葛春庚，石 龍，李凱崇

(1.蘭新鐵路新疆有限公司，烏魯木齊 830011；2.中鐵西北科學(xué)研究院有限公司，蘭州 730000)

蘭新二線強(qiáng)風(fēng)地區(qū)防沙措施效益評(píng)價(jià)

葛春庚1，石 龍2，李凱崇2

(1.蘭新鐵路新疆有限公司，烏魯木齊 830011；2.中鐵西北科學(xué)研究院有限公司，蘭州 730000)

基于現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)試驗(yàn)，掌握試驗(yàn)段全年大風(fēng)特征，并對(duì)不同類(lèi)型的阻沙措施與固沙措施的防沙效果進(jìn)行對(duì)比分析。結(jié)果表明：百里風(fēng)區(qū)試驗(yàn)段的主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)镹NW，煙墩風(fēng)區(qū)試驗(yàn)段的主導(dǎo)風(fēng)向主要為NE、ENE，分別占全年風(fēng)向的21%和26%；百里風(fēng)區(qū)阻沙措施性價(jià)比依次為：金屬涂塑網(wǎng)措施>斜插板式擋沙墻>箱式擋沙墻>插板式擋沙墻；煙墩風(fēng)區(qū)阻沙措施性價(jià)比依次為：金屬涂塑網(wǎng)措施>高立式PE網(wǎng)措施>斜插板式擋沙墻>插板式擋沙墻；固沙措施性價(jià)比依次為：蘆葦方格>石方格>沙方格；在現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，綜合考慮工程造價(jià)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，建議試驗(yàn)段阻沙措施采用金屬涂塑網(wǎng)沙障，固沙措施采用石方格沙障。

蘭新二線；強(qiáng)風(fēng)地區(qū)；防沙措施；效益評(píng)價(jià)

新建蘭新鐵路第二雙線是亞歐大陸橋快速通道的重要組成部分，正線全長(zhǎng)1 776 km，其中新疆境內(nèi)線路長(zhǎng)度709.923 km。東起甘新省界，途經(jīng)哈密市、鄯善縣、吐魯番市，西至新疆維吾爾自治區(qū)首府烏魯木齊市。線路沿途通過(guò)煙墩風(fēng)區(qū)、百里風(fēng)區(qū)、三十里風(fēng)區(qū)、達(dá)坂城風(fēng)區(qū)、安西風(fēng)區(qū)五大風(fēng)區(qū)。新疆境內(nèi)線路通過(guò)大風(fēng)區(qū)長(zhǎng)度462.41 km，占新疆段線路總長(zhǎng)的64.8%，而風(fēng)沙路基主要集中于煙墩風(fēng)區(qū)及百里風(fēng)區(qū)，線路通過(guò)風(fēng)沙路基工程長(zhǎng)度約217 km，占線路長(zhǎng)度的30.6%。

新疆鐵路大風(fēng)地區(qū)內(nèi)自然條件十分惡劣，人煙稀少，多為戈壁荒漠，大風(fēng)主要有風(fēng)速高、風(fēng)期長(zhǎng)、季節(jié)性強(qiáng)、風(fēng)向穩(wěn)定、變化速度快的特點(diǎn)。大風(fēng)及大風(fēng)引起的沙害曾多次造成既有蘭新鐵路、南疆鐵路翻車(chē)、停輪，給鐵路運(yùn)輸帶來(lái)了巨大的經(jīng)濟(jì)損失和嚴(yán)重的不良社會(huì)影響，蘭新第二雙線列車(chē)運(yùn)行速度高、車(chē)體輕，風(fēng)沙災(zāi)害對(duì)高速鐵路的威脅遠(yuǎn)甚于既有鐵路。針對(duì)風(fēng)沙地區(qū)鐵路風(fēng)沙災(zāi)害，許多科技工作者通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)與室內(nèi)試驗(yàn)，從風(fēng)沙流特征[1-5]與防沙措施[6-12]等方面做了大量的研究，取得了不少科研成果，對(duì)風(fēng)沙災(zāi)害防治工程的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)起到了一定的指導(dǎo)作用。但由于戈壁強(qiáng)風(fēng)地區(qū)地表主要以礫石、粗砂覆蓋物為主，下墊層物質(zhì)條件與普通沙漠地區(qū)不同，這就使得戈壁地區(qū)風(fēng)沙流運(yùn)動(dòng)的力學(xué)特性不同于普通沙漠地區(qū)，同時(shí)部分措施設(shè)計(jì)本來(lái)就存在一定的缺陷，不能直接應(yīng)用于蘭新二線防沙工程中。

