李凱崇，周 沁，丁錄勝，魏永杰，孔令偉

(1.中鐵西北科學(xué)研究院有限公司 技術(shù)中心，甘肅 蘭州 730000；2.中國鐵路烏魯木齊局集團(tuán)有限公司 格庫鐵路新疆建設(shè)指揮部，新疆 庫爾勒 841000；3.新疆鐵道勘察設(shè)計(jì)院有限公司 地路處，新疆 烏魯木齊 830011)

新疆地處亞歐腹地，是我國內(nèi)陸干旱區(qū)的典型代表。特殊的氣候環(huán)境和地理特征，使得新疆成為我國風(fēng)沙地貌分布面積最廣、沙丘類型最為復(fù)雜多變的省份之一[1-2]。格庫鐵路西起新疆南疆重鎮(zhèn)庫爾勒市，沿塔里木盆地南下，經(jīng)若羌、翻越阿爾金山脈至柴達(dá)木盆地南緣進(jìn)入昆侖山麓至青海格爾木市，全長1 214.6 km。格庫鐵路新疆段線路全長708 km，其中風(fēng)沙段累計(jì)401 km，占線路全長的56.6%。風(fēng)沙段整體地形平坦、地勢(shì)開闊略有起伏，沿線風(fēng)沙地貌主要為戈壁荒漠、流動(dòng)沙丘、固定半固定沙丘、風(fēng)蝕殘丘等，風(fēng)沙災(zāi)害十分嚴(yán)重[3-4]。

鐵路風(fēng)沙災(zāi)害防護(hù)措施按性質(zhì)差異可分為生物治沙和工程治沙兩類，其中工程措施作為風(fēng)沙防護(hù)體系的先導(dǎo)工程，為后期永久性生物防護(hù)或鐵路的短期安全運(yùn)營提供了技術(shù)保障[5]。目前常用的工程阻沙措施主要有高立式沙障、擋沙堤、截沙溝等，其中以透風(fēng)式高立式沙障的阻沙效果最優(yōu)[6]。根據(jù)沙障材料的差異，阻沙措施又可分為混凝土擋沙墻、植物枝條(秸稈)沙障、化工合成材料沙障等。混凝土擋沙墻具有原材料廣泛、耐久性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)；但其缺點(diǎn)是造價(jià)過高，且為剛性結(jié)構(gòu)，風(fēng)沙防護(hù)效果略差。植物枝條(秸稈)沙障具有造價(jià)低廉、取材環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)；但缺點(diǎn)是原材料較為匱乏，受當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)條件限制較大?；ず铣刹牧仙痴献鳛橐环N新的人工材料，具有耐熱(寒)性強(qiáng)、化學(xué)穩(wěn)定性好、施工便捷等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛地應(yīng)用于各種大型工程中；但其抗老化性和耐久性一直是制約其推廣的關(guān)鍵因素。HDPE板作為一種新型化工合成防沙材料，主要針對(duì)現(xiàn)有防沙材料的不足，在抗老化性和耐久性等方面有了大幅度提升。

本文依托格庫鐵路風(fēng)沙防護(hù)工程，對(duì)HDPE板沙障風(fēng)沙防護(hù)機(jī)理及效果開展研究。

1 風(fēng)洞試驗(yàn)

試驗(yàn)是在中國科學(xué)院寒旱所敦煌戈壁荒漠研究站野外環(huán)境風(fēng)洞中完成的。風(fēng)洞全長11 m，由動(dòng)力段、過渡段、整流段、收縮段和試驗(yàn)段組成，風(fēng)洞橫斷面為0.6 m×0.6 m,試驗(yàn)風(fēng)速為0～16 m·s-1。風(fēng)洞中的梯度風(fēng)速采用比托管測(cè)定，測(cè)定高度為0.4，0.6，1.2，2，4，8，12，16和20 cm；積沙采用臺(tái)階式積沙儀測(cè)定，儀器高20 cm，連續(xù)分布有10個(gè)2 cm×2 cm的進(jìn)沙口，下部為積沙管。

