1 风沙地区铁路路基设计手册
第一节 概 述
风沙地区路基是沙漠、大风、和风沙流地区路基的总称，因为它们都和风沙有关。位于这些地区的铁路路基，容易遭受风蚀或沙埋等危害；重则吹翻列车，造成车辆设备和财产的重大损失。
风沙的形成与地理位置、气候、土质和人为活动及地表植被等因素关系密切。
风沙地区的自然特征主要表现为：气候干旱、降水稀少；日照强烈、冷热剧变；风力强大、风沙频繁；植被稀少、种类单一；水资源不足、水量不平衡。
风沙路基的防护工程，主要包括两部分，即对路堑或路堤部分路基本体采取的防止风蚀加固措施和对沙丘或风沙流侵向路基一侧或两侧须采取的防止沙埋的措施。大风区路基的防护，主要是在路基迎风侧设置挡风墙（堤）等措施。
一、主要沙漠和沙地的地理位置及面积
中国沙漠总面积包括戈壁在内共有149万km2，约占全国土地总面积的15.5％，其中沙质荒漠（沙丘及风蚀地）占39.8％，沙砾及石质戈壁占38.2％，沙地占22.0％。中国主要沙漠和沙地的地理位置及面积见表17—1。中国的沙漠属温带沙漠类型，除一部分位于内陆高原外，大部分分布在内陆山间盆地中，集中分布于东经106°以西的荒漠地带，占全国沙漠戈壁总面积的90％。
二、主要沙漠和沙地的自然条件状况
科尔沁左旗后旗－通辽西－科尔沁右旗前旗－海拉尔北一线以东地区的沙漠，包括科尔沁沙地的东部和嫩江沙地，年降水量400～500mm，干燥度系数1.2～1.5，地下水埋藏较浅，一般不超过3m，湿沙层含水量＞4％，以固定和半固定沙丘为主，植被覆盖率40～60％。
定边－鄂托克旗东－包头－温都尔庙一线以东至半湿润草原地带边缘范围内的沙漠，包括毛乌素沙地和库布齐沙漠的东部，浑善达克沙地和科尔沁沙地的大部，年降水量250～400mm，干燥度系数2左右，地下水埋藏较浅，低洼地一般1～3m。以固定和半固定沙丘（沙地）为主，植被覆盖率30 ～ 50％。沙丘的干沙层厚度一般 ＜ 10cm，20cm 以下含水量一般为3～4％，含水量高的可达5％，供植物生长的有效水分为2～3％，或更多一些。
贺兰山以东至干草原地带边缘范围内的沙漠，包括浑善达克沙地的极西部、库布齐沙漠的中部和西部、毛乌素沙地的西部和腾格里沙漠的东南缘。年降水量150～250mm，干燥度系数2～4，其中浑善达克沙地和毛乌素沙地的水分条件较好，地表径流量较多，低地的地下水埋藏较浅，一般深1～3m，以固定和半固定沙丘（沙地）为主。库布齐沙漠以流动沙丘为主，占80％以上，腾格里沙漠的东南缘也以流动沙丘为主。干沙层一般厚10～20cm，干沙层下至40cm深，沙层含水量2％左右，40cm以下的含水量2～3％，雨季提高到3～4％，可供植物生长的有效水分为1.3～2.3％。
2 海 拔面 积( m )(³104km2)塔克拉玛干沙漠新疆塔里木盆地840～120033.76古尔班通古特沙漠新疆准噶尔盆地300～6004.88新疆东部、甘肃西部、罗布泊 低地南部、阿尔金山北部柴达木盆地沙漠（包括风蚀地）巴丹吉林沙漠内蒙古阿拉善高原西部1300～18004.43腾格里沙漠内蒙古阿拉善高原东南部1400～16004.27内蒙古阿拉善高原东北部、黄河河套平原西南部内蒙古鄂尔多斯高原北部、黄河河套平原以南内蒙古鄂尔多斯高原中南部和陕西北部浑善达克内蒙古高原东部的锡林郭勒盟南部（小腾格里）沙地和赤峰市西北部科尔沁沙地东北平原西部的西辽河下游100～3004.23呼伦贝尔沙地内蒙古东北部的呼伦贝尔平原6000.7212002.14库布齐沙漠1000～12001.61毛乌素沙地1300～16003.21青海柴达木盆地 