临策铁路防沙明洞与风沙流相互作用效果分析

张道金

(中铁工程设计咨询集团有限公司,北京 100055)

1 概述

额济纳旗是临策铁路(远期为临哈铁路)沿线中间地段唯一的旗府所在地。额济纳胡杨林自然保护区，占地48万亩，呈南北走向，胡杨林是在恶劣干旱荒漠地区顽强生存着的生命。临策铁路自天鹅湖进入额济纳旗路段需要穿越额济纳河下游天然胡杨林，为了保护中国这片少有的荒漠河岸林，同时考虑远期临哈铁路走向、额济纳旗城市规划和工程地质条件等综合因素，选择了从胡杨林保护区南侧绕行的方案。绕行虽然可以最好地保护胡杨林，但是却要穿越两段共约8.08 km的流动沙丘区。

为了防止和避免该路段线路建成后出现风沙危害问题，经过路基、桥梁、棚洞结构和明洞工程的综合比选，最终选定在流动沙丘路段采用防沙明洞工程。

2 研究区概况

2.1 自然地理特征

南侧绕避胡杨林方案(GDK574+000～GDK636+964.89)，长约69 km，线路自GDK574+000向西偏南而行，先后经过戈壁平原、风蚀残丘、流动沙丘、额济纳冲洪积平原区，线路分别在GDK585+720～GDK592+380、GDK597+460～GDK598+880两段通过流动沙丘，共长约8 080 m。线路经过区属典型的北温带大陆性干旱气候区，光照充足，热量丰富，降水量少，蒸发量大。冬季严寒，夏季酷热，无霜期较长，昼夜温差悬殊。春、冬季常有数次沙尘暴出现。降水主要集中于6～8月份，并多以暴雨形式降落；年平均降水量35.2 mm，年平均蒸发量3 399.6 mm，年平均蒸发量是年平均降水量的96.6倍。沿线年平均风速3.2 m/s，最大风速25 m/s，大风(≥8级)日数38.4 d，沙尘暴日数10.7 d，扬沙日数48.6 d；四季盛行西风、西北风，其次为东风及东南风；最多风向为W、WNW，频率为11%。

2.2 工程地质及水文地质特征

活动沙丘处于巴丹吉林沙漠的北部边缘区，沙丘相对地面高3～8 m，局部高约10 m，呈链状、垄状，走向北东向，与风向垂直；受河流及红柳林影响，局部地段沙丘走向呈东西向。沙丘呈向南、向东发展趋势。

地层岩性：基底表层为第四系全新统冲积形成的细砂、粉砂夹粉质黏土、黏土层，下部为第四系上更新统洪积细砂夹粉质黏土、黏土、粉土；上部覆盖的风积砂主要为粉细砂，粒径大于0.075 mm颗粒的质量超过总质量的75%。

地下水类型主要为第四系孔隙潜水，含水层为多层透镜体状中、细砂层，地下水补给来源主要为黑河季节性补给。

3 区域风沙运动特征

3.1 区域风沙运动的宏观特征

研究区位于巴丹吉林沙漠西北边缘地带，紧邻额济纳国家级胡杨林自然保护区，属巴丹吉林沙漠西北部与中央戈壁的交接地点。区域气候极端干旱，冬半年受蒙古高压气流控制，夏半年受西风带影响，为大陆性气候。根据耿宽宏《中国沙漠的气候》的研究，本研究区为风沙运动高速、高频区，风沙运动为直进式，风沙运动稳定度大于80%。

研究区盛行西北风、西风和东风，年均风速4.4 m/s，全年8级以上大风日数38 d。根据全国风能资源分布图可知，研究区为风能资源丰富区，可达到200 W/m2以上。强劲的风力成为风沙运动的主要动力。该区生风向为广阔的荒漠戈壁，在风力作用下，不饱和风沙流长驱直入，进入研究区时，风力侵蚀搬运能力强，风沙运动剧烈。加之研究区为历史时期黑河的古河道，多分布坚硬的黏土，沙粒起跳高度大，其上为发育初期的饼状沙丘、新月形沙丘和沙丘链，平均高度不足10 m。受下伏地貌、沙漠边缘地理位置和沙丘高度的影响，研究区成为巴丹吉林沙漠风沙运动最剧烈的区域之一。

3.2 区域新月形沙丘链的成因机理及变化发展趋势

从大范围的卫星影像可以看出，该区域沙丘的沙源主要来自西北部的干涸湖盆及沙地，相当部分来自西北部更远的湖盆地带，自额济纳绿洲西北部至八道桥一线存在一条风沙通道。当非饱和风沙流行进过程中遇到胡杨林、红柳林和地形障碍等的阻拦，便产生风向的紊乱和分离，引起风沙的沉落和堆积，日积月累，形成新月形沙丘和沙丘链。

