格庫鐵路青海段沙害成因及防沙措施

王 奭，崔曉寧，梁柯鑫

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

我國是世界上沙區(戈壁、沙漠、風蝕地區和沙漠化地區)分布最廣的國家之一。而我國西北地區是沙漠最集中的地區，分布著塔克拉瑪干沙漠、古爾班通古特沙漠、柴達木沙漠、騰格里沙漠和巴丹吉林沙漠，約占全國沙漠面積的80%。20世紀50年代，為連接重工業城市包頭和蘭州，開始修建包蘭鐵路，于1958年8月1日建成通車，這是我國第一條沙漠鐵路。建成初期，鐵路每年春、冬大風季節會出現沙子進入軌道道砟引起拱道等沙害現象，嚴重影響行車安全[1]。1962年建成蘭新鐵路，建成初期由于沒有采取風沙防護措施，7年的時間僅在玉門段因沙害造成的行車事故就高達13次，嚴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，因線路所在地風沙流堆積和沙丘前移，沙子掩埋路基甚至鋼軌，破壞鐵路設施，造成中斷行車、機車脫軌等事故[2-3]。除去上述鐵路，在近60年的時間內，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，我國建成的沙漠鐵路長度約 15 800 km，已成為世界上沙漠鐵路分布最廣的國家。

為了防止沙漠鐵路遭受沙害威脅，需要采取相應的措施進行風沙防護。在線路設計的初期，可以使線路走向與當地主導風向平行，減小交叉角度，也可以通過選線使線路繞開風沙危害嚴重的區域，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行鐵路防風沙，高立式沙障[6-7]主要作用是降低風沙流的速度，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)網方格[9-10]等方格沙障來固定活動的沙面，以此進行鐵路防沙。經過60多年的發展，高立式沙障和固沙方格都在沙漠鐵路中得到了廣泛的應用。

但是由于風沙流具有明顯的地域特征，對不同地形地貌、不同路基結構形式的危害形式不同，同時也會形成不同的沙害形式，因此，不同地區和地段風沙防治需要因地制宜，結合現場實際情況，建立相應的防護措施。本文對格庫鐵路青海段的沙害進行調查，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參考。

1 區域概況

1.1 線路介紹

新建格庫鐵路位于青海省西部與新疆維吾爾自治區的東南部，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。格庫鐵路東起青海省省會格爾木市，沿著昆侖山北麓以及柴達木盆地南緣向西行進，經烏圖美仁、甘森、花土溝至茫崖，然后進入新疆境內；之后線路穿越阿爾金山，先后經過巴什考供、米蘭、若羌、鐵干里克、庫爾木依、尉犁，西抵庫爾勒市。格庫鐵路東銜青藏線西格段、格拉段和規劃中的格成鐵路，中連規劃中的和田—若羌—羅布泊鐵路，西接南疆線吐庫段、庫阿段、規劃中的伊寧—爾庫爾勒鐵路，在鐵路網中具有重要地位。

1.2 沿線環境氣候

格庫鐵路青海段地處柴達木盆地南緣，氣候干燥，風大且頻率高，沿線沙源比較豐富，全線風積沙、戈壁風沙流和風蝕均較為普遍，對線路青海段的影響非常大。柴達木盆地年平均降水量28.4～44.0 mm，年平均蒸發量 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月份為風季，以西風和西北風為主導風向，年平均風速2.0～3.5 m/s，最大風速29.2 m/s，年平均8級(17.2～20.7 m/s)以上的大風出現6～43 d。

2 沿線沙害調查

經過調查，格庫鐵路青海段的沙害主要有沙埋路基、沙子進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 沙子進入道砟

沙子進入道砟(如圖1(b)所示)主要分布在DK127+129附近，沿線其他區段也存在類似災害。沙子進入道床將軌枕掩埋，當火車經過時，在列車的振動作用下，沙子會透過道砟之間的間隙進入軌枕的底部，使得軌枕抬高，鋼軌上拱。長此以往，沙子還會將鋼軌掩埋，嚴重影響行車安全。

2.3 橋梁附近積沙

靠近橋臺處的積沙最嚴重(如圖1(c)所示)，另外沙子還可能進入橋梁支座，影響支座正常工作。由于此區域的沙子含有少量的鹽分，長此以往，也會對積沙處的混凝土構件產生腐蝕。