2600～34003.49乌兰布和沙漠10000.99 表17—1 主要沙漠和沙地的地理位置及面积沙 漠 名 称地 理 位 置库姆塔格沙漠1000～12002.28
贺兰山以西广大沙漠区，包括腾格里沙漠的绝大部分、巴丹吉林沙漠、柴达木盆地沙漠和新疆地区的部分沙漠，年降水量＜150mm；局部地区甚至年降水量＜50mm，蒸发量一般2500～3000mm,干燥度系数4以上。靠东部的沙丘迎风坡的干沙层厚度10～40cm，背风坡50cm，湿沙层含水量在旱季为1～2％，雨季时增至3～4％，河西走廊西部，沙丘迎风坡干沙层厚40～70cm，湿沙层含水量＜1.5％。除沙漠边缘或河流与湖泊边缘分布一些固定和半固定沙丘外，绝大部分为活动沙丘。
包括哈密、鄯善和吐鲁番地区、库姆塔格沙漠的大部、塔里木盆地沙漠（除部分边缘区的沙漠），年降水量＜50mm，甚至＜20mm，蒸发量＞3000mm，甚至达4000mm，干燥度系数＞32。除了一些绿洲附近的沙漠为固定或半固定的沙丘外，绝大部分为活动沙丘。沙丘的干沙层厚度＞1.5m。
三、主要沙漠和沙地所处气候大区的划分指标
中国主要沙漠和沙地所处的气候大区，包括亚湿润、亚干旱、干旱和极干旱区，其划分指标见表17－2及表17－3。
3 气候大区年干燥度系数自然景观气候大区年干燥度系数自然景观B亚湿润1.0～1.6B亚湿润1.0～1.6C亚干旱1.6～3.5草 原C亚干旱1.6～5.0草 原D干 旱3.5～16.0半 荒 漠D干 旱5.0～15.0半 荒 漠E极干旱＞16.0荒 漠E极干旱＞15.0荒漠戈壁 表17—2 气候大区划分指标表17—3 青藏高原气候大区划分指标
注：摘自铁道部第一勘测设计院《铁路工程地质手册》，中国铁道出版社，1999年。
干燥度系数 K干 = E/r
E —— 可能蒸发量。等于0.16∑t ，∑t 为日平均温度稳定≥10℃期间的积温；
r —— ∑t统计期间内的降水量。
四、风沙地区特征及其对铁路工程的危害
由于风况、沙源、地形、地貌及地质条件等的差异，因而对铁路工程的危害程度不一，采取的防治对策也不一样。
（一）沙漠地区
指沙丘覆盖的沙质荒漠带。风积地貌一般有沙地（又称平沙地）、灌丛沙丘、新月形沙丘和沙丘链，以及沙垄等。风蚀地貌一般有风蚀洼地、风蚀垄槽（雅丹地貌）和风蚀残丘。沙源丰富，气流含沙量大。铁路主要选择其边缘区的局部地段通过，以减少其危害。
（二）风沙流地区
风沙流是指含有沙粒的运动气流。沙粒运动的粒径大小、运动形式、跃移高度等与风力大小、下垫面性质等有关。据观测：沙漠地区，粒径＞0.5mm（特别是＞10mm）的颗粒大都是滚动的（或滑移蠕动），约占全部运动沙量的1/4；粒径＜0.05mm的颗粒呈悬浮状态运动，不到全部运动沙量的5％；粒径在0.05～0.5mm之间的颗粒呈跳跃式运动，一般约占全部运动沙量的70％以上。在大风地区，粗砂和细砾石也可跳跃前进。