙流；风沙防护；施工方案

中图分类号：U212.32                文献标志码：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

風沙流侵蚀危害是目前风沙地区铁路工程重要的病害之一，为防止风沙给铁路建设及运营带来危害，目前对风沙危害的形成、整体分布范围和风沙防治措施等进行了大量研究。风沙会对铁路路基工程、机车、电力、通信及信号设备等造成风蚀损坏，严重时会风沙上道，给列车运行、铁路运营等造成较大危害，缩短了铁路设施的使用寿命。

张克存等[1]以公路风沙为研究对象，总结了沙区公路沿线风动力环境与公路沙害形成机理，分析了塔里木沙漠、策达公路及乌玛公路等3种典型风沙防治模式，提出了中国沙区公路未来的研究重点与发展趋势；赵建斌等[2]以和若铁路S4标段为例，分析了铁路沿线风沙综合防护治理技术，提出了芦苇方格施工、高立式沙障、滴灌管道施工及苗木种植等防护技术；段荣成等[3]以风沙地区铁路减灾为研究对象，提出了铁路防沙工程设计的总体原则，探讨了流沙环境、戈壁大风环境及高寒風沙环境下的铁路减灾选线及防沙工程设计原则；贾燕[4]以敦格铁路沿线风沙环境为研究对象，从HDPE阻沙栅栏积沙、PE蜂巢式固沙障风沙、功能型塑料防沙网及冲孔钢板和编织金属网材料等4个方面对风沙防治进行试验研究；屈建军等[5]以青藏铁路为研究对象，分析了高寒风沙环境特征及防治措施，提出了高寒风沙环境下防护思路及防护体系；郑典明[6]以拉林段风积沙防治为研究对象，通过风洞试验设计，研究了不同高度和孔隙率的高立式PE网沙障输沙率；韩庆杰等[7]以临哈铁路典型路段为研究对象，采用三维超声风速仪对铁路沿线的阻风效率、沙层湿度及粒度进行分析，为临河至哈密铁路沿线风沙防治提供了技术支撑；张凯[8]以格库铁路青海段风沙灾害防治为研究对象，总结了风沙灾害现状、成因及运动规律，对该铁路段防沙材料进行筛选及参数界定，提出了格库铁路青海段风沙灾害防治工程体系模式；张克存等[9]结合中国沙区铁路的发展历程，总结了流沙环境、高寒环境及戈壁大风环境下铁路风沙危害与综合防治，针对季节性河谷型沙害、湖盆型沙害及高浓度风沙沙害进行专题研究。铁路沙害类型、风沙防治方案及防护设计是研究的重点和热点[10-15]，黄海波[16]分析和总结了铁路路基的施工技术与防护方式，对铁路路基自身质量标准提出的高标准要求。贺鹏[17]以南疆线焉耆至塔什店某段风沙植物防护作为实例，系统叙述了风蚀、沙埋等风沙危害的表现形式，展示了风沙路基本体和两侧的防护形式及措施等，发现采用植物防护是彻底整治风沙危害的根本措施。柳杨春[18]通过神朔铁路现场施工实践，重点介绍风沙地区修建铁路路基边坡的防护方法，并针对风沙地区不同条件、特性及其危害，依据工程防护措施和植物防护措施相结合的原则，提出了防沙、固沙、治理沙害的一整套具体措施。贾琦[19]通过对格库铁路青海段沿线工程地质条件的研究分析，以及对典型流动沙丘的监测，查明了该地区风沙活动规律，提供了铁路选线思路原则建议。

可见，铁路沿线风沙防护已成为研究的热点，做好铁路沿线风沙防护，减少风沙灾害，已成为戈壁风沙流地区铁路建设中的难题。风沙防护试验适合于研究戈壁风沙流地区风沙防治技术迫在眉睫，风沙防护试验段的施工不仅要配合建设单位、设计单位、相关科研单位做好相关基础数据的收集工作，满足风沙防护的设计要求外，而且要对风沙防护的建设成本进行分析。本文通过对戈壁风沙流风沙防护试验段的施工，对其防护效果及建设成本等进行了研究，取得了相关阶段性成果及工程经验，对后期调整和优化风沙防护设计和施工具有一定的指导性意义，同时对类似风沙地区的铁路路基工程风沙防护的设计施工具有借鉴意义。

