风沙地区铁路减灾选线及防沙工程设计原则分析

何建江

（新疆铁道勘察设计院有限公司，新疆乌鲁木齐 830011）

0 引言

在风沙地区铁路设计中，线路的合理选取及防沙工程的合理开展是降低工程成本、确保铁路安全运行的关键。基于此，以我国典型风沙区为研究对象，根据风沙区的地形地貌特征，将其划分为流沙区、戈壁风沙区、高寒风沙区三个典型风沙区域。通过综合运用选线设计、灾害学、风沙物理等相关理论，构建符合我国实际情况的风沙区防灾选线方案，为风沙地区铁路减灾选线及防沙工程设计提供参考。

1 风沙地区铁路减灾选线及防沙工程设计

1.1 风沙危害特征

风穿越疏松沙土表面时，受风力作用，泥沙颗粒升腾离地，进入大气层进行输移，此现象即为风沙流。铁路是一种基于地面建设的大型空间结构体，风吹至铁路沿线时，因气流阻挡抬升，使其能耗增大、风速减小，泥沙颗粒会在坡脚附近堆积，在风力作用下会发生二次输移。在风沙较大、地表无遮挡的戈壁强风带及高寒高海拔地区，经风蚀后的风蚀斜坡会对铁路行车安全构成极大的威胁。

道床积沙是指在线路表面堆积的泥沙，进入道砟层会降低道砟层的减震和排水水平，会对行车过程中的轮轨动力反应产生一定影响，这种现象在流沙区、风沙区较为常见。此外，该现象还会使杆塔、接触网、钢轨及通讯所需设备等产生磨损，进而影响相关设备的运行稳定性[1]。

1.2 特征风沙区域划分

流沙区降水较少，风沙天气较多，所以极易形成风沙流，对其进行有效治理，是防沙治沙工作的重要内容。在戈壁风沙区，大风容易导致铁路列车特别是高速列车出现翻覆问题，因而风灾是铁路建设中的一项巨大挑战。尤其是青藏高原地，生态环境脆弱，人类活动极易对生态环境产生影响，所以在该地区进行铁路工程建设时，必须重视环保问题以及生态修复相关工作。

根据风沙物理学基本原理，从自然地理环境特征、风沙危害程度、线路风沙危害特征等方面进行综合考虑，可将风沙活动区分为流沙区、高寒风沙区及戈壁风沙区三种[2]。

1.3 风沙地区铁路减灾选线流程

在风沙地区铁路减灾选线过程中，需要根据风沙地区的气候、地形、地质等因素，以防灾减灾基本思想为基础，对风沙区的主要灾害类型和致灾机制进行研究。具体的选线流程如下：

首先，进行资料收集与现场勘察，对不良地质进行识别、整理、分类，确定风沙危害区域。

其次，以相关勘察数据为基础，结合沙害防治要求及工程投资等因素，初步确定线路平面方案及纵断面方案。

最后，进行风沙地区线路方案比选，从线路选择、防沙工程及施工组织等方面进行比较，确立最佳方案，经过批复后方可投入建设。

2 流沙区铁路减灾选线及防沙工程

2.1 选线主要控制因素及难点

流沙区气候干燥、降水不足，且水分蒸发量大，植被稀少、植被覆盖面积小，昼夜温差大。此外，流动沙丘分布广泛，其中沙颗粒种类繁多，且在风的影响下，沙流异常活跃。其中，移动沙丘是动态运动的，若线路布置在沙丘移动方向下方，不仅会增大防沙工程规模，且会对线路的安全性产生重大威胁，其中沙埋和路基风蚀问题是影响铁路安全的主要因素[3]。

2.2 铁路减灾选线原则

在流沙区进行铁路减灾选线时，应以风沙流监测结果为依据，综合考虑风沙影响范围及危害程度，确定是否避开沙害区，同时根据风沙运动痕迹判断路线是否合理，以便进行工程选址。

具体来说，在流沙风沙地区进行铁路减灾选线应遵循以下原则：

第一，要尽可能选取地形较为开阔、沙丘密度较小的地段，以充分发挥地形优势，确保线路在沙垄之间迎风面开阔。

第二，当线路需要穿越风沙地区时，应优先选择穿越河岸、湖岸、沙漠前沿的固定沙丘和半固定沙丘，或大山、高原前沿的背风处。通过沙丘链条时，要避免直接穿过大沙丘，尽量从低处通过。