通过对1990年TM卫星遥感影像和2002年ETM卫星遥感影像的解译、对比分析(图1)，可以得出以下结论：该区域主风向为西北向、西向和东向，受植被、地形、微地貌及季节等因素的综合影响，近十几年来，沙丘形态、规模、几何特征及分布范围总体上维持动态平衡，西侧、南侧基本保持不变，在北侧局部边缘地带有微弱的进退现象，东侧边缘则变化显著(图1∶1990年TM卫星遥感影像显示的虚线和2002年ETM卫星遥感影像显示的实线有显著地差异，向东侧移动迹象明显)，沙丘链内部所包围的湿地和红柳林范围呈缩小趋势。

图1 1990年到2002年沙丘及沙柳林分布边界变化对比

3.3 区域沙丘的粒度特征

采用筛分法和激光粒度法对区域饼状沙丘的背风坡、沙丘顶部、迎风坡和新月形沙丘的迎风坡坡脚、迎风坡中部、沙丘顶部、背风坡中部、背风坡坡脚等部位取样分析，其结果(图2、图3)主要表现为：饼状沙丘各部位的粒径分布范围集中在200～600 μm，占体积百分比较大的粒径分布在260～300 μm；新月形沙丘各部位的沙物质粒径分布比较集中，粒径分布范围集中在150～400 μm，占体积百分比较大的粒径分布在260～300 μm。

图2 饼状沙丘各部位粒配曲线

图3 新月形沙丘各部位粒配曲线

通常所研究的风沙流结构中，风沙流的运动形式以跃移为主，而通过跃移方式搬运的颗粒粒径范围为50～500 μm，其中以100～150 μm为主。通过试验研究发现研究区的沙丘粒径以100～250 μm所占比例最大。

4 防沙明洞研究

4.1 风沙流运动与防沙明洞相互作用机理的风洞试验研究

防沙明洞风洞试验采用1∶30相似比的直道模型，通过移动模型与风洞进风口风向的夹角(当地风向)来测量防沙明洞模型的风速流场、积沙量以及风沙流结构特征。研究表明，防沙明洞的建立使该地区的地形发生了微变化，导致了防沙明洞影响区内、外新月形沙丘风速流场特征的显著变化：次风向东北风向气流通过靠近防沙明洞新月形沙丘和远离防沙明洞的新月形沙丘时，远离防沙明洞的新月形沙丘风速恢复速度要比靠近防沙明洞的恢复速度快；主风向西北风向气流通过新月形沙丘时，靠近防沙明洞的新月形沙丘风速恢复明显要快于远离防沙明洞的新月形沙丘。

西北风情况下在防沙明洞上风向形成的积沙量较多，东北风和西风情况下低风速时在防沙明洞上风向不形成积沙，大风速时形成少量积沙。从积沙的角度分析，所建风洞在西北风下易形成积沙，而东北风和西风情况下形成积沙量较少甚至不形成积沙。不论是西北风还是东北风，在沙丘的迎风侧、背风处均出现较大涡旋，其风速变化呈现复杂化的特点；在西北风作用下，防沙明洞北侧一定范围内形成强风区，风沙运动加剧，洞北侧积沙距防沙明洞3～5 m，随着时间的推移，积沙带逐步向防沙明洞靠拢，形成堆积。

4.2 沙丘移动规律受防沙明洞干扰的反应

使用全站仪直角坐标测量法对选定的沙丘选点测量，利用计算机将采集的数据进行处理分析和成图，研究防沙明洞影响范围内外沙丘的运动特征。分别在2008年11月、2009年4月、2009年11月针对选定的具有代表性的明洞影响区外和明洞影响区内的新月形沙丘进行测量、成图、分析。

根据表1，将两个位于不同位置的新月形沙丘的各部分位移进行对比，防沙明洞影响区外新月形沙丘运动较为剧烈，其除脊线外的各项指标移动距离显著大于影像区内沙丘，两个翼角的移动距离差距尤甚，移动方向也更偏于东南方向。可见防沙明洞的修建影响了其附近的沙丘运动状况，主要原因为主风向遇到防沙明洞产生涡流作用，同时加大了沙丘向东运动的作用力，防沙明洞影响区内新月形沙丘受防沙明洞影响剧烈。

表1 防沙明洞影响内外沙丘各部分移动距离对比

4.3 风沙流运动与防沙明洞相互作用的总体趋势

试验中对防沙明洞周围沙丘移动和风洞试验中对防沙明洞上风向沙物质的堆积规律进行研究发现，在防沙明洞的作用下周边沙丘逐渐向东南方向移动，距离防沙明洞远的独立沙丘移动速度较快，在观测期内整体移动距离约30 m左右，而距离防沙明洞近的沙丘移动相对缓慢，且受防沙明洞作用大，沿防沙明洞走向移动，向东移动距离相对较大。

