乌吉线化学固沙防护工程试验研究

李天池 高海霞

中国铁路呼和浩特局集团有限公司乌海工务段 内蒙古乌海市 016000

摘 要：根据乌吉线自然条件及风沙危害情况，提出采用化学固沙防护工程整治沙害方案，并从可行性及防沙效益做出评估，结合生物、化学、工程固沙措施，形成“化学一生物一工程”固沙综合技术，弥补单独固沙措施的缺陷,建立完整的综合防护体系，实现低成本植物建植，增加植被覆盖度，改善局部气候条件，消除风沙埋道次数，降低机械清沙和维修中人工清沙费用，节约成本，提高线路质量，保证安全运输。

关键词：乌吉线；沙害；防治；化学固沙剂；植物生长；固沙综合技术

1 研究背景及意义

1. 1. 研究背景

乌吉线（乌海西-吉兰泰）位于乌海市和阿拉善盟境内，为出运吉兰泰池盐、古拉本无烟煤及运输阿拉善盟生产生活物资的二级专用线，全线长130.23km。1967年运营通车，沙害一直是影响行车的主要因素，给线桥设备带来严重损害，正常维修养护工作困难。风沙造成道床沙化板结、钢轨及轨件锈蚀、低接头、风沙拱道等病害，部分桥涵被积沙堵塞失去泄洪能力。截止2021年初统计，乌吉线沙害区段32处78.9km,其中一级沙害22km（图1）,二级沙害24.7km，三级沙害32.2km，累计发生风沙埋道11000次以上，造成列车脱轨50次。我段防沙工作者一直不断探索寻找有效防沙治沙途径，有针对性地采取了大量工程防沙固沙措施，如对路基平铺砾石、人工直播草籽夹砂石覆盖、在路基两侧栽植防沙网格、设置防沙障、铺设防沙网袋等方法，起到了一定的防护效果，基本维持了乌吉线的运输畅通，但普遍存在一定的缺陷，防沙效益不能发挥到最大，每年仍要花费大量的人力、财力、物力来维修。为弥补单独使用化学固沙、生物固沙和工程固沙的一些缺陷，结合了“生物-工程”措施，形成“化学一生物一工程”固沙综合技术，建立完整的综合防护体系，实现低成本植物建植，增加植被覆盖度，改善局部气候条件，消除风沙埋道次数，降低机械清沙和维修中人工清沙费用，节约成本，提高线路质量，保证安全运输。

图1

1. 2. 研究现状

工程固沙见效快，固沙效果好，但使用时间短，容易失效，属治标。生物固沙没有沙障的保护，很难成活，即使存活，在一至两年内也会因为流沙蚀积而相继死亡，虽见效慢，但使用时间长，固沙效果好，综合考虑应标本兼治,并要通过治标来保证治本。化学固沙可机械化施工，简单快速，尤为适宜于环境恶劣、降雨量稀少。包含沙地固结和保水增肥两方面，与植物固沙相结合可明显提高植物成活率。但野外试验表明，当干旱、降雨量极少年份,植物种籽难以出苗,而形成的沙面固结层由于得不到有一定高度的植物的保护,其局部的破坏易变成较大面积风蚀,则“化学-生物”固沙综合的优势难以体现。

所以本研究采用工程-生物-化学措施相结合的方式，首先实施工程措施，在尽快减轻线路沙害的同时，为植物的生长创造相对稳定的环境，然后在工程体系内栽种植物、播撒草籽，同时喷洒化学固沙材料。当工程措施使用到一定年限至失效的过程中植物覆盖度增加，可以逐步代替工程措施，工程措施、化学措施与生物措施三者相辅相成、相互补充，大大提高了化学固沙材料的固沙效果、植物的成活率，弥补了单独使用化学固沙、生物固沙和工程固沙的一些缺陷,是一种高效、长期、实用的固沙方法。