第三，路线宜与主风方向平行，曲线半径要小，且沿主风面的外弯度要尽可能大，不能小于1m。

第四，线路选址尽可能在接近水源、材料产地的位置，以及具有自然防护带区域的背风面，同时要注意对沿线植物的保护。

第五，遇高沙丘时，应尽量利用地势，如果线路在沙丘底部，应远离背风坡，以免在大风天气中被风沙掩埋，同时避免雨淋造成路基损坏。

第六，在大范围流沙区铺设线路时，如果不能避开流沙层，应选取沙害相对较轻的沙漠边缘区、大山高原前缘背风区等，选取施工相对简单、易布设的区域布线。

2.3 风沙防护工程设计原则

流沙区沙源丰富、风沙流强度高，进行风沙防治工程设计时，必须遵循“以固为主，固阻结合”原则。可在保护系统的最外层，设置垂直于铁轨方向的高栅栏，作为拦沙带，可采用网栅栏、芦苇栅栏等。用1m×1m 的草方格沙障组成沙障带，依据实际风沙强度确定沙障带宽度。若具备灌溉条件，可结合当地气候条件、沙层厚度及地质条件等因素，在沙障带种植成活率高、防沙效果好的植被，进一步强化防风沙工程的防护作用[4]。

3 戈壁风沙区铁路减灾选线及防沙工程

3.1 选线主要控制因素及难点

首先，戈壁风沙区的地表主要由砾石和粗砂构成，这种结构相对稳定，因此起沙速度快但含沙量并不高。然而，由于强风的作用，该区域风沙流携带的颗粒相对较大，破坏力较大。

其次，在戈壁风灾中，当强风掠过路基，会在某些地方造成泥沙堆积，在泥沙含量高的情况下，无论是迎风坡还是背风坡都可能出现泥沙积聚。在泥沙含量较低时，迎风面可能不会堆积泥沙，背风面仍可能有堆积现象。

最后，戈壁风沙区的强风不仅会对铁路施工构成威胁，还会对已经建成的铁路线造成严重影响。强风会导致轨道积沙，进而使列车速度下降，甚至导致列车停运，在极端情况下，还可能造成列车倾覆，对行车安全和铁路运营构成极大威胁。

3.2 铁路减灾选线原则

戈壁风沙区的风灾害具有突发性强、易阻而难治的特点，针对戈壁风沙区的自然地理条件和风沙灾害特征，铁路减灾选线应遵循以下原则：

首先，线路应尽量平直，尽量与当地主要风向保持一致，在受技术条件限制的情况下，应尽量减小线路与主风向之间的夹角，以便于设置防护性设施，降低风沙流动对线路的影响。当线路与主风向的夹角较大时，应尽可能采用低路堤和缓边坡，使一部分流沙能通过路基输移，从而降低路基的风蚀效应，防止出现“零断面”或“路堑”[5]。

其次，线路穿越多山丘陵地区时，宜选择无沙的戈壁丘陵地区穿越，或选择沟谷背风面穿越。

再次，路线应选在地表粗糙、无流沙和植被发育的戈壁地带。在此基础上，根据沿线地区的风沙防治方案，可选在地下水位较深的区域或与水源相近的区域，以利于后期的防沙治沙。

最后，选线要尽量避开大风区和强风区，尽量减少测线长度。若不能回避大风区，应以短直大角度穿越强风区；若不能回避强风区，纵向断面应尽量设置路堤，以减小强风气流对路基及两侧坡面的侵蚀作用。

3.3 风沙防护工程设计原则

在戈壁风沙区，风沙活动强烈，会对行车安全造成很大威胁，根据区域内风沙防治工程功能，可将其分为以防沙为主和以防风为主的两类。其中，防沙工程包括拦沙堤、高立式芦苇围栏、高密度聚乙烯板、高密度聚乙烯网，以及具有一定孔隙率的混凝土围栏等[6]。防风工程是指在路基上布置一种既能起到防止风沙侵蚀，又能起到一定防护效果的构筑物，如防风明洞，这是一种封闭的防风沙建筑物，通过在路基上部设置特殊的混凝土结构物，从而阻隔外部风沙流环境，进一步减少风沙流风险。