針對(duì)這種情況，選取沙害嚴(yán)重的煙墩風(fēng)區(qū)與百里風(fēng)區(qū)作為試驗(yàn)段，對(duì)不同類(lèi)型措施的防沙效果進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，并結(jié)合工程造價(jià)對(duì)其性價(jià)比進(jìn)行對(duì)比分析，為蘭新二雙線高速鐵路的風(fēng)沙防治提供相應(yīng)的技術(shù)支持。

1 試驗(yàn)段工程概況

百里風(fēng)區(qū)試驗(yàn)段位于哈密盆地山前沖、洪積傾斜平原區(qū)，地形較開(kāi)闊，地勢(shì)起伏較小，地面高程650～740 m，其地層主要為：第四系全新統(tǒng)沖、洪積細(xì)圓礫土，第三系泥巖、礫巖及砂質(zhì)泥巖夾層。百里風(fēng)區(qū)屬于中溫帶大陸性干旱氣候區(qū)，氣候干燥，降雨量小，冰凍期長(zhǎng)，晝夜溫差變化較大，春、秋多風(fēng)，夏季短促而炎熱，冬季漫長(zhǎng)且嚴(yán)寒。年平均降雨量38 mm，最大降雨量99.1 mm，年平均蒸發(fā)量4 803.6 mm，年最大蒸發(fā)量7 914 mm，年平均風(fēng)速5.8 m/s，最大定時(shí)風(fēng)速46.6 m/s，主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)镹NW，約占全年風(fēng)向的31.6%左右，靜風(fēng)頻率為0.76%(圖1)。

煙墩風(fēng)區(qū)試驗(yàn)段位于天山東脈北山山前剝蝕平原區(qū)，地形平坦開(kāi)闊，地勢(shì)略有起伏。多為典型的細(xì)砂或粗砂戈壁荒漠地貌，其地層為第四系上更新統(tǒng)-全新統(tǒng)洪積細(xì)沙、細(xì)圓礫土，第三系古新統(tǒng)-始新統(tǒng)泥巖、砂巖、礫巖。煙墩風(fēng)區(qū)試驗(yàn)段屬典型的溫帶大陸性氣候，冬季寒冷干燥，春季多風(fēng)且冷暖多變，夏季高溫少雨。年降水量平均為33.8 mm，年蒸發(fā)量為3 300 mm，年平均風(fēng)速4.6～5.9 m/s，定時(shí)最大風(fēng)速27～28 m/s，受地形地貌的影響本試驗(yàn)段的主導(dǎo)風(fēng)向主要為NE、ENE，分別占全年風(fēng)向的21%和26%，靜風(fēng)頻率為1.36%(圖2)。

圖1 百里風(fēng)區(qū)風(fēng)頻玫瑰圖

圖2 煙墩風(fēng)區(qū)風(fēng)頻玫瑰圖

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)方案

觀測(cè)方法：每場(chǎng)大風(fēng)后，由技術(shù)人員將不同集沙儀上的集沙桶所收集的沙礫樣品進(jìn)行收集，填寫(xiě)并加裝取樣記錄表，分別裝入不同編號(hào)的樣品袋中，送交試驗(yàn)室完成相關(guān)土工分析試驗(yàn)。觀測(cè)頻率：1次/月，可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況進(jìn)行適當(dāng)?shù)脑鰷p。

觀測(cè)儀器采用強(qiáng)風(fēng)儀、數(shù)采儀、無(wú)線傳輸裝置等。觀測(cè)頻率：每秒鐘記錄一次2 m和10 m高度的風(fēng)速風(fēng)向數(shù)據(jù)，通過(guò)專(zhuān)業(yè)氣象軟件處理，得到2、10 min的平均風(fēng)速、風(fēng)向及該時(shí)間段內(nèi)的極值風(fēng)速數(shù)據(jù)，24 h全天候自動(dòng)記錄相關(guān)試驗(yàn)段的風(fēng)沙流場(chǎng)變化數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)傳輸頻率：數(shù)據(jù)打包后每周傳輸1次。