1工程概况

1.1自然特征

格尔木至库尔勒铁路新疆段位于新疆维吾尔自治区东南部，设计技术标准为Ⅰ级铁路，全长156.21 km。设计线路位于阿尔金山山前洪积平原上，气候条件恶劣。其中，部分范围内风蚀作用强烈，路基工程需采取防风蚀措施，同时本段范围内风沙主要形式为戈壁风沙流，表现为在冲沟及陡坎处易形成积砂，主导风向N50°～E70°。每到风沙天气，尘沙飞扬，风吹沙由北向南经G315国道，沉积于冲、洪积倾斜平原区，形成了新疆干旱区特有的戈壁风沙流。因植物根茎阻沙，地表分部有一些低矮的半固定沙丘，高度一般为0.3～1.0 m。在沟槽、沟坎、沙丘及卵、漂石背风侧有积沙和拖尾现象，易产生沙埋和风蚀危害，需采取路基本体防护和平面防沙措施。

1.2风沙防护试验段概况

根据沿线风蚀地貌及沿线风沙流积沙情况，选定较有代表性段落作为本标段风沙防护试验段。试验段共分为4个区段，分别为第Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ区，路基背风侧路堤坡脚100 m处设一道2 m高土堤，土堤上设1.5 m高混凝土立柱芦苇把式设阻沙沙障。路基迎风侧路基本体用地界外依次设置20 m宽隔离带、40 m宽中立式芦苇方格装沙带和前沿阻沙带，3个阻沙区带。

试验段设计中，隔离带、中立式芦苇方格装沙带4个试验区段纵向设计一致，前沿阻沙带根据防护类型做了分区对比。前沿阻沙带防护形式及分布见表1、图1和图2。

2风沙防护试验段外业观测数据分析

结合施工现场的防沙布置，开展了风沙防护试验段施工，观测期为1年，采用无人机影像对风沙防护试验段施工前后的地貌特征（积沙情况）进行对比，并基于体系断面风沙观测的两种观测方法对各试验区段的防护效果进行了分析。

2.1基于无人机影像的试验段防护效果分析

2.1.1地貌特征变化对比

戈壁砾石覆盖度介于40%～50%之间，地表粗糙度较大，起沙风速相对较高。本区域戈壁地表以下，含有大量的粉细砂，在强风力作用下会形成明显的沙源，进一步发展形成戈壁风沙流灾害。本区段为塔里木盆地山前冲、洪积倾斜平原区，地形起伏较小，地势较平坦。施工后8个月后，防护区的沙障在一定程度上增大了地表的粗糙度，其风沙流基本为过境风沙流，但过境风速有较大降低，改变了贴地表的风流结构，风沙流受到栅栏阻挡后，其动能急剧下降，大量运动的风沙接近栅栏时，在迎风侧发生了沉积，造成该地区15 cm以下高度内风的携沙能力和输沙能力均有较大程度的降低，防护区的防风固沙效益较为显著。

通过现场的查看，施工前后有了明显变化。风沙防护施工后，在强风力的作用下，过境风沙流在风沙防护措施周边出现了较为明显的积沙现象，总体的积沙率提升了67.2%，其中第Ⅰ防护区的积沙防护率高达95.3%，在4个区内的防沙效果最高。由于本区新增加构筑物，在携沙气流经过沙障时，受气流扰动的影响，沙障两侧会出现较为明显的积沙，起到明显的积沙防护的效果，尤其是迎风侧和最外侧沙障两侧，拦截了大量的过境风沙流，起到了明显的风沙流净化效果。

