临策铁路沙害类型与风速流场分析

王福

(呼和浩特铁路局，内蒙古呼和浩特 010057)

1 自然概况

1.1 地形地貌

临策铁路是我国《中长期铁路网规划》临哈线的东段，起至包兰线临河站，终至为中蒙边界的策克口岸，是我国连接蒙古国的一个重要运输通道，也是内蒙古自治区境内建设里程最长、建设运营条件最为艰苦的一条沙漠戈壁铁路。临河至策克铁路由东向西依次经过黄河河套平原区、山前洪积平原区、阴山山脉的狼山中山区以及巴彦淖尔-阿拉善剥蚀平原区。在狼山中山区与黄河河套平原区的交接地带，多分布着大型冲洪积扇和丘陵，在巴彦淖尔-阿拉善剥蚀平原区中夹杂分布低山丘陵、山间洼地。线路经过地区仅临河至太阳庙段和额济纳旗一带多为农田耕地，植被较为发育，其余地段均为半荒漠、荒漠地区，植被稀少，主要以低矮灌木丛为主［1］。由于气候干旱，且暴雨集中，致使水土流失较为严重。线路穿越的大部分区域通过乌兰布和沙漠、亚玛雷克沙漠、巴丹吉林沙漠和广袤的岩漠、砾漠(戈壁)分布区，沿线植被稀少，风力强劲，风沙活动剧烈，是我国北方沙漠化强烈发生地区［2］。

1.2 气象特征

本区地处亚洲大陆腹地的内陆高原，远离海洋，周围群山环抱，为典型的中温带大陆性干旱气候。区内光照充足，热量丰富，降水量少，蒸发量大，干旱少雨，春秋两季大风弥漫，风大沙多，夏季酷热，冬季严寒，无霜期较长，昼夜温差悬殊，四季气候特征明显。狼山山脉的两侧，南北气候有所差异，主要表现为气温北部较南部冷，风速北部较南部大等。

根据临河、吉兰泰、巴彦诺尔公、拐子湖和额济纳气象站的观测资料显示，临策铁路沿线区域年平均气温 7.3℃ ～9.2℃，极端最高气温44.8℃，极端最低气温－31.6℃，最热月平均气温24.1℃，最冷月平均气温 －10.9℃ ～ －9.9℃;雨季多集中在每年的6～8月，年平均降水量35.2～154.2 mm，年平均蒸发量2 265.6～4 217.8 mm，年平均风速 2.1～4.7 m/s，最大风速28.6 m/s，年平均大风日数(≥8级)4.8～61.1d，主导风向WNW。

1.3 植被

临策铁路沿线植被类型以半灌木、矮半灌木荒漠植被为主，占总面积的50.59%，其次以灌木荒漠植被为主，占总面积的20.60%，其它类型占总面积的28.81%。

群系类型以红砂荒漠为主，占总面积的27.69%，主要分布于查干德日斯至红石山，八道桥至准扎南之间，即 K380－K430、K580－K630、K300－K550、K150－K390之间，呈大面积片状分布。其次无叶假木贼荒漠、西伯利亚白刺荒漠和泡泡刺荒漠，分别占总面积的10.43%、9.95%和7.5%。

2 沙害类型

由于临策铁路线跨越了不同的自然地带，穿越了差异较大的地形地貌，其地质、地貌、水文、植被及气象等因子，人为因素都有明显区别，沙害的成因及其发展过程也大不相同。

2.1 乌兰布和沙漠段

该路段穿越乌兰布和沙漠北部边缘，地貌类型为半固定和流动沙丘，沙源丰富，风沙活动剧烈，铁路沙害类型主要为沙埋，沙害的形成主要是流动沙丘受风力作用不断前移，遇路基后沙丘延伸造成路基边坡及基面积沙，沙害严重时埋没轨道。

