青藏鐵路南山口段風(fēng)沙災(zāi)害防護體系優(yōu)化

趙 洋,高廣磊,2?,丁國棟,2,周金星,姜鑫貴

(1.北京林業(yè)大學(xué)水土保持學(xué)院,水土保持國家林業(yè)局重點實驗室,100083,北京;2.寧夏鹽池毛烏素沙地生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測研究站,751500,寧夏鹽池)

青藏鐵路東起青海西寧,西至西藏拉薩,全長1 956 km,是世界海拔最高、線路最長的高原鐵路,是連接西藏與內(nèi)地的重要線路,也是我國西部大開發(fā)戰(zhàn)略的標(biāo)志性工程;但是,青藏鐵路途經(jīng)青藏高原高寒沙區(qū),沿線風(fēng)沙活動強烈,沙埋鐵軌、風(fēng)蝕路基和磨蝕設(shè)備等風(fēng)沙災(zāi)害對青藏鐵路安全運行造成嚴重威脅[13],因此,青藏鐵路沿線風(fēng)沙災(zāi)害防治得到了全國乃至世界范圍的熱切關(guān)注[2]。

經(jīng)過幾十年的努力,青藏鐵路一期工程西寧至格爾木段風(fēng)沙災(zāi)害已經(jīng)得到有效控制[2-3]。目前,風(fēng)沙災(zāi)害主要集中在二期工程格爾木至拉薩段,特別是南山口、紅梁河、秀水河、北麓河、沱沱河、唐南至扎加藏布和錯那湖等地段[47]。為緩解風(fēng)沙災(zāi)害威脅,青藏鐵路沿線重點沙害路段布置了大規(guī)模且種類多樣的工程治沙措施[8];但目前,上述措施仍缺乏系統(tǒng)的科學(xué)評價,部分風(fēng)沙災(zāi)害路段防護體系布設(shè)存在一定缺陷[89]。

南山口是青藏鐵路二期工程的起點,距格爾木市約30 km,是青藏鐵路重點風(fēng)沙災(zāi)害路段之一。鑒于此,本研究基于對南山口段風(fēng)沙災(zāi)害防護體系的野外調(diào)查,開展風(fēng)洞模擬實驗,旨在科學(xué)評價和系統(tǒng)優(yōu)化南山口段風(fēng)沙災(zāi)害防護體系,并為構(gòu)建科學(xué)高效的青藏鐵路風(fēng)沙災(zāi)害防護體系提供理論依據(jù)和科技支撐。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于青藏鐵路二期工程南山口段,地處柴達木盆地南緣山前沖積洪積傾斜平原,屬典型的高原大陸性氣候區(qū)。研究區(qū)常年干燥少雨,年均降水量42.2 mm。南山口是青藏鐵路沿線揚沙和沙塵暴天氣的多發(fā)路段,這一地區(qū)盛行西風(fēng),盛行風(fēng)向與南北走向的鐵路線路近似垂直,年均風(fēng)速2.2 m/s,年平均大風(fēng)時間約為16 d,但多集中于3—6月[10]。研究區(qū)具有鮮明的戈壁荒漠地貌景觀,地勢平坦,土壤結(jié)構(gòu)松散,土壤質(zhì)量較差,為土壤風(fēng)蝕的發(fā)生發(fā)展提供了豐富的物質(zhì)基礎(chǔ)。該區(qū)域植被稀少,植被類型以旱生灌木和小半灌木為主,植被組成單一,植株低矮且生長稀疏[11]。受惡劣的自然條件限制,風(fēng)沙災(zāi)害防治生物措施難以在南山口地區(qū)大面積實施,因此,南山口地區(qū)布設(shè)了大規(guī)模的風(fēng)沙災(zāi)害防治工程措施。

2 研究方法

2.1 野外調(diào)查

2016年7月,在青藏鐵路南山口段開展野外調(diào)查,調(diào)查內(nèi)容主要包括路域風(fēng)沙災(zāi)害防護體系的布設(shè)格局、工程措施材料與規(guī)格、鐵路路基參數(shù),并采用斷面測量的方法對風(fēng)沙災(zāi)害防護體系內(nèi)的積沙量進行測定[12]。

