臨策鐵路防沙明洞與風(fēng)沙流相互作用效果分析

張道金

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司,北京 100055)

1 概述

額濟(jì)納旗是臨策鐵路(遠(yuǎn)期為臨哈鐵路)沿線中間地段唯一的旗府所在地。額濟(jì)納胡楊林自然保護(hù)區(qū)，占地48萬畝，呈南北走向，胡楊林是在惡劣干旱荒漠地區(qū)頑強(qiáng)生存著的生命。臨策鐵路自天鵝湖進(jìn)入額濟(jì)納旗路段需要穿越額濟(jì)納河下游天然胡楊林，為了保護(hù)中國(guó)這片少有的荒漠河岸林，同時(shí)考慮遠(yuǎn)期臨哈鐵路走向、額濟(jì)納旗城市規(guī)劃和工程地質(zhì)條件等綜合因素，選擇了從胡楊林保護(hù)區(qū)南側(cè)繞行的方案。繞行雖然可以最好地保護(hù)胡楊林，但是卻要穿越兩段共約8.08 km的流動(dòng)沙丘區(qū)。

為了防止和避免該路段線路建成后出現(xiàn)風(fēng)沙危害問題，經(jīng)過路基、橋梁、棚洞結(jié)構(gòu)和明洞工程的綜合比選，最終選定在流動(dòng)沙丘路段采用防沙明洞工程。

2 研究區(qū)概況

2.1 自然地理特征

南側(cè)繞避胡楊林方案(GDK574+000～GDK636+964.89)，長(zhǎng)約69 km，線路自GDK574+000向西偏南而行，先后經(jīng)過戈壁平原、風(fēng)蝕殘丘、流動(dòng)沙丘、額濟(jì)納沖洪積平原區(qū)，線路分別在GDK585+720～GDK592+380、GDK597+460～GDK598+880兩段通過流動(dòng)沙丘，共長(zhǎng)約8 080 m。線路經(jīng)過區(qū)屬典型的北溫帶大陸性干旱氣候區(qū)，光照充足，熱量豐富，降水量少，蒸發(fā)量大。冬季嚴(yán)寒，夏季酷熱，無霜期較長(zhǎng)，晝夜溫差懸殊。春、冬季常有數(shù)次沙塵暴出現(xiàn)。降水主要集中于6～8月份，并多以暴雨形式降落；年平均降水量35.2 mm，年平均蒸發(fā)量3 399.6 mm，年平均蒸發(fā)量是年平均降水量的96.6倍。沿線年平均風(fēng)速3.2 m/s，最大風(fēng)速25 m/s，大風(fēng)(≥8級(jí))日數(shù)38.4 d，沙塵暴日數(shù)10.7 d，揚(yáng)沙日數(shù)48.6 d；四季盛行西風(fēng)、西北風(fēng)，其次為東風(fēng)及東南風(fēng)；最多風(fēng)向?yàn)閃、WNW，頻率為11%。

2.2 工程地質(zhì)及水文地質(zhì)特征

活動(dòng)沙丘處于巴丹吉林沙漠的北部邊緣區(qū)，沙丘相對(duì)地面高3～8 m，局部高約10 m，呈鏈狀、壟狀，走向北東向，與風(fēng)向垂直；受河流及紅柳林影響，局部地段沙丘走向呈東西向。沙丘呈向南、向東發(fā)展趨勢(shì)。

地層巖性：基底表層為第四系全新統(tǒng)沖積形成的細(xì)砂、粉砂夾粉質(zhì)黏土、黏土層，下部為第四系上更新統(tǒng)洪積細(xì)砂夾粉質(zhì)黏土、黏土、粉土；上部覆蓋的風(fēng)積砂主要為粉細(xì)砂，粒徑大于0.075 mm顆粒的質(zhì)量超過總質(zhì)量的75%。

地下水類型主要為第四系孔隙潛水，含水層為多層透鏡體狀中、細(xì)砂層，地下水補(bǔ)給來源主要為黑河季節(jié)性補(bǔ)給。

3 區(qū)域風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)特征

3.1 區(qū)域風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)的宏觀特征

研究區(qū)位于巴丹吉林沙漠西北邊緣地帶，緊鄰額濟(jì)納國(guó)家級(jí)胡楊林自然保護(hù)區(qū)，屬巴丹吉林沙漠西北部與中央戈壁的交接地點(diǎn)。區(qū)域氣候極端干旱，冬半年受蒙古高壓氣流控制，夏半年受西風(fēng)帶影響，為大陸性氣候。根據(jù)耿寬宏《中國(guó)沙漠的氣候》的研究，本研究區(qū)為風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)高速、高頻區(qū)，風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)為直進(jìn)式，風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定度大于80%。

