1、1固沙剂沙障方格在兰新二线铁路沙害防治中的应用研究摘要：在新建兰新二线铁路烟墩风区设置固沙剂沙障方格试验段，试验段设于兰新二线迎风侧 PE 挡风网和铁路路堤（路堑）之间，宽30m，长 1500m。沙障方格平面尺寸 1m1m。现场采用自制车载一体化喷洒设备将固沙剂溶液均匀喷洒在沙土表面，在 12 h 内形成 1015mm 的固化层，固化效果良好。通过喷洒固沙剂前后沙土表面吹蚀情况对比及固化层强度测定，固沙剂沙障方格能有效地控制近地面风沙流活动，隔断了风沙两相流的形成，固沙剂沙障方格在兰新二线铁路沙害防治中具有实际应用效果。 关键词：新型固沙剂；沙障方格；固化层； 沙害防治 Abstract：In
2、 Yandun wind area of the building Lan-xin second railway setting sand-fixing agent and sand barrier grid test, test section is arranged on the windward side of the new line of PE network and a railway embankment ( cutting ), wide 30 m, long 1500 m. Sand barrier grid plane size of 1m1m. The scene usi
3、ng the vehicle integration sand-fixation agent solution spraying equipment will be evenly sprayed on the sand surface, in 12 h formed in the 1 1.5cm solidified layer, curing effect is good. Through the spraying sand fixing agent 2sand surface corrosion blow before and after contrast and curing of th
4、e determination of strength, sand fixing agent sand box can effectively control sand flow near the ground surface activity, cut off the formation of two phase flow of sand, By spraying the surface wind erosion sand dune-fixing agent before and after contrast and solidified layer strength, sand-fixin
5、g agent sand barrier grid can effectively control the near ground wind sand flow, cut the wind-sand flow formation, sand-fixing agent sand barrier grid in Lanzhou second railway sand control with the practical application effect. Key Words: New sand fixing agent; Sand barrier grid; Solidified layer;
6、 Prevention of sand damage 中图分类号：F530.31 文献标识码：A 文章编号： 引言 新建兰新铁路第二双线全长 1776 公里，是一条横贯我国西北甘肃、青海、新疆三省区的铁路大动脉。建设工期 5 年，项目投资估算总额为1435 亿元。是中国中长期铁路网规划重点项目，为西部大开发计划新开工 18 项重点工程之一。铁路建成后，既能满足人们出行需要，又可拓宽沿线三省区及中亚等地煤炭、棉花、瓜果等优势资源的运输通道，使资源优势尽快转化为经济优势，加快西部大开发进程。对增加民族团结，加快边疆经济发展都有着极其重要的意义1。 由于新建兰新铁路第二双线要经过多个大风区，风沙危害
