格庫(kù)鐵路青海段沙害成因及防沙措施

王 奭，崔曉寧，梁柯鑫

(1.中國(guó)鐵路青藏集團(tuán)有限公司，青海 西寧 810000；2.蘭州交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

我國(guó)是世界上沙區(qū)(戈壁、沙漠、風(fēng)蝕地區(qū)和沙漠化地區(qū))分布最廣的國(guó)家之一。而我國(guó)西北地區(qū)是沙漠最集中的地區(qū)，分布著塔克拉瑪干沙漠、古爾班通古特沙漠、柴達(dá)木沙漠、騰格里沙漠和巴丹吉林沙漠，約占全國(guó)沙漠面積的80%。20世紀(jì)50年代，為連接重工業(yè)城市包頭和蘭州，開始修建包蘭鐵路，于1958年8月1日建成通車，這是我國(guó)第一條沙漠鐵路。建成初期，鐵路每年春、冬大風(fēng)季節(jié)會(huì)出現(xiàn)沙子進(jìn)入軌道道砟引起拱道等沙害現(xiàn)象，嚴(yán)重影響行車安全[1]。1962年建成蘭新鐵路，建成初期由于沒有采取風(fēng)沙防護(hù)措施，7年的時(shí)間僅在玉門段因沙害造成的行車事故就高達(dá)13次，嚴(yán)重影響了鐵路行車安全。2006年7月1日，青藏鐵路全面建成通車，但鐵路開通后，因線路所在地風(fēng)沙流堆積和沙丘前移，沙子掩埋路基甚至鋼軌，破壞鐵路設(shè)施，造成中斷行車、機(jī)車脫軌等事故[2-3]。除去上述鐵路，在近60年的時(shí)間內(nèi)，還修建了南疆鐵路、北疆鐵路、集二鐵路、太中銀鐵路、神朔鐵路、臨策鐵路等18條沙漠鐵路。截至2010年，我國(guó)建成的沙漠鐵路長(zhǎng)度約 15 800 km，已成為世界上沙漠鐵路分布最廣的國(guó)家。

為了防止沙漠鐵路遭受沙害威脅，需要采取相應(yīng)的措施進(jìn)行風(fēng)沙防護(hù)。在線路設(shè)計(jì)的初期，可以使線路走向與當(dāng)?shù)刂鲗?dǎo)風(fēng)向平行，減小交叉角度，也可以通過選線使線路繞開風(fēng)沙危害嚴(yán)重的區(qū)域，及采用以橋代路[4-5]的形式。此外，可以采用高立式沙障和擋沙墻進(jìn)行鐵路防風(fēng)沙，高立式沙障[6-7]主要作用是降低風(fēng)沙流的速度，使沙顆粒在高立式沙障周圍堆積，起到防沙的效果，而擋沙墻[8]主要是起到減弱風(fēng)速的作用。除此之外還可以采用石方格、草方格、高密度聚乙烯(High Density Polyethylene,HDPE)網(wǎng)方格[9-10]等方格沙障來固定活動(dòng)的沙面，以此進(jìn)行鐵路防沙。經(jīng)過60多年的發(fā)展，高立式沙障和固沙方格都在沙漠鐵路中得到了廣泛的應(yīng)用。

但是由于風(fēng)沙流具有明顯的地域特征，對(duì)不同地形地貌、不同路基結(jié)構(gòu)形式的危害形式不同，同時(shí)也會(huì)形成不同的沙害形式，因此，不同地區(qū)和地段風(fēng)沙防治需要因地制宜，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，建立相應(yīng)的防護(hù)措施。本文對(duì)格庫(kù)鐵路青海段的沙害進(jìn)行調(diào)查，并分析沙害的成因，建立具體的防沙措施。為以后的鐵路防沙工程提供相關(guān)參考。