研究區(qū)盛行西北風(fēng)、西風(fēng)和東風(fēng)，年均風(fēng)速4.4 m/s，全年8級(jí)以上大風(fēng)日數(shù)38 d。根據(jù)全國(guó)風(fēng)能資源分布圖可知，研究區(qū)為風(fēng)能資源豐富區(qū)，可達(dá)到200 W/m2以上。強(qiáng)勁的風(fēng)力成為風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)的主要?jiǎng)恿?。該區(qū)生風(fēng)向?yàn)閺V闊的荒漠戈壁，在風(fēng)力作用下，不飽和風(fēng)沙流長(zhǎng)驅(qū)直入，進(jìn)入研究區(qū)時(shí)，風(fēng)力侵蝕搬運(yùn)能力強(qiáng)，風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)劇烈。加之研究區(qū)為歷史時(shí)期黑河的古河道，多分布堅(jiān)硬的黏土，沙粒起跳高度大，其上為發(fā)育初期的餅狀沙丘、新月形沙丘和沙丘鏈，平均高度不足10 m。受下伏地貌、沙漠邊緣地理位置和沙丘高度的影響，研究區(qū)成為巴丹吉林沙漠風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)最劇烈的區(qū)域之一。

3.2 區(qū)域新月形沙丘鏈的成因機(jī)理及變化發(fā)展趨勢(shì)

從大范圍的衛(wèi)星影像可以看出，該區(qū)域沙丘的沙源主要來自西北部的干涸湖盆及沙地，相當(dāng)部分來自西北部更遠(yuǎn)的湖盆地帶，自額濟(jì)納綠洲西北部至八道橋一線存在一條風(fēng)沙通道。當(dāng)非飽和風(fēng)沙流行進(jìn)過程中遇到胡楊林、紅柳林和地形障礙等的阻攔，便產(chǎn)生風(fēng)向的紊亂和分離，引起風(fēng)沙的沉落和堆積，日積月累，形成新月形沙丘和沙丘鏈。

通過對(duì)1990年TM衛(wèi)星遙感影像和2002年ETM衛(wèi)星遙感影像的解譯、對(duì)比分析(圖1)，可以得出以下結(jié)論：該區(qū)域主風(fēng)向?yàn)槲鞅毕颉⑽飨蚝蜄|向，受植被、地形、微地貌及季節(jié)等因素的綜合影響，近十幾年來，沙丘形態(tài)、規(guī)模、幾何特征及分布范圍總體上維持動(dòng)態(tài)平衡，西側(cè)、南側(cè)基本保持不變，在北側(cè)局部邊緣地帶有微弱的進(jìn)退現(xiàn)象，東側(cè)邊緣則變化顯著(圖1∶1990年TM衛(wèi)星遙感影像顯示的虛線和2002年ETM衛(wèi)星遙感影像顯示的實(shí)線有顯著地差異，向東側(cè)移動(dòng)跡象明顯)，沙丘鏈內(nèi)部所包圍的濕地和紅柳林范圍呈縮小趨勢(shì)。

圖1 1990年到2002年沙丘及沙柳林分布邊界變化對(duì)比

3.3 區(qū)域沙丘的粒度特征

采用篩分法和激光粒度法對(duì)區(qū)域餅狀沙丘的背風(fēng)坡、沙丘頂部、迎風(fēng)坡和新月形沙丘的迎風(fēng)坡坡腳、迎風(fēng)坡中部、沙丘頂部、背風(fēng)坡中部、背風(fēng)坡坡腳等部位取樣分析，其結(jié)果(圖2、圖3)主要表現(xiàn)為：餅狀沙丘各部位的粒徑分布范圍集中在200～600 μm，占體積百分比較大的粒徑分布在260～300 μm；新月形沙丘各部位的沙物質(zhì)粒徑分布比較集中，粒徑分布范圍集中在150～400 μm，占體積百分比較大的粒徑分布在260～300 μm。