7、直接影响3兰新二线目前的施工安全，并对将来建成铁路的正常运行构成了潜在威胁。本研究为解决这一顽疾，提供了有实用价值的新思路、新方案。 1 目前该领域的研究现状 目前土壤的固定化技术主要分为生物固定和化学固定两类，土壤的生物固定主要依靠植被的种植以保持水土，通过植物的根系或苔藓生物膜固定土壤。而化学固定主要依靠化学固定剂来固化土壤。化学固定剂主要分为四大类：水泥浆、水玻璃类、石油产品和高分子聚合物吸水树脂类，当然也有一些其他类型的固定化材料，例如利用工业废料废塑料、棉籽酚树脂等溶解或乳化改性制备而成的固定化材料，还有以工业酒糟液、纸浆废液或草浆黑液为基础，加入各种添加剂配置而成的固定化材料，但都
8、仅处于实验室研究阶段，未能用于实用。水泥浆用于土壤固定化主要利用了其喷洒后形成的固定层具有覆盖作用，但其覆盖层同样会影响植被的恢复。水玻璃作为廉价、无毒的固沙材料使用已有将近百年的历史，但不论是过去的水玻璃浆还是增加了添加剂之后的，固结强度都不高，而且再添加了其他成分之后，有的还具有一定的毒性。使用此方式固定土壤对于植被的恢复具有一定影响。石油类产品用于固定化主要有原油、重油、渣油、沥青等，主要是在浇注表面形成固定层，但是石油类产品对于环境的亲和性极差，因而使用较少。 高分子聚合物材料是当今化学固沙材料研究的热点之一，迄今为止，先后有多家科研院所与大专院校对高分子聚合物固沙剂进行了研究，并先后
9、取得了一系列研究成果，主要有：苏鹏等研究了丙烯酸/全氟辛基甲基丙烯酸酯共聚物的合成及固沙应用，改善了固沙剂固沙层水渗透速率低和吸水率高的4缺点；杨明等对复合磺化尿素-三聚氰胺-甲醛树脂型固沙剂的合成进行了研究；姚正毅等对三种固沙剂固沙能力的进行野外试验研究，研究了三种固沙剂的性能，并验证了 DST 固沙剂的实用性等。这些研究都较好的证明了使用高分子聚合物材料作为固沙剂进行固化具有固结强度较高、吸水性好、耐水性好、固化迅速、粘结性好等优点，并且有的还具有良好的弹性和热稳定性。 2 兰新二线固沙剂沙障方格试验段概况 新建兰新铁路第二双线固沙剂沙障方格试验段设于新疆哈密烟墩风区，起止里程为 DK12
10、36+050DK1237+550，长度 1500m。沿兰州至乌鲁木齐方向线路右侧为主导风向侧，在该侧离线路路堤坡脚（或线路路堑堑顶）外 100m 处设置 PE 挡风网。在迎风侧内侧 PE 挡风网和路堤坡脚（或线路路堑堑顶）之间设置 1.0m1.0m 的固沙剂沙障方格。沙障高出地表约为 20cm。沙障宽度 30m。总面积 45000m2。 2.1 兰新二线固沙剂沙障方格试验段气候特征 烟墩风区属典型的温带大陆性气候，冬季寒冷干燥，春季多风且冷暖多变，夏季高温少雨，年降水量平均为 33.8mm，年蒸发量为 3300mm，昼夜温差大，平均日较差为 14.8，极端最高气温 43，极端最低气温-32，无
11、霜期平均 182d。空气干燥，大气透明度好，云量遮蔽少，光能资源丰富，太阳辐射年总量在 144.3-159.8 千卡/平方厘米年，为全国光能资源优越地区之一，日照充足，全年日照时数为 3303.4-3549.4h，为全国日照时数最多的地区之一。年平均风速 4.6-5.9ms，定时最大风速27-28ms。 52.2 兰新二线固沙剂沙障方格试验段地理地貌 试验段位于天山东脉北山山前剥蚀平原区，地形平坦开阔，地势略有起伏。该段因岩石风蚀作用裸露地表，形成砾质软戈壁地貌景观，试验段内人烟稀少。试验段范围内地层为第四系上更新层-全新统洪集细沙、细圆砾土，第三系古新统-始新统泥岩、砂岩、砾岩。该地段未见地
