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摘要：本文以格库铁路机械植草固沙为研究对象，通过实地调查、测试和资料分析相结合的方法，综合评价该工艺的施工对质量、成本、工期收到了经济效益和社会效益。

关键词：高海拔寒冷 机械化 草方格固沙 施工技术

前言

随着“一带一路”的战略实施，我国西部公路、铁路等基础设施建设将进一步加大，高原寒冷干旱风沙地区铁路固沙的研究与技术开发，将成为铁路交通等建设领域的重点课题。同时对完善我国西北铁路网骨架、促进柴达木盆地和塔里木盆地石油天然气资源大规模开发具有重要意义。因此开展青藏高原寒冷干旱地区固沙技术研究是保障铁路运营安全的重要因素，提出有效风沙防护措施，并为今后类似工程施工提供借鉴和参考，具有非常重要的科研价值与现实意义。同时也为以后类似工程设计、施工提供了参考依据。

本文将结合格库铁路机械草方格固沙施工的实例，就高海拔寒冷戈壁地区机械草方格作简要阐述。

1 工程概况

新建铁路格尔木至库尔勒线（青海段）工程先期开工段站前工程GKQHZHQ3标段，起止里程为DK88+600～DK176+950，总计88.35公里。项目属高原干旱柴达木区，气候异常干旱、寒冷、多风少雨，昼夜温差大。年平均气温2.9℃～6.4℃，极端最高气温32℃～35.5℃，极端最低气温-30.1℃～-34.3℃，年平均降水量28.4～44mm，年平均蒸发量1801.7～2739.3mm，每年2～9月为风季，主导风向以西风、西北风为主，年平均风速2～3.5m/s，最大风速21.3～29.2m/s，年平均八级以上大风日数6～43天; 大于起沙风速（约5m/s）的风经常出现。土的最大冻结深度100～250cm。

目前国内针对方格固沙带进行施工的方式，主要采用人工施工， 这些采用人工施工方法效率低、随着人工成本的提高、原材料消耗大，而且只能小区域进行，针对格库铁路沿线600万m2的芦苇草方格的巨大工程量来说，人工进行施工简直就是杯水车薪。且本项目地处青藏高原，人工施工效率低下、施工费用高，采用传统的人工施工方法已经不能满足当前高速发展的要求，因此对草方格采用机械化施工技术的研究对于本项目成本、工期是很有必要性的。

2 路基、路堑积沙机理分析

当风沙流遇到铁路路基时，平坦的输沙场遭到破坏，风沙流受到铁路路基的阻挡，其结构、性质都将发生变化，风速降低，携沙能力下降，形成超饱和风沙流，在线路附近的弱风区发生卸载，形成积沙，造成线路沙害。在迎风侧一定范围内贴地层气流有明显的减速，路基愈高愈陡，减速愈大;路基坡脚风速最小，由坡脚向路肩逐渐增大，路肩处风速最大。气流抬升翻过路堤面时，因气流扩散，背风侧风速由上向下递减，部分沙粒从气流中跌落堆积，积沙厚度从路肩至坡脚响应增加。

当路基小于3m时，铁路对风速的影响相对较弱，风沙流依然为不饱和流，风所携带的沙粒沉积量相对较少;

当路基为3m--6m时，由于坡脚风速减弱明显，气流爬坡时风速增大不明显，不仅在坡脚吞口坡中，甚至在路肩和部分路面上也产生积沙;

当路基大于6m时，由于路面处于风速明显增大的区域，因此，轨道面上很少产生积沙，而背风坡积沙较多。

风沙流通过小于3m路堑时，背风侧的边坡上风速降低，而在迎风侧的边坡附近产生涡旋气流，由于本地区风速较大，风速降低的幅度很小，所以积沙量很小;