2.2 巴彦淖尔-阿拉善平原区

该路段地形地貌复杂多样，包括低山丘陵、山间洼地、冲积湖积平原以及风成沙丘，沙物质来源主要是剥蚀碎屑物以及大量风积沙，铁路沙害以沙埋为主。

2.3 亚玛雷克沙漠段

此路段同样穿越沙漠边缘，沙物质来源于沙漠边缘的流动沙丘，路基对风沙流的阻挡是造成沙害发生的主要原因，而沙害的主要表现形式为片状和堆状沙埋。

2.4 荒漠草原路段

荒漠草原地带的植被覆盖率一般为10%～30%，主要生长植物为梭梭、红柳等灌木，沙物质来源主要是风积沙，在荒漠草原地带区灌木丛簇状生长，可以阻截风沙流中的沙物质，使之沉降、堆积，再遇反向或多向风作用时，无疑为铁路沙害提供了潜在沙物质来源。荒漠草原路段沙害类型主要为舌状和片状沙埋。

2.5 戈壁路段

戈壁与流沙地相比沙物质丰富度较低，地表无明沙地，但是戈壁中的潜在沙物质是沙害发生的重要沙物质来源，其中包括原地貌中的剥蚀风化碎屑物以及风沙流携带沙物质，戈壁风沙流较高，并且始终处于未饱和状态，戈壁中路基本身就是一种阻沙屏障，风沙流遇阻后大量沙物质沉积在路基及路基两侧，从而为沙害的发生提供了丰富的沙物质。戈壁路段铁路沙害类型为片状和堆状沙埋，沙害程度严重。

2.6 巴丹吉林沙漠段

与乌兰布和沙漠段和亚玛雷克沙漠段相同，巴丹吉林沙漠段沙物质同样来源于沙漠中的流动沙丘，伴随着剧烈的风沙运动，使铁路沙害的发生频率和程度也逐渐加大，而沙丘的前行对铁路造成堆状沙埋，沙害极为严重。

表1为临策铁路沿线沙害统计。

表1 临策铁路沙害统计表

3 路基断面风速流场分析

3.1 路基断面形式分类

由于临策铁路所处地理位置，使得其路基断面形式多样化，根据调查，临策沿线基本没有零断面，为使更好的研究不同路基断面形式下的风速流场特征，特将路基断面形式的分类见表2。

表2 路基断面形式的分类

3.2 路堤风速流场特征

路基断面风速流场观测，首先，用皮尺量取路基边坡长度，用罗盘测定边坡的角度，计算路堤(路堑)的高(深)度，并绘制铁路路基及防沙体系简图，标记路基各部位测量数据于简图上。然后，利用HOBO自动风向、风速记录仪对不同路基断面(高路堤、中路堤、低路堤、全路堑、半路堑)进行风向、风速观测，观测点位分别布置在路基基面及路基两侧，风向观测高度距地面2.0 m，风速观测高度则分别为距地面0.2 m、0.5 m、1 m、2 m处，各观测点位同时观察，测量时间为10 min，记录时间间隔2 s，然后求取平均风速。

3.2.1 高路堤

如图1为12 m高路堤断面示意图，该路堤选择在 K326+200处，路堤两侧边坡长度均为24 m，边坡坡角为30°，风从A5点吹向B5点，风向西风，A5和B5点距离到路堤中心的距离均为82 m，整个实验观测宽度为186 m，观测时A5点处2 m高度风速为10.39 m/s，观测时仪器顺风向摆放由A5～B5，具体定位详见图1。

图1 高12 m路堤测点剖面示意图

图2为12 m高路堤风速流场图，黑色梯形部分为路基本体，从图2中可以看出，气流进入实验观测段后随着高度的增加风速增大。从80 m到50 m气流处于缓慢上升的趋势，当气流顺着风向过了50 m后气流受到路堤的影响，风速开始下降，在路堤迎风侧的坡脚处形成低速区，部分气流被路堤阻断，部分随着路堤边坡被抬升，在路堤的正上方形成涡旋，当气流越过路堤后迅速下降，到－20 m～－30 m处形成静风区，随后风速开始增大。根据风速流场规律在路基两侧的边坡、坡脚和－20 m～－30 m处最容易形成沙物质堆积，其中，背风一侧的积沙范围大于迎风侧，当遇反向风时可对路基形成二次沙害。