圖2 餅狀沙丘各部位粒配曲線

圖3 新月形沙丘各部位粒配曲線

通常所研究的風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)中，風(fēng)沙流的運(yùn)動(dòng)形式以躍移為主，而通過躍移方式搬運(yùn)的顆粒粒徑范圍為50～500 μm，其中以100～150 μm為主。通過試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)研究區(qū)的沙丘粒徑以100～250 μm所占比例最大。

4 防沙明洞研究

4.1 風(fēng)沙流運(yùn)動(dòng)與防沙明洞相互作用機(jī)理的風(fēng)洞試驗(yàn)研究

防沙明洞風(fēng)洞試驗(yàn)采用1∶30相似比的直道模型，通過移動(dòng)模型與風(fēng)洞進(jìn)風(fēng)口風(fēng)向的夾角(當(dāng)?shù)仫L(fēng)向)來測(cè)量防沙明洞模型的風(fēng)速流場(chǎng)、積沙量以及風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)特征。研究表明，防沙明洞的建立使該地區(qū)的地形發(fā)生了微變化，導(dǎo)致了防沙明洞影響區(qū)內(nèi)、外新月形沙丘風(fēng)速流場(chǎng)特征的顯著變化：次風(fēng)向東北風(fēng)向氣流通過靠近防沙明洞新月形沙丘和遠(yuǎn)離防沙明洞的新月形沙丘時(shí)，遠(yuǎn)離防沙明洞的新月形沙丘風(fēng)速恢復(fù)速度要比靠近防沙明洞的恢復(fù)速度快；主風(fēng)向西北風(fēng)向氣流通過新月形沙丘時(shí)，靠近防沙明洞的新月形沙丘風(fēng)速恢復(fù)明顯要快于遠(yuǎn)離防沙明洞的新月形沙丘。

西北風(fēng)情況下在防沙明洞上風(fēng)向形成的積沙量較多，東北風(fēng)和西風(fēng)情況下低風(fēng)速時(shí)在防沙明洞上風(fēng)向不形成積沙，大風(fēng)速時(shí)形成少量積沙。從積沙的角度分析，所建風(fēng)洞在西北風(fēng)下易形成積沙，而東北風(fēng)和西風(fēng)情況下形成積沙量較少甚至不形成積沙。不論是西北風(fēng)還是東北風(fēng)，在沙丘的迎風(fēng)側(cè)、背風(fēng)處均出現(xiàn)較大渦旋，其風(fēng)速變化呈現(xiàn)復(fù)雜化的特點(diǎn)；在西北風(fēng)作用下，防沙明洞北側(cè)一定范圍內(nèi)形成強(qiáng)風(fēng)區(qū)，風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)加劇，洞北側(cè)積沙距防沙明洞3～5 m，隨著時(shí)間的推移，積沙帶逐步向防沙明洞靠攏，形成堆積。

4.2 沙丘移動(dòng)規(guī)律受防沙明洞干擾的反應(yīng)

使用全站儀直角坐標(biāo)測(cè)量法對(duì)選定的沙丘選點(diǎn)測(cè)量，利用計(jì)算機(jī)將采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析和成圖，研究防沙明洞影響范圍內(nèi)外沙丘的運(yùn)動(dòng)特征。分別在2008年11月、2009年4月、2009年11月針對(duì)選定的具有代表性的明洞影響區(qū)外和明洞影響區(qū)內(nèi)的新月形沙丘進(jìn)行測(cè)量、成圖、分析。

根據(jù)表1，將兩個(gè)位于不同位置的新月形沙丘的各部分位移進(jìn)行對(duì)比，防沙明洞影響區(qū)外新月形沙丘運(yùn)動(dòng)較為劇烈，其除脊線外的各項(xiàng)指標(biāo)移動(dòng)距離顯著大于影像區(qū)內(nèi)沙丘，兩個(gè)翼角的移動(dòng)距離差距尤甚，移動(dòng)方向也更偏于東南方向?？梢姺郎趁鞫吹男藿ㄓ绊懥似涓浇纳城疬\(yùn)動(dòng)狀況，主要原因?yàn)橹黠L(fēng)向遇到防沙明洞產(chǎn)生渦流作用，同時(shí)加大了沙丘向東運(yùn)動(dòng)的作用力，防沙明洞影響區(qū)內(nèi)新月形沙丘受防沙明洞影響劇烈。