3 沙害成因

為了弄清路基積沙和橋梁附近積沙的原因，按照現場路基和橋梁橫截面實際尺寸建立模型，通過ANSYS/Fluent軟件模擬風沙流對路基和橋梁的影響。計算流域分別為20 m×70 m和20 m×50 m，模型的左側入口定義為速度入口，右側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稱條件。由于現場年平均8級(17.2～20.7 m/s)以上大風出現6～43 d，風速取18 m/s，沙粒相體積分數定義為0.01。

3.1 沙埋路基

路基周圍風速云圖見圖2?？芍?，當氣流到達路基迎風側坡腳，受到阻礙作用，速度減小形成低速區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B；此時，一部分氣流不斷加速匯聚，在路基上方形成高速區C，也就是高壓區；路基頂面附近的氣流速度較低，并沿著背風坡前行，在背風坡后形成低壓區，在高低壓差作用下形成低速區D，并在此產生渦流；此后氣流繼續前行，由于失去阻礙作用，氣流逐漸恢復至原始風速，形成氣流恢復區E。

圖2 路基周圍風速云圖

圖3 路基不同高度處風速變化曲線

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

由于氣流和沙顆粒之間的質量差別非常大，氣流和沙子之間很容易發生分離，當氣流的運動受到阻礙時，導致風速降低，那么氣流中的沙顆粒會在風速降低的地方降落并沉積。

通過對路基周圍風速云圖和不同高度風速變化曲線分析，可以看出，對于路基上各點，風速降低幅度由高到低分別為背風側坡腳、路基床面中心、背風側坡頂、迎風側坡腳，而迎風側坡頂風速不降低。所以，路基各部位積沙由多到少分別為背風側坡腳、路基床面中心、背風側坡頂、迎風側坡腳，迎風側坡頂幾乎沒有積沙。這與現場路基積沙實際情況一致。

3.2 沙子進入道砟

格庫鐵路青海段采用的是有砟軌道，鋼軌鋪設在軌枕上，軌枕周圍鋪滿了道砟。當風沙流垂直線路方向前行(如圖4(a)所示)時，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，風速較大，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前行，如圖4(b)所示。由于道砟存在，地表粗糙度增大，風沙粒中的沙子受到擾動，在軌枕的迎風側產生沉積(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，根據文丘里效應(由于管道變窄，會引起局部風速的增長)，氣流會在x-y平面內匯聚并增速(如圖4(c)所示)，所以在靠近第1根鋼軌附近區域積沙比較少(如圖4(d)所示)。從鋼軌下方穿過的氣流匯聚后，很快就會恢復，因為道床中間存在道砟發生減速，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。同樣的原理會在第2根鋼軌后一定距離發生堆積。但是當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，緊靠鋼軌的后面開始產生積沙，最終形成如圖4(d)所示的積沙形態，道床內軌枕表面積沙沿著主導風向呈現出逐漸增多的趨勢。

圖4 道砟積沙示意

3.3 橋梁附近積沙

橋梁橫截面周圍風速云圖見圖5?？芍?，橋梁橫截面周圍的速度區域劃分與路基周圍的速度區域劃分類似，橫截面迎風側減速區A′，集流加速區B′,C′，高速區D′,E′，背風側減速區F′，速度恢復區G′。不同區域形成的原因與路基相似。

圖5 橋梁橫截面周圍風速云圖

同時可以看出，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個集流加速區，與之相對應的就存在上下2個高速區。由于上下2個高速區所占的區域比較大，由于壓差的原因，兩者之間就會形成相對較大的低速區域。

圖6 橋梁橫截面不同高度處風速變化曲線

橋梁橫截面不同高度處風速變化曲線見圖6?？芍?，在2 m高度處，此時位于橋梁橫截面的下方，迎風側和背風側腹板最低點風速分別為17.0,20.4 m/s，風速降低幅度為5.6%，0；在橋梁橫截面高度范圍內，4.5 m高度處迎風側腹板最低點和背風坡最低點風速分別為2.0，-1.4 m/s，風速降低幅度為88.9%，92.2%；5.2 m高度處迎風側和背風側上翼緣點風速都為0，風速降低100%；在橋梁橫截面高度范圍外，6 m 高度處迎風側和背風側上翼緣點風速分別為20.0，14.5 m/s，風速降低幅度為0，19.4%；7 m高度處，已經處于高速區。4.5，5.2 m高度處背風側風速出現了負值，在橫截面背風側出現了渦流，風速最低點降幅達到69.4%，86.1%。