試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜑殍F路防沙新材料HDPE板沙障，按照1∶10的比例制備，孔隙率為46%，墻體高度20 cm。流場試驗(yàn)中，選取8，12和16 m·s-1共3組來流風(fēng)速，分別測(cè)定沙障前1H，3H，5H，10H，障后0.5H，1H，3H，5H，7.5H，10H，15H，20H，25H(H為沙障模型的高度)處的流速，采集周期為1 s，采集時(shí)間為30 s。阻沙率測(cè)定試驗(yàn)中，來流風(fēng)速選擇12和16 m·s-1，沙源為敦煌鳴沙山的沙粒，積沙儀布設(shè)在沙障前9H(雙排時(shí)4H)和障后7.5H處，測(cè)試時(shí)間分別為3和1 min。

2 現(xiàn)場測(cè)試

2.1 工點(diǎn)概況

本研究的現(xiàn)場試驗(yàn)工點(diǎn)位于格庫鐵路新疆段的米蘭地區(qū)，為典型的戈壁風(fēng)沙流地段。地貌為塔里木盆地山前沖、洪積傾斜平原區(qū)，相對(duì)高差1～10 m，地表植被稀疏，風(fēng)沙流作用顯著。區(qū)內(nèi)氣候分區(qū)屬暖溫帶大陸性荒漠干旱氣候，年平均溫度11.8 ℃，極端最高溫度43.6 ℃，年平均降水量28.5 mm，年平均蒸發(fā)量2 920.2 mm；年平均風(fēng)速2.7 m·s-1，極端最大風(fēng)速≥40 m·s-1。

2.2 試驗(yàn)方法

通過在2 m高的HDPE板沙障周邊關(guān)鍵位置布設(shè)1 m高的集沙儀，動(dòng)態(tài)記錄某一時(shí)間段內(nèi)近地表位置風(fēng)沙流中沙物質(zhì)的質(zhì)量，計(jì)算不同位置處的輸沙率和沙障的阻沙效果等。風(fēng)沙監(jiān)測(cè)儀器布設(shè)如圖1所示。

圖1 沙障前后集沙儀布設(shè)示意圖

3 分析及討論

3.1 沙障周邊流場分布

風(fēng)沙流是風(fēng)力搬運(yùn)沙物質(zhì)的一種近地表運(yùn)動(dòng)，是風(fēng)沙地貌形成和發(fā)展的主要?jiǎng)恿7]。掌握近地表的氣流運(yùn)動(dòng)形式，對(duì)于判斷沙質(zhì)地表的蝕積變化狀態(tài)，評(píng)價(jià)沙障的防護(hù)效果具有十分重要的意義[8]。圖2為野外風(fēng)洞中不同來流風(fēng)速下HDPE板沙障前后的流場分布圖(注：0為阻沙措施所在位置，氣流運(yùn)動(dòng)方向?yàn)閺淖笙蛴?，從圖2可以看出：氣流在前進(jìn)過程中受沙障影響，在沙障前后出現(xiàn)了一定的波動(dòng)，尤其是沙障后，出現(xiàn)了明顯的低速區(qū)，氣流運(yùn)動(dòng)速度明顯低于起沙風(fēng)速，為過境風(fēng)沙流的沙物質(zhì)沉降堆積區(qū)。分析圖中不同水平位置風(fēng)速的變化情況可得，在障前隨著過境氣流與沙障水平距離的減小，風(fēng)速顯現(xiàn)出了緩慢降低的趨勢(shì)；在障后流場的分布情況與障前相比，也呈現(xiàn)了降低的趨勢(shì)，但是二者變化曲線存在明顯的差異。對(duì)比二者，發(fā)現(xiàn)障前氣流受沙障自身影響較小，氣流在靠近沙障過程中，速度降低的幅度較為平緩，風(fēng)速在障前1H處才呈現(xiàn)明顯的降低；而在障后0.5H～10H范圍內(nèi)，不同來流下的風(fēng)速降低幅度都較大，8 cm高度處HDPE板沙障最大風(fēng)力消減率可達(dá)94.4%，風(fēng)力最小值出現(xiàn)在障后5H左右。說明障后的0.5H～10H范圍，基本為HDPE板沙障的絕對(duì)低速區(qū)，在此范圍內(nèi)，風(fēng)速通常都會(huì)低于起沙風(fēng)速，是沙障的典型積沙區(qū)之一。

