蘭新高速鐵路風(fēng)沙區(qū)段擋沙墻設(shè)計(jì)參數(shù)試驗(yàn)研究

張乘波

(蘭新鐵路新疆有限公司，烏魯木齊　830000)

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蘭新高速鐵路風(fēng)沙區(qū)段擋沙墻設(shè)計(jì)參數(shù)試驗(yàn)研究

張乘波

(蘭新鐵路新疆有限公司，烏魯木齊830000)

蘭新二線風(fēng)沙路基主要集中于煙墩風(fēng)區(qū)及百里風(fēng)區(qū)，大風(fēng)條件下極易形成風(fēng)沙流，擋沙墻是解決風(fēng)沙對(duì)鐵路危害的主要措施。為充分發(fā)揮擋沙墻的防風(fēng)沙作用，針對(duì)蘭新高速鐵路沿線風(fēng)沙流成因及規(guī)律進(jìn)行分析，對(duì)擋沙墻高寬比、孔隙率和高度3個(gè)參數(shù)分別進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，提出適合該地區(qū)鐵路防沙的擋沙墻優(yōu)化設(shè)計(jì)思路。結(jié)果表明：當(dāng)擋沙墻高度一定時(shí)，風(fēng)沙防護(hù)效果與擋沙墻的寬度顯現(xiàn)出一定的負(fù)相關(guān)變化；對(duì)于均勻結(jié)構(gòu)的網(wǎng)狀沙障來說，孔隙率為40%的防沙效果最優(yōu)，30%的次之，50%的相對(duì)最差；從不同高度擋沙墻的風(fēng)沙防護(hù)效果來看，高度為2.0 m的擋沙墻的風(fēng)沙防護(hù)效果相對(duì)較好，高度為2.5 m和1.5 m擋沙墻防沙效果略差。

高速鐵路；擋沙墻；設(shè)計(jì)參數(shù)；防沙效果

蘭新高速鐵路正線全長(zhǎng)1 776 km，其中新疆境內(nèi)線路長(zhǎng)度709.923 km，建成后將是亞歐大陸橋快速通道的重要組成部分。蘭新高速鐵路東起甘肅省蘭州市，途經(jīng)哈密市、鄯善縣、吐魯番市，西至新疆維吾爾自治區(qū)首府烏魯木齊市。線路沿途通過煙墩風(fēng)區(qū)、百里風(fēng)區(qū)、三十里風(fēng)區(qū)、達(dá)坂城風(fēng)區(qū)四大風(fēng)區(qū)。新疆境內(nèi)線路通過大風(fēng)區(qū)長(zhǎng)度462.41 km，占新疆段線路總長(zhǎng)的64.8%，而風(fēng)沙路基主要集中于煙墩風(fēng)區(qū)及百里風(fēng)區(qū)，線路通過風(fēng)沙路基工程長(zhǎng)度約217 km，占線路長(zhǎng)度的30.6%。

新疆鐵路大風(fēng)地區(qū)內(nèi)自然條件十分惡劣，人煙稀少，多為戈壁荒漠，風(fēng)沙流具有顯著的特征，即風(fēng)速高、風(fēng)期長(zhǎng)、季節(jié)性強(qiáng)、風(fēng)向穩(wěn)定、變化速度快[1]。尤其是百里風(fēng)區(qū)和三十里風(fēng)區(qū)，風(fēng)沙災(zāi)害尤為嚴(yán)重。大風(fēng)伴隨強(qiáng)沙塵天氣給附近的鐵路設(shè)施造成嚴(yán)重的威脅，在“安西風(fēng)口”附近的大草灘至玉門、低窩鋪到軍墾，“百里風(fēng)區(qū)”及“三十里風(fēng)區(qū)”附近的尾亞至思甜、土墩至紅橋、鹽泉至黃蘆崗、沙爾至小草湖及三個(gè)泉至后溝等處均存在著嚴(yán)重的戈壁風(fēng)沙災(zāi)害問題。大風(fēng)及大風(fēng)引起的沙害曾多次造成既有蘭新鐵路、南疆鐵路翻車、停輪，給鐵路運(yùn)輸帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)損失和嚴(yán)重的不良社會(huì)影響，蘭新高速鐵路運(yùn)行速度高、車體輕，風(fēng)沙災(zāi)害對(duì)高速鐵路的威脅遠(yuǎn)甚于既有鐵路[2-5]。