表1 防沙明洞影響內(nèi)外沙丘各部分移動(dòng)距離對(duì)比

4.3 風(fēng)沙流運(yùn)動(dòng)與防沙明洞相互作用的總體趨勢(shì)

試驗(yàn)中對(duì)防沙明洞周圍沙丘移動(dòng)和風(fēng)洞試驗(yàn)中對(duì)防沙明洞上風(fēng)向沙物質(zhì)的堆積規(guī)律進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，在防沙明洞的作用下周邊沙丘逐漸向東南方向移動(dòng)，距離防沙明洞遠(yuǎn)的獨(dú)立沙丘移動(dòng)速度較快，在觀測(cè)期內(nèi)整體移動(dòng)距離約30 m左右，而距離防沙明洞近的沙丘移動(dòng)相對(duì)緩慢，且受防沙明洞作用大，沿防沙明洞走向移動(dòng)，向東移動(dòng)距離相對(duì)較大。

通過對(duì)收集資料的分析，線路穿越區(qū)域的氣象特征、風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)特征在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間跨度內(nèi)是基本維持不變的；航空影片和衛(wèi)星圖片的遙感對(duì)比解譯結(jié)果表明，線路經(jīng)過沙丘區(qū)域的沙丘形態(tài)、沙丘高度是相對(duì)穩(wěn)定的。研究區(qū)沙丘平均高度為10 m左右，這與明洞的高度基本接近，在短時(shí)期內(nèi)不會(huì)出現(xiàn)防沙明洞整體沙埋，即使在長(zhǎng)時(shí)間出現(xiàn)防沙明洞沙埋現(xiàn)象，沙埋至明洞高度時(shí)將達(dá)到一個(gè)相對(duì)平衡的狀況，不會(huì)整體埋沒防沙明洞，而可能是以明洞為基礎(chǔ)，形成線性沙壟(圖4)。

圖4 明洞北側(cè)(上風(fēng)側(cè))積沙照片(2009年7月)

5 防沙明洞洞口積沙形態(tài)特點(diǎn)的研究

明洞線路基本呈東西走向，西側(cè)入口外側(cè)均較大面積分布胡楊林或紅柳林，受風(fēng)沙影響小，東側(cè)出口則直接承受洞身沙丘向東、向南移動(dòng)的壓力，同時(shí)沙丘外側(cè)為戈壁風(fēng)沙流的流通區(qū)，鐵路的修建將阻斷風(fēng)沙流的正常流通。

5.1 防沙明洞東側(cè)洞口積沙形態(tài)特點(diǎn)的風(fēng)洞試驗(yàn)研究

在防沙棚洞洞口，當(dāng)氣流通過防沙棚洞影響范圍內(nèi)時(shí)，在洞口產(chǎn)生強(qiáng)烈的氣流形成渦流區(qū)。圖5為明洞洞口實(shí)測(cè)中2 m高度處的風(fēng)速擬合曲線：在高風(fēng)速情況下，風(fēng)速沿洞外40 m至洞里20 m，風(fēng)速在洞口外10 m處風(fēng)速要大于洞內(nèi)風(fēng)速，洞內(nèi)10 m處風(fēng)速最小，再沿洞向里風(fēng)速又增大?？梢娫诙纯?0 m處易形成積沙。風(fēng)速擬合曲線為y=1E-05x4-0.0006x3-0.0036x2+0.3075x+4.9871，相關(guān)系數(shù)R2=0.927。

圖5 野外實(shí)測(cè)洞口沿鐵路風(fēng)速變化曲線

風(fēng)洞試驗(yàn)條件下(風(fēng)向與洞口夾角為30°、50°時(shí)的風(fēng)速流場(chǎng)，與當(dāng)?shù)刂黠L(fēng)向西北風(fēng)基本一致)，當(dāng)氣流沿著進(jìn)風(fēng)口經(jīng)洞口模型至擴(kuò)散段時(shí)，氣流平穩(wěn)到達(dá)模型后出現(xiàn)波動(dòng)，部分氣流進(jìn)入洞內(nèi)，在洞內(nèi)形成紊流，部分氣流爬升越過模型，形成沉降在模型下風(fēng)一側(cè)距模型h和2h處形成渦流(h為模型高度)，此時(shí)在模型內(nèi)形成積沙。

