兰新高速铁路风沙区段挡沙墙设计参数试验研究

张乘波

(兰新铁路新疆有限公司，乌鲁木齐　830000)



兰新高速铁路风沙区段挡沙墙设计参数试验研究

张乘波

(兰新铁路新疆有限公司，乌鲁木齐830000)

兰新二线风沙路基主要集中于烟墩风区及百里风区，大风条件下极易形成风沙流，挡沙墙是解决风沙对铁路危害的主要措施。为充分发挥挡沙墙的防风沙作用，针对兰新高速铁路沿线风沙流成因及规律进行分析，对挡沙墙高宽比、孔隙率和高度3个参数分别进行对比试验，提出适合该地区铁路防沙的挡沙墙优化设计思路。结果表明：当挡沙墙高度一定时，风沙防护效果与挡沙墙的宽度显现出一定的负相关变化；对于均匀结构的网状沙障来说，孔隙率为40%的防沙效果最优，30%的次之，50%的相对最差；从不同高度挡沙墙的风沙防护效果来看，高度为2.0 m的挡沙墙的风沙防护效果相对较好，高度为2.5 m和1.5 m挡沙墙防沙效果略差。

高速铁路；挡沙墙；设计参数；防沙效果

兰新高速铁路正线全长1 776 km，其中新疆境内线路长度709.923 km，建成后将是亚欧大陆桥快速通道的重要组成部分。兰新高速铁路东起甘肃省兰州市，途经哈密市、鄯善县、吐鲁番市，西至新疆维吾尔自治区首府乌鲁木齐市。线路沿途通过烟墩风区、百里风区、三十里风区、达坂城风区四大风区。新疆境内线路通过大风区长度462.41 km，占新疆段线路总长的64.8%，而风沙路基主要集中于烟墩风区及百里风区，线路通过风沙路基工程长度约217 km，占线路长度的30.6%。

新疆铁路大风地区内自然条件十分恶劣，人烟稀少，多为戈壁荒漠，风沙流具有显著的特征，即风速高、风期长、季节性强、风向稳定、变化速度快[1]。尤其是百里风区和三十里风区，风沙灾害尤为严重。大风伴随强沙尘天气给附近的铁路设施造成严重的威胁，在“安西风口”附近的大草滩至玉门、低窝铺到军垦，“百里风区”及“三十里风区”附近的尾亚至思甜、土墩至红桥、盐泉至黄芦岗、沙尔至小草湖及三个泉至后沟等处均存在着严重的戈壁风沙灾害问题。大风及大风引起的沙害曾多次造成既有兰新铁路、南疆铁路翻车、停轮，给铁路运输带来了巨大的经济损失和严重的不良社会影响，兰新高速铁路运行速度高、车体轻，风沙灾害对高速铁路的威胁远甚于既有铁路[2-5]。

近年来，铁路防沙工作者们提出了多种防沙措施，部分应用于工程实践中，取得了良好的防沙效果，可为兰新高速铁路风沙防治起到一定的借鉴作用[6-9]。但风沙流具有很强的地域性，针对兰新高速铁路沿线风沙环境特点，拟采用挡沙墙来进行防护。挡沙墙的设计参数直接决定着防沙效果的优劣，因此，为保证兰新高速铁路沿线风沙防护效果，通过现场试验来确定较为合理的挡沙墙设计参数，为后续的工程设计提供技术参考。

1　试验段工程地质情况

1.1百里风区

百里风区试验段位于哈密盆地山前冲、洪积倾斜平原区，地形较开阔，地势起伏较小，地面高程650～740 m。其地层主要为：第四系全新统冲、洪积细圆砾土，第三系泥岩、砾岩及砂质泥岩夹层。

1.2烟墩风区

烟墩风区试验段位于天山东脉北山山前剥蚀平原区，地形平坦开阔，地势略有起伏。多为典型的细砂或粗砂戈壁荒漠地貌，区内人烟稀少。其地层为第四系上更新统-全新统洪积细沙、细圆砾土，第三系古新统-始新统泥岩、砂岩、砾岩。