2.2 風(fēng)洞模擬實驗

2016年9月,在北京林業(yè)大學(xué)風(fēng)沙物理實驗室開展風(fēng)洞模擬實驗。風(fēng)洞全長24.5 m,試驗段長12 m,試驗段橫截面積為0.6 m×0.6 m,實用風(fēng)速3～40 m連續(xù)可調(diào)。依據(jù)南山口風(fēng)信資料,將實驗風(fēng)速設(shè)定為15 m/s。風(fēng)向與路基方向垂直,模型比例尺1∶50。使用三維移測系統(tǒng)和KIMO熱線風(fēng)速儀觀測風(fēng)速,每個風(fēng)速測點的測量時間為20 s,取風(fēng)速平均值。主要實驗內(nèi)容如下：1)鐵路路基風(fēng)速流場特征：將鐵路路基模型放置于風(fēng)洞試驗段,通過三維移測系統(tǒng)調(diào)整風(fēng)速儀探頭的位置,測繪路基周邊流場分布;2)工程防護措施防護效果評價：將工程防護措施及鐵路路基模型放置于風(fēng)洞試驗段,觀測工程防護措施周圍流場特征,以及防護措施對路基周邊流場的影響。

3 結(jié)果與討論

3.1 風(fēng)沙災(zāi)害防護體系布置格局與積沙特征

青藏鐵路南山口段風(fēng)沙災(zāi)害防護體系包括3道PE網(wǎng)柵欄和1道軌枕柵欄,總長度138 m(圖1)。其中：PE網(wǎng)柵欄位于防護體系最外側(cè),高160 cm,孔隙度約為40%,間距分別為19和20 m;軌枕柵欄在防護體系內(nèi)側(cè),高210 cm,孔隙度約為15%,分別距PE網(wǎng)柵欄和鐵路路基64和35 m。

圖1 青藏鐵路南山口段風(fēng)沙災(zāi)害防護體系Fig.1 Control measures of wind-sand disaster in the Nanshankou section of the Qinghai-Tibet railway

圖2 青藏鐵路南山口段積沙情況Fig.2 Sand deposition in the Nanshankou section of the Qinghai-Tibet railway

在無防護體系保護的區(qū)域,路基迎風(fēng)側(cè)坡腳存在積沙(圖2(a)),路基背風(fēng)側(cè)坡腳則無積沙現(xiàn)象。在受到防護體系保護的區(qū)域,積沙主要分布在阻沙柵欄周圍,路基周圍則不存在積沙現(xiàn)象(圖2(b))。其中：PE網(wǎng)柵欄的積沙較為均勻的分布在柵欄背風(fēng)側(cè),積沙體斷面近似于三角形(圖2(c));軌枕柵欄兩側(cè)都有積沙,其背風(fēng)側(cè)積沙體呈沙脊斷面結(jié)構(gòu)(圖2(d))。各阻沙柵欄內(nèi)積沙量差異較大,軌枕柵欄Z4的積沙量最多,占總積沙量的73.42%;PE網(wǎng)柵欄Z2次之,占總積沙量的23.74%;PE網(wǎng)柵欄Z2和Z3的積沙量較少,僅占總積沙量的2.42%和0.42%。因此,軌枕柵欄Z4積沙壓力較大,而PE網(wǎng)柵欄Z2和Z3并未充分發(fā)揮阻沙功能。這增加了鐵路沙害風(fēng)險,降低了軌枕柵欄Z4的使用年限,且增加了人工清沙和更新沙障的成本。

