中東地區(qū)某鐵路風(fēng)沙防治措施研究

張德保，許志勇

(1.鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津 300142;2.天津晟興交通勘察設(shè)計(jì)有限公司，天津 300142)

1 地形地貌

中東地區(qū)某鐵路由波斯灣南岸沿海平原區(qū)至內(nèi)陸沙漠區(qū)，地勢南高北低。沿線穿越3個(gè)不同的地貌單元。

海濱平原區(qū):地形較平坦，地表以鹽沼和固定、半固定沙地為主。

沖積沙質(zhì)平原區(qū):地表多為固定、半固定沙地及少量移動沙丘，有少量駱駝草等沙生植物。

沙漠丘陵區(qū):沙漠腹地，沙害嚴(yán)重，自然條件嚴(yán)酷，地表分布高大的新月形鏈和縱向沙壟，沙丘高度達(dá)20～40 m，植物生長非常稀少，沙害嚴(yán)重。

2 氣候

本地區(qū)屬熱帶海洋性氣候和熱帶沙漠氣候，全年只有2個(gè)季節(jié)，夏季和冬季，兩季氣溫都偏高且降水稀少，年平均蒸發(fā)量3 500 mm，全年幾乎陽光普照，藍(lán)天烈日是本地區(qū)氣候特征。主導(dǎo)風(fēng)向大致以北、北北西向和東向?yàn)橹鳌６酒骄L(fēng)速2.8～5.5 m/s，夏季2.2～4.8 m/s，極端最大風(fēng)速為10.8～15.1 m/s。氣候詳細(xì)數(shù)據(jù)見表1。

表1 氣候數(shù)據(jù)

3 本地區(qū)風(fēng)沙特點(diǎn)

3.1 風(fēng)沙物質(zhì)組成

沙粒細(xì)顆粒較粗顆粒輕，更容易受到風(fēng)力吹揚(yáng)。在同一風(fēng)速條件下，細(xì)沙表面的輸沙量最大，分布的高度也大，沙害也越嚴(yán)重;粗沙表面的輸沙量較小，分布的高度也小，沙害也輕。

本地區(qū)沙漠中，特別是新月形沙丘地段，沙粒尺寸一般在0.06～0.3 mm，呈圓形，這種沙粒很容易受到風(fēng)的搬運(yùn)。

3.2 起風(fēng)速度及風(fēng)沙分布規(guī)律

通過風(fēng)洞試驗(yàn)研究，得出有效的啟動風(fēng)速約為6.0 m/s，且大部分顆粒沿風(fēng)沙表面移動(地面以上0～10 cm)，說明風(fēng)沙流運(yùn)動是貼地面的沙粒被風(fēng)力搬運(yùn)的現(xiàn)象。

4 風(fēng)沙防治措施研究

4.1 風(fēng)沙防治措施數(shù)值模擬

對采用的輸沙斷面建立輸沙體系模型，擬定風(fēng)速6～12 m/s，路堤高度不小于0.5 m，風(fēng)向角設(shè)定為:90°、60°、30°及 0°。以下舉例說明部分 CFD 模擬結(jié)果，以支持采用的輸沙體系橫斷面。

4.1.1 未設(shè)輸沙堤地段(固定、半固定沙丘及平沙地地段)

(1)0.5 m高路堤(圖1)

圖1 0.5 m高路堤模擬結(jié)果(橫斷面方向)

模擬結(jié)果顯示，無減速區(qū)，但鐵路路基迎風(fēng)側(cè)風(fēng)速無加速，風(fēng)沙沉積無法避免。

(2)1.6 m高路堤(圖2)

圖2 1.6 m高路堤模擬結(jié)果(橫斷面方向)

模擬結(jié)果顯示，無減速區(qū)，鐵路路基迎風(fēng)側(cè)風(fēng)速快，流沙易通過路基，防止沉積。

4.1.2 設(shè)輸沙堤及積沙槽地段路基(沙漠丘陵區(qū))

(1)輸沙堤迎風(fēng)側(cè)為自然表面(圖3)

圖3 迎風(fēng)側(cè)模擬結(jié)果(橫斷面方向)