近年來，鐵路防沙工作者們提出了多種防沙措施，部分應(yīng)用于工程實(shí)踐中，取得了良好的防沙效果，可為蘭新高速鐵路風(fēng)沙防治起到一定的借鑒作用[6-9]。但風(fēng)沙流具有很強(qiáng)的地域性，針對(duì)蘭新高速鐵路沿線風(fēng)沙環(huán)境特點(diǎn)，擬采用擋沙墻來進(jìn)行防護(hù)。擋沙墻的設(shè)計(jì)參數(shù)直接決定著防沙效果的優(yōu)劣，因此，為保證蘭新高速鐵路沿線風(fēng)沙防護(hù)效果，通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)來確定較為合理的擋沙墻設(shè)計(jì)參數(shù)，為后續(xù)的工程設(shè)計(jì)提供技術(shù)參考。

1　試驗(yàn)段工程地質(zhì)情況

1.1百里風(fēng)區(qū)

百里風(fēng)區(qū)試驗(yàn)段位于哈密盆地山前沖、洪積傾斜平原區(qū)，地形較開闊，地勢(shì)起伏較小，地面高程650～740 m。其地層主要為：第四系全新統(tǒng)沖、洪積細(xì)圓礫土，第三系泥巖、礫巖及砂質(zhì)泥巖夾層。

1.2煙墩風(fēng)區(qū)

煙墩風(fēng)區(qū)試驗(yàn)段位于天山東脈北山山前剝蝕平原區(qū)，地形平坦開闊，地勢(shì)略有起伏。多為典型的細(xì)砂或粗砂戈壁荒漠地貌，區(qū)內(nèi)人煙稀少。其地層為第四系上更新統(tǒng)-全新統(tǒng)洪積細(xì)沙、細(xì)圓礫土，第三系古新統(tǒng)-始新統(tǒng)泥巖、砂巖、礫巖。

2　風(fēng)沙流成因及活動(dòng)規(guī)律

風(fēng)沙流是風(fēng)與其所攜帶沙物質(zhì)組成的氣固兩相流，是風(fēng)沙物理的核心內(nèi)容。研究風(fēng)成沙在風(fēng)力作用下的移動(dòng)現(xiàn)象[10]，對(duì)于風(fēng)沙防治工程設(shè)計(jì)具有十分重要的意義。

2.1大風(fēng)成因及風(fēng)區(qū)分布

新疆境內(nèi)大風(fēng)形成主要受北方冷空氣入侵的影響，加之獨(dú)特的地形地貌條件，呈現(xiàn)出顯著的地域性特點(diǎn)。冷熱空氣的氣壓差、河谷和埡口地形的“狹管效應(yīng)”和順風(fēng)向下沉的地勢(shì)是造成鐵路沿線大風(fēng)的主要因素。

新疆西部山區(qū)有3個(gè)主要的河谷，是冷空氣進(jìn)入新疆的主要?dú)饬魍ǖ馈＠淇諝膺M(jìn)入新疆時(shí)，首先會(huì)在這些通道產(chǎn)生大風(fēng)。這些“風(fēng)道”中，對(duì)鐵路有影響的主要是阿拉山口風(fēng)口。隨著冷空氣東移，由于天山的阻擋，冷空氣在北疆地區(qū)天山北麓堆積，與天山南部的吐鄯托盆地形成巨大的氣壓差。當(dāng)氣壓差達(dá)到一定程度，冷空氣沿天山山脈的埡口奪路而出，形成了西北或偏北大風(fēng)區(qū)，較為典型的有“三十里風(fēng)區(qū)”和“百里風(fēng)區(qū)”[11]。同時(shí)，由于這些地區(qū)特殊的地形地貌(北高南低、植被稀少)，氣流沿坡直下，流速不斷加快，鐵路沿線部分地區(qū)的溝谷地形造成的“狹管效應(yīng)”進(jìn)一步加強(qiáng)了風(fēng)力。另外，有一支冷空氣在天山北麓受阻沿天山東移，在天山、北山(馬鬃山)之間的山谷折向西行(即氣象部門所稱的“東灌”)，形成了煙墩風(fēng)口的偏東大風(fēng)。由此可知，冷空氣在天山北部盆地的聚集和天山南部的吐鄯托盆地之間的氣壓差形成的氣壓梯度力是造成新疆鐵路風(fēng)區(qū)大風(fēng)最直接的動(dòng)力條件(或稱熱力條件)；天山的幾處埡口和沿風(fēng)向下沉的地勢(shì)以及鐵路沿線的溝谷地形是形成鐵路大風(fēng)區(qū)的地形條件。