当路堑为3～6m时，即存在减速区，又产生较弱的旋风气流，当风沙流通过路堑时，在背风侧的边坡附近产生积沙。

当风沙流通过大于6m的路堑时，将产生较强的旋风气流，阻止着沙粒的沉积，故在大于6m的路堑中，出现积沙的几率小于3-<6m的积沙。

3 沙害的特征

1、沙害的普遍性

从理论上讲，沙漠地区的交通线路都会受到风沙危害，除非建立了完善的防护体系，否则沙害不可避免。因为任何地方的风成沙都会在风力的作用下而形成风沙流，在风沙流发育及其形成的路径上发生迁移，而铁路的建设则形成了对风沙流的阻碍，在风沙流的前进方向上设置了不透风障碍物，使得风沙流迁移受阻而堆积。

2、沙害的累加性

铁路沙害并不是发生在铁路的每个地段，而是有一定的规律性。路边有灌丛植物生长，有弃土，边坡起伏不平、粗糙度较大;路肩不整洁往往会造成舌状积沙，当路面出现积沙以后，沙堆就会成为风沙流运行的障碍，其结果是沙堆越积越大，逐渐形成沙害，这就是沙害的累加性。

3、沙害的分散性和随机性

从理论上说，沙害可以出现在沿线的任何一个路段。但是由于每个地区沙源的多寡、沙丘的高度和类型、沙丘移动的速度、植被盖度等条件不同，即使是很强劲的一场大风过后，也不是所有的路段都会积沙，每次大风过后出现沙害的地点也不一样，因为每次大风吹刮的方向、出现的季节、持续的时间都有一定的变化，造成的结果也不一样。

4、沙害的季节性

受季节性风速大小、植被返青等季节性因素的影响，风沙流呈现出明显的季节。查询当地气候历年资料可知，格库铁路沿线风沙一般以4～7月为主。而此时地面植被没有返青，地面常成裸露状态，因而，常常在一场大风过后在路面上形成舌状积沙、片状积沙或堆状积沙。7月过后，风速下降，一则地面植被增多，粗糙度增大，使得风沙流在其前进方向上受到较大的阻力，从而使风沙在沿程中沉积减少了对铁路的危害。

4 高原寒冷戈壁地区草方格沙障固沙工程施工技术

4.1 草方格沙障防风固沙的机理和作用

在新设置的草方格沙障上，当气流或风沙流经沙障时，均有涡旋产生，并伴有积沙现象。过充分蚀积，最后形成较为光滑凹曲面，草方格沙障是用芦苇材料，在流动沙丘上扎设成方格状的挡风墙，以削弱风力的侵蚀。

1）改变防护区土壤含水量在草方格沙障防护施工完成后的前期，草方格会积聚部分降水，使防护区土壤含水量增大，有利于草方格沙障间植物的生长。

2）增大地表粗糙度，削弱近地面层风速  地面铺设芦苇沙障方格网改变了近地面性质的第一个反映是加大了地面粗糙度，转化风沙运动条件，阻滞近地面层的风速。

3）导致草方格沙障内气流场地和地表形态变化从沙丘上设置沙障地段的剖面来分析，在新设置的草方格沙障上，当风沙流经时，均有旋涡产生，有积沙现象。经过充分蚀积作用，最终形成光滑而稳定的凹曲面。由这种凹曲面组成的有规则纹状的下垫面，由于凹槽内回流的存在。对其顶部气流具有一种升力作用，通常称为这种小型浅槽的“升力效应”。既能保证在强风时沙面自身不起沙。又能使气流中挟带的少量外来沙物质被升气流搬运过境，不产生流沙的堆积。

4.2 机械植草施工技术改进研究

4.2.1 主要设备选型及高原适应性改造

立体固沙植草主要设备的特点见下表，经分析比较，适合本地区深层搅拌机设备的为多功能立体固沙车，项目通过引进LGSV220型多功能立体固沙车进行施工。基于普通立体固沙车改进及相应固件升级，通过现场首件试验证实：设备改进后加固效果良好，植入深度、线形、芦苇厚度等重要指标均满足设计要求。