圖2 HDPE板沙障前后的流場分布(測(cè)試高度為8 cm)

3.2 沙障阻沙效果

阻沙率是指過境風(fēng)沙流經(jīng)沙障阻擋凈化后，氣流中被消減的沙質(zhì)量占原始來流沙量質(zhì)量的百分比，用η表示。它與沙障高度和風(fēng)速有關(guān)，是評(píng)價(jià)阻沙措施風(fēng)沙防護(hù)效果的關(guān)鍵指標(biāo)之一。

(1)

式中：m0為障前來流中的攜沙量， g；m1為經(jīng)過沙障后氣流中的攜沙量， g；η為擋沙墻的阻沙率，%。

圖3為野外風(fēng)洞中不同來流風(fēng)速下HDPE板沙障的阻沙率分布圖。從圖3可以看出，HDPE板沙障起到了較好的風(fēng)沙流凈化效果；12 m·s-1來流風(fēng)速下，沙障高度范圍內(nèi)的總阻沙率可達(dá)到71.13%；在16 m·s-1來流風(fēng)速下，總阻沙率依然可達(dá)70.31%。分析不同沙障高度處阻沙率的分布情況可以看出，在沙障高度范圍內(nèi)，阻沙率呈現(xiàn)一定的正態(tài)分布，在8～10 cm范圍內(nèi)，阻沙率達(dá)到了最大值，而在地表和沙障頂部阻沙率則明顯變小。說明在風(fēng)洞中，受試驗(yàn)條件和邊界效應(yīng)影響，風(fēng)沙流中的沙物質(zhì)在試驗(yàn)區(qū)大多都以躍移形式運(yùn)動(dòng)，在8～10 cm高度區(qū)間內(nèi)呈現(xiàn)集中分布區(qū)，致使阻沙率隨高度呈現(xiàn)一定的正態(tài)分布；而在18～20 cm處，由于受沙障壓縮氣流影響，在沙障頂部出現(xiàn)一個(gè)明顯的加速區(qū)，致使此處障后的風(fēng)速有所增大，風(fēng)沙流中攜帶的沙物質(zhì)出現(xiàn)調(diào)整，呈現(xiàn)了少量的增加，故而出現(xiàn)障后沙物質(zhì)多于障前沙物質(zhì)的現(xiàn)象。

圖3 HDPE板沙障不同高度的阻沙率

3.3 不同布設(shè)間距對(duì)阻沙效果的影響

阻沙措施能夠通過改變近地面流場來實(shí)現(xiàn)地表沙物質(zhì)的堆積、搬運(yùn)等現(xiàn)象，形成了不同的風(fēng)沙地貌[9-10]。阻沙措施間的布設(shè)距離是影響風(fēng)沙防護(hù)體系的一個(gè)重要因素，沙障排間距過大，防沙體系的整體防沙效果會(huì)削弱；間距過小，所布設(shè)的阻沙措施防沙能力又不能充分發(fā)揮，造成一定的浪費(fèi)。

圖4為HDPE板沙障不同布設(shè)間距整體阻沙率對(duì)比。從圖4可以看出，隨著風(fēng)速的增大，沙障的整體阻沙率呈現(xiàn)了一定的降低趨勢(shì)。在12 m·s-1的來流風(fēng)速下，當(dāng)沙障的布設(shè)間距在5H～10H區(qū)間段內(nèi)時(shí)，體系的累計(jì)阻沙率差異不大；但當(dāng)布設(shè)間距增大到15H后，累計(jì)阻沙率呈現(xiàn)了一定的下降趨勢(shì)，但整體變化趨勢(shì)不顯著。當(dāng)風(fēng)速為16 m·s-1時(shí)，其整體變化趨勢(shì)與12 m·s-1的變化情況類似，但是三者之間的差距明顯變小；說明在短時(shí)間內(nèi)，沙障間距的變化對(duì)阻沙率影響不大，但是隨著距離的進(jìn)一步增大，風(fēng)沙流會(huì)在沙障中間的空留帶獲得沙源補(bǔ)給，致使整體阻沙效果變差，所以建議在戈壁荒漠地區(qū)HDPE板阻沙措施的布設(shè)間距以15H～20H為宜。