1 區(qū)域概況

1.1 線路介紹

新建格庫(kù)鐵路位于青海省西部與新疆維吾爾自治區(qū)的東南部，地處青海省海西蒙古自治州、新疆巴音郭楞蒙古自治州境內(nèi)。格庫(kù)鐵路東起青海省省會(huì)格爾木市，沿著昆侖山北麓以及柴達(dá)木盆地南緣向西行進(jìn)，經(jīng)烏圖美仁、甘森、花土溝至茫崖，然后進(jìn)入新疆境內(nèi)；之后線路穿越阿爾金山，先后經(jīng)過巴什考供、米蘭、若羌、鐵干里克、庫(kù)爾木依、尉犁，西抵庫(kù)爾勒市。格庫(kù)鐵路東銜青藏線西格段、格拉段和規(guī)劃中的格成鐵路，中連規(guī)劃中的和田—若羌—羅布泊鐵路，西接南疆線吐庫(kù)段、庫(kù)阿段、規(guī)劃中的伊寧—爾庫(kù)爾勒鐵路，在鐵路網(wǎng)中具有重要地位。

1.2 沿線環(huán)境氣候

格庫(kù)鐵路青海段地處柴達(dá)木盆地南緣，氣候干燥，風(fēng)大且頻率高，沿線沙源比較豐富，全線風(fēng)積沙、戈壁風(fēng)沙流和風(fēng)蝕均較為普遍，對(duì)線路青海段的影響非常大。柴達(dá)木盆地年平均降水量28.4～44.0 mm，年平均蒸發(fā)量 1 801.7～2 739.3 mm；年平均氣溫 2.9～6.4 ℃，極端最低氣溫-34.3 ℃，極端最高氣溫35.5 ℃；每年的2—9月份為風(fēng)季，以西風(fēng)和西北風(fēng)為主導(dǎo)風(fēng)向，年平均風(fēng)速2.0～3.5 m/s，最大風(fēng)速29.2 m/s，年平均8級(jí)(17.2～20.7 m/s)以上的大風(fēng)出現(xiàn)6～43 d。

2 沿線沙害調(diào)查

經(jīng)過調(diào)查，格庫(kù)鐵路青海段的沙害主要有沙埋路基、沙子進(jìn)入道砟和橋梁附近積沙3種，如圖1所示。

2.1 沙埋路基

沿線沙埋路基主要分布在DK285+326附近。這類積沙呈舌狀(如圖1(a)所示)，積沙的范圍比較小，但是積沙較厚，坡腳處積沙厚度為20～40 cm，坡面上積沙厚度為3～5 cm。

2.2 沙子進(jìn)入道砟

沙子進(jìn)入道砟(如圖1(b)所示)主要分布在DK127+129附近，沿線其他區(qū)段也存在類似災(zāi)害。沙子進(jìn)入道床將軌枕掩埋，當(dāng)火車經(jīng)過時(shí)，在列車的振動(dòng)作用下，沙子會(huì)透過道砟之間的間隙進(jìn)入軌枕的底部，使得軌枕抬高，鋼軌上拱。長(zhǎng)此以往，沙子還會(huì)將鋼軌掩埋，嚴(yán)重影響行車安全。

2.3 橋梁附近積沙

靠近橋臺(tái)處的積沙最嚴(yán)重(如圖1(c)所示)，另外沙子還可能進(jìn)入橋梁支座，影響支座正常工作。由于此區(qū)域的沙子含有少量的鹽分，長(zhǎng)此以往，也會(huì)對(duì)積沙處的混凝土構(gòu)件產(chǎn)生腐蝕。

3 沙害成因

為了弄清路基積沙和橋梁附近積沙的原因，按照現(xiàn)場(chǎng)路基和橋梁橫截面實(shí)際尺寸建立模型，通過ANSYS/Fluent軟件模擬風(fēng)沙流對(duì)路基和橋梁的影響。計(jì)算流域分別為20 m×70 m和20 m×50 m，模型的左側(cè)入口定義為速度入口，右側(cè)出口定義為壓力出口，壁面條件定義為無滑移邊界，上邊界條件定義為對(duì)稱條件。由于現(xiàn)場(chǎng)年平均8級(jí)(17.2～20.7 m/s)以上大風(fēng)出現(xiàn)6～43 d，風(fēng)速取18 m/s，沙粒相體積分?jǐn)?shù)定義為0.01。