12、表水及地下水。 由于该处属于戈壁大风区，沿线主导风向为 NE、ENE，线路通过小草丘地，为固定-半固定沙丘，呈轻度沙漠化土地。起风时有风沙流活动，呈轻微风沙影响地段。地表为细沙、细圆砾土及泥岩风化层，在风力作用下，部分砂粒容易被风蚀搬运，因此本段路基应采用防风沙措施。 2.3 兰新二线固沙剂沙障方格试验段风沙流特征 固沙剂沙障方格试验段风沙流特征数据由中铁西北研究院有限公司安装的集沙仪采集。集沙仪如图 1 所示，该集沙仪由集沙器、集沙塔、地锚、底座、避雷针及测风塔等主要部件组成。相关技术标准为: 主塔高度 10 m，积沙盒每组分 8 个高度布设: 0m、0.5m、1 m、2m、3 m、5m、7
13、m、9m，底座和地锚的基础埋入深度 1.5 m，集沙器管径 20cm。 图 1 集沙仪示意图图 2 集沙量高度分布图 Figure1 Sand collecting instrument diagramFigure2 Set sediment height distribution 图 2 为集沙仪观测点集沙量高度分布图，从图中可以看出大风携沙6量的垂直分布十分明显，在 3m 以下区域随着高度的增加携沙量显现急剧下降趋势，当高度上升到 3m 以上后, 其变化趋势逐渐变缓；戈壁地区大风携沙主要在 3m 以下, 约占总携沙量的 86%左右。因此，试验段铁路沙害防止应主要集中在 3m 以下2,3,4
14、。 3 固沙剂的研制 沙土粒间孔隙大，内部排水快，蓄水量少且易蒸发失水。沙土的毛管较粗，毛管水上升高度小，地下水位较低，不能湿润表土，植物很难在表土上生长。 固沙剂以微生态学原理为基础，综合现代精细化工植物营养学、肥料学、材料学、土壤学等与微生态系统相结合的研究成果，通过在沙化土壤表面上诱导培育小生境（也称生态灶，NICHE）改变土层表面的原有性质使沙层固定化、生命化、绿色化，使沙土颗粒空隙变小，减少蒸发量。进而在开放系统中，随着时间的推移，生态群将从低级向高级发展；以此为基石建造生态绿化带5,6,7,8。 本研究选定两种在常温条件下可溶解于水中的高分子聚合物材料PLD、PLE 作为基料和一种
15、天然高分子聚合物 PLF（注：这里涉及专利，用 PLD、PLE、PLF 代替其名称）作为辅料，通过大量的试验对各种单一材料及不同比例混合材料进行性能测定，对可用于固沙剂的配方进行筛选，最终筛选出性能优良的 A、B、C 三种固沙剂进行应用性喷洒试验。 4 沙障方格的设计及草种选择 不同规格沙障的风洞试验和野外试验表明，固沙剂沙障改变了地表粗糙度，降低了风速，集沙能力和抗蚀能力随沙障方格规格的增大而下7降。沙丘不同部位，沙障的抗蚀能力不同，迎风向中下部受损程度和风蚀严重，中上部较轻，背风向则以沙埋为主。不同规格的沙障，1m1m沙障抗蚀集沙能力最强，1.5m1.5m 沙障次之，2m2m 沙障最差9,
16、10,11。 本试验沙障方格平面尺寸为 1m1m 的正方形，横断面为上底 25cm,下底 30cm，高 20cm 的梯形。沙方格堆砌采用地表原沙土。由于严重缺水，堆砌好的沙方格呈干粉状，极易扬尘且容易被踩踏破坏。 本试验选取试验段自然条件下生长良好的芦苇作为培养植物。采用挖根移植，在沙障方格堆砌过程中均匀埋植于沙土中。 5 固沙剂应用性试验研究 5.1 固沙剂配方选取及溶液配制 本次试验固沙剂采用前期研究中固沙效果好的 A、B、C 三种配方。A固沙剂溶液配制质量百分比为 0.8%，搅拌时间 1h，固化时间 24h，固化层厚度 10mm ；B 固沙剂溶液配制质量百分比为 1%，搅拌时间 1h，固
17、化时间 24h，固化层厚度 15mm; C 固沙剂溶液配制质量百分比为 1.5%，搅拌时间 1h，固化时间 12h，固化层厚度 10mm。 A 固沙剂喷洒 300m 即DK1237+250-DK1237+550 (简称 A 段)； B 固沙剂喷洒 900m 即DK1236+350-DK1237+250（简称 B 段） ；，C 固沙剂喷洒 300m 即DK1236+050-DK1236+350（简称 C 段） 。 5.2 固沙剂溶液喷洒设备 固沙剂喷洒设备采用自主研发的移动喷洒车，喷洒设备组成：载重5T 汽车一台，20kw 三相发电机一台，7.5kw 搅拌电机一台，5w 潜水泵一8台，管路若干，