通过对收集资料的分析，线路穿越区域的气象特征、风沙运动特征在相当长的时间跨度内是基本维持不变的；航空影片和卫星图片的遥感对比解译结果表明，线路经过沙丘区域的沙丘形态、沙丘高度是相对稳定的。研究区沙丘平均高度为10 m左右，这与明洞的高度基本接近，在短时期内不会出现防沙明洞整体沙埋，即使在长时间出现防沙明洞沙埋现象，沙埋至明洞高度时将达到一个相对平衡的状况，不会整体埋没防沙明洞，而可能是以明洞为基础，形成线性沙垄(图4)。

图4 明洞北侧(上风侧)积沙照片(2009年7月)

5 防沙明洞洞口积沙形态特点的研究

明洞线路基本呈东西走向，西侧入口外侧均较大面积分布胡杨林或红柳林，受风沙影响小，东侧出口则直接承受洞身沙丘向东、向南移动的压力，同时沙丘外侧为戈壁风沙流的流通区，铁路的修建将阻断风沙流的正常流通。

5.1 防沙明洞东侧洞口积沙形态特点的风洞试验研究

在防沙棚洞洞口，当气流通过防沙棚洞影响范围内时，在洞口产生强烈的气流形成涡流区。图5为明洞洞口实测中2 m高度处的风速拟合曲线：在高风速情况下，风速沿洞外40 m至洞里20 m，风速在洞口外10 m处风速要大于洞内风速，洞内10 m处风速最小，再沿洞向里风速又增大。可见在洞口10 m处易形成积沙。风速拟合曲线为y=1E-05x4-0.0006x3-0.0036x2+0.3075x+4.9871，相关系数R2=0.927。

图5 野外实测洞口沿铁路风速变化曲线

风洞试验条件下(风向与洞口夹角为30°、50°时的风速流场，与当地主风向西北风基本一致)，当气流沿着进风口经洞口模型至扩散段时，气流平稳到达模型后出现波动，部分气流进入洞内，在洞内形成紊流，部分气流爬升越过模型，形成沉降在模型下风一侧距模型h和2h处形成涡流(h为模型高度)，此时在模型内形成积沙。

5.2 防沙明洞东侧洞口两侧风沙流特征

表2为洞口以外10 m处铁路两侧风沙流的实测值(测定风速6.63 m/s)。1、2号点位是上风向紧邻铁轨的并列测试点，3、4号点位是下风向紧邻铁轨的并列测试点。

表2 铁路两侧小积沙仪平均输沙率Q g/(cm2·min)

从表2可以看出，铁路上风侧测点距地面0～1 cm和2～10 cm高度范围内输沙率远高于下风侧，其数值是下风侧的2倍左右，而1～2 cm高度范围内各处输沙率都基本相近；在铁路上风侧输沙率在0～1 cm高度下远大于在1～2 cm和2～10 cm高度范围内的，其中1～2 cm和2～10 cm高度内输沙率基本相近，而在下风侧高度范围内的输沙率却都基本相近，并且和上风侧的1～2 cm和2～10 cm高度范围内的输沙率基本相近。当携沙气流通过铁路，遇铁轨阻拦在铁轨的背风侧沉降长期积累就会掩埋铁路。2009年4月14日一次大风之后，在洞口沿铁路积沙长90 m，20 cm高的枕木多处已被积沙掩埋(图6)。

图6 明洞洞口路基积沙

5.3 防沙明洞洞口防护建议

该区西风、西北风风季长、起沙风日数多，风沙运动具有前进式移动的特点，铁路沙害主要来自上风向，因此在明洞东侧洞口前后两侧一定范围(特别是上风侧)采取固沙措施是必要的，以阻止沙丘向铁路的移动。从长远看，还是应该根据地表水源或地下水源的分布情况，配套修建相关设施，采用工程防护与生物防护相结合的复层综合防沙体系。

6 结语

临策铁路以明洞结构通过流动沙丘地段，是铁路选线和设计理念的有益探索和创新；明洞结构有效地避免了风沙对铁路的侵害，确保铁路能够全天候运营。

明洞的修建破坏了既有区域沙丘地貌的动态平衡，风速流场特征、沙丘移动规律等风沙流运动特征均

产生较大变化。综合研究表明，在强劲的西风、西北风长年吹蚀作用下，明洞北侧(上风侧)的流动沙丘将逐渐向明洞移动，并最终以明洞为基础形成线性沙垄。

由于条带状防沙明洞对风沙流的阻隔，加剧了北侧(上风侧)的流动沙丘沿明洞向东侧移动的速率，对明洞东侧洞口及其外侧的铁路线路将产生沙埋的危害，需要在铁路线路两侧一定范围内采取工程措施限制沙丘的移动。从长期看，在地下水源能够得到保证的条件下应采用工程防护与生物防护相结合的复层综合防沙体系，确保铁路运营安全。

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