3.1 沙埋路基

路基周圍風(fēng)速云圖見圖2?？芍?，當(dāng)氣流到達(dá)路基迎風(fēng)側(cè)坡腳，受到阻礙作用，速度減小形成低速區(qū)A，之后氣流沿著坡面爬升并且速度逐漸增大，形成集流加速區(qū)B；此時(shí)，一部分氣流不斷加速匯聚，在路基上方形成高速區(qū)C，也就是高壓區(qū)；路基頂面附近的氣流速度較低，并沿著背風(fēng)坡前行，在背風(fēng)坡后形成低壓區(qū)，在高低壓差作用下形成低速區(qū)D，并在此產(chǎn)生渦流；此后氣流繼續(xù)前行，由于失去阻礙作用，氣流逐漸恢復(fù)至原始風(fēng)速，形成氣流恢復(fù)區(qū)E。

圖2 路基周圍風(fēng)速云圖

圖3 路基不同高度處風(fēng)速變化曲線

路基不同高度處x方向風(fēng)速變化曲線見圖3。風(fēng)速為正值表明風(fēng)向與原始風(fēng)向一致，反之與原始風(fēng)向相反，風(fēng)速大小考慮絕對(duì)值。由圖3可知，2 m和3 m高度處于路基高度范圍內(nèi)，曲線不連續(xù)。由于將路基簡(jiǎn)化為光滑壁面，所以在路基表面風(fēng)速為0。在路基高度范圍內(nèi)，迎風(fēng)側(cè)坡腳2，3 m高度處風(fēng)速分別為13.0，14.5 m/s，相比原始風(fēng)速降低27.7%，19.4%；背風(fēng)坡坡腳2，3 m高度處風(fēng)速分別為-3.5，4.5 m/s，絕對(duì)風(fēng)速相比原始風(fēng)速降低80.5%，75%，且2 m高度處產(chǎn)生了渦流。路基高度范圍外，4.15，4.50，5.00 m高度處，迎風(fēng)側(cè)坡腳風(fēng)速為16.1，16.3,16.8 m/s，風(fēng)速降低幅度差別不大，在10%左右；而迎風(fēng)側(cè)坡頂處，風(fēng)速大于原始風(fēng)速；路基床面中心處風(fēng)速為2.1，8.2，20.0 m/s，風(fēng)速降低88.3%，54.4%，0；背風(fēng)側(cè)坡頂風(fēng)速為6.0，7.0，16.9 m/s，風(fēng)速降低66.7%，61.1%，6.1%；背風(fēng)側(cè)坡腳風(fēng)速降低27.7%，22.2%，0。

由于氣流和沙顆粒之間的質(zhì)量差別非常大，氣流和沙子之間很容易發(fā)生分離，當(dāng)氣流的運(yùn)動(dòng)受到阻礙時(shí)，導(dǎo)致風(fēng)速降低，那么氣流中的沙顆粒會(huì)在風(fēng)速降低的地方降落并沉積。

通過對(duì)路基周圍風(fēng)速云圖和不同高度風(fēng)速變化曲線分析，可以看出，對(duì)于路基上各點(diǎn)，風(fēng)速降低幅度由高到低分別為背風(fēng)側(cè)坡腳、路基床面中心、背風(fēng)側(cè)坡頂、迎風(fēng)側(cè)坡腳，而迎風(fēng)側(cè)坡頂風(fēng)速不降低。所以，路基各部位積沙由多到少分別為背風(fēng)側(cè)坡腳、路基床面中心、背風(fēng)側(cè)坡頂、迎風(fēng)側(cè)坡腳，迎風(fēng)側(cè)坡頂幾乎沒有積沙。這與現(xiàn)場(chǎng)路基積沙實(shí)際情況一致。