5.2 防沙明洞東側(cè)洞口兩側(cè)風(fēng)沙流特征

表2為洞口以外10 m處鐵路兩側(cè)風(fēng)沙流的實(shí)測(cè)值(測(cè)定風(fēng)速6.63 m/s)。1、2號(hào)點(diǎn)位是上風(fēng)向緊鄰鐵軌的并列測(cè)試點(diǎn)，3、4號(hào)點(diǎn)位是下風(fēng)向緊鄰鐵軌的并列測(cè)試點(diǎn)。

表2 鐵路兩側(cè)小積沙儀平均輸沙率Q g/(cm2·min)

從表2可以看出，鐵路上風(fēng)側(cè)測(cè)點(diǎn)距地面0～1 cm和2～10 cm高度范圍內(nèi)輸沙率遠(yuǎn)高于下風(fēng)側(cè)，其數(shù)值是下風(fēng)側(cè)的2倍左右，而1～2 cm高度范圍內(nèi)各處輸沙率都基本相近；在鐵路上風(fēng)側(cè)輸沙率在0～1 cm高度下遠(yuǎn)大于在1～2 cm和2～10 cm高度范圍內(nèi)的，其中1～2 cm和2～10 cm高度內(nèi)輸沙率基本相近，而在下風(fēng)側(cè)高度范圍內(nèi)的輸沙率卻都基本相近，并且和上風(fēng)側(cè)的1～2 cm和2～10 cm高度范圍內(nèi)的輸沙率基本相近。當(dāng)攜沙氣流通過鐵路，遇鐵軌阻攔在鐵軌的背風(fēng)側(cè)沉降長(zhǎng)期積累就會(huì)掩埋鐵路。2009年4月14日一次大風(fēng)之后，在洞口沿鐵路積沙長(zhǎng)90 m，20 cm高的枕木多處已被積沙掩埋(圖6)。

圖6 明洞洞口路基積沙

5.3 防沙明洞洞口防護(hù)建議

該區(qū)西風(fēng)、西北風(fēng)風(fēng)季長(zhǎng)、起沙風(fēng)日數(shù)多，風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)具有前進(jìn)式移動(dòng)的特點(diǎn)，鐵路沙害主要來自上風(fēng)向，因此在明洞東側(cè)洞口前后兩側(cè)一定范圍(特別是上風(fēng)側(cè))采取固沙措施是必要的，以阻止沙丘向鐵路的移動(dòng)。從長(zhǎng)遠(yuǎn)看，還是應(yīng)該根據(jù)地表水源或地下水源的分布情況，配套修建相關(guān)設(shè)施，采用工程防護(hù)與生物防護(hù)相結(jié)合的復(fù)層綜合防沙體系。

6 結(jié)語(yǔ)

臨策鐵路以明洞結(jié)構(gòu)通過流動(dòng)沙丘地段，是鐵路選線和設(shè)計(jì)理念的有益探索和創(chuàng)新；明洞結(jié)構(gòu)有效地避免了風(fēng)沙對(duì)鐵路的侵害，確保鐵路能夠全天候運(yùn)營(yíng)。

明洞的修建破壞了既有區(qū)域沙丘地貌的動(dòng)態(tài)平衡，風(fēng)速流場(chǎng)特征、沙丘移動(dòng)規(guī)律等風(fēng)沙流運(yùn)動(dòng)特征均

產(chǎn)生較大變化。綜合研究表明，在強(qiáng)勁的西風(fēng)、西北風(fēng)長(zhǎng)年吹蝕作用下，明洞北側(cè)(上風(fēng)側(cè))的流動(dòng)沙丘將逐漸向明洞移動(dòng)，并最終以明洞為基礎(chǔ)形成線性沙壟。

由于條帶狀防沙明洞對(duì)風(fēng)沙流的阻隔，加劇了北側(cè)(上風(fēng)側(cè))的流動(dòng)沙丘沿明洞向東側(cè)移動(dòng)的速率，對(duì)明洞東側(cè)洞口及其外側(cè)的鐵路線路將產(chǎn)生沙埋的危害，需要在鐵路線路兩側(cè)一定范圍內(nèi)采取工程措施限制沙丘的移動(dòng)。從長(zhǎng)期看，在地下水源能夠得到保證的條件下應(yīng)采用工程防護(hù)與生物防護(hù)相結(jié)合的復(fù)層綜合防沙體系，確保鐵路運(yùn)營(yíng)安全。

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