18、储液搅拌罐一个。操作方式为人工喷洒作业。储液搅拌罐容量 2T，按照预定比例称重后投加固沙剂，通过流量计加水，打开搅拌电机，搅拌 1h，即可喷洒作业。现场试验喷洒流程如图 4.1 所示。 图 3 现场试验喷洒流程图 Figure 3 Field test of spraying flow chart 5.3 喷洒试验过程 2010 年 10 月-11 月固沙团队在兰新二线固沙剂沙障方格试验段进行了固沙剂应用性喷洒试验。车载一体化喷洒设备配制好溶液后，人工喷洒作业。喷洒过程如下图： 图 4 喷洒试验过程 Figure 4 Spraying test process 5.4 试验效果评估 2011
19、年 1 月、3 月、6 月、9 月底固沙团队多次到现场对固沙效果进行调研评估。对固沙剂的固化层厚度、固化层强度、沙土含水量、植被生长情况等12,13,14现场取样检查。固化层厚度用钢尺测定；固化层强度按照单位面积承重量计算；沙土含水量采用环刀法计算。试验段固化层性能如表 1 所示。A、B、C 试验段及没有喷洒固沙剂的对比段沙土含水量如表 2 所示。没有喷洒固沙剂的沙障方格被风吹蚀严重，喷洒固沙9剂的沙障方格固化层整体效果良好。 C 段固化层固化效果优于 A、B 段，但是 C 段仅有少量芦苇长出, B、C 段有较多芦苇长出。 表 1 固化层评估表 Table 1 Solidified layer
20、 evaluation table 表 2 固化层下 20cm 含水量 Table 2 Solidified layer under 20cm moisture content 从表 1 可以看出 A 固沙剂的固化层平均厚度最好，达到 17mm，但其平均强度仅为 15.30 KPa，其主要原因是 A 固沙剂溶液的质量百分比为0.8%，溶液粘度较低，粘附力不够强。C 固沙剂固化层的平均强度最好，达到 16.74 KPa，但其平均厚度仅为 10mm，其主要原因是 C 固沙剂溶液的质量百分比为 1.5%，溶液粘度过大，导致溶液下渗速率减小，固化层相对较薄；同时由于其强度过大阻碍了自然降水的下渗，致使
21、在昼夜温差及水分蒸发作用下固沙剂沙障方格底部出现裂纹；其强度过大影响了植物正常发芽生长，这也是 C 段基本没有植物生长的原因之一。B 固沙剂固化层综合性能最好，固化层平均厚度为 15mm，平均强度为 16.06 10KPa，固化层经过冬夏两个大风期的吹蚀依然完好无损。 从表 2 可以看出喷洒 A、B、C 固沙剂的试验段固化层下 20cm 沙土含水率均比没有喷洒固沙剂的对比段沙土含水率要高，其中 B 固沙剂沙土含水率为对比段的 4.4 倍。充分证明固沙剂能够减少水分蒸发，截留沙土中的水分，为植物生长提供有利条件，图 5 显示 B 固沙剂植物生长最好。 综上所述，B 固沙剂的效果最好。固沙剂溶液配
22、制的质量百分比与固化层厚度、固化层强度之间的关系，固沙剂与试验段荒漠植物的生态兼容性应作进一步研究。 图 5 固沙剂效果对比图 Figure 5 Sand fixing agent effect contrast figure 6 结论与讨论 （1）以 PLD、PLE 作为基料，PLF 作为辅料的固沙剂具有运输便利、溶液配制时间短、喷洒操作方便、渗透效果好等特点，12h 内在沙土表面形成的固化层厚度达到了 1015mm，相比以前其他研究的固沙剂而言有着固化时间短，固化层较厚，强度较高的优点。 （2）固沙剂沙障方格能够有效阻止沙土颗粒随风启动，隔断了气固两相流的形成，能有效缓解沙害对兰新二线铁路施工及运行安全的影响。（3）固沙剂方格和植物固沙的联合运用，解决了仅仅依靠固沙剂固
