阿布扎比酋长国Al Mirfa至Mezairaa段铁路沙丘特征及选线

王建鹏

(中铁第一勘察设计院集团有限公司，陕西 西安 710043)

阿布扎比酋长国修建的Al Mirfa至Shah段铁路，位于鲁卜哈利沙漠 Rub Al Khalid(Empty Quarter)，该沙漠覆盖了阿拉伯半岛的三分之一。为了防风固沙，减小风沙对铁路工程的危害，为铁路修建提供合理的治沙方案，根据沙漠不同地段风沙的特点，重点探讨了工程区的地形地质、气候特征、沙丘的类型、分布与活动特征、粒度组成、风况、地表干沙厚度及含水量等风沙特性，预测了风沙对铁路的危害，为铁路选线提供合理的设计原则［1］。

1 地形地质简介

阿联酋的阿布扎比邦位于阿拉伯半岛东部，地处阿拉伯沙漠东南部的东北侧，境内除东北部有少量山地外，绝大部分是海拔200 m以下的洼地和沙漠;北部沿波斯湾为734 km的海岸线，分布有海岸盐沼带，地势较平坦，从西往东地势抬高，从海岸往山区，海拔变高。

Al Mirfa至Shah段表层由5种第四纪沉积地层组成，分别是海岸地带、沙丘、碳酸盐滨海砂层沉积地带，沙丘—海岸地带夹杂地层以及古沙丘沉积层。第四系全新统地层有盐渍土、粉土、砂类土，碳酸钙及氯化钠盐壳，沙丘砂;其下古沙丘沉积地层主要为第四系更新统的沙丘砂沉积压实形成。古沙丘以下地层形成于上第三系中新统(N1)，主要由浅层海洋泥岩和粉砂岩构成，夹杂有碳酸盐和蒸发岩。基底为上第三系中新统(N1)大陆环境形成的碎屑沉积岩。

沙漠区主要的地质问题除风沙危害外，还有软弱地基，盐渍土，地震液化及地表水、高含盐度的地下水对混凝土侵蚀性问题。地震动峰值加速度为0.09g，为7度区。

2 气候特征

2.1 温度和温差

阿布扎比酋长国的特点是气候炎热干旱，夏天极其炎热，冬天非常暖和。最高气温通常在12∶00至14∶00，而最低气温一般在 03∶00 至 04∶00。

2.2 降雨量

由于沙漠遍布，水气来源于印度洋阿拉伯海的波斯湾，由于北部内陆受高山阻隔，东南季风难以深入，造成气候干旱，降水稀少，除东部山区雨量较多外，阿布扎比地区从1971年至2004年的年平均降雨量约为47.2 mm/年，雨季大多数集中在11月—翌年2月，降雨也没按月平均分布，而一般集中在2月—3月的1～3 d的强降雨之中。

2.3 蒸发量

该区降水稀少，蒸发强烈，在地表组成物质粗疏和易于渗漏的条件下，地表水和地下水比较贫乏。周期年平均总蒸发量(土壤水分蒸发蒸腾损失总量)5 400 mm，最大蒸发期为5月—10月，此时风力较强，空气干燥。

2.4 日照

研究段落太阳直射水平年变化(单位:Wh/m2)平均最大值约为900 Wh/m2，平均值约为480 Wh/m2，平均最小值约为250 Wh/m2。总体太阳直射水平很高。

2.5 风况

该区段季风气候显著，深受北风、西北偏北风和东风的影响，风向及风力随地区和季节的不同而不同。大部分丘陵流动沙丘区处在印度洋阿拉伯海的波斯湾海岸高压控制下，受北风和西北风气流的影响，丘陵流动沙丘区风力较大，在风季风速达到5～9级是常见的，三月份Shamal(当地称“萨姆拉”)季风来临时为风速高峰期。风力日变化为午后14∶00～16∶00风速最大，凌晨3点左右最小。所以，在冬、春风季，沙质地表受风力吹扬，造成风沙弥漫，沙暴频繁。

铁路区当地面以上2 m风速超过4 m/s时，直径为0.10～0.25 mm的地表沙粒随即随风移动。最大风速为9级，每月最大风速均高于起沙风速。

3 沙丘特征

3.1 沙丘分布

流动沙丘主要分布于微丘区和丘陵区，固定、半固定沙丘仅分布在沙漠的边缘和一些水流条件较好的沟谷附近。流动沙丘受主导风向及季风影响，整体为NW－N向的大型沙垄及NE－E或近E－W向的横向大型新月形沙丘链，及链间横向小沙丘。沙丘之间围成平坦的盐沼地带，丘表和丘间局部有少量植物。

