臨策鐵路防沙明洞與風沙流相互作用效果分析

張道金

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司,北京 100055)

1 概述

額濟納旗是臨策鐵路(遠期為臨哈鐵路)沿線中間地段唯一的旗府所在地。額濟納胡楊林自然保護區，占地48萬畝，呈南北走向，胡楊林是在惡劣干旱荒漠地區頑強生存著的生命。臨策鐵路自天鵝湖進入額濟納旗路段需要穿越額濟納河下游天然胡楊林，為了保護中國這片少有的荒漠河岸林，同時考慮遠期臨哈鐵路走向、額濟納旗城市規劃和工程地質條件等綜合因素，選擇了從胡楊林保護區南側繞行的方案。繞行雖然可以最好地保護胡楊林，但是卻要穿越兩段共約8.08 km的流動沙丘區。

為了防止和避免該路段線路建成后出現風沙危害問題，經過路基、橋梁、棚洞結構和明洞工程的綜合比選，最終選定在流動沙丘路段采用防沙明洞工程。

2 研究區概況

2.1 自然地理特征

南側繞避胡楊林方案(GDK574+000～GDK636+964.89)，長約69 km，線路自GDK574+000向西偏南而行，先后經過戈壁平原、風蝕殘丘、流動沙丘、額濟納沖洪積平原區，線路分別在GDK585+720～GDK592+380、GDK597+460～GDK598+880兩段通過流動沙丘，共長約8 080 m。線路經過區屬典型的北溫帶大陸性干旱氣候區，光照充足，熱量豐富，降水量少，蒸發量大。冬季嚴寒，夏季酷熱，無霜期較長，晝夜溫差懸殊。春、冬季常有數次沙塵暴出現。降水主要集中于6～8月份，并多以暴雨形式降落；年平均降水量35.2 mm，年平均蒸發量3 399.6 mm，年平均蒸發量是年平均降水量的96.6倍。沿線年平均風速3.2 m/s，最大風速25 m/s，大風(≥8級)日數38.4 d，沙塵暴日數10.7 d，揚沙日數48.6 d；四季盛行西風、西北風，其次為東風及東南風；最多風向為W、WNW，頻率為11%。

2.2 工程地質及水文地質特征

活動沙丘處于巴丹吉林沙漠的北部邊緣區，沙丘相對地面高3～8 m，局部高約10 m，呈鏈狀、壟狀，走向北東向，與風向垂直；受河流及紅柳林影響，局部地段沙丘走向呈東西向。沙丘呈向南、向東發展趨勢。

地層巖性：基底表層為第四系全新統沖積形成的細砂、粉砂夾粉質黏土、黏土層，下部為第四系上更新統洪積細砂夾粉質黏土、黏土、粉土；上部覆蓋的風積砂主要為粉細砂，粒徑大于0.075 mm顆粒的質量超過總質量的75%。

地下水類型主要為第四系孔隙潛水，含水層為多層透鏡體狀中、細砂層，地下水補給來源主要為黑河季節性補給。

3 區域風沙運動特征

3.1 區域風沙運動的宏觀特征

研究區位于巴丹吉林沙漠西北邊緣地帶，緊鄰額濟納國家級胡楊林自然保護區，屬巴丹吉林沙漠西北部與中央戈壁的交接地點。區域氣候極端干旱，冬半年受蒙古高壓氣流控制，夏半年受西風帶影響，為大陸性氣候。根據耿寬宏《中國沙漠的氣候》的研究，本研究區為風沙運動高速、高頻區，風沙運動為直進式，風沙運動穩定度大于80%。

研究區盛行西北風、西風和東風，年均風速4.4 m/s，全年8級以上大風日數38 d。根據全國風能資源分布圖可知，研究區為風能資源豐富區，可達到200 W/m2以上。強勁的風力成為風沙運動的主要動力。該區生風向為廣闊的荒漠戈壁，在風力作用下，不飽和風沙流長驅直入，進入研究區時，風力侵蝕搬運能力強，風沙運動劇烈。加之研究區為歷史時期黑河的古河道，多分布堅硬的黏土，沙粒起跳高度大，其上為發育初期的餅狀沙丘、新月形沙丘和沙丘鏈，平均高度不足10 m。受下伏地貌、沙漠邊緣地理位置和沙丘高度的影響，研究區成為巴丹吉林沙漠風沙運動最劇烈的區域之一。

