格库铁路青海段沙害成因及防沙措施

王 奭，崔晓宁，梁柯鑫

(1.中国铁路青藏集团有限公司，青海 西宁 810000；2.兰州交通大学 土木工程学院，甘肃 兰州 730070)

我国是世界上沙区(戈壁、沙漠、风蚀地区和沙漠化地区)分布最广的国家之一。而我国西北地区是沙漠最集中的地区，分布着塔克拉玛干沙漠、古尔班通古特沙漠、柴达木沙漠、腾格里沙漠和巴丹吉林沙漠，约占全国沙漠面积的80%。20世纪50年代，为连接重工业城市包头和兰州，开始修建包兰铁路，于1958年8月1日建成通车，这是我国第一条沙漠铁路。建成初期，铁路每年春、冬大风季节会出现沙子进入轨道道砟引起拱道等沙害现象，严重影响行车安全[1]。1962年建成兰新铁路，建成初期由于没有采取风沙防护措施，7年的时间仅在玉门段因沙害造成的行车事故就高达13次，严重影响了铁路行车安全。2006年7月1日，青藏铁路全面建成通车，但铁路开通后，因线路所在地风沙流堆积和沙丘前移，沙子掩埋路基甚至钢轨，破坏铁路设施，造成中断行车、机车脱轨等事故[2-3]。除去上述铁路，在近60年的时间内，还修建了南疆铁路、北疆铁路、集二铁路、太中银铁路、神朔铁路、临策铁路等18条沙漠铁路。截至2010年，我国建成的沙漠铁路长度约 15 800 km，已成为世界上沙漠铁路分布最广的国家。

为了防止沙漠铁路遭受沙害威胁，需要采取相应的措施进行风沙防护。在线路设计的初期，可以使线路走向与当地主导风向平行，减小交叉角度，也可以通过选线使线路绕开风沙危害严重的区域，及采用以桥代路[4-5]的形式。此外，可以采用高立式沙障和挡沙墙进行铁路防风沙，高立式沙障[6-7]主要作用是降低风沙流的速度，使沙颗粒在高立式沙障周围堆积，起到防沙的效果，而挡沙墙[8]主要是起到减弱风速的作用。除此之外还可以采用石方格、草方格、高密度聚乙烯(High Density Polyethylene,HDPE)网方格[9-10]等方格沙障来固定活动的沙面，以此进行铁路防沙。经过60多年的发展，高立式沙障和固沙方格都在沙漠铁路中得到了广泛的应用。

但是由于风沙流具有明显的地域特征，对不同地形地貌、不同路基结构形式的危害形式不同，同时也会形成不同的沙害形式，因此，不同地区和地段风沙防治需要因地制宜，结合现场实际情况，建立相应的防护措施。本文对格库铁路青海段的沙害进行调查，并分析沙害的成因，建立具体的防沙措施。为以后的铁路防沙工程提供相关参考。

1 区域概况

1.1 线路介绍

新建格库铁路位于青海省西部与新疆维吾尔自治区的东南部，地处青海省海西蒙古自治州、新疆巴音郭楞蒙古自治州境内。格库铁路东起青海省省会格尔木市，沿着昆仑山北麓以及柴达木盆地南缘向西行进，经乌图美仁、甘森、花土沟至茫崖，然后进入新疆境内；之后线路穿越阿尔金山，先后经过巴什考供、米兰、若羌、铁干里克、库尔木依、尉犁，西抵库尔勒市。格库铁路东衔青藏线西格段、格拉段和规划中的格成铁路，中连规划中的和田—若羌—罗布泊铁路，西接南疆线吐库段、库阿段、规划中的伊宁—尔库尔勒铁路，在铁路网中具有重要地位。

1.2 沿线环境气候

格库铁路青海段地处柴达木盆地南缘，气候干燥，风大且频率高，沿线沙源比较丰富，全线风积沙、戈壁风沙流和风蚀均较为普遍，对线路青海段的影响非常大。柴达木盆地年平均降水量28.4～44.0 mm，年平均蒸发量 1 801.7～2 739.3 mm；年平均气温 2.9～6.4 ℃，极端最低气温-34.3 ℃，极端最高气温35.5 ℃；每年的2—9月份为风季，以西风和西北风为主导风向，年平均风速2.0～3.5 m/s，最大风速29.2 m/s，年平均8级(17.2～20.7 m/s)以上的大风出现6～43 d。