2.2 試驗(yàn)段防沙工程布設(shè)方式

在試驗(yàn)段措施前后分別設(shè)置集沙儀，來(lái)分析研究措施前后風(fēng)沙流場(chǎng)的變化特征，同時(shí)通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果評(píng)估煙墩風(fēng)區(qū)所設(shè)置的不同措施的防沙效益，篩選出針對(duì)該地區(qū)風(fēng)沙流運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，防沙效益最優(yōu)的措施。

(1)百里風(fēng)區(qū)試驗(yàn)段

該試驗(yàn)段鐵路里程為DK1414+900～DK1418+300，主導(dǎo)風(fēng)向側(cè)線路路堤坡腳線外約100 m處，設(shè)置8種不同類(lèi)型的措施，其中，DK1414+900～DK1415+000段采用孔隙率為40%的新型金屬涂塑網(wǎng)措施，措施高度為2.0 m，DK1415+000～DK1415+412段采用高寬比為3.7的箱式擋沙墻， DK1415+412～DK1415+750段采用高寬比為4.5的箱式擋沙墻，DK1415+750～DK1416+100段采用高寬比為6.0的箱式擋沙墻，DK1416+100～DK1416+893段采用2.0 m高的插板式擋沙墻，DK1416+893～DK1417+150段采用1.5 m高的斜插板式擋沙墻，DK1417+150～DK1417+990段采用2.0 m高的斜插板式擋沙墻，DK1417+990～DK1418+300段采用2.5 m高的斜插板式擋沙墻。

(2)煙墩風(fēng)區(qū)試驗(yàn)段

在鐵路里程為DK1237+050～DK1240+150段，主導(dǎo)風(fēng)向側(cè)線路路堤坡腳線(或路塹塹頂)外約100 m處(平地情況下)，設(shè)置8種不同類(lèi)型的措施；其中DK1237+050～DK1237+150段，采用孔隙率為40%的新型金屬涂塑網(wǎng)措施，DK1237+150～DK1237+550段，采用透風(fēng)率為30%的高立式PE網(wǎng)措施， DK1237+550～DK1237+950段，采用透風(fēng)率為40%的高立式PE網(wǎng)措施，DK1237+950～DK1238+350段，采用透風(fēng)率為50%的高立式PE網(wǎng)措施，DK1238+350～DK1238+750段，采用2.5 m高的斜插板式擋沙墻，DK1238+750～DK1239+150段，采用2.0 m高的斜插板式擋沙墻，DK1239+150～DK1239+650段，采用1.5 m高的斜插板式擋沙墻，DK1239+650～DK1240+150段，采用2.0 m高的插板式擋沙墻。

針對(duì)煙墩風(fēng)區(qū)風(fēng)沙災(zāi)害相對(duì)較為嚴(yán)重的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)時(shí)在線路右側(cè)路堤坡腳(或路塹塹頂)外 50 m處，設(shè)置1道透風(fēng)率為40%的折線形高立式PE網(wǎng)措施，同時(shí)在背風(fēng)側(cè)路堤坡腳(或路塹塹頂)外50 m處也設(shè)置1道透風(fēng)率為40%的折線形高立式PE網(wǎng)措施，如遇地形地貌變化較大時(shí)，應(yīng)適當(dāng)調(diào)整各設(shè)施與路堤坡腳或路塹塹頂?shù)木嚯x。

在主導(dǎo)風(fēng)向側(cè)，內(nèi)側(cè)高立式PE網(wǎng)措施與路基坡腳之間，設(shè)置1.0 m×1.0 m的固沙劑固結(jié)格狀措施和1.0 m×1.0 m的石方格措施，措施高出地表約20 cm，固沙劑格狀措施設(shè)置里程為DK1237+150～DK1238+650，石方格措施設(shè)置里程為DK1238+650～DK1240+150，措施設(shè)置寬度為30 m。

3 防沙效益分析

3.1 不同類(lèi)型阻沙措施對(duì)比

根據(jù)目前測(cè)試數(shù)據(jù)研究分析，結(jié)合性價(jià)比，措施高度為2.0 m，透風(fēng)率為40%較為適宜，故下面以2.0 m高措施的阻沙率進(jìn)行對(duì)比分析。