由于新疆冷空氣的入侵具有明顯的季節(jié)性，新疆鐵路風(fēng)區(qū)的大風(fēng)也相應(yīng)呈現(xiàn)出明顯的季節(jié)性。一般地，春季和秋季，氣溫變化較大，冷空氣活動(dòng)頻繁，大風(fēng)日數(shù)多，風(fēng)速也較大；春季冷空氣強(qiáng)度最大，天山南北氣壓差也最大，相應(yīng)地，一年中的最強(qiáng)大風(fēng)也就出現(xiàn)在春季。近年來由于氣候變化，夏季大風(fēng)有增多趨勢(shì)，但最大風(fēng)速和大風(fēng)持續(xù)時(shí)間均明顯小于春季。

蘭新高速鐵路從蘭州經(jīng)西寧、張掖、嘉峪關(guān)、哈密、吐魯番到烏魯木齊，沿線經(jīng)過“安西風(fēng)口”、“煙墩風(fēng)區(qū)”、“百里風(fēng)區(qū)”、“三十里風(fēng)區(qū)”等多處重大風(fēng)口，其中風(fēng)沙災(zāi)害威脅最為嚴(yán)重的要數(shù)“百里風(fēng)區(qū)”和“煙墩風(fēng)區(qū)”。

2.2大風(fēng)特征

百里風(fēng)區(qū)試驗(yàn)段位于哈密盆地山前沖、洪積傾斜平原區(qū)，屬于中溫帶大陸性干旱氣候區(qū)，氣候干燥，降雨量小，冰凍期長(zhǎng)，晝夜溫差變化較大，春、秋多風(fēng)，夏季短促而炎熱，冬季漫長(zhǎng)且嚴(yán)寒。年平均降雨量38 mm，最大降雨量99.1 mm，年平均蒸發(fā)量4 803.6 mm，年最大蒸發(fā)量7 914 mm，年平均風(fēng)速5.8 m/s，主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)镹NW，約占全年風(fēng)向的31.6%左右，靜風(fēng)頻率為0.76%(圖1)，最大定時(shí)風(fēng)速46.6 m/s。

圖1　百里風(fēng)區(qū)風(fēng)頻玫瑰圖

煙墩風(fēng)區(qū)試驗(yàn)段位于天山東脈北山山前剝蝕平原區(qū)， 屬典型的溫帶大陸性氣候，冬季寒冷干燥，春季多風(fēng)且冷暖多變，夏季高溫少雨。年降水量平均為33.8 mm，年蒸發(fā)量為3 300 mm，年平均風(fēng)速4.6～5.9 m/s，定時(shí)最大風(fēng)速27～28 m/s，受地形地貌的影響，本試驗(yàn)段的主導(dǎo)風(fēng)向主要為NE、ENE，分別占全年風(fēng)向的21%和26%，靜風(fēng)頻率為1.36%(圖2)。