2　风沙流成因及活动规律

风沙流是风与其所携带沙物质组成的气固两相流，是风沙物理的核心内容。研究风成沙在风力作用下的移动现象[10]，对于风沙防治工程设计具有十分重要的意义。

2.1大风成因及风区分布

新疆境内大风形成主要受北方冷空气入侵的影响，加之独特的地形地貌条件，呈现出显著的地域性特点。冷热空气的气压差、河谷和垭口地形的“狭管效应”和顺风向下沉的地势是造成铁路沿线大风的主要因素。

新疆西部山区有3个主要的河谷，是冷空气进入新疆的主要气流通道。冷空气进入新疆时，首先会在这些通道产生大风。这些“风道”中，对铁路有影响的主要是阿拉山口风口。随着冷空气东移，由于天山的阻挡，冷空气在北疆地区天山北麓堆积，与天山南部的吐鄯托盆地形成巨大的气压差。当气压差达到一定程度，冷空气沿天山山脉的垭口夺路而出，形成了西北或偏北大风区，较为典型的有“三十里风区”和“百里风区”[11]。同时，由于这些地区特殊的地形地貌(北高南低、植被稀少)，气流沿坡直下，流速不断加快，铁路沿线部分地区的沟谷地形造成的“狭管效应”进一步加强了风力。另外，有一支冷空气在天山北麓受阻沿天山东移，在天山、北山(马鬃山)之间的山谷折向西行(即气象部门所称的“东灌”)，形成了烟墩风口的偏东大风。由此可知，冷空气在天山北部盆地的聚集和天山南部的吐鄯托盆地之间的气压差形成的气压梯度力是造成新疆铁路风区大风最直接的动力条件(或称热力条件)；天山的几处垭口和沿风向下沉的地势以及铁路沿线的沟谷地形是形成铁路大风区的地形条件。

由于新疆冷空气的入侵具有明显的季节性，新疆铁路风区的大风也相应呈现出明显的季节性。一般地，春季和秋季，气温变化较大，冷空气活动频繁，大风日数多，风速也较大；春季冷空气强度最大，天山南北气压差也最大，相应地，一年中的最强大风也就出现在春季。近年来由于气候变化，夏季大风有增多趋势，但最大风速和大风持续时间均明显小于春季。

兰新高速铁路从兰州经西宁、张掖、嘉峪关、哈密、吐鲁番到乌鲁木齐，沿线经过“安西风口”、“烟墩风区”、“百里风区”、“三十里风区”等多处重大风口，其中风沙灾害威胁最为严重的要数“百里风区”和“烟墩风区”。

2.2大风特征

百里风区试验段位于哈密盆地山前冲、洪积倾斜平原区，属于中温带大陆性干旱气候区，气候干燥，降雨量小，冰冻期长，昼夜温差变化较大，春、秋多风，夏季短促而炎热，冬季漫长且严寒。年平均降雨量38 mm，最大降雨量99.1 mm，年平均蒸发量4 803.6 mm，年最大蒸发量7 914 mm，年平均风速5.8 m/s，主导风向为NNW，约占全年风向的31.6%左右，静风频率为0.76%(图1)，最大定时风速46.6 m/s。

图1　百里风区风频玫瑰图

烟墩风区试验段位于天山东脉北山山前剥蚀平原区， 属典型的温带大陆性气候，冬季寒冷干燥，春季多风且冷暖多变，夏季高温少雨。年降水量平均为33.8 mm，年蒸发量为3 300 mm，年平均风速4.6～5.9 m/s，定时最大风速27～28 m/s，受地形地貌的影响，本试验段的主导风向主要为NE、ENE，分别占全年风向的21%和26%，静风频率为1.36%(图2)。

图2　烟墩风区风频玫瑰图

2.3沙颗粒分析

风沙流在输运过程中，粒度特征在垂直方向上发生空间分异，对风沙流进行颗粒分析，可以进一步了解风沙流结构及风沙流运动规律。从2011年4月至2012年12月百里风区和烟墩风区原始风沙流的不同高度的集沙颗分数据统计(表1和表2)可以看出：随着高度的升高，所集沙粒中细颗粒组分的含量在逐渐上升，而对粗颗粒组分的含量则显现递减的趋势。