3.2 沙丘类型

多为新月形沙丘链首尾相接，与沙垄以及丘间盐沼形成网状结构，沙丘高度达10～50 m。沙丘高，连成一片，局部为鱼鳞状复合型沙丘，对142 km段落进行了统计，类型多样。

3.2.1 新月形沙丘

沙丘中部高，两翼端角低，形似新月，高度10～30 m居多，最小的有2 m高，最大的高度＞50 m。迎风坡10°～12°，背风坡 23°～32°，滑跌坡缓圆，移动快，危害大，多分布于微丘陵区的沙垄之上。新月形沙丘形成风向为 N、NW、W 风。

3.2.2 新月形沙丘链

单个新月形沙丘并肩相连，呈E－W向及NE－E向与主导风向(NW、N)垂直，成群结队，近平行展布，起伏较大，一般高10～30 m，个例高达50 m以上。

3.2.3 新月形沙垄

新月形沙丘相互套生，基本沿主导风向延伸，纵向长度较大，发育于古沙丘之上，继承了海水退时古沙丘留下的地貌特点，长达300 m，有的近1 000 m。

3.2.4 鱼鳞状复合沙丘

各种大型新月形沙丘链首尾相连与丘间盐沼洼地形成的复合体，新月形沙丘相互叠置，链间有小沙丘连接，在俯视图上酷似鱼鳞。高度较大，洼地到丘顶一般＞50 m，近洼地的背风坡较陡，约 28°～35°。

3.3 沙丘的物质特征

3.3.1 颗粒

吹扬作用下微小颗粒不断被吹走，使粉粒、黏粒的含量减少，中等颗粒(细砂)的百分比相对增加。铁路沙丘区表层松散层最浅2 m，最深11 m，

3.3.2 成分

该区沙质来源于母岩细、粉砂岩的风化、搬运、剥蚀，在搬运过程中，矿物成分90%以上为石英和长石。风积沙颜色与母岩砂岩相似。

3.3.3 含水率

该地区旱、热，地表土壤一般不固化，表层10 cm取样分析，含水率＜3%，表层10～100 cm的含水率为3% ～19%，平均11%。

3.3.4 沙丘移动

我国学者根据室内风洞和野外进行的不同条件下风沙运动的动态摄影［2］试验和高速闪频摄影［3-5］，精确地记录了沙粒运动的微观过程，对沙粒运动图像有了较清晰的了解，并对沙粒跃移的物理过程及其机理作出新的解释［6-7］。

当风速为9.4 m/s，风向为NW时，地面以上0～10 cm内的输沙量占总输沙量的75.30%，位于大沙漠边缘的沙丘移动快，年移动值一般5～10 m，局部＞10 m，沙漠中部的沙丘移动慢，年移动值甚至不到1 m。

4 沙害预测及选线

4.1 风沙危害程度预测

根据风沙对铁路的沙埋、风蚀、磨蚀等危害，按危害程度可分为严重、中等和轻微。

哈布桑(Habshan)—沙赫(Shah)段为丘陵沙漠区，为严重风沙地段。工程通过大面积(＞10 km2)的高大、密集流动沙丘、风沙流活动频繁地区，附近有大面积稀疏、低矮流动沙丘，沙丘年移动值＞10 m。沙源丰富(包括明沙，盐沼沙)。8级以上大风将可能造成严重沙害。活动沙丘的整体移动可形成堆状沙埋，这种沙埋、风沙流危害严重。可以看到，附近公路局部路面1/4以上被流沙压埋。

马里夫(Al Mirfa)—哈布桑(Habshan)段为微丘陵沙漠区，为中等风沙地段。工程通过大面积半固定沙丘和部分流动沙丘为主的地区，沙丘年向前移动值5～10 m;通过段沙层疏松，沙地深厚，风蚀作用显著。8级以上大风时，有中等危害。附近公路局部沙埋路肩的一半至路肩。

