風沙流對青藏鐵路路基影響的研究

張亞賓劉文曉

（1甘肅建筑職業技術學院，甘肅 蘭州 730050；2包頭鐵道職業技術學院，內蒙古 包頭 014060）

風沙流對青藏鐵路路基影響的研究

張亞賓1劉文曉2

（1甘肅建筑職業技術學院，甘肅 蘭州 730050；2包頭鐵道職業技術學院，內蒙古 包頭 014060）

針對青藏鐵路沙害問題，通過對青藏鐵路路基進行觀察研究，分析風沙流對路基產生的影響，結果表明：路基的路肩部位風蝕現象明顯而坡腳處積沙現象明顯；由于背風側存在渦旋氣流，導致背風側積沙量比迎風側積沙量少；青藏鐵路軌道結構的沙埋現象并不發生在風力最強的時候，而是在弱風季節及多風向季節。

青藏鐵路；風沙流；路基；積沙

1 引 言

我國有將近1萬公里鐵路線路受到風沙災害的威脅。其中最具代表性的是包蘭鐵路，其治沙首創的“五帶一體”治沙防沙體系也成為我國鐵路防沙的典范工程。后建成的青藏鐵路、喀和鐵路、太中銀鐵路、以及蘭新二線等鐵路線均存在嚴重的沙害問題，所以我國學者對線路防沙也越來越重視：張克存等[1]對青藏鐵路沱沱河段路基進行風洞模擬，發現氣流經過路基時形成遇阻抬升區、集流加速區、減速沉降區以及消散恢復區。趙秀峰[2]研究了青藏公路風沙災害，分析了風沙堆積的成因及影響。李馳[3]等利用FLENT研究了沙漠公路的風蝕破壞，分析路基高度、坡度和寬度等對風沙流的影響。張軍平等[4]對蘭新鐵路路基研究后發現：迎風側路肩上方產生風蝕現象，坡腳處產生積沙。本文主要結合青藏高原風沙災害，探討青藏鐵路風沙流對鐵路路基的影響，為青藏鐵路沙害治理提供支持。

2 風沙流對路基的影響

2.1 基本原理

鐵路風沙病害可分為風蝕和積沙。地表松散物質被風力帶走的現象是風蝕；被風力帶走的顆粒物遇到阻擋物或風力減弱后沉積形成積沙。起沙風速是沙顆粒由靜止狀態進入運動狀態的風速臨界值。鐵路路基產生風沙災害的基本原理是：當作用于路基的風力達到該處的起沙風速后，路基表面上的松散物質被風帶走，產生路基風蝕現象，隨風蝕產生并加強的風沙流裹挾大量顆粒物，不斷沖擊路基表面，使路基表面產生松動，大量因風沙流沖擊而松動的顆粒物會隨之納入風沙流，進而加劇風沙流的沖擊力，此過程反復作用，最終不斷加劇路基風蝕現象；另一方面，路基又是風沙流運動的障礙物，風沙流經過路基時會降低速度，甚至會沿線路產生氣流旋渦，損失其前進動力，致使風沙流所攜沙顆粒沿線路沉積，產生線路積沙現象。所以從現場來看，路基的路肩部位風蝕現象明顯而坡腳處積沙現象明顯。

2.2 風沙流變化特征

風沙流經過路基時氣流速度會發生變化，根據氣流速度的不同進行分區，在迎風側坡腳形成氣流減速區，在迎風側坡面形成加速區，在迎風側路肩形成高速區，在路堤頂面形成低速區，在背風側形成紊流區。

氣流低速區范圍較大，積沙量也較大。理論上背風側低速區范圍比迎風側低速區范圍大，即背風側積沙量比迎風側積沙量要大。但實際上，由于背風側存在渦旋氣流，部分沉積在背風側的沙粒被渦旋氣流帶離，導致背風側積沙量比迎風側積沙量少。

路基背風側是紊流區，存在不同的氣流渦旋，故而風沙流運動較為復雜。風沙流經過背風側時，已沉積在背風側的部分沙粒被卷入氣流，隨渦旋氣流運動，在重力作用下，卷入渦旋氣流的沙粒又沉積在背風側；同時還有少部分沉積在背風側的沙粒會隨上升氣流進入氣流的主流區，離開路基坡腳。

2.3 風速對路基積沙的影響

風力是沙粒發生移動的動力條件，當風速大于沙粒的起沙風速時，沙粒開始移動。風沙流遇到路基阻擋后速度降低，當風速降低不足以讓沙粒繼續移動時，沙粒便會沉積形成積沙。一般情況下，隨著風速的增大，迎風側坡腳的積沙量逐漸減少，背風側坡腳的積沙量變化不大，其原因是，當初始風速較高時，雖然風沙流通過路基時氣流速度和沙粒速度都會降低，但迎風坡側腳附近的風速仍大于沙粒的啟動速度，故只有少部分緊貼地面的沙粒沉積在坡腳，而大部分沙粒則會沿著路基坡面向上移動；若初始風速較小，風沙流通過路基時速度降低，小于沙粒的啟動速度，則大部分沙粒沉積在坡腳形成積沙。

