風(fēng)沙流對青藏鐵路路基影響的研究

張亞賓劉文曉

（1甘肅建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅 蘭州 730050；2包頭鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014060）

風(fēng)沙流對青藏鐵路路基影響的研究

張亞賓1劉文曉2

（1甘肅建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅 蘭州 730050；2包頭鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014060）

針對青藏鐵路沙害問題，通過對青藏鐵路路基進(jìn)行觀察研究，分析風(fēng)沙流對路基產(chǎn)生的影響，結(jié)果表明：路基的路肩部位風(fēng)蝕現(xiàn)象明顯而坡腳處積沙現(xiàn)象明顯；由于背風(fēng)側(cè)存在渦旋氣流，導(dǎo)致背風(fēng)側(cè)積沙量比迎風(fēng)側(cè)積沙量少；青藏鐵路軌道結(jié)構(gòu)的沙埋現(xiàn)象并不發(fā)生在風(fēng)力最強(qiáng)的時候，而是在弱風(fēng)季節(jié)及多風(fēng)向季節(jié)。

青藏鐵路；風(fēng)沙流；路基；積沙

1 引 言

我國有將近1萬公里鐵路線路受到風(fēng)沙災(zāi)害的威脅。其中最具代表性的是包蘭鐵路，其治沙首創(chuàng)的“五帶一體”治沙防沙體系也成為我國鐵路防沙的典范工程。后建成的青藏鐵路、喀和鐵路、太中銀鐵路、以及蘭新二線等鐵路線均存在嚴(yán)重的沙害問題，所以我國學(xué)者對線路防沙也越來越重視：張克存等[1]對青藏鐵路沱沱河段路基進(jìn)行風(fēng)洞模擬，發(fā)現(xiàn)氣流經(jīng)過路基時形成遇阻抬升區(qū)、集流加速區(qū)、減速沉降區(qū)以及消散恢復(fù)區(qū)。趙秀峰[2]研究了青藏公路風(fēng)沙災(zāi)害，分析了風(fēng)沙堆積的成因及影響。李馳[3]等利用FLENT研究了沙漠公路的風(fēng)蝕破壞，分析路基高度、坡度和寬度等對風(fēng)沙流的影響。張軍平等[4]對蘭新鐵路路基研究后發(fā)現(xiàn)：迎風(fēng)側(cè)路肩上方產(chǎn)生風(fēng)蝕現(xiàn)象，坡腳處產(chǎn)生積沙。本文主要結(jié)合青藏高原風(fēng)沙災(zāi)害，探討青藏鐵路風(fēng)沙流對鐵路路基的影響，為青藏鐵路沙害治理提供支持。

2 風(fēng)沙流對路基的影響

2.1 基本原理

鐵路風(fēng)沙病害可分為風(fēng)蝕和積沙。地表松散物質(zhì)被風(fēng)力帶走的現(xiàn)象是風(fēng)蝕；被風(fēng)力帶走的顆粒物遇到阻擋物或風(fēng)力減弱后沉積形成積沙。起沙風(fēng)速是沙顆粒由靜止?fàn)顟B(tài)進(jìn)入運(yùn)動狀態(tài)的風(fēng)速臨界值。鐵路路基產(chǎn)生風(fēng)沙災(zāi)害的基本原理是：當(dāng)作用于路基的風(fēng)力達(dá)到該處的起沙風(fēng)速后，路基表面上的松散物質(zhì)被風(fēng)帶走，產(chǎn)生路基風(fēng)蝕現(xiàn)象，隨風(fēng)蝕產(chǎn)生并加強(qiáng)的風(fēng)沙流裹挾大量顆粒物，不斷沖擊路基表面，使路基表面產(chǎn)生松動，大量因風(fēng)沙流沖擊而松動的顆粒物會隨之納入風(fēng)沙流，進(jìn)而加劇風(fēng)沙流的沖擊力，此過程反復(fù)作用，最終不斷加劇路基風(fēng)蝕現(xiàn)象；另一方面，路基又是風(fēng)沙流運(yùn)動的障礙物，風(fēng)沙流經(jīng)過路基時會降低速度，甚至?xí)鼐€路產(chǎn)生氣流旋渦，損失其前進(jìn)動力，致使風(fēng)沙流所攜沙顆粒沿線路沉積，產(chǎn)生線路積沙現(xiàn)象。所以從現(xiàn)場來看，路基的路肩部位風(fēng)蝕現(xiàn)象明顯而坡腳處積沙現(xiàn)象明顯。