3.2 鐵路路基流場特征

由圖3可知,氣流在途徑鐵路路基的過程中存在著明顯的功能分區(qū)。氣流在接近路基時發(fā)生遇阻抬升,在路基迎風(fēng)側(cè)前方形成遇阻抬升區(qū)。氣流繼續(xù)前進至路基附近時,在路基迎風(fēng)側(cè)坡腳形成減速沉降區(qū)。而后,氣流沿路基迎風(fēng)側(cè)表面運動,并明顯出現(xiàn)加速過程,迎風(fēng)面流速最大值位于迎風(fēng)側(cè)路肩,可達14.2 m/s。此后,氣流不斷在路基頂部匯集,形成集流加速區(qū),流速達到極大值16.5 m/s,而此時對應(yīng)高度的來流速度僅為12.0 m/s。通過路基頂部后,氣流呈現(xiàn)減速趨勢,且在路基背風(fēng)側(cè)距地表8 cm以下區(qū)域減速尤為明顯,形成減速沉降區(qū)。在距地表8 cm以上的區(qū)域,雖然氣流流速仍高于相同高度的來流速度,但氣流速度仍始終保持減速趨勢,最終形成恢復(fù)消散區(qū)。

圖3 青藏鐵路南山口段鐵路路基流場分布Fig.3 Flow fileds around railwaybed in the Nanshankou section of the Qinghai-Tibet railway

南山口段鐵路路基流場特征表明,鐵路路基對于風(fēng)速流場有明顯影響。在沒有風(fēng)沙災(zāi)害防護體系的情況下,由于路基迎風(fēng)側(cè)和背風(fēng)側(cè)減速沉降區(qū)的存在,風(fēng)沙流中的沙粒會在鐵路路基兩側(cè)坡腳附近沉降,在弱風(fēng)條件下可使鐵路遭受到沙埋,路基頂部的集流加速區(qū)則會造成迎風(fēng)側(cè)路肩發(fā)生風(fēng)蝕破壞。

3.3 風(fēng)沙災(zāi)害防護體系流場特征

南山口段風(fēng)沙災(zāi)害防護體系流場分布如圖4所示。當(dāng)氣流運動至PE網(wǎng)柵欄Z1前時,柵欄高度范圍內(nèi)氣流流速緩慢降低,但在柵欄前并未形成明顯的弱風(fēng)區(qū)。與PE網(wǎng)柵欄Z1情況相似,PE網(wǎng)柵欄Z2及Z3障前和障后的風(fēng)速變化較小。氣流通過均勻透風(fēng)的PE網(wǎng)柵后,風(fēng)速并未迅速降低,而是隨著距離的增長持續(xù)降低,進而在柵欄背風(fēng)側(cè)形成流線變化緩慢且范圍較大的弱風(fēng)區(qū);故PE網(wǎng)柵欄附近的積沙主要出現(xiàn)在背風(fēng)側(cè),且分布較均勻,積沙體呈現(xiàn)出近似狹長三角形的積沙斷面。在PE網(wǎng)柵欄Z3后約60 cm開始,柵欄高度范圍的氣流基本呈現(xiàn)出穩(wěn)定趨勢。

當(dāng)氣流運動至軌枕柵欄Z4附近后,其流速變化過程與在PE網(wǎng)柵欄附近的變化過程區(qū)別明顯。在軌枕柵欄Z4前約6 cm處,氣流流速開始大幅降低,在柵欄前形成明顯的弱風(fēng)區(qū)。氣流在途經(jīng)軌枕柵欄Z4時抬升明顯,其上方氣流受到擠壓,流線密集,流速增大。同時,由于軌枕間存在上窄下寬的狹長縫隙,這使距地面3 cm高度以下,穿過柵欄的氣流在短距離內(nèi)先加速后減速,在背風(fēng)側(cè)形成渦流區(qū);因此,軌枕柵欄Z4的迎風(fēng)側(cè)和背風(fēng)側(cè)都存在積沙現(xiàn)象,且背風(fēng)側(cè)積沙體具有沙脊斷面結(jié)構(gòu)。

圖4 青藏鐵路南山口段防護體系流場分布Fig.4 Flow fields around wind-sand disaster control measures in the Nanshankou section of the Qinghai-Tibet railway