图2 高12 m路堤风速流场图

3.2.2 中路堤

根据路基断面形式的分类将高度在3～6 m的路堤划分为中路堤，图3是K390+700－K391+100高度为4.3 m的路堤断面示意图，路堤边坡比1∶1.75，该路段走向为205°，西北为剥蚀戈壁，东南侧为东西走向的低缓丘陵，海拔932 m。该路堤的坐标为 N41°15'19″，E104°06'44″，风向为西风，与路基交角为 25°，路基边坡长度为8.5 m，边坡角度为30°，风由C2点吹向B5点，C2点距离路堤中心为43.4 m，B5点距路堤中心为－43.4 m，所选择点C2的2 m高处的风速为8.16 m/s，在上风向处有沙障，且距离C2点7 m，观测时按着4.3 m路堤示意图放置仪器。

图3 高4.3 m路堤测点示意图

图4为4.3 m高的路堤风速流场图，从中可以看出:气流进入实验观测段时风速开始缓慢降低，并在15 m处风速降到最低并形成低速区，部分气流被路基阻断，此时沙物质开始沉积，而后部分气流越过路基基面，并在－8 m处形成涡旋，随后风速急剧下降，在－10 m～－25 m处降到最低，随后风速开始上升，在整个实验观测区内，在测高0.2 m处的风速最低，形成静风区。根据风速流场的规律可知在15 m、迎风边坡、背风边坡及－10 m～－25 m处容易形成沙物质的堆积。

图4 高4.3 m路堤风速流场图

3.2.3 低路堤

根据路基断面形式的分类可知高度在0～3 m路堤为低路堤，图5为K390+050处高度是1.5 m 路堤示意图，坐标为 N45°15'18″，E104°06'39″，风向为西南风，边坡长度为3 m，边坡角度为30°，风向由C2点吹向C5点，C2点距离路堤中心17.6 m，C5点距离路堤中心的距离为－23.6 m，所选择点C2的2 m高处的风速为8.72 m/s，测风时按着1.5 m路堤示意图放置仪器。

图5 高1.5 m路堤测点示意图

1.5m路堤所形成的风速流场见图6，从中可以得到:进入实验区高处的风速逐渐增加，低处的风速逐渐降低直到到10 m处低处的风速形成涡旋，高处的风速下降到6 m处形成弱风区，随后遇路堤边坡气流开始抬升，其增加幅度大于之前的减小幅度，当气流越过路堤中心处时，风速开始急速降低，使气流直降到背风边坡，而后风速继续降低，气流到达－10 m处时形成涡旋，在背风边坡至－10 m处形成低速场，随后风速开始增加，并趋向平稳。根据风速流场的规律可知在10 m、迎风边坡、路基基面、背风边坡及背风边坡至－10 m处容易形成沙物质的堆积。

图6 高1.5 m路堤风速流场图

3.2.4 路堤风速流场分析

由不同高度路堤断面形式的风速流场图可知，发生涡旋和弱风区在铁路上形成的位置不同:在12 m高的路堤涡旋发生在轨道的正上方;在8 m高的路堤气流下降且直接吹向轨道;在4.3 m高的路堤处涡旋和气流的变化主要发生在轨道的两侧，在轨道上方处于平稳;在1.5 m高的路堤弱风区主要形成在路堤的两侧坡脚处，而轨道上方处于风速的高速区。由此可以知道:在高路堤的轨道上易形成积沙;在中路堤边坡上易形成积沙，而在轨道上积沙较弱;在低路堤上，两侧的边坡及距坡脚一定距离处都易形成积沙，而轨道上方不易形成积沙。