2 沿线沙害调查

经过调查，格库铁路青海段的沙害主要有沙埋路基、沙子进入道砟和桥梁附近积沙3种，如图1所示。

2.1 沙埋路基

沿线沙埋路基主要分布在DK285+326附近。这类积沙呈舌状(如图1(a)所示)，积沙的范围比较小，但是积沙较厚，坡脚处积沙厚度为20～40 cm，坡面上积沙厚度为3～5 cm。

2.2 沙子进入道砟

沙子进入道砟(如图1(b)所示)主要分布在DK127+129附近，沿线其他区段也存在类似灾害。沙子进入道床将轨枕掩埋，当火车经过时，在列车的振动作用下，沙子会透过道砟之间的间隙进入轨枕的底部，使得轨枕抬高，钢轨上拱。长此以往，沙子还会将钢轨掩埋，严重影响行车安全。

2.3 桥梁附近积沙

靠近桥台处的积沙最严重(如图1(c)所示)，另外沙子还可能进入桥梁支座，影响支座正常工作。由于此区域的沙子含有少量的盐分，长此以往，也会对积沙处的混凝土构件产生腐蚀。

3 沙害成因

为了弄清路基积沙和桥梁附近积沙的原因，按照现场路基和桥梁横截面实际尺寸建立模型，通过ANSYS/Fluent软件模拟风沙流对路基和桥梁的影响。计算流域分别为20 m×70 m和20 m×50 m，模型的左侧入口定义为速度入口，右侧出口定义为压力出口，壁面条件定义为无滑移边界，上边界条件定义为对称条件。由于现场年平均8级(17.2～20.7 m/s)以上大风出现6～43 d，风速取18 m/s，沙粒相体积分数定义为0.01。

3.1 沙埋路基

路基周围风速云图见图2。可知，当气流到达路基迎风侧坡脚，受到阻碍作用，速度减小形成低速区A，之后气流沿着坡面爬升并且速度逐渐增大，形成集流加速区B；此时，一部分气流不断加速汇聚，在路基上方形成高速区C，也就是高压区；路基顶面附近的气流速度较低，并沿着背风坡前行，在背风坡后形成低压区，在高低压差作用下形成低速区D，并在此产生涡流；此后气流继续前行，由于失去阻碍作用，气流逐渐恢复至原始风速，形成气流恢复区E。

图2 路基周围风速云图

图3 路基不同高度处风速变化曲线

路基不同高度处x方向风速变化曲线见图3。风速为正值表明风向与原始风向一致，反之与原始风向相反，风速大小考虑绝对值。由图3可知，2 m和3 m高度处于路基高度范围内，曲线不连续。由于将路基简化为光滑壁面，所以在路基表面风速为0。在路基高度范围内，迎风侧坡脚2，3 m高度处风速分别为13.0，14.5 m/s，相比原始风速降低27.7%，19.4%；背风坡坡脚2，3 m高度处风速分别为-3.5，4.5 m/s，绝对风速相比原始风速降低80.5%，75%，且2 m高度处产生了涡流。路基高度范围外，4.15，4.50，5.00 m高度处，迎风侧坡脚风速为16.1，16.3,16.8 m/s，风速降低幅度差别不大，在10%左右；而迎风侧坡顶处，风速大于原始风速；路基床面中心处风速为2.1，8.2，20.0 m/s，风速降低88.3%，54.4%，0；背风侧坡顶风速为6.0，7.0，16.9 m/s，风速降低66.7%，61.1%，6.1%；背风侧坡脚风速降低27.7%，22.2%，0。

由于气流和沙颗粒之间的质量差别非常大，气流和沙子之间很容易发生分离，当气流的运动受到阻碍时，导致风速降低，那么气流中的沙颗粒会在风速降低的地方降落并沉积。

通过对路基周围风速云图和不同高度风速变化曲线分析，可以看出，对于路基上各点，风速降低幅度由高到低分别为背风侧坡脚、路基床面中心、背风侧坡顶、迎风侧坡脚，而迎风侧坡顶风速不降低。所以，路基各部位积沙由多到少分别为背风侧坡脚、路基床面中心、背风侧坡顶、迎风侧坡脚，迎风侧坡顶几乎没有积沙。这与现场路基积沙实际情况一致。