圖4 HDPE板沙障不同布設(shè)間距阻沙率對(duì)比

3.4 現(xiàn)場防護(hù)效果驗(yàn)證

在新建格庫鐵路DK732+905—DK733+578戈壁風(fēng)沙流地段，根據(jù)風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)特征，現(xiàn)場采用了阻固結(jié)合的風(fēng)沙防護(hù)模式。在主風(fēng)向側(cè)，前沿阻沙措施采用了2道2 m高的HDPE板阻沙措施，布設(shè)間距為40 m；在阻沙措施和路基之間布設(shè)了40 m寬的4 m×4 m×0.8 m中立式蘆葦大方格固沙帶?，F(xiàn)場試驗(yàn)監(jiān)測(cè)時(shí)的風(fēng)向?yàn)镹NE，與線路走向的夾角約為60°。通過現(xiàn)場定位監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，風(fēng)沙流經(jīng)過2道HDPE板阻沙措施后，氣流中的輸沙率由原始的0.65 g·m-2·s-1下降至0.005 8 g·m-2·s-1，下降幅度超過99%，說明過境風(fēng)沙流中的沙物質(zhì)基本都被阻沙措施所攔截，阻沙措施防護(hù)效果非常顯著。圖5為DK732+905—DK733+578試驗(yàn)段累計(jì)阻沙率沿體系斷面變化。從圖5可以看出，HDPE板沙障起到了良好的風(fēng)沙防護(hù)效果，雖然受監(jiān)測(cè)設(shè)備采集率影響，體系內(nèi)不同位置的阻沙率存在一定的波動(dòng)，但是阻沙措施的整體阻沙率都在93%以上，風(fēng)沙防護(hù)效果良好。

圖5 DK732+905—DK733+578累計(jì)阻沙率沿體系斷面變化

4 結(jié) 論

(1)風(fēng)沙流途經(jīng)HDPE板沙障后，會(huì)在障后的0.5H～10H范圍內(nèi)出現(xiàn)明顯的絕對(duì)低速區(qū)，使得過境沙物質(zhì)大量沉積，風(fēng)沙流被凈化；后期隨著水平距離的增加，風(fēng)速逐漸恢復(fù)。HDPE板沙障1/2高度處最大風(fēng)力消減率可達(dá)94.4%，風(fēng)力最小值出現(xiàn)在障后5H左右。

(2)風(fēng)洞試驗(yàn)測(cè)定，在HDPE板沙障高度范圍內(nèi)，阻沙率呈現(xiàn)一定的正態(tài)分布，最大阻沙率出現(xiàn)在障高的中間位置。風(fēng)速和阻沙率呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)變化，風(fēng)速越高，阻沙率越小；在16 m·s-1以下風(fēng)速范圍內(nèi)，單道HDPE板沙障的總阻沙率可達(dá)70%以上。

(3)在5H～15H范圍內(nèi)，沙障的布設(shè)間距與整體阻沙率呈現(xiàn)一定的負(fù)相關(guān)變化。在5H～10H區(qū)段時(shí)，體系間的累計(jì)阻沙率差異不大；但當(dāng)距離增大到15H后，阻沙率之間的差異有所增加。

(4)現(xiàn)場監(jiān)測(cè)所取得的結(jié)論與風(fēng)洞試驗(yàn)類似，風(fēng)沙流經(jīng)過HDPE板阻沙體系處理后，大風(fēng)輸沙率出現(xiàn)了急劇降低，HDPE板沙障的整體阻沙率都在93%以上，起到了良好的風(fēng)沙防護(hù)效果。