对比2个试验段积沙的颗粒组成，还可以得出，烟墩风区的沙粒粒径要比百里风区的小，其最大粒径不超过2 mm，而百里风区由于起沙风速高，风力强劲，所以，其风沙流中含有一些沙砾，破坏力十分严重。

表1　百里风区原始风沙流集沙颗分数据统计　%

2.4风沙流活动特征

当强冷空气入侵北疆之际，在地势差、气压差、气温差叠加的共同作用下，致使兰新高速铁路沿线大风区具有大风日数多、持续时间长、风力强劲等特点。一般情况下，冬春交替季节和秋冬交替季节，气温变化较大，冷空气活动频繁，大风日数多，风速也较大；冬春交替季节冷空气强度最大，天山南北气压差也最大，所以一年中的最强大风也就主要出现在冬春交替季节。加之戈壁地区地表主要为砾石覆盖，植被覆盖率极低，使得当地风沙灾害频发。受气象及地质条件的影响，兰新高铁沿线的风沙流结构特征存在一些特殊之处，具体如下。

(1)戈壁强风地区的大风携沙量的垂直分布十分明显，集沙量与高度之间呈e的负指数变化关系，即高度越高集沙量越小。

(2)戈壁强风地区大风所携沙粒粒径主要分布在0.1～0.25 mm粒径段，随着高度的增加，小于0.1 mm的细颗粒物质含量逐渐增加，而大颗粒沙粒含量在逐渐减少。

3　挡沙墙主要设计参数及防护效果评价

3.1挡沙墙主要设计参数

挡沙墙又称机械沙障，是指利用秸秆、树枝、黏土、混凝土、HDPE网等材料在地表筑成一定高度的障蔽物，具有拦截风沙流、消减风速、固定流沙作用的工程防沙措施。

挡沙墙的设计参数决定着防沙效果，同时影响着工程造价。合理的设计参数不仅可以提高防沙效率，还可以大幅度减小工程造价，直接决定着工程措施的性价比。影响挡沙墙防沙效果的因子较多，但其关键因子主要有高宽比、孔隙率和高度等。故主要从上述3个因子来研究其对防沙效果的影响，挡沙墙如图3所示。

3.2挡沙墙宽度与防沙效果之间的关系

兰新高速铁路百里风区试验段不同宽度箱式挡沙墙(墙体高度统一为2.0m)的防护效果对比如图4所示，图中的集沙量表示风沙流经过挡沙墙净化后，不同高度的残余含沙量，所以其数值与挡沙墙的防护效果呈负相关变化，当来流方向一致时，残余含沙量越小，表明挡沙墙的防护效果越优。

从图4可以看出，当挡沙墙高度一定时，风沙防护效果与挡沙墙的宽度显现出一定的负相关变化，随着墙体宽度的增加，其对风沙流的净化效果逐渐变差。分析其原因主要是：随着墙体的宽度增加，墙体对上层气流的压缩能力加强，气流剪切力有所增加，使得运动气流出现类狭管增速效应，气流经过压缩后在背风侧的风速残留值还是较大，致使沉降的沙粒极易出现二次飞扬，给风沙流补给了部分沙源，使得大风携沙量偏大[12-14]。

图4　不同高宽比的箱式挡沙墙防沙效果对比

3.3不同孔隙率沙障的防护效果研究

PE网作为一种防沙新材料，因其风沙防护效果优、造价低廉、施工速度快等优点，近年来被广泛地应用于风沙灾害的防治工作中，并取得了较为可观的效果，本试验段的一个主要目的是通过现场观测，针对流动沙丘及半流动沙丘地区风沙运动的特点，找出PE网沙障的最佳孔隙率。