2.1.2各试验区段积沙特征对比

通过对比各试验区段的无人机影像，选取2021年9月初到2022年8月末的无人机影像，并从中剔除测量范围不完整及成像较差的数据，最终保留数据较好的月份，分别是2021年9月初、11月、12月以及2022年4月和7月底的数据，分别作为工程所在地2021年夏季至2022年夏季的积沙数据来源。

通过分析无人机影像资料，发现4个试验区段的背风侧积沙量存在较明显差别，施工后的阻沙效果明显提升，见图3。风沙防护试验段分为第Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ试验区。

通过对4个试验区段的数据对比分析，发现阻沙沙障背风侧积沙量出现了较明显的变化。其中折线形布置的2 m高混凝土立柱芦苇把高立式阻沙沙障（Ⅰ区）、2 m高HDPE板镀锌方管立柱高立式阻沙沙障（Ⅱ区）积沙宽度明显大于直线形沙障。2 m高混凝土立柱芦苇把高立式阻沙沙障（Ⅰ区）的积沙厚度主要在2.5～5.0 m范围内，积沙宽度在1 199.0 m以上范围，后期积沙厚度较小，防护效果较好；Ⅱ区的积沙厚度主要在2.00～8.34 m区间，积沙宽度在1 200.3 m范围以上，防护效果较Ⅰ区稍差，整体积沙较多；Ⅲ试验区的积沙厚度主要在6.0～12.5 m区间，积沙厚度范围比较长，防护效果稍差；Ⅳ试验区的积沙厚度范围在2.5～6.5 m区间，且后期积沙厚度整体较多，防护效果比较差。

综上所述，通过软件测算结果的对比分析，2 m高混凝土立柱蘆苇把高立式阻沙沙障（Ⅰ区）在积沙范围、积沙厚度及积沙宽度方面优于其他3个试验区的防护效果，尤其是对过境风沙流的拦截效果较好，对铁路路基施工起到较好的防护。

2.2基于体系断面风沙观测的数据分析

2.2.1观测方法

在4个试验区段迎风侧和背风侧布设八方位集沙仪，进行长期监测，见图4。在各试验区段第一道阻沙障迎风侧外围无影响区（设置对照区，距离为20H以上，H为沙障高度），第一道后2H和14H，第二道阻沙障后2H和12H以及中立式芦苇方格阻沙带设置HOBO气象站及便携式集沙仪进行观测，见图5，通过对各试验区段风速衰减比值进行计算分析。

2.2.2数据分析

根据防风效应计算公式Ex=（u0-ux）/u0×100%，分别对各试验区段监测断面风速衰减比值进行计算，见图6～9。

图6中采用2 m高混凝土立柱芦苇把高立式阻沙沙障，沿主风向设置栅栏，在2H处，0.2、0.8及2.0 m高度的防风效应超过85.9%，而3.0 m处的防风效应仅为40.6%，后面区间的防风效应呈直线递减。通过设置大网格的隔离带，提升了防风效果，其中0.2 m高度，距离沙障40H处防风效应超过了90%。图7中采用2 m高HDPE板镀锌方管立柱高立式阻沙沙障，沿主风向设置栅栏1、栅栏2和大网格的隔离带，在0.2 m高度，距离沙障2H处和40H处防风效应为95.0%和90.0%。而3.0 m高度距离沙障2H和40H处的防风效应仅为25.0%和35.0%。防风效应明显低于Ⅰ试验区。图8中采用2.0 m高混凝土立柱镀锌铁丝网阻沙沙障，图9采取 2 m高木立柱芦苇把式阻沙沙障，沿主风向设置栅栏1、栅栏2及大网格的隔离带，在0.2 m高度，距离沙障2H和40H处的防风效应仅为45.0%和85.0%左右，防风沙效果明显低于前两个试验区。