（1）LGSV220型植草固沙车工作原理

传统LGSV220型搅拌机由牵引装置、液压系统、电气系统和工作装置组成，固沙机工作时通过超声波探测器采集高度数据 ，并传输到EPEC2038中央控制器，经数据中枢对采集数据的分析和处理后，将结果编译成信号命令传送给电磁阀，再由电磁阀控制液压系统完成压轮压草的所有动作。

沙漠固沙压轮机构的智能高度控制系统由超声波测距传感器和牵引控制系统两大部分组成。超声波测距传感器利用超声波原理测量地表的髙度变化 ，再通过牵引控制系统的控制器处理超声波传感器输人的信号，然后计算出送草机构和压草机构的升降高度，并将其输出到液压系统后进行高度的自动调节。送草机构将草帘输送至地面的同时草帘与压轮机构的压轮接触，由液压控制系统调节压轮将草帘压人地面一定的深度。由于沙漠中地形不平整 ，为了保证压轮压草深度的均匀性，在压轮上安装的动力系统采用智能高度控制系统，该高度控制系统进行髙度探测时将采集到的信号发送给中央控制器 ，由中央控制器进行数据的分析处理，并将分析处理后的数据结果编译成数据命令反馈给电磁阀，通过液压缸实现压轮的升降动作，完成压轮的智能升降运动，从而完成草沙障的均勻铺设。

（2）LGSV220型植草固沙车存在不足：

1）人工配合铺设材料，容易造成材料铺设不均匀从而导致芦苇植入厚薄不均匀。

2）局部地段土质较硬，压轮阻力大，从而导致施工进度慢，也会导致芦苇植入深度不均。

由于本项目有效工期十分紧张，草方格固沙工程量巨大，LGSV220型固沙设备不能满足施工需要。因此，施工机械设备的改进，是保证本项目按质按期完成的决定因素之一。

针对LGSV220型植草固沙车进尺速度慢、施工质量不稳定等不足，经过科研课题小组与厂家试验研究，提出改进措施如下：

1）增设承料装置，自动铺设草料;

2）送料装置前方设置松土及喷洒设备，使原材料软化增加韧性，保证草方格植入深度和外露高度。

4.2.2 原材料的选定及准备

（1）草料的处理

根据固沙机的设计规格，考虑到固沙区域常见的固沙资源并结合当地实际情况选择材料。在我国西北区域的常规固沙作业中，固沙材料以芦苇居多。

（2）原材料选用

在原材料的选用上要求芦苇不能有发黑、腐烂及变朽等缺陷，要韧性好且强度高。稻草、麦草长度不小于 350 mm，编制草帘时采用聚酯P te薄膜带或BOPP薄膜带做成的编织线，也可以用直径 2 mm左右的尼龙线等强度较高的编织线。

（3）草帘编织

为了保证草沙障的孔隙度并提髙固沙机的铺设效率，甘肃建投研制的LGSV220型植草固沙车设备（第一代立体固沙机和第二代单项牵引式固沙机）采用的是经过草帘编织机编织成的草帘子。以芦苇为原材料的单一型草帘要求编织宽度为550 ～ 600 mm，厚度为 5 ～10 mm，草帘以链式线迹进行编织且草帘中的编织线不得少于 4 根 ，通常以 6 ～ 7根 为 宜 ;以芦苇杆为主要材料，掺加稻草、麦草等辅材编织的混合型草帘要求编织时芦苇杆和辅材的掺加质量比约为3： 1，其他要求同上。最后编织而成的草帘长度为12 000 mm，单捆质量不大于20 kg。