圖2　煙墩風(fēng)區(qū)風(fēng)頻玫瑰圖

2.3沙顆粒分析

風(fēng)沙流在輸運(yùn)過程中，粒度特征在垂直方向上發(fā)生空間分異，對(duì)風(fēng)沙流進(jìn)行顆粒分析，可以進(jìn)一步了解風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)及風(fēng)沙流運(yùn)動(dòng)規(guī)律。從2011年4月至2012年12月百里風(fēng)區(qū)和煙墩風(fēng)區(qū)原始風(fēng)沙流的不同高度的集沙顆分?jǐn)?shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)(表1和表2)可以看出：隨著高度的升高，所集沙粒中細(xì)顆粒組分的含量在逐漸上升，而對(duì)粗顆粒組分的含量則顯現(xiàn)遞減的趨勢(shì)。

對(duì)比2個(gè)試驗(yàn)段積沙的顆粒組成，還可以得出，煙墩風(fēng)區(qū)的沙粒粒徑要比百里風(fēng)區(qū)的小，其最大粒徑不超過2 mm，而百里風(fēng)區(qū)由于起沙風(fēng)速高，風(fēng)力強(qiáng)勁，所以，其風(fēng)沙流中含有一些沙礫，破壞力十分嚴(yán)重。

表1　百里風(fēng)區(qū)原始風(fēng)沙流集沙顆分?jǐn)?shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)　%

2.4風(fēng)沙流活動(dòng)特征

當(dāng)強(qiáng)冷空氣入侵北疆之際，在地勢(shì)差、氣壓差、氣溫差疊加的共同作用下，致使蘭新高速鐵路沿線大風(fēng)區(qū)具有大風(fēng)日數(shù)多、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、風(fēng)力強(qiáng)勁等特點(diǎn)。一般情況下，冬春交替季節(jié)和秋冬交替季節(jié)，氣溫變化較大，冷空氣活動(dòng)頻繁，大風(fēng)日數(shù)多，風(fēng)速也較大；冬春交替季節(jié)冷空氣強(qiáng)度最大，天山南北氣壓差也最大，所以一年中的最強(qiáng)大風(fēng)也就主要出現(xiàn)在冬春交替季節(jié)。加之戈壁地區(qū)地表主要為礫石覆蓋，植被覆蓋率極低，使得當(dāng)?shù)仫L(fēng)沙災(zāi)害頻發(fā)。受氣象及地質(zhì)條件的影響，蘭新高鐵沿線的風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)特征存在一些特殊之處，具體如下。

(1)戈壁強(qiáng)風(fēng)地區(qū)的大風(fēng)攜沙量的垂直分布十分明顯，集沙量與高度之間呈e的負(fù)指數(shù)變化關(guān)系，即高度越高集沙量越小。

(2)戈壁強(qiáng)風(fēng)地區(qū)大風(fēng)所攜沙粒粒徑主要分布在0.1～0.25 mm粒徑段，隨著高度的增加，小于0.1 mm的細(xì)顆粒物質(zhì)含量逐漸增加，而大顆粒沙粒含量在逐漸減少。

3　擋沙墻主要設(shè)計(jì)參數(shù)及防護(hù)效果評(píng)價(jià)

3.1擋沙墻主要設(shè)計(jì)參數(shù)

擋沙墻又稱機(jī)械沙障，是指利用秸稈、樹枝、黏土、混凝土、HDPE網(wǎng)等材料在地表筑成一定高度的障蔽物，具有攔截風(fēng)沙流、消減風(fēng)速、固定流沙作用的工程防沙措施。

擋沙墻的設(shè)計(jì)參數(shù)決定著防沙效果，同時(shí)影響著工程造價(jià)。合理的設(shè)計(jì)參數(shù)不僅可以提高防沙效率，還可以大幅度減小工程造價(jià)，直接決定著工程措施的性價(jià)比。影響擋沙墻防沙效果的因子較多，但其關(guān)鍵因子主要有高寬比、孔隙率和高度等。故主要從上述3個(gè)因子來研究其對(duì)防沙效果的影響，擋沙墻如圖3所示。

