風(fēng)沙地區(qū)某鐵路路基綜合防沙減沙體系研究

賈維慶

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津 300142)

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風(fēng)沙地區(qū)某鐵路路基綜合防沙減沙體系研究

賈維慶

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津 300142)

某鐵路位于阿拉伯半島東南側(cè)內(nèi)陸沙漠區(qū)，根據(jù)當(dāng)?shù)仫L(fēng)沙運(yùn)動(dòng)規(guī)律，采取高立式柵欄阻沙、部分段落設(shè)置無砟軌道、放緩邊坡等工程措施，并結(jié)合運(yùn)營期養(yǎng)護(hù)維修，達(dá)到防沙減沙的目的。

風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)規(guī)律 高立式柵欄 阻沙 無砟軌道 放緩邊坡 維修養(yǎng)護(hù) 防沙減沙

1 地形地貌

沿線風(fēng)沙段落長39 km，穿越2個(gè)不同的地貌單元。

平原區(qū)：地形平坦，地表分布低矮植物，局部表層硬化，風(fēng)沙危害輕微。

沙漠丘陵區(qū)：沙漠腹地，沙害嚴(yán)重，地表分布高大的新月形鏈和縱向沙壟，沙丘最大高度達(dá)30 m，植物稀少。

2 氣候

本地區(qū)屬熱帶沙漠氣候，全年只有兩個(gè)季節(jié)：熱季和涼季，兩季氣溫都偏高且降水稀少。5至10月為熱季，氣溫高達(dá)40 ℃以上；11月至次年4月為涼季，平均氣溫約24 ℃。年均降雨量130 mm。主導(dǎo)風(fēng)向大致以北西和南南東為主，一般風(fēng)速0～10 m/s，極端最大風(fēng)速為15～20 m/s。

3 本地區(qū)風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

風(fēng)沙流是指含有沙粒的運(yùn)動(dòng)氣流。風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)是指氣流中不同層次輸沙量隨高度的分布特征，影響風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)的主要因素是風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)的高度、風(fēng)速及地表的組成物質(zhì)。

(1)在一定風(fēng)速條件下，各層風(fēng)沙量與地表高度成反比；地面以上0～30 cm內(nèi)的輸沙量占總輸沙量的90%以上，說明風(fēng)沙流運(yùn)動(dòng)是貼地面的沙粒被風(fēng)力搬運(yùn)現(xiàn)象。通過試驗(yàn)研究，啟動(dòng)風(fēng)速約為6.0 m/s。

(2)在同一風(fēng)速條件下，隨著輸沙量的增大，下層氣流中搬運(yùn)的沙量增加，上層沙量相應(yīng)減少。隨著風(fēng)速的增加，風(fēng)沙流攜帶沙粒的總量增大，下層氣流中沙量增大，但與總沙量的比值減少；上層氣流中沙量增大，與總沙量的比值也增大?？梢钥闯觯L(fēng)速是決定搬運(yùn)量的重要因素。

(3)本區(qū)域風(fēng)沙粒徑在0.13 mm到21 mm之間，形狀大部分呈圓形，這種沙粒很容易受到風(fēng)的搬運(yùn)。

4 綜合防沙減沙體系研究

根據(jù)技術(shù)要求，設(shè)置阻沙的工程措施要滿足阻沙率達(dá)到50%以上，維修養(yǎng)護(hù)(主要為清理風(fēng)積沙)周期為每三個(gè)月一次。且道砟污染要滿足設(shè)計(jì)要求。

本次風(fēng)沙措施研究范圍為0～39 km，段落為S1.1～S8。

4.1 阻沙措施

通過設(shè)置柵欄攔截風(fēng)沙流的運(yùn)動(dòng)，使沙粒在柵欄附近堆積，以避免線路遭到沙埋，稱為阻沙措施。阻沙的原理是柵欄能改變局部范圍氣流的方向和速度，使氣流速度在柵欄前后明顯減弱，風(fēng)力攜帶的沙粒在柵欄附近堆積，見圖1。

圖1 緊密結(jié)構(gòu)氣流場

國內(nèi)常用的阻沙措施為高立式柵欄、截沙溝、擋沙堤等措施。柵欄材料可因地制宜采用樹枝、蘆葦、混凝土預(yù)制件、土工網(wǎng)等，一般設(shè)置高度1～2 m。結(jié)合本項(xiàng)目特點(diǎn)，設(shè)置高立式阻沙柵欄，高度2 m。