4.2.3 固沙施工

（1）机械施工草方格的施工方法

1）草方格编织

立体固沙车作业前，将芦苇切割成设计的标准长段，用草帘编织机将散芦苇杆或稻草编制为草帘，并用水润湿芦苇帘，防止固沙机将压入沙层的芦苇帘压断时和横向作业时压倒。

与人工施工芦苇草方格相比，增加了编织这一道工序，这样可以从源头上解决芦苇长度的不足的问题，编织后的芦苇透风性更小，能够更好的降低地表的风速，以达到减缓地表积沙流动的速度，从而更达到治沙的效果。

2）草帘施工

在储料箱里进行草帘的铺设工作时，由草帘装配工将草帘均勻铺设在储料箱内，铺设采用串联Z 字形 ，而且需要将相邻两捆草帘的首尾连接在一起。

3）芦苇沙障施工

立体固沙车作业前，将草帘装入固沙机草料输送箱，检查固沙车安全后开始纵向作业，草帘通过输草机构经压草机构压入沙地，固沙机有三个压轮可以同时工作。当纵向压草作业完成后，再进行横向压草作业。

与人工施工植入草方格相比，固沙车直接将编织后的草帘通过压草机构的液压设备直接压入沙里面，而人工施工则需要先将沟槽开挖出来，而后将散芦苇平放至沟槽上，用钢管（钝仞平头铁锹）在草中部用力将其对折压入已挖好沟槽的沙层内，拥沙扶直后将钢管抽出，再用脚将草带两侧的沙踩实。两者相比机械施工时采用的是液压设备，植入深度能够保证，人工施工的工序较多施工进度慢，且沙的流动性较大，开挖完沟槽后容易溜滑里，从而植入的深度不能保证。

在草沙障施工过程中需根据施工地区的地形地貌条件选择施工方案。已有的牵引式固沙机可以铺设 1 m x l m的草方格。根据不同的坡度和风向等因素可将铺设方式分为带状铺设、菱形状铺设和正方形状铺设。

5 项目实施中的管理经验与做法

1、高原寒冷地区施工有效工期短，做好准备工作非常重要，如在冬季施工准备好用电用水条件等。

2、由于施工有效工期短，战线长，需要科学规划原材料场地储存区，确保现场有序施工，是管理的重点。

3、由于形成沙丘地段施工难度大，施工周期长，先施工沙丘地段地段的草方格沙障对总体工期十分重要。

6 结束语

高原寒冷戈壁地区机械植草固沙工程施工，由于处于低气温、低气压的施工环境中，比之一般地区施工存在效率慢等均需采取特殊措施。本文通过传统工艺对比、现阶段植草设备改进等方面系统论述了高原寒冷戈壁地区机械植草固沙工程的施工，确定了施工参数与检验方式，有较高的可操作性，基本解决了高原寒冷戈壁地区机械植草固沙工程施工关键技术，无对生态大面积进行扰动，达到了预期目标，在格库铁路项目风沙治理的试验和应用取得了显著成效。

随着国家“一带一路”战略的实施和党的“十九大”提出的关于“加快生态文明体制改革、建设美丽中国”的精神要求，进一步加快荒漠化治理是必然趋 势。我国荒漠化土地主要分布在新疆、内蒙古、甘肃、青海、陕西、宁夏、河北、山西、西藏 等 9 个省（自治区），对荒漠化地区公路、铁路沿线的风沙防治任务对完善我国西部地区尤其是甘肃、青海和新疆省区的公路铁路网结构，进一步推动丝绸之路经济带战略和甘肃、青海、新疆等省区经济社会发展，促进沿线地区经贸往来和资源开发等方面具有重要意义。此外，“ 一带一路”沿线国家多数处于沙漠地带，需要开展大量防沙治沙工作，因此机械化固沙更显得尤为重要。在某种意义上，治理土地荒漠化是成 功实施“一带一路”战略必须逾越的一道屏障。未来，机械化治沙技术将在国内更多的沙漠和公路、铁路沿线，以及“一带一路”沿线受荒漠化影响的国家得到广泛应用。

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