3.2擋沙墻寬度與防沙效果之間的關(guān)系

蘭新高速鐵路百里風(fēng)區(qū)試驗(yàn)段不同寬度箱式擋沙墻(墻體高度統(tǒng)一為2.0m)的防護(hù)效果對(duì)比如圖4所示，圖中的集沙量表示風(fēng)沙流經(jīng)過擋沙墻凈化后，不同高度的殘余含沙量，所以其數(shù)值與擋沙墻的防護(hù)效果呈負(fù)相關(guān)變化，當(dāng)來流方向一致時(shí)，殘余含沙量越小，表明擋沙墻的防護(hù)效果越優(yōu)。

從圖4可以看出，當(dāng)擋沙墻高度一定時(shí)，風(fēng)沙防護(hù)效果與擋沙墻的寬度顯現(xiàn)出一定的負(fù)相關(guān)變化，隨著墻體寬度的增加，其對(duì)風(fēng)沙流的凈化效果逐漸變差。分析其原因主要是：隨著墻體的寬度增加，墻體對(duì)上層氣流的壓縮能力加強(qiáng)，氣流剪切力有所增加，使得運(yùn)動(dòng)氣流出現(xiàn)類狹管增速效應(yīng)，氣流經(jīng)過壓縮后在背風(fēng)側(cè)的風(fēng)速殘留值還是較大，致使沉降的沙粒極易出現(xiàn)二次飛揚(yáng)，給風(fēng)沙流補(bǔ)給了部分沙源，使得大風(fēng)攜沙量偏大[12-14]。

圖4　不同高寬比的箱式擋沙墻防沙效果對(duì)比

3.3不同孔隙率沙障的防護(hù)效果研究

PE網(wǎng)作為一種防沙新材料，因其風(fēng)沙防護(hù)效果優(yōu)、造價(jià)低廉、施工速度快等優(yōu)點(diǎn)，近年來被廣泛地應(yīng)用于風(fēng)沙災(zāi)害的防治工作中，并取得了較為可觀的效果，本試驗(yàn)段的一個(gè)主要目的是通過現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)，針對(duì)流動(dòng)沙丘及半流動(dòng)沙丘地區(qū)風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)，找出PE網(wǎng)沙障的最佳孔隙率。

從不同孔隙率PE網(wǎng)沙障的風(fēng)沙防護(hù)效果對(duì)比(圖5)中可以看出，在3種不同孔隙率的高立式PE網(wǎng)沙障中，孔隙率為40%的高立式PE網(wǎng)沙障表現(xiàn)出了良好的防沙效果，其防護(hù)效果要明顯地優(yōu)于孔隙率為30%和50%的沙障；而孔隙率為30%的高立式沙障次之，孔隙率為50%的高立式沙障防護(hù)效果在三者中是相對(duì)最差的。分析圖中數(shù)據(jù)還可以看出，隨著高度的增加，三者背風(fēng)側(cè)殘余集沙量之間的差距在逐漸減小，尤其是孔隙率為40%和30%的沙障，當(dāng)高度超過沙障自身高度后，二者集沙量的差距非常小，幾乎可以忽略不計(jì)，說明隨著高度的增加，大風(fēng)所攜沙粒的總體質(zhì)量在逐漸降低，高立式沙障對(duì)上層氣流的影響程度越來越微弱，相應(yīng)的不同沙障之間的防護(hù)效果差距也在變小。