模擬結(jié)果顯示，輸沙堤堤頂風(fēng)速加速;輸沙堤背風(fēng)處溝槽有減速現(xiàn)象;鐵路路基面頂風(fēng)速加速，將風(fēng)積沙吹走，降低了沉積的可能性。積沙槽位置風(fēng)速顯著降低，使得路基本體附近風(fēng)沙大部分沉積在積沙槽內(nèi)。

(2)90°及60°風(fēng)向下模擬結(jié)果比較(圖4、圖5)

圖4 風(fēng)向90°模擬結(jié)果(橫斷面方向)

圖5 風(fēng)向60°模擬結(jié)果(橫斷面方向)

模擬結(jié)果顯示，輸沙堤背風(fēng)處強(qiáng)烈減速，風(fēng)積沙堆積于背風(fēng)側(cè);鐵路路基面頂端風(fēng)速加快，將風(fēng)積沙吹走，降低了沉積的可能性;90°及60°風(fēng)向下，結(jié)果相似，輸沙堤背風(fēng)側(cè)風(fēng)積沙有所增加，但不明顯。

(3)輸沙堤迎風(fēng)側(cè)表面植被覆蓋較稀疏

與表面覆蓋有茂密植被的輸沙堤，試驗(yàn)結(jié)果幾乎相同。

因此，設(shè)計(jì)中采用了適中植被的輸沙堤，但由于一些區(qū)域缺水，植物無法成活(成活困難)或者成本較高，植被可采用稻草等其他材料代替植被。

以上充分說明了采用輸沙體系進(jìn)行風(fēng)沙防治要充分利用路基本體的橫斷面形式，結(jié)合輸沙堤、積沙溝槽等措施，利用適當(dāng)?shù)牟牧希雷o(hù)形式等，以保證風(fēng)沙順利通過路基本體、風(fēng)沙沉積在路基本體外。

4.2 積沙計(jì)算

依據(jù)CFD模擬結(jié)果，風(fēng)沙在輸沙體系不同區(qū)域沉積量見表2。

表2 防沙體系不同區(qū)域沉積量

如上所述，輸沙體系效率可達(dá)80%，剩余20%沙沉積在道床上。

4.3 推薦的邊坡坡率

4.3.1 路堤采用的邊坡坡度

當(dāng)路堤邊坡較陡(1∶1.75～1∶2)，氣流受路堤阻擋作用明顯，在路堤迎風(fēng)側(cè)產(chǎn)生高壓區(qū)，邊坡下部的風(fēng)速減小，上部增大，在路肩上部達(dá)到最高值，然后擴(kuò)散，從路堤中心開始減速，至路堤背風(fēng)側(cè)形成低速區(qū)(圖6)。

圖6 路堤風(fēng)速增減率(%)等值線圖

顯然，在路堤高度確定的情況下，應(yīng)盡量采用緩邊坡路堤通過。

4.3.2 路塹

如果邊坡坡率緩于1∶4，氣流流線比較平順，且產(chǎn)生滑移沖力，可將大部分沙粒輸送至迎風(fēng)側(cè)塹頂以外，但受路基上部道砟及軌道的阻擋，使部分沙粒沉積在道床兩側(cè)與道床中心。

邊坡坡率愈陡，邊坡高度愈高，風(fēng)速降低愈多。當(dāng)邊坡高2～3 m，邊坡坡率1∶0.75，背風(fēng)側(cè)坡腳30 cm高的風(fēng)速比遠(yuǎn)方2 m高的風(fēng)速降低80%。

所以，路塹地段應(yīng)盡量以敞開式、緩邊坡通過。

路塹采用路堤式路塹形式，其邊坡坡度見表3。

4.4 由無砟軌道代替有砟軌道

對于沙漠丘陵區(qū)風(fēng)沙危害嚴(yán)重段落，由于風(fēng)沙的20%將落在道床區(qū)，大量風(fēng)沙進(jìn)入道床后造成碎石道床的嚴(yán)重污染，使得道床消化吸收車輛振動荷載的能力大大降低，進(jìn)而將影響鋼軌的使用壽命、加劇基床結(jié)構(gòu)的病害產(chǎn)生。更為甚者，清篩、清洗碎石道床等維修養(yǎng)護(hù)頻率將大大增加，運(yùn)營期間養(yǎng)護(hù)費(fèi)用增加，因此，在風(fēng)沙危害嚴(yán)重段落采用無砟軌道代替有砟軌道，盡管增加了初期建設(shè)投資，但大大降低了運(yùn)營期間的路基病害及養(yǎng)護(hù)維修工作，在保證鐵路正常運(yùn)營的同時(shí)，節(jié)省了大量的養(yǎng)護(hù)費(fèi)用。