3.2 沙子进入道砟

格库铁路青海段采用的是有砟轨道，钢轨铺设在轨枕上，轨枕周围铺满了道砟。当风沙流垂直线路方向前行(如图4(a)所示)时，由于受到阻碍作用，一部分气流沿着钢轨爬升汇聚，在钢轨上方一定距离形成加速区，风速较大，如图4(b)所示。由于钢轨下面的道砟之间有空隙，另外一部分气流通过孔隙继续前行，如图4(b)所示。由于道砟存在，地表粗糙度增大，风沙粒中的沙子受到扰动，在轨枕的迎风侧产生沉积(如图4(d)所示)。由于道砟之间存在孔隙，气流可以在钢轨下面的孔隙中穿过，根据文丘里效应(由于管道变窄，会引起局部风速的增长)，气流会在x-y平面内汇聚并增速(如图4(c)所示)，所以在靠近第1根钢轨附近区域积沙比较少(如图4(d)所示)。从钢轨下方穿过的气流汇聚后，很快就会恢复，因为道床中间存在道砟发生减速，与通过钢轨爬升加速的气流之间形成了压差，沙颗粒产生更多的沉降，落在距离第1根钢轨一定距离的位置，在此堆积。同样的原理会在第2根钢轨后一定距离发生堆积。但是当沙颗粒将钢轨下道砟之间的孔隙堵住后，钢轨下方不再有气流加速，只有钢轨上方的气流加速区，紧靠钢轨的后面开始产生积沙，最终形成如图4(d)所示的积沙形态，道床内轨枕表面积沙沿着主导风向呈现出逐渐增多的趋势。

图4 道砟积沙示意

3.3 桥梁附近积沙

桥梁横截面周围风速云图见图5。可知，桥梁横截面周围的速度区域划分与路基周围的速度区域划分类似，横截面迎风侧减速区A′，集流加速区B′,C′，高速区D′,E′，背风侧减速区F′，速度恢复区G′。不同区域形成的原因与路基相似。

图5 桥梁横截面周围风速云图

同时可以看出，由于桥梁横截面存在一定的桥下净空，桥梁横截面周围存在上下2个集流加速区，与之相对应的就存在上下2个高速区。由于上下2个高速区所占的区域比较大，由于压差的原因，两者之间就会形成相对较大的低速区域。

图6 桥梁横截面不同高度处风速变化曲线

桥梁横截面不同高度处风速变化曲线见图6。可知，在2 m高度处，此时位于桥梁横截面的下方，迎风侧和背风侧腹板最低点风速分别为17.0,20.4 m/s，风速降低幅度为5.6%，0；在桥梁横截面高度范围内，4.5 m高度处迎风侧腹板最低点和背风坡最低点风速分别为2.0，-1.4 m/s，风速降低幅度为88.9%，92.2%；5.2 m高度处迎风侧和背风侧上翼缘点风速都为0，风速降低100%；在桥梁横截面高度范围外，6 m 高度处迎风侧和背风侧上翼缘点风速分别为20.0，14.5 m/s，风速降低幅度为0，19.4%；7 m高度处，已经处于高速区。4.5，5.2 m高度处背风侧风速出现了负值，在横截面背风侧出现了涡流，风速最低点降幅达到69.4%，86.1%。

桥梁横截面的迎风侧和背风侧风速降低幅度较大，在桥梁横截面顶部也有部分风速降低区域，横截面的下方是大面积的集流加速区域与高速区。风速降低就会导致沙粒沉积，所以，积沙主要堆积在桥梁的迎风侧和背风侧区域，在桥梁下部净空区域很少有积沙堆积，这与现场积沙形式一致。另外在横截面上面也存在一个小范围低速区，沙子会在该区沉积，而该区域有道床，当风沙流特别严重时，会影响桥梁上的列车通行。

4 防沙原理分析

根据中国铁路总公司对线路防沙设计的初步建议，按照“先试验，后推广”的原则，选取有代表性的风沙防护先导试验段，建立了固(高立式沙障)阻(固沙方格)结合的防沙体系，并在距离路基一定距离处设置了砾石带，如图7所示。