与化学固沙剂结合的生物、工程固沙综合技术虽能弥补上述缺点，但固沙成本稍高。固沙剂的效果和浓度至关重要，化学固沙剂的浓度随着固沙材料浓度的增加,固沙效果越来越好,作用越来越明显,但浓度用量太大,一会造成固沙成本的迅速增加,二会因固结面太厚造成渗水性能差、植物种籽生长困难等不良影响,所以应采用适当的固沙材料浓度、固结面厚度。本研究采用绿科五号生态固沙剂是一种新型高分子聚合物，无毒无味、安全环保、结合性和凝聚性较好，常温下能与水按任何配比互溶。乌吉铁路砂样主要试验结果表明：乌吉铁路沙地pH呈中性、可溶性盐含量较低、有机质非常低，为薄沙地成功固沙的可能性较大，为乌吉线铁路防沙治沙提供新思路和新方法。

1. 3. 研究内容

1.3.1不同浓度固沙剂的固沙效果

采用浓度为2.0%、3.0%、4.0%、对照组CK（清水）的固沙剂喷洒试验,对固沙试样的固结层厚度、固结层抗压强度、固结层硬度、固结层质量进行测定，确定不同浓度固沙材料的固沙性能。

1.3.2不同浓度固沙剂对植物生长的影响

出苗率、植物保存、植被覆盖度以及生物量观测。

1. 4. 研究方法

1.4.1固沙试验设计

试验区布置于距钢轨外侧≥5米处HDPE网格内。选取乌吉线建植中先锋植物种，对白刺、沙蒿、杨柴、花棒种子，以撒播方式播种（图2），每个播种区之间预留1.0m的观察通道。播种后，使用喷雾排在沙地表面分别喷洒浓度为2.0%、3.0%和4.0%的固沙剂(固沙剂喷洒设备采用采用高压扇形喷雾排进行喷洒覆盖)，对照组CK喷洒清水。（图3）

图2 图3

1.4.2固沙剂力学性能现场测试

在不同浓度固沙剂试验区，随机选择面积100cm²的10个测点并标记固定，从2020年6月份开始至2021年3月份，定期观测固结层厚度（电子游标卡尺测量）、固结层抗压强度（1185型万能材料试验机测量固结层破碎时的最大承受压力）、固结层硬度（硬度计测定）、固结层质量（EJ-610天平）。

1.4.3固沙剂对植物生长的影响

固沙剂的实用性与效应，很大程度上取决于其对植被恢复的影响，通过出苗率、植物保存、植被覆盖度以及生物量4个指标，分析固沙剂对植物生长的影响。在不同浓度固沙剂喷施区域，均随机选取3个样方（1m×1m）并标记固定，对植物发育生长情况进行持续观测（图4）。出苗率统计，每天记录不同播区种子出苗情况，等种子不再出苗，再统计种子萌发数，计算出苗率。试验期每个月对样方植物数量进行统计，计算植物苗保存率。

图4

2 结果与分析

2.1 固沙剂对沙面固结层厚度和抗压强度的影响

不同浓度的固沙剂喷洒到沙面后，随着水分的蒸发，固沙剂与沙粒在表面形成了固结层。固结层的厚度和抗压强度如图 1 所示。图 5 表明不同固沙剂浓度下，各固结层的厚度和抗压强度均存在显著性差异（P＜0.05）。随着固沙剂浓度的增大，其固结层的厚度和抗压强度显著增大。在厚度方面，质量分数为4%的固沙剂形成的固结层厚度为 4mm，在抗压强度方面，质量分数为4%的固沙剂形成的固结层的抗压强度高达1.2 MPa，显著高于其他质量浓度（P＜0.05）。对照处理由于沙粒之间几乎没有黏结力，没有形成固结层。

图图5 不同固沙剂浓度处理下固结层厚度和抗压强度

2.2 固沙剂对沙面固结层质量和硬度的影响

硬度是衡量固沙剂力学性能的重要指 标。试验观测结果显示，随着固沙剂浓度的增大，其固结层的硬度和质量显著增大。固结层的硬度大于 40.0 mm，表面均可站人，其中 4.0%浓度质量、硬度均为最大。随时间推移，进入冬季，随着固结层含水量降 低，固结层质量也有所下降。