3.2 區域新月形沙丘鏈的成因機理及變化發展趨勢

從大范圍的衛星影像可以看出，該區域沙丘的沙源主要來自西北部的干涸湖盆及沙地，相當部分來自西北部更遠的湖盆地帶，自額濟納綠洲西北部至八道橋一線存在一條風沙通道。當非飽和風沙流行進過程中遇到胡楊林、紅柳林和地形障礙等的阻攔，便產生風向的紊亂和分離，引起風沙的沉落和堆積，日積月累，形成新月形沙丘和沙丘鏈。

通過對1990年TM衛星遙感影像和2002年ETM衛星遙感影像的解譯、對比分析(圖1)，可以得出以下結論：該區域主風向為西北向、西向和東向，受植被、地形、微地貌及季節等因素的綜合影響，近十幾年來，沙丘形態、規模、幾何特征及分布范圍總體上維持動態平衡，西側、南側基本保持不變，在北側局部邊緣地帶有微弱的進退現象，東側邊緣則變化顯著(圖1∶1990年TM衛星遙感影像顯示的虛線和2002年ETM衛星遙感影像顯示的實線有顯著地差異，向東側移動跡象明顯)，沙丘鏈內部所包圍的濕地和紅柳林范圍呈縮小趨勢。

圖1 1990年到2002年沙丘及沙柳林分布邊界變化對比

3.3 區域沙丘的粒度特征

采用篩分法和激光粒度法對區域餅狀沙丘的背風坡、沙丘頂部、迎風坡和新月形沙丘的迎風坡坡腳、迎風坡中部、沙丘頂部、背風坡中部、背風坡坡腳等部位取樣分析，其結果(圖2、圖3)主要表現為：餅狀沙丘各部位的粒徑分布范圍集中在200～600 μm，占體積百分比較大的粒徑分布在260～300 μm；新月形沙丘各部位的沙物質粒徑分布比較集中，粒徑分布范圍集中在150～400 μm，占體積百分比較大的粒徑分布在260～300 μm。

圖2 餅狀沙丘各部位粒配曲線

圖3 新月形沙丘各部位粒配曲線

通常所研究的風沙流結構中，風沙流的運動形式以躍移為主，而通過躍移方式搬運的顆粒粒徑范圍為50～500 μm，其中以100～150 μm為主。通過試驗研究發現研究區的沙丘粒徑以100～250 μm所占比例最大。

4 防沙明洞研究

4.1 風沙流運動與防沙明洞相互作用機理的風洞試驗研究

防沙明洞風洞試驗采用1∶30相似比的直道模型，通過移動模型與風洞進風口風向的夾角(當地風向)來測量防沙明洞模型的風速流場、積沙量以及風沙流結構特征。研究表明，防沙明洞的建立使該地區的地形發生了微變化，導致了防沙明洞影響區內、外新月形沙丘風速流場特征的顯著變化：次風向東北風向氣流通過靠近防沙明洞新月形沙丘和遠離防沙明洞的新月形沙丘時，遠離防沙明洞的新月形沙丘風速恢復速度要比靠近防沙明洞的恢復速度快；主風向西北風向氣流通過新月形沙丘時，靠近防沙明洞的新月形沙丘風速恢復明顯要快于遠離防沙明洞的新月形沙丘。

西北風情況下在防沙明洞上風向形成的積沙量較多，東北風和西風情況下低風速時在防沙明洞上風向不形成積沙，大風速時形成少量積沙。從積沙的角度分析，所建風洞在西北風下易形成積沙，而東北風和西風情況下形成積沙量較少甚至不形成積沙。不論是西北風還是東北風，在沙丘的迎風側、背風處均出現較大渦旋，其風速變化呈現復雜化的特點；在西北風作用下，防沙明洞北側一定范圍內形成強風區，風沙運動加劇，洞北側積沙距防沙明洞3～5 m，隨著時間的推移，積沙帶逐步向防沙明洞靠攏，形成堆積。

4.2 沙丘移動規律受防沙明洞干擾的反應

使用全站儀直角坐標測量法對選定的沙丘選點測量，利用計算機將采集的數據進行處理分析和成圖，研究防沙明洞影響范圍內外沙丘的運動特征。分別在2008年11月、2009年4月、2009年11月針對選定的具有代表性的明洞影響區外和明洞影響區內的新月形沙丘進行測量、成圖、分析。