2.2 風(fēng)沙流變化特征

風(fēng)沙流經(jīng)過路基時氣流速度會發(fā)生變化，根據(jù)氣流速度的不同進(jìn)行分區(qū)，在迎風(fēng)側(cè)坡腳形成氣流減速區(qū)，在迎風(fēng)側(cè)坡面形成加速區(qū)，在迎風(fēng)側(cè)路肩形成高速區(qū)，在路堤頂面形成低速區(qū)，在背風(fēng)側(cè)形成紊流區(qū)。

氣流低速區(qū)范圍較大，積沙量也較大。理論上背風(fēng)側(cè)低速區(qū)范圍比迎風(fēng)側(cè)低速區(qū)范圍大，即背風(fēng)側(cè)積沙量比迎風(fēng)側(cè)積沙量要大。但實際上，由于背風(fēng)側(cè)存在渦旋氣流，部分沉積在背風(fēng)側(cè)的沙粒被渦旋氣流帶離，導(dǎo)致背風(fēng)側(cè)積沙量比迎風(fēng)側(cè)積沙量少。

路基背風(fēng)側(cè)是紊流區(qū)，存在不同的氣流渦旋，故而風(fēng)沙流運(yùn)動較為復(fù)雜。風(fēng)沙流經(jīng)過背風(fēng)側(cè)時，已沉積在背風(fēng)側(cè)的部分沙粒被卷入氣流，隨渦旋氣流運(yùn)動，在重力作用下，卷入渦旋氣流的沙粒又沉積在背風(fēng)側(cè)；同時還有少部分沉積在背風(fēng)側(cè)的沙粒會隨上升氣流進(jìn)入氣流的主流區(qū)，離開路基坡腳。

2.3 風(fēng)速對路基積沙的影響

風(fēng)力是沙粒發(fā)生移動的動力條件，當(dāng)風(fēng)速大于沙粒的起沙風(fēng)速時，沙粒開始移動。風(fēng)沙流遇到路基阻擋后速度降低，當(dāng)風(fēng)速降低不足以讓沙粒繼續(xù)移動時，沙粒便會沉積形成積沙。一般情況下，隨著風(fēng)速的增大，迎風(fēng)側(cè)坡腳的積沙量逐漸減少，背風(fēng)側(cè)坡腳的積沙量變化不大，其原因是，當(dāng)初始風(fēng)速較高時，雖然風(fēng)沙流通過路基時氣流速度和沙粒速度都會降低，但迎風(fēng)坡側(cè)腳附近的風(fēng)速仍大于沙粒的啟動速度，故只有少部分緊貼地面的沙粒沉積在坡腳，而大部分沙粒則會沿著路基坡面向上移動；若初始風(fēng)速較小，風(fēng)沙流通過路基時速度降低，小于沙粒的啟動速度，則大部分沙粒沉積在坡腳形成積沙。

3 風(fēng)沙流對青藏鐵路路基的影響

3.1 風(fēng)沙流的積沙作用

青藏鐵路沿線冬季受西風(fēng)影響顯著，風(fēng)力持久強(qiáng)勁。當(dāng)風(fēng)沙流運(yùn)行至鐵路路基時，由于鐵路路基的阻擋，風(fēng)沙流在抬升的同時，部分能量產(chǎn)生損耗，貼地風(fēng)沙流風(fēng)速降低，部分沙粒沉積在路基迎風(fēng)側(cè)坡腳處，形成積沙，鐵路路基的修建阻礙了風(fēng)沙流運(yùn)行軌跡，風(fēng)沙易于沉積于鐵路路基兩側(cè)。堆積在鐵路路基迎風(fēng)側(cè)坡腳的積沙，極易在弱風(fēng)作用下搬運(yùn)至道床，危及線路安全。

青藏高原風(fēng)季集中在冬春兩季，大量沙顆粒被大風(fēng)搬運(yùn)至鐵路路基附近，由于風(fēng)力強(qiáng)勁，大部分風(fēng)沙流處于不飽和狀態(tài)，經(jīng)過路基迎風(fēng)側(cè)時，沙埋現(xiàn)象并不顯著；風(fēng)沙流遇阻抬升時會在路基頂面形成風(fēng)速高于起始值2倍以上的強(qiáng)風(fēng)區(qū)；當(dāng)風(fēng)沙流越過鐵軌進(jìn)入背風(fēng)側(cè)紊流區(qū)，由于氣流渦旋的作用，風(fēng)沙流攜沙能力急劇下降，而風(fēng)沙流又處于過飽和狀態(tài)，必然導(dǎo)致大量沙粒沉積在路基背風(fēng)側(cè)，若之后氣流方向發(fā)生改變，沉積在路基背風(fēng)側(cè)的沙粒極易被帶入線路軌道結(jié)構(gòu)，因此在風(fēng)向發(fā)生交替變化的季節(jié)，軌道結(jié)構(gòu)風(fēng)沙災(zāi)害最為嚴(yán)重。故而青藏鐵路軌道結(jié)構(gòu)的沙埋現(xiàn)象并不發(fā)生在風(fēng)力最強(qiáng)的時候，而是強(qiáng)風(fēng)將沙粒帶到鐵路沿線形成路基沙埋，在弱風(fēng)季節(jié)及多風(fēng)向季節(jié)，鐵路路基處的積沙被帶入軌道結(jié)構(gòu)，造成沙埋危害，嚴(yán)重影響行車安全。