从不同孔隙率PE网沙障的风沙防护效果对比(图5)中可以看出，在3种不同孔隙率的高立式PE网沙障中，孔隙率为40%的高立式PE网沙障表现出了良好的防沙效果，其防护效果要明显地优于孔隙率为30%和50%的沙障；而孔隙率为30%的高立式沙障次之，孔隙率为50%的高立式沙障防护效果在三者中是相对最差的。分析图中数据还可以看出，随着高度的增加，三者背风侧残余集沙量之间的差距在逐渐减小，尤其是孔隙率为40%和30%的沙障，当高度超过沙障自身高度后，二者集沙量的差距非常小，几乎可以忽略不计，说明随着高度的增加，大风所携沙粒的总体质量在逐渐降低，高立式沙障对上层气流的影响程度越来越微弱，相应的不同沙障之间的防护效果差距也在变小。

图5　不同孔隙率高立式PE沙障的防沙效果对比

3.4挡沙墙高度与防沙效果之间的关系

为研究挡沙墙高度对其防沙效果的影响，在百里风区和烟墩风区试验段分别设置了不同高度的斜插板挡沙墙，并对其风沙防护效果进行了观测。图6和图7分别为两大风区不同高度挡沙墙防沙效果对比图，从图中可以看出，当墙体形式相同时，挡沙墙背风侧的集沙量随高度的增加基本都显现出负增长的变化趋势，高度越高，大风携沙量越小。说明当垂直高度超过挡沙墙的设置高度后，上层携沙气流的运动过程受挡沙墙的扰动逐渐变小，挡沙墙后的大风集沙量之间的差距也逐渐变小。对比墙体高度对挡沙墙防护效果的影响可以看出，在烟墩风区，随着高度的增加，沙障的阻沙效果没有显现单调的递增规律，2.0 m高挡沙墙的风沙防护效果要明显好于2.5 m和1.5 m高的挡沙墙的防护效果，说明随着墙体高度的增加，防护效果增加值由开始的快速增加逐步趋于平缓，后期随着高度的进一步增加，防护效果开始出现细微增长或下降的趋势。

图6　百里风区不同高度的挡沙墙防沙效果对比

图7　烟墩风区不同高度的挡沙墙防沙效果对比

4　结论

(1)兰新高速铁路风沙区段，当挡沙墙高度一定时，风沙防护效果与挡沙墙的宽度显现出一定的负相关变化，随着墙体宽度的增加，其对风沙流的净化效果逐渐变差。

(2)在兰新高速铁路沿线，孔隙率为40%的高立式PE网沙障表现出了良好的防沙效果，其防护效果要明显的优于孔隙率为30%和50%的沙障。

(3)兰新铁路百里风区：2 m高的挡沙墙防护效果要明显的优于1.5 m高的挡沙墙；在烟墩风区：不同高度沙障的阻沙效果与沙障高度的规律性则表现出了一定的差异，随着高度的增加，沙障的阻沙效果没有显现单调的递增规律，2.0 m高挡沙墙的风沙防护效果要略优于2.5 m和1.5 m高的挡沙墙的防护效果。

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Experimental Study on Design Parameters of Retaining Wall for Sandstorm Section of Lanzhou-Urumqi High-speed Railway

ZHANG Cheng-bo

(Xinjiang Corporation of Lanxin Railway， Urumqi 830000， China)

The sand roadbed is mainly located in Yandun wind zone and Barry wind zone along double track Lanzhou-Xinjiang railway line. Sand flow is likely to form under strong wind condition. The sand retaining wall plays an important role in the protection of railway. In order to give full play of the sand retaining wall， this paper addresses the causes and regularities of sand flow along the Lanzhou-Urumqi high-speed railway， and the parameters of the sand retaining wall in terms of height and width ratio， porosity and height are compared and tested， finally the optimization design method of sand retaining wall is put forward. The analysis results show that when the sand retaining wall is of a certain height， the protective effect of the sand retaining wall shows a negative correlation with the width. For sand barrier of unified web structure， the porosity of 40% is the best， followed 30% and 50%. The sand retaining wall of 2 m high is recommended followed by 2.5 m and 1.5 m．

High-speed rail; Retaining wall; Design parameters; Sand prevention effect

2016-03-02；

2016-06-08

中国中铁股份有限公司重点科技开发项目(2015-KJ035-G004-03)

张乘波(1963—)，男，高级工程师，E-mail：sl107@126.com。

1004-2954(2016)09-0004-05

U238； U213.1+54

ADOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.09.002