图6 不同固沙剂浓度处理下固结层质量和硬度

2.3 固沙剂对植物种子萌发及其幼苗生长的影响

由表 1 可知，固沙剂对白刺、杨柴、花棒种子的出苗时间没有明显影响，但加快了沙蒿种子的出苗时间。随着固沙剂浓度的增加，沙蒿种子的出苗率均表现为先升高后降低，其中，固沙剂质量分数为 3%时达到最大值为25.8%，显著高于其他浓度（P＜0.05）。从幼苗长势来看，固沙剂促进了沙蒿幼苗的生长，3%沙蒿幼苗长势明显好于低浓度。

沙土上施用一定的固沙剂后可以影响沙土的紧实度，适当的固沙剂施用量可以促进柠条作物根系的穿孔和生长，但施用量过大后，沙土中沙粒粘结成大的团聚体，固结层抗压强度增加以及固结层增厚，排列整齐紧密；且施用量大固沙剂自身对水分的需求也相应增加，与沙蒿种子进行部分的水分争夺，最终造成沙蒿种子出苗难。

表 1 固沙剂对植物种子萌发及其幼苗生长的影响

3 结 论

固沙剂喷洒到沙样表面后，在水分的作用下，一部分的固沙剂填充到沙粒孔隙中，剩余的部分则留在沙粒表面。大分子物质包裹在沙粒表面周围产生黏结力，使沙粒相互胶结，形成固结层，固沙剂的浓度越大，形成的固结层厚度也越厚，抗压强度也越大。沙粒表面固结层的形成对于流沙的固定至关重要，抗压强度是固结层力学性能的集中反映，本课题研究结果表明，抗压强度与固沙剂的用量成正比，固沙剂的用量小，形成的固结层松散，抗压强度小；而当固沙剂的用量过高时，形成致密的固结层，抗压强度大，但会阻碍水分的入渗。

固沙剂形成的固结层具有良好的渗透性，能与生物固沙相结合。植物种子的萌发需要一定的水分条件，固沙剂良好的吸水性和保水性，能够在短时间内吸收大量的水分，为种子的萌发提供了良好的水分条件，促进沙蒿种子的萌发及其幼苗的生长。随着固沙剂浓度的进一步增加，沙蒿种子的出苗率和幼苗高度反而降低，这可能是由于固沙剂浓度大而形成了致密的固结层，不利于植物幼苗根系的生长，并且导致下层土壤光照强度降低，影响了种子的萌发。多年来，我国在流动沙丘上实行扎麦草方格、栽植灌木的方法防风固沙，而各种单一的固沙措施都有其特点和局限性。工程固沙虽快速有效，但成本高且与生物、环境相容性差；植物固沙虽有很好的生态环境保护作用，是最理想的固沙方式，但因沙漠或沙地恶劣的气候、水文条件，通常使植物无法种植或种植后无法存活；化学固沙虽然目前阶段成本稍高，但以后随着研制工作的进一步开展完善，其方法会逐渐改进，形成机械化、规模化操作，成本将渐次降低。在流动沙丘表面喷洒某种化学固沙材料使沙面固化，可有效防止因风起沙：若在已固化的沙地上再播种草本植物或栽植灌木，可大大增加沙丘表面的粗糙度，从而增强防风固沙的效能。所以说，将化学方法和生物工程措旋结合起来有望探索一条建立防风固沙植被的新途径。

4 结束语

通过此次实验研究，根据各植物生物学态特性和在不同立地条件生长规律，结合工程治沙见效突出特点，掌握研究化学固沙剂不同结皮厚度满足植物生长和植物成活率，形成“化学一生物一工程”固沙综合技术（图6），实现低成本植物建植，增加植被盖度，减少乌吉线沙害，改善乌吉线生态环境，消除风沙埋道次数，降低机械清沙和维修中人工清沙费用，节约成本，提高线路质量，保证安全运输。

（图6）

中国铁路呼和浩特局集团公司科技研究开发计划项目（课题编号：2020B055）

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