图7 防沙体系

沿着该区域主导风向，首先设置了3道高立式阻沙沙障，主要有高立式HDPE板方格和HDPE网方格；在此之后设置了固沙方格，主要有HDPE板方格、HDPE网方格、石方格和土方格4种形式。阻沙、固沙措施主要有：①高立式HDPE网+HDPE板方格；②高立式HDPE网+HDPE网方格；③高立式HDPE网+土方格；④高立式HDPE网+石方格；⑤高立式HDPE板+石方格；⑥高立式HDPE板+土方格；⑦高立式HDPE板+HDPE网方格；⑧高立式HDPE板+HDPE板方格。

风沙流属于气固两相流，相比“净”气流具有更大的动能，在没有外营力干扰的情况下一般都是沿着既定方向运行。一旦遇到障碍物(铁路路基、道砟、钢轨、桥梁等建筑物)，就会产生“乱流”(湍流)，由于风沙流中气体和固体质量差别很大，风沙流在遇到阻挡时，就会消耗一部分能量，造成介质(风)和被载运的质子(沙粒)之间产生分离，风沙流中的沙粒在铁路路基和桥梁等风速小的地点堆积。防沙体系进行防沙的根本原理就是风沙流在经过高立式沙障和固沙方格后，风沙流中沙粒被高立式沙障和固沙方格阻挡和固定，风沙流到达路基和桥梁等结构物时密度大大降低，从而起到防沙效果。对于设置在路基迎风侧前沿的高立式沙障，其主要的作用是降低风速，其次是阻沙，对于高立式HDPE板和高立式HDPE网，其降低风速和阻沙的原理大体上一致，现对其机理进行相关分析。高立式沙障流场和积沙形态如图8所示。当风沙流到达高立式HDPE板沙障和高立式HDPE网沙障时，在其阻碍作用下，气流会在下方减速，气流中的沙颗粒就会在二者迎风侧堆积，如图8(b)所示；然后，一部分气流通过孔隙，到达沙障背风侧，一部分气流沿着沙障爬升,如图8(a)所示，在沙障上方一定高度处形成高速区，由于沙障背风侧上方气流速度与下方气流速度不一致，就会形成压差。在压差作用下，气流中的沙颗粒会在沙障背风侧发生沉降并堆积，形成如图8(b)所示的积沙形态。

图8 高立式沙障流场和积沙形态

对于HDPE板方格、HDPE网方格、土方格和石方格，为方便分析，将其简化成壁面。当气流到达固沙方格时，方格在水平方向对气流产生阻碍，竖直方向对气流产生汇聚作用，这样在方格内部和上方就会产生压差，气流中的沙颗粒会在方格内降落并沉积。

图9 固沙方格流场和积沙形态

固沙方格流场和积沙形态如图9所示。可知，方格只能对一定高度范围内的气流有影响，固沙方格并不能使得气流速度无限降低至0。在压差作用下方格内部形成涡流，如图9(a)所示，使得方格内的积沙呈凹曲面形，如图9(b)所示。方格内部积沙是一个动态变化的过程，当方格内部积沙到达一定程度后，其固沙作用就会失效。

5 结论

1)格库铁路青海段的沙害主要有沙埋路基、桥梁附近积沙和沙子进入道砟3种形式。

2)路基和桥梁周围流场结构相似，都形成了迎风侧减速区、集流加速区、高速区、低速区和速度恢复区，不同点是桥梁周围形成了2个集流加速区和高速区。

3)沙埋路基沙害中，背风侧坡脚、路基床面中心、背风侧坡顶、迎风侧坡脚和迎风侧坡顶的积沙量逐渐减少；桥梁积沙主要位于桥梁的迎风侧和背风侧，桥梁下积沙较少；道床周围迎风侧积沙少于背风侧，道床内轨枕积沙沿着主导风向呈现出逐渐增多的趋势。

4)根据沿线沙害严重程度，建立了阻沙和固沙相结合的防沙体系。高立式沙障的主要作用是降低风速，其次才是阻沙。固沙方格主要作用是使风沙流中的沙颗粒在方格内沉积固定，减弱风沙流的密度。