由图6～9可知，试验区各阻沙障对风速的影响主要集中在阻沙障防护高度以下，其中，0.2 m和0.8 m监测高度防风效应较为明显，且随高度升高，防风效应逐渐减小。通过对比分析第Ⅱ试验区段，以主风向为分析对象，在经过第一道阻沙障后，在0.2 m和0.8 m高度，距离沙障2H处防风效应达到了90.0%～95.0%；第Ⅳ试验区段，在0.2 m和0.8 m高度，距离沙障2H处防风效应达到了80.0%～90.0%。综合试验数据分析及施工现场实际情况，采用HDPE板阻沙障和芦苇把式阻沙障防风效应要优于其他防护措施。

3试验区段优化分析

3.1建设成本分析

因试验段全段线路右侧均设40 m宽的芦苇混凝土立柱方格沙障防护带，对各试验区段建设成本影响均等，故在分析中只针对各试验区段前沿阻沙沙障的直接成本进行分析。

试验段施工主材主要采用电商采购，芦苇选用博斯腾湖优质粗壮毛苇，运至现场后，人工集中绑扎成束，现场绑扎成排安装。在试验段施工过程中，中立式芦苇方格沙障及高立式组沙障采用了大量的芦苇束，属劳动密集型工作，所以在施工过程中现场对芦苇束的加工及现场安装绑扎的人工用量进行了详细记录，并对各试验区段的直接成本进行了分析，见表2，通过对比分析发现，第Ⅰ、Ⅳ区采用芦苇把式阻沙障直接成本较低，分别为88.45元/m和69.2元/m。第Ⅲ区段采用混凝土立柱镀锌铁丝网阻沙障直接成本为315.34元/m，第Ⅱ区段直接成本最高，为466.06/m。

3.2综合对比分析

通过分析风沙防护试验段外业监测数据，无论是基于无人机影像的试验段防护效果分析还是基于体系断面风沙观测的数据分析，对4种前沿阻沙带的防护效果的分析结果基本一致，4个试验区段的前沿阻沙带中，采用芦苇把式阻沙障和HDPE板阻沙障阻沙效果明显高于采用镀锌铁丝网阻沙障。

通过对各区段直接建设成本分析，整体采用芦苇把式阻沙障经济效益较好。综合对比各试验区段的风沙防护效果及建设成本，采用芦苇把式阻沙障既能达到较好的风沙防护效果，且成本较为低廉，经济效益较好。通过对风沙试验段后期观测发现，第Ⅳ区段圆木立柱芦苇把式阻沙障圆木立柱由于风速较大部分被风吹断，对防风沙效果、防护整体性及耐久性有较大影响，基于铁路路基风沙防护工程的经验，沙障设置越高，工程施工成本越高，而且整个结构的稳定性较差，容易受到破坏。综上所述，确定第Ⅰ区段采用混凝土立柱芦苇把式阻沙障为首选方案，即本工程铁路路基工程中可优先选用2 m高混凝土立柱芦苇把高立式阻沙沙障。

4结论

1）通过数值软件分析可知，采取2.0 m高混凝土立柱芦苇把高立式阻沙沙障和高HDPE板镀锌方管立柱高立式阻沙沙障积沙宽度明显大于直线形沙障，积沙厚度主要在2.5～5.0 m范围内，积沙宽度在1 199.0 m以上，防护效果较好；基于体系断面风沙观测的数据，得到沙障在0.2 m和0.8 m高度，距离沙障2H处防风效应达到了90%～95%，明显优于其他3个试验区的防风效应。

2）采用路基迎风侧路基本体用地界外依次设置20 m宽隔离带、40 m宽中立式芦苇方格装沙带和2 m高混凝土立柱芦苇把高立式阻沙沙障前沿阻沙带的方案，能满足风沙防护要求，是建设成本最低、经济效益最佳的最优防护方案。

3）对戈壁风沙流地区采用机械式防沙措施进行了分析，由于设计线路处有米兰河与线路正交通过，米兰河全长167 km，出山口处多年平均年径流量1.31亿m3，可利用量1.18亿m3，径流的年际变化相对较平稳，水资源主要利用为农业灌溉。在不影响周边河流既有生态的情况下，能否在设计线路周边引用河水并采用生物防沙措施，这是后期设计和施工过程中还需深入研究的问题。

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