3 風沙流對青藏鐵路路基的影響

3.1 風沙流的積沙作用

青藏鐵路沿線冬季受西風影響顯著，風力持久強勁。當風沙流運行至鐵路路基時，由于鐵路路基的阻擋，風沙流在抬升的同時，部分能量產生損耗，貼地風沙流風速降低，部分沙粒沉積在路基迎風側坡腳處，形成積沙，鐵路路基的修建阻礙了風沙流運行軌跡，風沙易于沉積于鐵路路基兩側。堆積在鐵路路基迎風側坡腳的積沙，極易在弱風作用下搬運至道床，危及線路安全。

青藏高原風季集中在冬春兩季，大量沙顆粒被大風搬運至鐵路路基附近，由于風力強勁，大部分風沙流處于不飽和狀態，經過路基迎風側時，沙埋現象并不顯著；風沙流遇阻抬升時會在路基頂面形成風速高于起始值2倍以上的強風區；當風沙流越過鐵軌進入背風側紊流區，由于氣流渦旋的作用，風沙流攜沙能力急劇下降，而風沙流又處于過飽和狀態，必然導致大量沙粒沉積在路基背風側，若之后氣流方向發生改變，沉積在路基背風側的沙粒極易被帶入線路軌道結構，因此在風向發生交替變化的季節，軌道結構風沙災害最為嚴重。故而青藏鐵路軌道結構的沙埋現象并不發生在風力最強的時候，而是強風將沙粒帶到鐵路沿線形成路基沙埋，在弱風季節及多風向季節，鐵路路基處的積沙被帶入軌道結構，造成沙埋危害，嚴重影響行車安全。

3.2 風沙流的風蝕作用

通過對青藏鐵路路基進行觀測，發現路肩及邊坡上部風蝕非常嚴重，甚至部分路肩被風蝕成渾圓狀，部分邊坡形成風蝕槽，而且風蝕程度與路基高度及風向與線路的夾角相關，一般情況下，路基高度越高風蝕程度越嚴重；大風風向與鐵路線路的夾角垂直時風蝕最嚴重。風蝕路肩導致路肩寬度不夠，軌枕外露，加之列車運行振動影響，鐵路軌道的軌道形位難以保持，危及列車安全運營，甚至造成列車停車事故。

4 結 語

1）路基是風沙流運動的障礙物，風沙流經過路基時速度降低，甚至產生氣流旋渦，致使風沙流所攜沙顆粒沿線路沉積，產生線路積沙現象。

2）路基背風側是紊流區，存在不同的氣流渦旋，風沙流經過背風側時，已沉積在背風側的部分沙粒被卷入氣流，一部分卷入渦旋氣流的沙粒重新沉積在背風側；另部分卷入渦旋氣流的沙粒會隨上升氣流進入氣流的主流區，離開坡腳。

3）由于背風側存在渦旋氣流，部分沉積在背風側的沙粒被渦旋氣流帶離，導致背風側積沙量比迎風側積沙量少。

4）青藏鐵路軌道結構的沙埋現象并不發生在風力最強的時候，而是在弱風季節及多風向季節，鐵路路基處的積沙被帶入軌道結構，造成軌道結構沙埋危害。

[1]張克存，牛清河，屈建軍，等．青藏鐵路沱沱河路段流場特征及沙害形成機理[J]．干旱區研究，2010,27（2）：303-308．

[2]趙秀峰．青藏公路沿線風沙堆積的成因及環境意義[J]．干旱區資源與環境，1991,5（4）：61-69．

[3]李馳，高瑜，黃浩．沙漠公路風蝕破壞規律的數值模擬研究[J]．巖土力學，2011,21（1）：642-647

[4]張軍平，王引生，蔣富強．蘭新鐵路戈壁地區路基周圍風沙流運動特征數值分析[J]．中國鐵道科學，2011，32（4）,14-18

Study on the influence of wind-blown sand on QINGHAI - TIBET railway subgrade

According to the problem of sand hazard in Qinghai-Tibet Railway,through the observation and study of Qinghai-Tibet railway subgrade, analyzinge the influence of sand flow on the roadbed,the results show that the wind erosion phenomenon of the roadside of the subgrade is obvious and the sand at slope foot is obvious．Because of the existence of vortex airflow on the leeward side,the amount of accumulated sand in the leeward side is less than that in the windward side．The sand burial phenomenon of the Qinghai-Tibet railway track structure does not occur when the wind is the strongest,but in the weak wind season and the windy season．

Qinghai-Tibet railway；wind-blown sand；subgrade；sand

U216．413

B

1003-8965(2017)03-0088-02