3.3 路堑风速流场特征分析

3.3.1 全路堑

图7为K391+200处2.8 m深全路堑测点示意图，路堑两边的边坡长度都为5.5 m，且坡角均为30°，铁路走向为110°，主风向为西风，基本与路堑断面垂直，风由B2点吹向B4点，B2点到路堑中心的距离为25.8 m，B4点到路堑中心的距离25.8 m，整个实验观测段的距离为51.6 m，所选取的B2点处的2 m高度风速为9.14 m/s。测风时按着2.8 m浅路堑的示意图放置仪器。

图7 2.8 m路堑测点示意图

图8为2.8 m深全路堑所形成的风速流场图，由图可知:气流进入实验观测区段时的气流运动规律及不稳定，当气流遇路堑后风速开始降低，在路堑迎风侧坡脚处形成静风区，在路堑背风侧形成涡旋，此时在路堑断面内沙物质开始大量沉积，随后气流在背风侧路肩处形成涡旋，随后气流上升，并在－8 m处上升为最大值，随后开始下降，并在－18 m处形成弱风区，随后气流上升。根据风速流场图可知在18 m、－8 m、－18 m及迎风坡脚处可形成沙物质的堆积。

图8 2.8 m路堑风速流场图

3.3.2 半路堑

图9为半路堑断面示意图，所选择的半路堑位于 K434 处，地理位置 N41°24'56″，E103°37'15″。路堑的两端深度不等，迎风一侧的路堑边坡长度为15 m，其角度为45°，背风一侧的路堑边坡长度为10.2 m，角度为35°。风向由B4点吹向A4点，B4距离路堑中心54.6 m，A4距离路堑中心37.4 m，整个观测距离为92 m，铁路的走向为WN35°。选择点B4其路2 m高的风速为7.98 m/s。测风时按着半路堑的示意图放置仪器。

图9 半路堑示意图

图10为半路堑风速流场图，从中可知:在实验观测区里面，顺着风向从测点到顺风坡顶处，风速基本趋向平稳，当风到路堑处，开始降低，到路堑的底部降到最低，形成低速场，随后沿着迎风坡气流随之抬升，在迎风坡坡顶趋向平稳，根据风速流场图，可知在路堑背风侧坡脚处易形成沙物质的堆积。

图10 半路堑风速流场图

3.3.3 路堑风速流场分析

由两种路堑的风速流场图可知:在半路堑上风向气流趋近与平稳，到达路堑的上方气流均匀下降，在轨道及路肩处形成低速区;而在全路堑的上风向一侧气流较紊乱，到达路堑的上方一部分气流上升，另一部分下降，下降的部分直接吹向轨道，且在迎风坡脚处形成涡旋。由此可知当风速够大的时候半路堑轨道上不易积沙，但当小风速通过路堑时，就易在路肩和轨道上形成沙物质的堆积;在全路堑迎风坡脚处，由于形成涡旋，所以在路肩及轨道上易形成沙物质的堆积。

4 结束语

临策铁路自然环境恶劣，自2009年12月26日开通以来，由于沙害严重，无法组织行车，直到2010年7月15日才正式开行货物列车，2010年11月24日开行呼和浩特至额济纳4661/4662次旅客列车，结束了内蒙古自治区阿拉善盟不通旅客列车的历史。临策铁路受风沙危害线路之长、程度之重、时间之久、危害之大、影响之深，为全国铁路沙害之首。因此，临策铁路生态保护与沙害治理显得尤为重要。临策铁路沙害的治理，不仅能够确保临策线运输畅通，而且对阿拉善、巴彦淖尔生态环境的改善都十分重要，铁路治沙工程建成后将形成一条连接内蒙古西部沙漠、戈壁、荒漠、草原的绿色长廊，不但减少了每年的清沙费和线路维护费，而且对周边地区生态环境的改善，京津地区沙尘暴的缓解也都具有十分重要的意义。

［1］中铁工程设计咨询集团有限公司.新建临策线乌兰敖包至策克段初步设计［R］．2006．

［2］郝才元．临策铁路沙害现状及治理途径［J］．铁路节能环保与安全卫生，2011，1(2):93 －96．

［3］TB10053－98，铁路工程地质风沙勘测规则［S］．