根據表1，將兩個位于不同位置的新月形沙丘的各部分位移進行對比，防沙明洞影響區外新月形沙丘運動較為劇烈，其除脊線外的各項指標移動距離顯著大于影像區內沙丘，兩個翼角的移動距離差距尤甚，移動方向也更偏于東南方向。可見防沙明洞的修建影響了其附近的沙丘運動狀況，主要原因為主風向遇到防沙明洞產生渦流作用，同時加大了沙丘向東運動的作用力，防沙明洞影響區內新月形沙丘受防沙明洞影響劇烈。

表1 防沙明洞影響內外沙丘各部分移動距離對比

4.3 風沙流運動與防沙明洞相互作用的總體趨勢

試驗中對防沙明洞周圍沙丘移動和風洞試驗中對防沙明洞上風向沙物質的堆積規律進行研究發現，在防沙明洞的作用下周邊沙丘逐漸向東南方向移動，距離防沙明洞遠的獨立沙丘移動速度較快，在觀測期內整體移動距離約30 m左右，而距離防沙明洞近的沙丘移動相對緩慢，且受防沙明洞作用大，沿防沙明洞走向移動，向東移動距離相對較大。

通過對收集資料的分析，線路穿越區域的氣象特征、風沙運動特征在相當長的時間跨度內是基本維持不變的；航空影片和衛星圖片的遙感對比解譯結果表明，線路經過沙丘區域的沙丘形態、沙丘高度是相對穩定的。研究區沙丘平均高度為10 m左右，這與明洞的高度基本接近，在短時期內不會出現防沙明洞整體沙埋，即使在長時間出現防沙明洞沙埋現象，沙埋至明洞高度時將達到一個相對平衡的狀況，不會整體埋沒防沙明洞，而可能是以明洞為基礎，形成線性沙壟(圖4)。

圖4 明洞北側(上風側)積沙照片(2009年7月)

5 防沙明洞洞口積沙形態特點的研究

明洞線路基本呈東西走向，西側入口外側均較大面積分布胡楊林或紅柳林，受風沙影響小，東側出口則直接承受洞身沙丘向東、向南移動的壓力，同時沙丘外側為戈壁風沙流的流通區，鐵路的修建將阻斷風沙流的正常流通。

5.1 防沙明洞東側洞口積沙形態特點的風洞試驗研究

在防沙棚洞洞口，當氣流通過防沙棚洞影響范圍內時，在洞口產生強烈的氣流形成渦流區。圖5為明洞洞口實測中2 m高度處的風速擬合曲線：在高風速情況下，風速沿洞外40 m至洞里20 m，風速在洞口外10 m處風速要大于洞內風速，洞內10 m處風速最小，再沿洞向里風速又增大。可見在洞口10 m處易形成積沙。風速擬合曲線為y=1E-05x4-0.0006x3-0.0036x2+0.3075x+4.9871，相關系數R2=0.927。

圖5 野外實測洞口沿鐵路風速變化曲線

風洞試驗條件下(風向與洞口夾角為30°、50°時的風速流場，與當地主風向西北風基本一致)，當氣流沿著進風口經洞口模型至擴散段時，氣流平穩到達模型后出現波動，部分氣流進入洞內，在洞內形成紊流，部分氣流爬升越過模型，形成沉降在模型下風一側距模型h和2h處形成渦流(h為模型高度)，此時在模型內形成積沙。

5.2 防沙明洞東側洞口兩側風沙流特征

表2為洞口以外10 m處鐵路兩側風沙流的實測值(測定風速6.63 m/s)。1、2號點位是上風向緊鄰鐵軌的并列測試點，3、4號點位是下風向緊鄰鐵軌的并列測試點。

表2 鐵路兩側小積沙儀平均輸沙率Q g/(cm2·min)