戈壁风沙区风沙防护工程主要设计原则如下：

第一，预防为主、防治结合，施工时要注重砾石戈壁防护问题，为避免产生新的沙源，禁止随意开挖、堆填填料。

第二，对风沙活动类型、风速分布和频度、泥沙含量、地形地貌、危害程度及防护物的特性等进行全面考虑，采用生物防治与工程防治相结合的方式。

第三，对于水源较为充足且具备一定植被的区域，可进行生物防治；对于风沙问题严重、植被不易存活的区域，可进行综合性防治。

第四，应结合当地实际情况选取沙障材料、植物种类，尤其要选择适应性强、防沙性能良好的植被种类。

4 高寒风沙区铁路减灾选线及防沙工程

4.1 选线主要控制因素及难点

首先，高寒风沙区具有年均气温低、日温差大、空气透明度高和太阳辐射强等气候特征，且该地区在冬季受到强烈的高原气候影响，多风多雨。同时，降雨主要集中在夏季，强风天气较为频繁，导致显著的风旱同季问题。

其次，高寒风沙区河湖纵横，在冬季强烈的冻融作用下，流域内堆积大量泥沙，成为风沙流的主要沙源。同时，大风条件为沙尘暴的生成提供了有利条件。此外，因具有风旱同季、夏季多雨等特点，风沙灾害主要发生在冬季。

最后，气候变化导致冻土区发生明显的劣化，部分区域地表物质离散化，会加剧风沙运动，在极端天气影响下会形成类戈壁型风蚀石滩，生态环境脆弱，易于受干扰，一旦生态失衡，会加速荒漠化进程。

上述因素限制了铁路选线的灵活性，会增加材料获取与运输、环境保护、地质风险评估等方面的难度与成本。

4.2 铁路减灾选线原则

在高寒风沙区进行铁路减灾选线时，需要综合考虑多个因素，以保证工程的可行性、经济性和环境友好性。

第一，由于高寒风沙区地理位置和地质条件特殊，因此需要优化路线布局，以缩短材料运输距离，同时减少对生态环境的损害。

第二，鉴于高寒风沙区生态环境的脆弱性，铁路建设必须注重生态效益，保护沿线土地资源、水源地和野生动植物，同时考虑环境变化影响因素等。

第三，选择路线时，应遵循“宁填不挖，最小扰动”的原则，以最大程度地保留原有地形，减少土方开挖和防护工作量，从而降低工程成本并保护生态环境。

第四，在与现有交通整合方面，应合理安排铁路线路与已有交通网络的联系，尽量将线路布置在交通廊道中，以最大限度地发挥地貌优势，并减少对周围环境的影响。

4.3 风沙防护工程设计原则

由于高寒风沙地区的生态环境过于脆弱，因此需要以风沙活动规律、风沙危害空间分布与特点、自然环境特点为依据，坚持可持续发展理念，明确高寒风沙地区铁路防风沙工程设计原则。

一是要重点考虑高寒风沙地区生态环境的脆弱性，重视环境保护与植被恢复，尽量保护沿线生态环境，在此基础上，构建“生物措施为主，机械措施为辅”的综合防治系统。

二是在保护系统最外围设置直立式高沙屏障，以最大限度地拦截沙源，沙屏障可采用HDPE 网或混凝土悬（插）板式挡墙等。

三是在拦沙带内侧设置固沙带，针对高海拔地区的环境特点，建议采用更耐久的材料，如砾石方格，以降低沿线原地起沙问题的发生率。

5 结语

铁路作为重要的交通基础设施，其安全性与稳定性对社会经济发展和民众出行有重要意义。在风沙地区，铁路容易受到风沙灾害的影响，因此合理的减灾选线和防沙工程设计至关重要。铁路工作人员一定要以实际情况为依据，针对不同风沙区域的特点，遵循相关原则，制订科学、合理的减灾选线和防沙工程设计方案，以有效降低风沙灾害对铁路的影响，提高铁路的安全性和稳定性，促进我国铁路交通事业的可持续发展。