橋梁橫截面的迎風側和背風側風速降低幅度較大，在橋梁橫截面頂部也有部分風速降低區域，橫截面的下方是大面積的集流加速區域與高速區。風速降低就會導致沙粒沉積，所以，積沙主要堆積在橋梁的迎風側和背風側區域，在橋梁下部凈空區域很少有積沙堆積，這與現場積沙形式一致。另外在橫截面上面也存在一個小范圍低速區，沙子會在該區沉積，而該區域有道床，當風沙流特別嚴重時，會影響橋梁上的列車通行。

4 防沙原理分析

根據中國鐵路總公司對線路防沙設計的初步建議，按照“先試驗，后推廣”的原則，選取有代表性的風沙防護先導試驗段，建立了固(高立式沙障)阻(固沙方格)結合的防沙體系，并在距離路基一定距離處設置了礫石帶，如圖7所示。

圖7 防沙體系

沿著該區域主導風向，首先設置了3道高立式阻沙沙障，主要有高立式HDPE板方格和HDPE網方格；在此之后設置了固沙方格，主要有HDPE板方格、HDPE網方格、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+HDPE板方格；②高立式HDPE網+HDPE網方格；③高立式HDPE網+土方格；④高立式HDPE網+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網方格；⑧高立式HDPE板+HDPE板方格。

風沙流屬于氣固兩相流，相比“凈”氣流具有更大的動能，在沒有外營力干擾的情況下一般都是沿著既定方向運行。一旦遇到障礙物(鐵路路基、道砟、鋼軌、橋梁等建筑物)，就會產生“亂流”(湍流)，由于風沙流中氣體和固體質量差別很大，風沙流在遇到阻擋時，就會消耗一部分能量，造成介質(風)和被載運的質子(沙粒)之間產生分離，風沙流中的沙粒在鐵路路基和橋梁等風速小的地點堆積。防沙體系進行防沙的根本原理就是風沙流在經過高立式沙障和固沙方格后，風沙流中沙粒被高立式沙障和固沙方格阻擋和固定，風沙流到達路基和橋梁等結構物時密度大大降低，從而起到防沙效果。對于設置在路基迎風側前沿的高立式沙障，其主要的作用是降低風速，其次是阻沙，對于高立式HDPE板和高立式HDPE網，其降低風速和阻沙的原理大體上一致，現對其機理進行相關分析。高立式沙障流場和積沙形態如圖8所示。當風沙流到達高立式HDPE板沙障和高立式HDPE網沙障時，在其阻礙作用下，氣流會在下方減速，氣流中的沙顆粒就會在二者迎風側堆積，如圖8(b)所示；然后，一部分氣流通過孔隙，到達沙障背風側，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，由于沙障背風側上方氣流速度與下方氣流速度不一致，就會形成壓差。在壓差作用下，氣流中的沙顆粒會在沙障背風側發生沉降并堆積，形成如圖8(b)所示的積沙形態。

圖8 高立式沙障流場和積沙形態

對于HDPE板方格、HDPE網方格、土方格和石方格，為方便分析，將其簡化成壁面。當氣流到達固沙方格時，方格在水平方向對氣流產生阻礙，豎直方向對氣流產生匯聚作用，這樣在方格內部和上方就會產生壓差，氣流中的沙顆粒會在方格內降落并沉積。

圖9 固沙方格流場和積沙形態

固沙方格流場和積沙形態如圖9所示?？芍?，方格只能對一定高度范圍內的氣流有影響，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部形成渦流，如圖9(a)所示，使得方格內的積沙呈凹曲面形，如圖9(b)所示。方格內部積沙是一個動態變化的過程，當方格內部積沙到達一定程度后，其固沙作用就會失效。

5 結論

1)格庫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入道砟3種形式。

2)路基和橋梁周圍流場結構相似，都形成了迎風側減速區、集流加速區、高速區、低速區和速度恢復區，不同點是橋梁周圍形成了2個集流加速區和高速區。

3)沙埋路基沙害中，背風側坡腳、路基床面中心、背風側坡頂、迎風側坡腳和迎風側坡頂的積沙量逐漸減少；橋梁積沙主要位于橋梁的迎風側和背風側，橋梁下積沙較少；道床周圍迎風側積沙少于背風側，道床內軌枕積沙沿著主導風向呈現出逐漸增多的趨勢。

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