從表2可以看出，鐵路上風側測點距地面0～1 cm和2～10 cm高度范圍內輸沙率遠高于下風側，其數值是下風側的2倍左右，而1～2 cm高度范圍內各處輸沙率都基本相近；在鐵路上風側輸沙率在0～1 cm高度下遠大于在1～2 cm和2～10 cm高度范圍內的，其中1～2 cm和2～10 cm高度內輸沙率基本相近，而在下風側高度范圍內的輸沙率卻都基本相近，并且和上風側的1～2 cm和2～10 cm高度范圍內的輸沙率基本相近。當攜沙氣流通過鐵路，遇鐵軌阻攔在鐵軌的背風側沉降長期積累就會掩埋鐵路。2009年4月14日一次大風之后，在洞口沿鐵路積沙長90 m，20 cm高的枕木多處已被積沙掩埋(圖6)。

圖6 明洞洞口路基積沙

5.3 防沙明洞洞口防護建議

該區西風、西北風風季長、起沙風日數多，風沙運動具有前進式移動的特點，鐵路沙害主要來自上風向，因此在明洞東側洞口前后兩側一定范圍(特別是上風側)采取固沙措施是必要的，以阻止沙丘向鐵路的移動。從長遠看，還是應該根據地表水源或地下水源的分布情況，配套修建相關設施，采用工程防護與生物防護相結合的復層綜合防沙體系。

6 結語

臨策鐵路以明洞結構通過流動沙丘地段，是鐵路選線和設計理念的有益探索和創新；明洞結構有效地避免了風沙對鐵路的侵害，確保鐵路能夠全天候運營。

明洞的修建破壞了既有區域沙丘地貌的動態平衡，風速流場特征、沙丘移動規律等風沙流運動特征均

產生較大變化。綜合研究表明，在強勁的西風、西北風長年吹蝕作用下，明洞北側(上風側)的流動沙丘將逐漸向明洞移動，并最終以明洞為基礎形成線性沙壟。

由于條帶狀防沙明洞對風沙流的阻隔，加劇了北側(上風側)的流動沙丘沿明洞向東側移動的速率，對明洞東側洞口及其外側的鐵路線路將產生沙埋的危害，需要在鐵路線路兩側一定范圍內采取工程措施限制沙丘的移動。從長期看，在地下水源能夠得到保證的條件下應采用工程防護與生物防護相結合的復層綜合防沙體系，確保鐵路運營安全。

[1] 中鐵工程設計咨詢集團有限公司.臨策鐵路流動沙丘段防沙結構研究[R].北京：中鐵工程設計咨詢集團有限公司，2010．

[2] 王國聯，張道金.臨策鐵路天鵝湖至額濟納段線路及防沙工程方案研究[J].鐵道標準設計，2011(4):1-5.

[3] 王雪芹，雷加強.風沙活動區工程線路走向與風沙危害程度的關系——以塔里木沙漠公路為例[J].干旱區地理，2000，23(3)：221-226.

[4] 錢征宇.中國沙漠鐵路的風沙危害及其防治技術[J].中國鐵路，2003(10)：24-26．

[5] 王訓明，董治寶，陳廣庭.塔克拉瑪干沙漠中部部分地區風沙環境特征[J].中國沙漠，2001，31(1):56-61．

[6] 樓同茂.沙漠成因類型及風沙移動特征[A].中國科學院治沙隊.治沙研究(第四號)[C].北京:科學出版社，1962:19-30．

[7] 胡孟春，趙愛國，李農.沙坡頭鐵路體系阻沙效應風洞實驗研究[J].中國沙漠，2001，21(6):598-601.

[8] 屈建軍，凌裕泉，井哲帆，張克存，俎瑞平.包蘭鐵路沙坡頭段風沙運動規律及其與防護體系的相互作用[J].2007，27(4):529-533．

[9] 中國科學院蘭州沙漠研究所沙坡頭沙漠科學研究站.包蘭鐵路沙坡頭段固沙原理與措施[J].銀川:寧夏人民出版社，1991．

[10] 左合君等.沙漠地區高速公路工程防沙體系效益分析[J].水土保持研究，2005，12(6):222-225．

[11] 丁國棟，奧村武信.風沙流結構的風洞實驗研究[J].內蒙古林學院學報，1994(1)：40-46．

[12] 張慧，沈渭壽，王延松.臨策鐵路沿線土地沙漠化敏感性評價[J].生態與農村環境學報，2007，23(2)：33-35，70．

[13] 劉輝，朱生憲，楊有海.太中銀鐵路沙害現狀調查及防治原則探討[J].鐵道標準設計，2012(10)：8-10.