圖5　不同孔隙率高立式PE沙障的防沙效果對(duì)比

3.4擋沙墻高度與防沙效果之間的關(guān)系

為研究擋沙墻高度對(duì)其防沙效果的影響，在百里風(fēng)區(qū)和煙墩風(fēng)區(qū)試驗(yàn)段分別設(shè)置了不同高度的斜插板擋沙墻，并對(duì)其風(fēng)沙防護(hù)效果進(jìn)行了觀測(cè)。圖6和圖7分別為兩大風(fēng)區(qū)不同高度擋沙墻防沙效果對(duì)比圖，從圖中可以看出，當(dāng)墻體形式相同時(shí)，擋沙墻背風(fēng)側(cè)的集沙量隨高度的增加基本都顯現(xiàn)出負(fù)增長(zhǎng)的變化趨勢(shì)，高度越高，大風(fēng)攜沙量越小。說明當(dāng)垂直高度超過擋沙墻的設(shè)置高度后，上層攜沙氣流的運(yùn)動(dòng)過程受擋沙墻的擾動(dòng)逐漸變小，擋沙墻后的大風(fēng)集沙量之間的差距也逐漸變小。對(duì)比墻體高度對(duì)擋沙墻防護(hù)效果的影響可以看出，在煙墩風(fēng)區(qū)，隨著高度的增加，沙障的阻沙效果沒有顯現(xiàn)單調(diào)的遞增規(guī)律，2.0 m高擋沙墻的風(fēng)沙防護(hù)效果要明顯好于2.5 m和1.5 m高的擋沙墻的防護(hù)效果，說明隨著墻體高度的增加，防護(hù)效果增加值由開始的快速增加逐步趨于平緩，后期隨著高度的進(jìn)一步增加，防護(hù)效果開始出現(xiàn)細(xì)微增長(zhǎng)或下降的趨勢(shì)。

圖6　百里風(fēng)區(qū)不同高度的擋沙墻防沙效果對(duì)比

圖7　煙墩風(fēng)區(qū)不同高度的擋沙墻防沙效果對(duì)比

4　結(jié)論

(1)蘭新高速鐵路風(fēng)沙區(qū)段，當(dāng)擋沙墻高度一定時(shí)，風(fēng)沙防護(hù)效果與擋沙墻的寬度顯現(xiàn)出一定的負(fù)相關(guān)變化，隨著墻體寬度的增加，其對(duì)風(fēng)沙流的凈化效果逐漸變差。

(2)在蘭新高速鐵路沿線，孔隙率為40%的高立式PE網(wǎng)沙障表現(xiàn)出了良好的防沙效果，其防護(hù)效果要明顯的優(yōu)于孔隙率為30%和50%的沙障。

(3)蘭新鐵路百里風(fēng)區(qū)：2 m高的擋沙墻防護(hù)效果要明顯的優(yōu)于1.5 m高的擋沙墻；在煙墩風(fēng)區(qū)：不同高度沙障的阻沙效果與沙障高度的規(guī)律性則表現(xiàn)出了一定的差異，隨著高度的增加，沙障的阻沙效果沒有顯現(xiàn)單調(diào)的遞增規(guī)律，2.0 m高擋沙墻的風(fēng)沙防護(hù)效果要略優(yōu)于2.5 m和1.5 m高的擋沙墻的防護(hù)效果。

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[14]石龍，蔣富強(qiáng).斜插板擋沙墻設(shè)計(jì)參數(shù)優(yōu)化數(shù)值模擬[J].中國(guó)沙漠，2014，34(3)：666-673.

Experimental Study on Design Parameters of Retaining Wall for Sandstorm Section of Lanzhou-Urumqi High-speed Railway

ZHANG Cheng-bo

(Xinjiang Corporation of Lanxin Railway， Urumqi 830000， China)

The sand roadbed is mainly located in Yandun wind zone and Barry wind zone along double track Lanzhou-Xinjiang railway line. Sand flow is likely to form under strong wind condition. The sand retaining wall plays an important role in the protection of railway. In order to give full play of the sand retaining wall， this paper addresses the causes and regularities of sand flow along the Lanzhou-Urumqi high-speed railway， and the parameters of the sand retaining wall in terms of height and width ratio， porosity and height are compared and tested， finally the optimization design method of sand retaining wall is put forward. The analysis results show that when the sand retaining wall is of a certain height， the protective effect of the sand retaining wall shows a negative correlation with the width. For sand barrier of unified web structure， the porosity of 40% is the best， followed 30% and 50%. The sand retaining wall of 2 m high is recommended followed by 2.5 m and 1.5 m．

High-speed rail; Retaining wall; Design parameters; Sand prevention effect

2016-03-02；

2016-06-08

中國(guó)中鐵股份有限公司重點(diǎn)科技開發(fā)項(xiàng)目(2015-KJ035-G004-03)

張乘波(1963—)，男，高級(jí)工程師，E-mail：sl107@126.com。

1004-2954(2016)09-0004-05

U238； U213.1+54

ADOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.09.002