我国沙漠在干旱和极干旱区以重度危害为主，其比例可占沙害的一半以上，重度危害出现于距工程较近，沙丘密度大的高大流动沙丘区。

4.2 选线原则

阿布扎比铁路Al Mirfa至Shah段沿线几乎全为风沙覆盖，沿线风沙地段包括流动沙丘(沙地)、半固定沙丘(沙地)，其中沙害严重地段新月形沙丘、沙丘链、沙垄密布，沙海连绵，表层几乎无植被覆盖。受主导风向的影响，沙丘由西北向东南呈往复摆动式前进。流动沙丘上很少有植物生长，在沙丘坡脚和丘间洼地生长有沙生植物。区内流动沙丘以流动的新月形沙丘链为主，一般高度在3 ～20 m，个别可达20 ～50 m。低洼地带沙层厚度为5～10 m。固定、半固定沙丘仅分布在沙漠的边缘和一些水流条件较好的沟谷附近。

根据卫星遥感图像和带状地形图，结合该段客货混行(200 km/h时速)、土建工程及现场调查，对于线路经过处不同高度不同类型的沙丘采取了如下选线原则。

4.2.1 线路平面

1)线路依据控制点马里夫(Al Mirfa)—哈布桑(Habshan)—麦迪纳特·扎伊德(Madinat Zayed)—哈布桑(Habshan)—沙赫(Shah)段方向尽量以最短直线布设，多采用大半径4 200～7 000 m平曲线线形，偏角控制在30°范围以内。

2)充分利用有利地形，布设线路于沙丘、沙垄间开阔地带。或沙丘迎风坡侧，保持路线流畅平坦。避开山地陡坡积沙地段，宜选在山地背风侧盐沼洼地内、背风坡及风影部分以外的地段通过。

3)以沿线的深入沙漠的公路(马里夫—里瓦E44公路)为依托，尽量走在公路的背风侧，以E44公路作天然屏障。公路沿线已经做过治理，防护林及人工阻沙带有一定宽度，风沙危害相对较小。

4)大范围无有利地形时，直穿相对高度＜20 m的沙丘分布路段;合理绕避高度 ＞20 m的大沙体，线路总体走向NW －N与主导风向 NW，N，W 角度 ＜15°，近平行。

5)避免采用小半径，并宜将曲线设计为路堤，外侧朝向主导风向。

4.2.2 路基纵断面

对于纵断面设计，较窄的线状工程和过风性的面状工程或较宽的线状工程设计思路有所不同，最大的不同是输沙和阻沙上。一般公路工程和透风的一些小型工程，表面流畅，较平整，部分风沙流携带的沙可以轻易地通过工程表面而被带走，这是输沙理念，纵断面设计遵循零填挖，即纵断面高度与原自然地面尽量平齐，设置低路基，采用填挖平衡，或填方略大于挖方，便于输沙。

4.2.3 路基横断面

首先考虑以工程防沙为主的基本治沙方案，以满足挡沙要求及线路正常运营为基本原则［8-9］。

1)当路堤边坡高度h≤3 m时，边坡坡率采用1∶5;当边坡高度10 m≥h＞3 m时，边坡坡率采用1∶2;当边坡高度h＞10 m时，路堤边坡形式采用折线型边坡，考虑边坡稳定及施工的便利，从路基面向下边坡每5 m设3 m宽平台。

当路堤边坡较陡(1∶1.75～1∶2)，气流受路堤阻挡作用明显，在路堤迎风侧产生高压区，边坡下部的风速减小，上部增大，在路肩上部达到最高值，然后扩散，从路堤中心开始减速，至路堤背风侧形成低速区。见图1。当边坡坡率缓于1∶1.75，低速区长度一般为路堤高度的7～8倍。路堤越高，迎风侧路肩风速增值愈大。例如，2.1 m高的路堤比2.0 m高的路堤在路肩以上20 cm处的风速高10%左右;路堤高8 m时，该位置的风速增加为50%左右。

当路堤边坡缓于1∶4，越过路堤的流线比较匀称，气流的分离层较薄。

图1 路堤风速增减率等值线(单位:%)

显然，在路堤高度确定的情况下，应尽量采用缓边坡路堤通过。路肩及道心积沙相对少点。

2)路堑地段采用展开式路堑，挖开后填筑成高度1.1 m的低路堤，低路堤边坡坡率采用1∶2，低路堤两侧设一定宽度的积沙平台，低路堤边坡采用碎石类土包坡。

边坡坡率陡于1∶4的情况下，则于堑内出现顺线路方向的顺槽风，顺槽风顶面和路堑顶风层的底面之间形成“涡旋风”使沙粒跃入路堑内，路堑短，堆积在路堑沟口，路堑长，堆积于背风侧的平台，或呈舌形从背风侧堆积至迎风侧，掩埋轨顶。