為研究戈壁強(qiáng)風(fēng)地區(qū)不同沙障的風(fēng)沙防護(hù)效果，有針對(duì)性地找出適用于戈壁強(qiáng)風(fēng)鐵路風(fēng)沙災(zāi)害防治的效果較好的措施，通過(guò)對(duì)不同措施迎風(fēng)側(cè)與背風(fēng)側(cè)集沙量的觀測(cè)(不同類(lèi)型沙障前后集沙量見(jiàn)圖3)，挑選出了試驗(yàn)段防護(hù)效果最優(yōu)的風(fēng)沙防護(hù)措施(防沙性價(jià)比見(jiàn)表1和表2)。

圖3 不同類(lèi)型的沙障前后集沙量對(duì)比

措施類(lèi)型優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)阻沙率/%造價(jià)/(萬(wàn)元/km)插板式擋沙墻耐久性長(zhǎng),模具制備簡(jiǎn)單阻沙效果相對(duì)較差,14.5494.3斜插板式擋沙墻防沙效果較優(yōu),耐久性好造價(jià)偏高,模具制備技術(shù)要求高40.48120.5箱式擋沙墻阻沙效果較優(yōu),穩(wěn)定性好,具有較強(qiáng)水蝕力,造價(jià)偏高,施工技術(shù)要求高31.66137.8金屬涂塑網(wǎng)措施施工簡(jiǎn)單,造價(jià)低廉,耐久性強(qiáng),防護(hù)效果好材料的抗剪能力還有待提高57.640

注：設(shè)計(jì)瞬時(shí)風(fēng)速60 m/s。

從圖3可以發(fā)現(xiàn)，與原始風(fēng)沙流相比，沙障后氣流的攜沙量明顯降低，表明沙障對(duì)攜沙氣流具有一定的凈化作用。但由于沙障結(jié)構(gòu)不同，同等條件下周?chē)鲌?chǎng)存在差異，導(dǎo)致凈化氣流的效果也不同。

從表1和表2可以看出，插板式擋沙墻具有模具制備簡(jiǎn)單、耐久性高等優(yōu)點(diǎn)，但是其風(fēng)沙防護(hù)效果不太理想；而斜插板擋沙墻和箱式擋沙墻，模具要求技術(shù)含量高，施工工藝較為復(fù)雜，施工速度慢，維修養(yǎng)護(hù)較為困難；同等條件下，雖然高立式PE網(wǎng)措施和金屬涂塑網(wǎng)措施阻沙率基本相同，但高立式PE網(wǎng)措施造價(jià)較大，同時(shí)金屬涂塑網(wǎng)措施的耐久性和抗酸堿腐蝕性較強(qiáng)，施工簡(jiǎn)便快捷，積沙滿后立柱還可以加長(zhǎng)，便于后期補(bǔ)強(qiáng)和養(yǎng)護(hù)維修，性價(jià)比最優(yōu)。百里風(fēng)區(qū)阻沙措施性價(jià)比依次為：金屬涂塑網(wǎng)措施>斜插板式擋沙墻>箱式擋沙墻>插板式擋沙墻；煙墩風(fēng)區(qū)阻沙措施性價(jià)比依次為：金屬涂塑網(wǎng)措施>高立式PE網(wǎng)措施>斜插板式擋沙墻>插板式擋沙墻?？紤]到現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，試驗(yàn)段推薦使用金屬涂塑網(wǎng)措施。

表2 煙墩風(fēng)區(qū)阻沙措施對(duì)比表

注：設(shè)計(jì)瞬時(shí)風(fēng)速40 m/s。

對(duì)比百里風(fēng)區(qū)和煙墩分區(qū)常見(jiàn)沙障的阻沙率可以看出，與煙墩風(fēng)區(qū)的固定半固定沙地相比，百里風(fēng)區(qū)的地表主要為礫石戈壁，具有起沙風(fēng)速高、地表粗糙度大、大風(fēng)攜沙量少的特點(diǎn)，而不飽和風(fēng)沙流經(jīng)過(guò)擋沙墻凈化，其風(fēng)沙流中沙粒的去除值相對(duì)較小，墻體前后風(fēng)沙流密度差別不顯著，故而同結(jié)構(gòu)沙障的阻沙率普遍低于煙墩風(fēng)區(qū)。