沙粒跃移高度与粒径、下垫面性质及风速等有关，一般在土质地表，沙粒跳跃高度低于30cm；在沙质地表，70％的沙粒跳跃高度低于9cm；在砾石地表，跳跃高度较高，达60cm左右；如在大风地区，可达2～3m。跃移颗粒的初始运动轨迹几乎垂直向上，离开地表后，沙粒以巨大速度旋转（每秒300～900转），沿风力与重力合成方向运动，与水平线呈10°～ 20°的角度下落。当10m高度处的风速为15～20m/s时，沙粒跃移距离为：沙质地表3～4m，卵石地表为5～6m。
沙粒开始起动的临界风速称之为起动风速，与沙粒粒径、地表性质等多种因素有关。不同粒径起动风速经验值列于表17—4中，粒径增大一倍，起动风速平均增大32％。
铁路防沙工程主要是截住跳跃颗粒和滚动颗粒，悬浮颗粒难以防止。如果营造防沙林带，尤其是较大面积植树造林，可遏止部分悬移颗粒，减小其危害程度。
1.戈壁风沙流地区
戈壁系指由砾石土、碎石土组成的平地。其中系残丘起伏的石质剥蚀平原，称之为石质荒漠；若系洪积—— 冲积的山前平原，称之为砾质荒漠。但这两种荒漠，常交替存在，靠近剥蚀残丘，
4 沙粒粒径（mm）附 注 0.10～0.25 4.0（3.8）
0.25～0.50 5.6（5.3）按地带：1.括号内数字，采用的 0.50～1.00 6.7（7.0）沙漠地区的松散浮沙4.0 较少； 1.00～1.25 7.1（9.1）山地积沙6.0～6.5 1.25～2.50(15.2)半固定沙丘6.0～7.02.地带的起动风速，包 2.50～5.00(20.3)夹沙较多的砾石戈壁7.0 括粒径、密实程度等， 5.00～10.00(25.4)夹沙较少的砾石戈壁12.5～14.5 是综合值。10.00～20.00(33.9)起动风速（m/s，离地面2m高处) 表17—4 起动风速与粒径的关系
以石质荒漠为主；远离残丘，主要为砾质荒漠。一般石质荒漠的细颗粒土的含量少，在风的吹蚀下，气流含沙量很少，对铁路工程带来的危害也小。而砾质荒漠，经过洪水搬运，常混杂30～40％细颗粒；尤其是假戈壁，表面有一层较薄的砾石，其下为砂类土或细粒土层。在风的吹蚀下，常形成风沙流。因而在树株旁有蝌蚪状积沙，在陡坎下有堆状积沙，一般没有大的沙丘。如果戈壁上无任何阻碍物，地形较平坦，这些积沙也不存在。这种风沙流一般称之为过境风沙流，风力较大，气流含沙量较少，沙粒弹跳的高度大。如果远方有沙源，对铁路工程带来的危害较大；如果远方无沙源，只要不破坏粗化地表，对铁路工程带来的危害较轻微；如果一场大的洪水，将细颗粒带至铁路附近，可以造成较大的沙害。
2.大风区的风沙流地区
基本特征与戈壁风沙流地区相似，但风力更为强劲，最大风速达40m/s以上，大风出现的次数多（8级风出现日数占全年日数的23％以上），延续时间长，一般1～2天，多则4～5天，当出现暴风时，轻则损坏建筑物和设备，重则造成人员死伤、列车颠覆，或者酿成火灾。气流除携带沙粒外还有砾石，形成强劲的风沙砾石流，在地表常有砾浪景观。其沙量与沙源有关，如远方有沙源，一次大风，积沙埋轨高达1m余。
新疆地处亚洲腹地，经常受西伯利亚冷空气南下的影响，当寒流进入新疆准噶尔盆地后，受到天山山脉的阻挡，山脉垭口成为南下气流的天然通道，故有大风口之称。风口大风的主要特征是风速大、持续时间长、风向稳定，全年＞8级风的天数超过180天，常年瞬时极大风速达40m/s。列车车辆在强大横向风力作用下，使车体向一侧倾斜，车体的稳定力矩减小，当稳定力矩小于倾覆力矩时，就会发生翻车事故。