南山口段風(fēng)沙災(zāi)害防護體系對路基周邊風(fēng)速存在顯著影響(圖3和圖4)。在防護體系的保護下,路肩風(fēng)速由無防護體系時的15.1 m/s降為11.9 m/s;因此,防護體系不僅具有攔截風(fēng)沙流中沙物質(zhì)的作用,還降低了路肩風(fēng)蝕的可能性。但僅有的一道軌枕柵欄承擔(dān)了73.42%的阻沙量,其積沙壓力過大,且距鐵路僅35 m,存在危害鐵路運行的潛在風(fēng)險。

3.4 風(fēng)沙災(zāi)害防護體系優(yōu)化

目前,青藏鐵路南山口段風(fēng)沙災(zāi)害防護體系的寬度僅為138 m,且沙物質(zhì)大量沉積于距鐵路路基僅有35 m的軌枕柵欄Z4處,鐵路安全運行面臨風(fēng)沙災(zāi)害風(fēng)險的嚴重威脅;同時,由于南山口區(qū)域地表覆蓋大量礫石,戈壁地貌特征明顯,區(qū)域內(nèi)“就地起沙”的現(xiàn)象并不明顯,危害鐵路的沙源主要來自于周邊區(qū)域的流動和半流動沙丘[13]：因此,建議在南山口段風(fēng)沙災(zāi)害防護體系的上風(fēng)向增設(shè)不透風(fēng)或致密的高立式沙障,將防護體系寬度增加至300～500 m,以利于攔截外部的風(fēng)沙流,將沙物質(zhì)沉積在防護體系外緣,遠離鐵路,保障鐵路的安全運行[14]。

現(xiàn)階段,3道PE網(wǎng)柵欄積沙量差異較大,PE網(wǎng)柵欄Z2和Z3未能充分發(fā)揮防風(fēng)阻沙功能。風(fēng)洞中3道PE網(wǎng)柵欄前后風(fēng)速變化情況如圖5所示。風(fēng)沙流在PE網(wǎng)柵欄Z1處遇阻,風(fēng)速呈降低趨勢,風(fēng)沙流中的沙物質(zhì)發(fā)生堆積現(xiàn)象。而后,風(fēng)沙流按由下至上的空間層次風(fēng)速逐漸回升,風(fēng)沙流攜沙能力提高,沙物質(zhì)不再沉降。在PE網(wǎng)柵欄Z2和Z3處,風(fēng)沙流風(fēng)速變化趨勢與PE網(wǎng)柵欄Z1處基本一致,PE網(wǎng)柵欄Z2和Z3并未進一步削弱風(fēng)速,阻截風(fēng)沙流中的沙物質(zhì);因此,風(fēng)沙流在通過3道PE網(wǎng)柵欄時風(fēng)速呈波動下降趨勢,且減速過程主要發(fā)生在PE網(wǎng)柵欄Z1處,PE網(wǎng)柵欄Z2和Z3的防風(fēng)阻沙功能并未充分發(fā)揮。鑒于此,建議縮短PE網(wǎng)柵欄的間距,以利于持續(xù)降低風(fēng)速,增強PE網(wǎng)柵欄的阻沙效果。

圖5 PE網(wǎng)柵欄前后風(fēng)速變化Fig.5 Variation in wind velocity around PE fences

4 結(jié)論

1)青藏鐵路南山口段盛行西風(fēng),南北走向的鐵路路基成為阻礙風(fēng)沙運動的障礙物。路基坡腳低速區(qū)造成路基坡腳積沙,路肩和道床的集流加速區(qū)則有風(fēng)蝕路基和磨蝕的危險。

2)在南山口段風(fēng)沙災(zāi)害防護體系中,軌枕柵欄防風(fēng)阻沙的效果較好,但其積沙壓力過大且與鐵路距離過近,存在危害鐵路運行的潛在風(fēng)險。第2、3道PE網(wǎng)柵欄未充分發(fā)揮阻沙功能,增大了軌枕柵欄的積沙壓力。

3)建議在鐵路上風(fēng)向增設(shè)緊密或不透風(fēng)的高立式沙障,使防護體系寬度增加至300～500 m,將沙物質(zhì)阻截在防護體系外緣。同時,縮短3道PE網(wǎng)柵欄間距以持續(xù)降低風(fēng)速,增強其阻沙效果。