3.2 不同類(lèi)型固沙措施對(duì)比

考慮到當(dāng)?shù)卦系默F(xiàn)狀，蘭新第二雙線所試驗(yàn)段采用的固沙設(shè)施主要為石方格措施和噴灑固化劑的沙方格措施，其布設(shè)地點(diǎn)為煙墩風(fēng)區(qū)，規(guī)格為1 m×1 m。從表3可以看出，蘆葦方格具有施工便捷、耐久性好、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)，但是其受原料產(chǎn)地限制較大，所以作為第一推薦方案，建議在原材料采集，且交通運(yùn)輸便利的地區(qū)采用；石方格為第二推薦方案，具有普遍性，但造價(jià)偏高；沙方格為第三推薦方案，建議在立地條件較好，適宜植被生長(zhǎng)的區(qū)段使用。在條件允許的條件下，其性價(jià)比依次為：蘆葦方格>石方格>沙方格。綜合考慮現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，試驗(yàn)段推薦選用石方格。

表3 蘭新第二雙線試驗(yàn)段固沙措施對(duì)比

4 結(jié)論

(1)百里風(fēng)區(qū)試驗(yàn)段的主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)镹NW，約占全年風(fēng)向的31.6%，靜風(fēng)頻率為0.76%；煙墩風(fēng)區(qū)試驗(yàn)段的主導(dǎo)風(fēng)向主要為NE、ENE，分別占全年風(fēng)向的21%和26%，靜風(fēng)頻率為1.36%。

(2)百里風(fēng)區(qū)措施性價(jià)比依次為：金屬涂塑網(wǎng)措施>斜插板式擋沙墻>箱式擋沙墻>插板式擋沙墻；煙墩風(fēng)區(qū)措施性價(jià)比依次為：金屬涂塑網(wǎng)措施>高立式PE網(wǎng)措施>斜插板式擋沙墻>插板式擋沙墻。固沙措施性價(jià)比依次為：蘆葦方格>石方格>沙方格。

(3)在現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，綜合考慮工程造價(jià)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，建議試驗(yàn)段阻沙措施采用金屬涂塑網(wǎng)措施，固沙措施采用石方格措施。

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Benefit Evaluation of Sand Prevention Measures in Strong Wind Area along Second Lanzhou-Xinjiang Railway Line

GE Chun-geng1， SHI Long2， LI Kai-chong2

(1.Lanzhou-Xinjiang Railway Xinjiang Co. Ltd.， Urumqi 830011， China; 2.Northwest Research Institute Co.， Ltd. of C.R.E.C， Lanzhou 730000， China)

With field observation and test， annual wind characteristics in the test section are mastered， and comparative analysis is conducted of sand control effect by means of sand preventing and fixing sand measures. The results showed that the dominant wind direction in 100 km Wind Area test section is NNW， the dominant wind direction in Yandun Wind Area test section is mainly NE， ENE， having accounted for 21% and 26% of annual wind direction respectively. The performance-price ratio of prevention measures in 100 km Wind Area is as the following: metal coated wire mesh sand barrier> oblique inserting sand retaining wall plate > sand box retaining wall> inserted plate retaining wall of sand. The performance-price ratio of fixing sand measures in Yandun Wind Area is as the following: metal coated wire mesh sand barrier> the high vertical PE net sand barrier > oblique inserted sand retaining wall plate> plate inserted retaining wall of sand. The performance-price ratio of fixing-sand barrier is as the following; reed square > stone square> sand square. On the basis of comprehensive consideration of the project cost and the actual field situation， the metal coated wire mesh sand barrier is recommended for preventing sand and he metal coated wire mesh sand barrier is recommended for fixing sand.

Second Lanzhou-Xinjiang railway Line; Strong wind area; Sand prevention measures; Benefit evaluation

2014-12-05；

2014-12-09

科技部科研院所技術(shù)開(kāi)發(fā)研究專(zhuān)項(xiàng)資金項(xiàng)目(2013EG123034)；新疆維吾爾自治區(qū)重大科技專(zhuān)項(xiàng)(201130106-3)

葛春庚(1958—)，男，高級(jí)工程師，E-mail：313331801@qq.com。

石 龍(1986—)，男，助理工程師，工學(xué)碩士，E-mail：shilong 19861007@163.com。

1004-2954(2015)09-0037-04

U213.1+54

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2015.09.009