五、沙丘或平沙地活动程度
（一）固定沙丘或平沙地
植被或其它覆盖物（如黏土结皮、盐结皮）的覆盖度在40％以上，风沙活动不显著。
（二）半固定（半流动）沙丘或平沙地
植被或其它覆盖物的覆盖度在15～40％之间，流沙呈斑点状分布，有较显著的风沙活动。半固定沙丘一般指活动沙丘向固定方向发展；半流动沙丘一般指固定沙丘向活动沙丘方向发展。
（三）活动沙丘或平沙地
5 植被或其它覆盖物的覆盖度＜15％，植被稀疏，甚至沙面裸露，风沙活动频繁。
沙丘移动速度主要取决于风速和沙丘本身的高度。据R²A拜格诺的研究：假设沙丘在移动过程中，形状保持不变，沙丘的沙粒不增加不减少，迎风侧的沙粒堆于背风侧，则沙丘在单位时间内前移的距离D可以下式表示：
HDQ （17—1）
式中 Ｄ —— 沙丘在单位时间内前移的距离（m/h）；
Q —— 输沙量。单位时间内通过单位宽度的沙量（t/[m﹒h]）；
Ｈ —— 沙丘高度（m）；
ρ —— 沙的密度（t/m3）。
六、风沙危害程度分类
风沙危害程度是设置铁路两侧风沙防护工程的重要依据之一，划分为以下三类：
（一） 严重风沙地段
大面积（＞10km2）的高大、密集流动沙丘、风沙流动频繁的地区；大面积稀疏、低矮流动沙丘，沙丘年移动大于10m；风力强大（常年有10级以上大风）的严重沙漠化土地地段；沙源丰富的山口及输沙量＞10m3/[m²年]的戈壁风沙流地带。
（二） 中等风沙地段
大面积半固定沙丘和部分流动沙丘为主的地区，其中沙丘年移动5～10m；风蚀明显、沙层疏松、深厚的沙地及中度沙漠化土地；输沙量为5～10m3/[m²年]的戈壁风沙流地带。
（三） 轻微风沙地段
半固定沙丘地区有零星的流动沙丘分布；植被遭受破坏，大风时有风沙流活动；轻微沙漠化土地；输沙量＜5 m3/[m²年]的戈壁风沙流地带。
七、铁路路基沙害
（一） 沙害类型
1.风蚀
沙漠地区的路堤，当采用当地的粉细砂填筑，易遭风蚀。风力对路基的风蚀，可分为吹蚀、磨蚀与掏蚀三种作用。吹蚀是风力直接带走填料颗粒；磨蚀是气流中挟带的沙粒冲击填料颗粒，甚至钻入孔穴内旋磨，以致使土体局部被掏空，加速风蚀程度；掏蚀是气流因遇障碍物或地面形状突变和不平整而产生涡流，卷走细小颗粒，使较大颗粒失掉稳定性而滚落于坡脚。一般迎风坡上部以吹蚀为主，路肩被吹蚀成浑圆状，坡面有吹蚀槽，在边坡下部1/5～1/4边坡高度范围内不遭受风蚀。背风坡以掏蚀为主，从路肩开始风蚀，风蚀物大部分堆积于坡脚，少部分被风带走，边坡下部1/4边坡高度范围内一般不遭受风蚀。风蚀常使路肩宽度不够，严重者轨枕外露，影响行车安全。
在沙丘或沙地开挖的路堑，或者含有易风蚀土层的路堑，坡面风蚀均较严重。
大风地区的风蚀现象更为严重，不仅粉细砂填筑的路堤需进行防护，而且采用砾石土和泥岩、泥灰岩、砾岩等软质岩碎块填筑的路堤，亦需进行防护。
2.沙埋
风沙地区的道床积沙是普遍现象，轻则道砟空隙贯入沙粒，道心有少量积沙，造成道砟不洁，给铁路上部结构带来一系列危害；重则积沙掩埋轨道，当积沙超出轨顶3cm以上，就可能引起机车