3.2 沙子進(jìn)入道砟

格庫(kù)鐵路青海段采用的是有砟軌道，鋼軌鋪設(shè)在軌枕上，軌枕周圍鋪滿了道砟。當(dāng)風(fēng)沙流垂直線路方向前行(如圖4(a)所示)時(shí)，由于受到阻礙作用，一部分氣流沿著鋼軌爬升匯聚，在鋼軌上方一定距離形成加速區(qū)，風(fēng)速較大，如圖4(b)所示。由于鋼軌下面的道砟之間有空隙，另外一部分氣流通過孔隙繼續(xù)前行，如圖4(b)所示。由于道砟存在，地表粗糙度增大，風(fēng)沙粒中的沙子受到擾動(dòng)，在軌枕的迎風(fēng)側(cè)產(chǎn)生沉積(如圖4(d)所示)。由于道砟之間存在孔隙，氣流可以在鋼軌下面的孔隙中穿過，根據(jù)文丘里效應(yīng)(由于管道變窄，會(huì)引起局部風(fēng)速的增長(zhǎng))，氣流會(huì)在x-y平面內(nèi)匯聚并增速(如圖4(c)所示)，所以在靠近第1根鋼軌附近區(qū)域積沙比較少(如圖4(d)所示)。從鋼軌下方穿過的氣流匯聚后，很快就會(huì)恢復(fù)，因?yàn)榈来仓虚g存在道砟發(fā)生減速，與通過鋼軌爬升加速的氣流之間形成了壓差，沙顆粒產(chǎn)生更多的沉降，落在距離第1根鋼軌一定距離的位置，在此堆積。同樣的原理會(huì)在第2根鋼軌后一定距離發(fā)生堆積。但是當(dāng)沙顆粒將鋼軌下道砟之間的孔隙堵住后，鋼軌下方不再有氣流加速，只有鋼軌上方的氣流加速區(qū)，緊靠鋼軌的后面開始產(chǎn)生積沙，最終形成如圖4(d)所示的積沙形態(tài)，道床內(nèi)軌枕表面積沙沿著主導(dǎo)風(fēng)向呈現(xiàn)出逐漸增多的趨勢(shì)。

圖4 道砟積沙示意

3.3 橋梁附近積沙

橋梁橫截面周圍風(fēng)速云圖見圖5?？芍瑯蛄簷M截面周圍的速度區(qū)域劃分與路基周圍的速度區(qū)域劃分類似，橫截面迎風(fēng)側(cè)減速區(qū)A′，集流加速區(qū)B′,C′，高速區(qū)D′,E′，背風(fēng)側(cè)減速區(qū)F′，速度恢復(fù)區(qū)G′。不同區(qū)域形成的原因與路基相似。

圖5 橋梁橫截面周圍風(fēng)速云圖

同時(shí)可以看出，由于橋梁橫截面存在一定的橋下凈空，橋梁橫截面周圍存在上下2個(gè)集流加速區(qū)，與之相對(duì)應(yīng)的就存在上下2個(gè)高速區(qū)。由于上下2個(gè)高速區(qū)所占的區(qū)域比較大，由于壓差的原因，兩者之間就會(huì)形成相對(duì)較大的低速區(qū)域。

圖6 橋梁橫截面不同高度處風(fēng)速變化曲線

橋梁橫截面不同高度處風(fēng)速變化曲線見圖6?？芍?，在2 m高度處，此時(shí)位于橋梁橫截面的下方，迎風(fēng)側(cè)和背風(fēng)側(cè)腹板最低點(diǎn)風(fēng)速分別為17.0,20.4 m/s，風(fēng)速降低幅度為5.6%，0；在橋梁橫截面高度范圍內(nèi)，4.5 m高度處迎風(fēng)側(cè)腹板最低點(diǎn)和背風(fēng)坡最低點(diǎn)風(fēng)速分別為2.0，-1.4 m/s，風(fēng)速降低幅度為88.9%，92.2%；5.2 m高度處迎風(fēng)側(cè)和背風(fēng)側(cè)上翼緣點(diǎn)風(fēng)速都為0，風(fēng)速降低100%；在橋梁橫截面高度范圍外，6 m 高度處迎風(fēng)側(cè)和背風(fēng)側(cè)上翼緣點(diǎn)風(fēng)速分別為20.0，14.5 m/s，風(fēng)速降低幅度為0，19.4%；7 m高度處，已經(jīng)處于高速區(qū)。4.5，5.2 m高度處背風(fēng)側(cè)風(fēng)速出現(xiàn)了負(fù)值，在橫截面背風(fēng)側(cè)出現(xiàn)了渦流，風(fēng)速最低點(diǎn)降幅達(dá)到69.4%，86.1%。