柵欄設(shè)置在距離路堤坡腳25 m處，如果距離太近，堆積在線路兩側(cè)易形成新的沙源，危害鐵路。圖2為CFD模擬結(jié)果。

圖2 柵欄距離路堤坡腳25 m時(shí)CFD模擬結(jié)果

從圖2可以看出，在路基面附近有加速區(qū)，但仍有風(fēng)積沙落在道床區(qū)。

4.2 無砟軌道代替有砟軌道

雖然技術(shù)要求中未明確采用無砟軌道，但由于沙漠丘陵區(qū)風(fēng)沙危害嚴(yán)重段落道砟污染超標(biāo)，因此本次研究中采取了無砟軌道代替有砟軌道的工程措施。

4.3 路堤邊坡坡率及防護(hù)形式

(1)邊坡坡率

當(dāng)路堤邊坡坡率陡于1∶2時(shí)，氣流受阻作用明顯，風(fēng)沙不易通過路堤，風(fēng)積沙易沉積在路基坡腳及路基面附近。結(jié)合本項(xiàng)目特點(diǎn)，邊坡坡率采用1∶3，見圖3。

圖3 邊坡坡率1∶3 CFD模擬結(jié)果

結(jié)果顯示，風(fēng)沙流通過路基時(shí)，氣流勻稱，很容易通過路基本體。因此，路堤邊坡盡量以緩邊坡通過。

(2)路堤邊坡防護(hù)形式

本線風(fēng)沙區(qū)路堤，基床以下填料采用粉、細(xì)沙填筑，風(fēng)沙流通過路堤時(shí)，迎風(fēng)側(cè)邊坡易受風(fēng)蝕，需對基床以下邊坡進(jìn)行防護(hù)；常用的防護(hù)形式有黏性土、卵礫石包坡，設(shè)置混凝土防護(hù)層等措施。結(jié)合項(xiàng)目特點(diǎn)，就地取材，本項(xiàng)目采用卵石土包坡(見圖4、圖5)。

圖4 卵礫石土包坡及卵礫石方格防護(hù)

5 風(fēng)沙防治措施效果評估

5.1 高立式柵欄阻沙效率

1981年4月，在中國的騰里格沙漠東南沙坡頭地區(qū)，由原中國科學(xué)院蘭州沙漠研究所、蘭州鐵路局科研所和中衛(wèi)鐵路固沙林場合作，開展了高立式柵欄阻沙試驗(yàn)。采用荊條芭、楊樹枝和玉米秸三種材料設(shè)置柵欄1.61 km，設(shè)置高度1～2 m。經(jīng)過三個(gè)季風(fēng)期，證明采用柵欄進(jìn)行前沿阻沙可行，而且效果顯著，阻沙效率平均為70%～80%[6]。通過CFD模擬結(jié)果，阻沙效率進(jìn)一步得到驗(yàn)證，滿足50%阻沙效率的技術(shù)要求。

根據(jù)50%的阻沙率和每三個(gè)月間隔的維修養(yǎng)護(hù)需求， 從表1可以看出，S1.1/S5.2 /S7.2/S8四段21 km不需要設(shè)置阻沙柵欄，其它18 km需要設(shè)置阻沙柵欄。

圖5 黏性土包坡及混凝土板防護(hù)

表1 阻沙柵欄風(fēng)沙研究試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)

5.2 道砟污染要求

柵欄阻沙效率達(dá)70%～80%，風(fēng)沙危害剩余輕微的有砟軌道段落，有20%～30%的風(fēng)積沙堆積在道床區(qū)，重量約為2.1 t/(m·年)，可以滿足設(shè)計(jì)要求。

6 結(jié)論

(1)防沙減沙措施應(yīng)結(jié)合當(dāng)?shù)氐牡乇?、氣候、地下水等情況綜合選取，建立綜合的防沙減沙體系，確保防沙體系達(dá)到相關(guān)要求。

(2)本地區(qū)有干旱少雨、地下水匱乏、培育植物成本昂貴等特點(diǎn)，可根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況、項(xiàng)目特點(diǎn)，設(shè)置無植物防護(hù)的高立式柵欄阻沙、無砟軌道代替有砟軌道、放緩路堤邊坡等工程措施，同時(shí)結(jié)合維修養(yǎng)護(hù)要求，達(dá)到防沙減沙的目的。

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[8] 夏超峰.新建陶利廟至鄂托克前旗鐵路風(fēng)沙路基防護(hù)原則的研究[J].鐵道勘察，2012,38(2)

Research on Sand Mitigation System of Railway Subgrade

JIA Weiqing

2016-10-09

賈維慶(1962—)，男，2010年畢業(yè)于西南交通大學(xué)交通運(yùn)輸專業(yè)，工程師。

1672-7479(2016)06-0057-03

U216.41+3

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