表3 邊坡坡度

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，對于風(fēng)沙危害等級較高段落，“采用無砟軌道的建設(shè)費(fèi)用+運(yùn)營期間養(yǎng)護(hù)費(fèi)用”與“采用無砟軌道的建設(shè)費(fèi)用+運(yùn)營期間養(yǎng)護(hù)費(fèi)用”相比較，大約運(yùn)營10～15年后費(fèi)用相當(dāng)。

綜上所述，在風(fēng)沙危害等級較高段落采用無砟軌道是一種有效地防治風(fēng)沙危害的措施。

4.5 防護(hù)路肩

采用堅(jiān)硬、抗腐蝕、平滑圓順的路肩形式可增加風(fēng)速，提高風(fēng)沙的通過能力。本項(xiàng)目采用混凝土路肩，加速風(fēng)沙的通過能力。

4.6 路基邊坡防護(hù)形式

路基邊坡采用黏土、卵石土包坡可增加風(fēng)速，降低風(fēng)沙沉積的可能性。

結(jié)合項(xiàng)目特點(diǎn)，就地取材，本項(xiàng)目采用卵石土包坡，加速風(fēng)積沙的通過能力。

5 風(fēng)沙效果評估

通過輸沙量計(jì)算，輸沙體系效率可達(dá)80%，剩余20%落在道床區(qū)，這大約是2.3 t/年/m;據(jù)統(tǒng)計(jì)最多有50%的風(fēng)沙沉積在道砟上。假如維修工人可以通過維修工具清除道砟以上20～50 mm的沉積沙，那么大約有10%的風(fēng)積沙和鐵路日常的運(yùn)營道渣碎屑進(jìn)入道渣空隙。大約0.1 t/年/m風(fēng)積沙進(jìn)入道砟，即占道砟體積的2.8%，滿足設(shè)計(jì)要求的10年含沙體積占道砟體積30%。其余風(fēng)積沙可通過清掃等養(yǎng)護(hù)措施處理。

6 結(jié)語

國內(nèi)的風(fēng)沙防治以工程防沙與植物防沙相結(jié)合的綜合治理措施，積累了大量經(jīng)驗(yàn)，達(dá)到了防沙治沙的效果，并形成了規(guī)范及適合的風(fēng)沙治沙體系，但某些地區(qū)受環(huán)境、降雨量、地下水埋深等因素影響，植物防沙效果失效，可根據(jù)風(fēng)沙運(yùn)動規(guī)律采用輸沙堤、積沙溝、設(shè)置無砟軌道代替有砟軌道等措施，同時(shí)結(jié)合維修養(yǎng)護(hù)來解決沙害問題。

隨著鐵路精細(xì)化設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的提高，建議相關(guān)規(guī)范根據(jù)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)、CFD模擬等手段得出的輸沙量、積沙率等參數(shù)，細(xì)化采取的風(fēng)沙防治措施，同時(shí)補(bǔ)充防沙治沙所達(dá)到的標(biāo)準(zhǔn)(包括維修養(yǎng)護(hù)標(biāo)準(zhǔn))，使防沙體系更加多樣化。

［1］ 鐵道部第一勘測設(shè)計(jì)院.鐵路工程設(shè)計(jì)技術(shù)手冊·路基［M］.修訂版.北京:中國鐵道出版社，1992.

［2］ 鐵道部第一勘測設(shè)計(jì)院.鐵路工程地質(zhì)手冊［M］.修訂版.北京:中國鐵道出版社，1999.

［3］ 吳正.風(fēng)沙地貌與治沙工程學(xué)［M］.北京:科學(xué)出版社，2010.

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