橋梁橫截面的迎風(fēng)側(cè)和背風(fēng)側(cè)風(fēng)速降低幅度較大，在橋梁橫截面頂部也有部分風(fēng)速降低區(qū)域，橫截面的下方是大面積的集流加速區(qū)域與高速區(qū)。風(fēng)速降低就會(huì)導(dǎo)致沙粒沉積，所以，積沙主要堆積在橋梁的迎風(fēng)側(cè)和背風(fēng)側(cè)區(qū)域，在橋梁下部?jī)艨諈^(qū)域很少有積沙堆積，這與現(xiàn)場(chǎng)積沙形式一致。另外在橫截面上面也存在一個(gè)小范圍低速區(qū)，沙子會(huì)在該區(qū)沉積，而該區(qū)域有道床，當(dāng)風(fēng)沙流特別嚴(yán)重時(shí)，會(huì)影響橋梁上的列車通行。

4 防沙原理分析

根據(jù)中國(guó)鐵路總公司對(duì)線路防沙設(shè)計(jì)的初步建議，按照“先試驗(yàn)，后推廣”的原則，選取有代表性的風(fēng)沙防護(hù)先導(dǎo)試驗(yàn)段，建立了固(高立式沙障)阻(固沙方格)結(jié)合的防沙體系，并在距離路基一定距離處設(shè)置了礫石帶，如圖7所示。

圖7 防沙體系

沿著該區(qū)域主導(dǎo)風(fēng)向，首先設(shè)置了3道高立式阻沙沙障，主要有高立式HDPE板方格和HDPE網(wǎng)方格；在此之后設(shè)置了固沙方格，主要有HDPE板方格、HDPE網(wǎng)方格、石方格和土方格4種形式。阻沙、固沙措施主要有：①高立式HDPE網(wǎng)+HDPE板方格；②高立式HDPE網(wǎng)+HDPE網(wǎng)方格；③高立式HDPE網(wǎng)+土方格；④高立式HDPE網(wǎng)+石方格；⑤高立式HDPE板+石方格；⑥高立式HDPE板+土方格；⑦高立式HDPE板+HDPE網(wǎng)方格；⑧高立式HDPE板+HDPE板方格。

風(fēng)沙流屬于氣固兩相流，相比“凈”氣流具有更大的動(dòng)能，在沒有外營(yíng)力干擾的情況下一般都是沿著既定方向運(yùn)行。一旦遇到障礙物(鐵路路基、道砟、鋼軌、橋梁等建筑物)，就會(huì)產(chǎn)生“亂流”(湍流)，由于風(fēng)沙流中氣體和固體質(zhì)量差別很大，風(fēng)沙流在遇到阻擋時(shí)，就會(huì)消耗一部分能量，造成介質(zhì)(風(fēng))和被載運(yùn)的質(zhì)子(沙粒)之間產(chǎn)生分離，風(fēng)沙流中的沙粒在鐵路路基和橋梁等風(fēng)速小的地點(diǎn)堆積。防沙體系進(jìn)行防沙的根本原理就是風(fēng)沙流在經(jīng)過高立式沙障和固沙方格后，風(fēng)沙流中沙粒被高立式沙障和固沙方格阻擋和固定，風(fēng)沙流到達(dá)路基和橋梁等結(jié)構(gòu)物時(shí)密度大大降低，從而起到防沙效果。對(duì)于設(shè)置在路基迎風(fēng)側(cè)前沿的高立式沙障，其主要的作用是降低風(fēng)速，其次是阻沙，對(duì)于高立式HDPE板和高立式HDPE網(wǎng)，其降低風(fēng)速和阻沙的原理大體上一致，現(xiàn)對(duì)其機(jī)理進(jìn)行相關(guān)分析。高立式沙障流場(chǎng)和積沙形態(tài)如圖8所示。當(dāng)風(fēng)沙流到達(dá)高立式HDPE板沙障和高立式HDPE網(wǎng)沙障時(shí)，在其阻礙作用下，氣流會(huì)在下方減速，氣流中的沙顆粒就會(huì)在二者迎風(fēng)側(cè)堆積，如圖8(b)所示；然后，一部分氣流通過孔隙，到達(dá)沙障背風(fēng)側(cè)，一部分氣流沿著沙障爬升,如圖8(a)所示，在沙障上方一定高度處形成高速區(qū)，由于沙障背風(fēng)側(cè)上方氣流速度與下方氣流速度不一致，就會(huì)形成壓差。在壓差作用下，氣流中的沙顆粒會(huì)在沙障背風(fēng)側(cè)發(fā)生沉降并堆積，形成如圖8(b)所示的積沙形態(tài)。