边坡坡率缓于 1∶4，尤其是 1∶7 ～1∶8时，气流流线比较平顺，且产生滑移冲力，可将大部分沙粒输送至迎风侧堑顶以外，但受铁路上部结构的阻挡，使部分沙粒积于道床边坡两侧与道心。因此，路堑地段尽量以降低甚至“消灭”顺槽风为目标，以敞开式、缓边坡通过。

4.2.4 防护带宽度

结合防护带形式，防沙措施根据沿线风沙活动程度确定，典型的布置方案为:至路堤坡脚向外依次为:①防火隔离带;②植物防沙带;③土工网方格带;④空留带;⑤高立式防沙栅栏(高2 m);⑥空留带;⑦高立式防沙栅栏(高2 m);⑧封沙带;⑨防护栅栏。可以选其中 1+2，1+2+5+8+9，1+2+3+4+5+8+9 或 1～9个带全上的防治措施，依据工程的情况设置，选线要考虑其整体宽度。

4.2.5 复杂沙丘区

沙丘连绵不断的地区，一般的选线原则是线路应选择通过较为低矮的沙丘区，不宜直接穿越高大沙丘区并尽量与主导风向平行。

但是，根据近几年的研究，沙漠腹地的高大沙丘的整体移动是极其微弱的，而低矮沙丘和沙丘链移动速度则较快。

新月形沙垄和鱼鳞状复合型沙丘地形起伏剧烈，选线难度相对较大，对这类沙丘高在20 m以上的，地形一般10年不发生明显变化，对于这种虽然高大，但地形比较稳定的沙丘区，绕避不了的可以考虑穿越。不是不能涉足的。

因阿布扎比酋长国Al Mirfa至Mezairaa段铁路与沙特铁路同为鲁卜哈利沙漠，依据沙特铁路的成功经验，铁路线路应位于大沙丘的向风侧。如果可能的话，铁路线路尽量沿盛行风走向，当盛行风沿铁路线吹时，铁路应位于较高的易于疏导流沙的路基上面。在风速高的沙地，路基的高度应至少与其周围的沙丘一样高，采用挖方或填方。

4.2.6 沙漠地区选线设计分清工程类型是至关重要的

设计过程中，公路的设计思路和铁路的设计思路是不同的。沙漠公路根据设计等级可以允许路面过沙。其路面平顺，少许沙粒能被带走，但铁路不同，由于路基特殊的结构，沙粒会在路基附近堆积。因此，设计的边坡坡率是不一样的。以路基断面为例:我国毛乌素沙漠公路路堤多采用缓边坡或浅槽式。当h＜1 m时，坡率为1∶8;当3 m ≥h＞1 m 时，坡率为1∶3;当10 m ≥h＞3 m 时，坡率为 1∶2。

路堑，采用敞开式或宽平台式。路堑深1.5 m，外边坡1∶8，积沙平台宽度迎风侧3 m，背风侧4 m。路堑深1.5～6.0 m，外边坡1∶4，积沙平台宽度迎风侧6 m，背风侧4 m。

联合铁路专家认为无论是路堤还是路堑，理想的坡度为1∶200，即平展式。但这是不现实的。这种理念期盼风将沙粒全部带走，更接近于低等级公路的设计思想。对于铁路，因为路基特殊的结构层，定会阻挡部分风沙流运动而将沙粒沉积于路肩或道心，造成沙害。因此，只能尽可能使道床的外形与铁路路肩平坦和光滑，以增加铁路上方的风速，并减少沙尘沉积的可能性。必须果断地采取阻沙、固沙措施，铁路选线必须考虑合适的坡率和一个能长期维护的综合防护体系。

5 结论

要选好Al Mirfa至 Mezairaa段铁路线路，弄清地形地质、气候特点、沙丘特征是很关键的，针对风沙的可能危害，定位好防护措施是一次实施，还是分期维护，确定好治沙的动态设计步骤，才能选好路堤、路堑坡率，从而确定出防护带的宽度，选好线位。同时，在借鉴国内及一些国际工程经验时，不能盲目照搬，理解设计的内涵，区分表面光滑，能使风加速的沙漠公路和表面结构特殊，能使风沙流减速沉积的沙漠铁路的质不同，才能综合考虑，在新月形沙垄和鱼鳞状复合型沙丘迎风侧的较高位置选出一个长期的能够得到维护和完善的线路。

［1］OMAR HELMY.联合铁路初步阶段 SHAH-HABSHANRUWAIS铁路项目《气候研究》［Z］.阿联酋联合铁路公司出版社，2010.

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