3.2 風(fēng)沙流的風(fēng)蝕作用

通過對青藏鐵路路基進(jìn)行觀測，發(fā)現(xiàn)路肩及邊坡上部風(fēng)蝕非常嚴(yán)重，甚至部分路肩被風(fēng)蝕成渾圓狀，部分邊坡形成風(fēng)蝕槽，而且風(fēng)蝕程度與路基高度及風(fēng)向與線路的夾角相關(guān)，一般情況下，路基高度越高風(fēng)蝕程度越嚴(yán)重；大風(fēng)風(fēng)向與鐵路線路的夾角垂直時風(fēng)蝕最嚴(yán)重。風(fēng)蝕路肩導(dǎo)致路肩寬度不夠，軌枕外露，加之列車運(yùn)行振動影響，鐵路軌道的軌道形位難以保持，危及列車安全運(yùn)營，甚至造成列車停車事故。

4 結(jié) 語

1）路基是風(fēng)沙流運(yùn)動的障礙物，風(fēng)沙流經(jīng)過路基時速度降低，甚至產(chǎn)生氣流旋渦，致使風(fēng)沙流所攜沙顆粒沿線路沉積，產(chǎn)生線路積沙現(xiàn)象。

2）路基背風(fēng)側(cè)是紊流區(qū)，存在不同的氣流渦旋，風(fēng)沙流經(jīng)過背風(fēng)側(cè)時，已沉積在背風(fēng)側(cè)的部分沙粒被卷入氣流，一部分卷入渦旋氣流的沙粒重新沉積在背風(fēng)側(cè)；另部分卷入渦旋氣流的沙粒會隨上升氣流進(jìn)入氣流的主流區(qū)，離開坡腳。

3）由于背風(fēng)側(cè)存在渦旋氣流，部分沉積在背風(fēng)側(cè)的沙粒被渦旋氣流帶離，導(dǎo)致背風(fēng)側(cè)積沙量比迎風(fēng)側(cè)積沙量少。

4）青藏鐵路軌道結(jié)構(gòu)的沙埋現(xiàn)象并不發(fā)生在風(fēng)力最強(qiáng)的時候，而是在弱風(fēng)季節(jié)及多風(fēng)向季節(jié)，鐵路路基處的積沙被帶入軌道結(jié)構(gòu)，造成軌道結(jié)構(gòu)沙埋危害。

[1]張克存，牛清河，屈建軍，等．青藏鐵路沱沱河路段流場特征及沙害形成機(jī)理[J]．干旱區(qū)研究，2010,27（2）：303-308．

[2]趙秀峰．青藏公路沿線風(fēng)沙堆積的成因及環(huán)境意義[J]．干旱區(qū)資源與環(huán)境，1991,5（4）：61-69．

[3]李馳，高瑜，黃浩．沙漠公路風(fēng)蝕破壞規(guī)律的數(shù)值模擬研究[J]．巖土力學(xué)，2011,21（1）：642-647

[4]張軍平，王引生，蔣富強(qiáng)．蘭新鐵路戈壁地區(qū)路基周圍風(fēng)沙流運(yùn)動特征數(shù)值分析[J]．中國鐵道科學(xué)，2011，32（4）,14-18

Study on the influence of wind-blown sand on QINGHAI - TIBET railway subgrade

According to the problem of sand hazard in Qinghai-Tibet Railway,through the observation and study of Qinghai-Tibet railway subgrade, analyzinge the influence of sand flow on the roadbed,the results show that the wind erosion phenomenon of the roadside of the subgrade is obvious and the sand at slope foot is obvious．Because of the existence of vortex airflow on the leeward side,the amount of accumulated sand in the leeward side is less than that in the windward side．The sand burial phenomenon of the Qinghai-Tibet railway track structure does not occur when the wind is the strongest,but in the weak wind season and the windy season．

Qinghai-Tibet railway；wind-blown sand；subgrade；sand

U216．413

B

1003-8965(2017)03-0088-02