圖8 高立式沙障流場(chǎng)和積沙形態(tài)

對(duì)于HDPE板方格、HDPE網(wǎng)方格、土方格和石方格，為方便分析，將其簡(jiǎn)化成壁面。當(dāng)氣流到達(dá)固沙方格時(shí)，方格在水平方向?qū)饬鳟a(chǎn)生阻礙，豎直方向?qū)饬鳟a(chǎn)生匯聚作用，這樣在方格內(nèi)部和上方就會(huì)產(chǎn)生壓差，氣流中的沙顆粒會(huì)在方格內(nèi)降落并沉積。

圖9 固沙方格流場(chǎng)和積沙形態(tài)

固沙方格流場(chǎng)和積沙形態(tài)如圖9所示?？芍礁裰荒軐?duì)一定高度范圍內(nèi)的氣流有影響，固沙方格并不能使得氣流速度無限降低至0。在壓差作用下方格內(nèi)部形成渦流，如圖9(a)所示，使得方格內(nèi)的積沙呈凹曲面形，如圖9(b)所示。方格內(nèi)部積沙是一個(gè)動(dòng)態(tài)變化的過程，當(dāng)方格內(nèi)部積沙到達(dá)一定程度后，其固沙作用就會(huì)失效。

5 結(jié)論

1)格庫(kù)鐵路青海段的沙害主要有沙埋路基、橋梁附近積沙和沙子進(jìn)入道砟3種形式。

2)路基和橋梁周圍流場(chǎng)結(jié)構(gòu)相似，都形成了迎風(fēng)側(cè)減速區(qū)、集流加速區(qū)、高速區(qū)、低速區(qū)和速度恢復(fù)區(qū)，不同點(diǎn)是橋梁周圍形成了2個(gè)集流加速區(qū)和高速區(qū)。

3)沙埋路基沙害中，背風(fēng)側(cè)坡腳、路基床面中心、背風(fēng)側(cè)坡頂、迎風(fēng)側(cè)坡腳和迎風(fēng)側(cè)坡頂?shù)姆e沙量逐漸減少；橋梁積沙主要位于橋梁的迎風(fēng)側(cè)和背風(fēng)側(cè)，橋梁下積沙較少；道床周圍迎風(fēng)側(cè)積沙少于背風(fēng)側(cè)，道床內(nèi)軌枕積沙沿著主導(dǎo)風(fēng)向呈現(xiàn)出逐漸增多的趨勢(shì)。

4)根據(jù)沿線沙害嚴(yán)重程度，建立了阻沙和固沙相結(jié)合的防沙體系。高立式沙障的主要作用是降低風(fēng)速，其次才是阻沙。固沙方格主要作用是使風(fēng)沙流中的沙顆粒在方格內(nèi)沉積固定，減弱風(fēng)沙流的密度。