青藏铁路不同防沙栅栏的布设位置研究

郝晓杰，熊治文，蒋富强，薛春晓，李凯崇

(1.中国铁道科学研究院，北京 100081; 2.中铁西北科学研究院有限公司，兰州 730000)

青藏铁路自通车以来，其安全运营受到了高原风沙灾害的严重威胁[1-2]。气候环境变化和人为因素的共同作用是造成青藏高原沙漠化的主要原因[3-5]。风沙对铁路的危害主要包括风积和磨蚀[6-10]。所谓风积是指风沙流在受到铁路路基干扰时，沙粒沉积在路基坡脚、路肩和道砟上的现象。另外，青藏铁路多年冻土地段多采用片石气冷和通风管结构，以保护多年冻土不受破坏。路基坡脚的积沙会堵塞片石和通风管的孔道，使其失去保护多年冻土的作用，严重影响了青藏铁路路基的长期稳定[11]。铁路道砟上的积沙直接影响着列车的安全行驶，严重情况可能导致列车脱轨。磨蚀是指风沙流中的沙粒含有较大能量，对机车车辆及通信设备等进行撞击而使其破坏。青藏高原由于其恶劣的气候环境条件，目前完全通过植物防沙来保护铁路的安全运营，技术仍不成熟，所以青藏铁路防沙以工程措施为主[12-13]。工程防沙体系的建设都是由很多道沙障组成。但目前人们对防沙栅栏如何布置的问题认识还不够深入，尤其对防沙栅栏间距的布置没有理论上的研究。本文采用计算流体力学软件Fluent，从数值模拟角度研究了防沙栅栏布置的合理间距问题，研究结果为青藏铁路工程防沙体系的设计提供了有力支撑。

1 青藏铁路防沙体系中常见沙障介绍

1.1 混凝土插板式挡沙墙

混凝土插板式挡沙墙主要分布于青藏铁路红梁河和错那湖地段，从现场调查情况来看，防沙效果较好。混凝土插板式挡沙墙高1.7 m，沙障由5块带有孔隙的钢筋混凝土插板组装而成。立柱间距2 m，立柱内设有卡槽，钢筋混凝土插板由卡槽固定，见图1，风向垂直于墙面。混凝土插板式挡沙墙的耐久性好，使用周期较长，但造价较高。

图1 混凝土插板式挡沙墙(单位:m)

1.2 混凝土挂板式挡沙墙

混凝土挂板式挡沙墙主要分布于青藏铁路红梁河、北麓河和沱沱河地段，从现场调查情况来看，障后积沙较多，沙障防沙能力较强。混凝土挂板式挡沙墙高1.7 m，沙障由4块钢筋混凝土挂板组装而成，板厚0.06 m。立柱间距2 m，立柱上设有挂钩，钢筋混凝土板挂于立柱挂钩上，见图2。混凝土挂板式挡沙墙施工方便，耐久性好，但造价较高。

图2 混凝土挂板式挡沙墙(单位:m)

1.3 高立式PE网沙障

高立式PE网沙障分布于青藏铁路的红梁河、北麓河、秀水河、沱沱河和错那湖等地段，是运用最广泛的一种防沙栅栏。从现场调查情况来看，高立式PE网沙障前后都有较多积沙，阻沙能力较强。高立式PE网沙障高1.5 m，由木柱、铁丝网以及PE网组成。柱间距为2 m，PE网的孔隙度为40%，见图3。高立式PE网沙障，可工业化生产，施工方便快速，造价低廉，但耐久性较差，容易被积沙压垮或机械清沙时被机械破坏。

图3 高立式PE网沙障(单位:m)

2 现场调查

根据青藏铁路红梁河区段现场调查情况，混凝土插板式挡沙墙障后积沙范围为28 m，混凝土挂板式挡沙墙障后积沙范围为20.4 m，高立式PE网沙障障后积沙范围为18 m。可见，现场调查时，沙障的积沙未达到饱和状态。但从现场积沙角度比较，3种沙障对风场的影响范围从大到小为，混凝土插板式挡沙墙、混凝土挂板式挡沙墙、高立式PE网挡沙墙。

根据现场调查，青藏铁路北麓河及错那湖地段铁路两侧都有阻沙措施，路基下风向侧的积沙位于防沙栅栏远离路基侧，可见路基下风向侧的防沙栅栏起不到任何防沙作用，反而拦截了已经越过路基的沙子，应予以拆除。沱沱河地段部分阻沙栅栏走向与主导风向不垂直。受微地形影响，沱沱河地段，风向多变，但防沙栅栏走向一致，部分防沙栅栏的阻沙能力没有得到充分发挥。

从现场调查结果来看，阻沙栅栏应在判断主导风向的基础上，布设在路基上风向侧，并根据微地形地貌适当调整，使其走向垂直于风向。

3 合理间距的确定方法

沙障积沙堆积的断面形态近似于沙障对风场影响范围的断面形态，积沙的最大范围不超过沙障对风场影响区域。沙障间距过小，容易造成第一道沙障之后的沙障被沙埋，不但防沙功能得不到充分发挥，而且积沙紧贴沙障不利于机械清沙。将沙障前后低于起沙风速的区域称为影响区域，根据风洞试验和现场试验测得，青藏高原起沙风速为7 m/s左右。结合现场调查积沙情况认为，当第一道沙障的障后风场影响区域和第二道沙障的障前风场影响区域相贴，此时两道沙障的间距即为合理间距。

4 数值计算模型建立

青藏铁路防沙栅栏的长度远远大于其横向尺寸，重点研究沙障的间距问题，可视其为二维问题处理。由于青藏铁路沿线大风季节风速一般大于10 m/s，小于50 m/s，马赫数小于0.3，故计算时可按不可压缩流动及紊流问题处理[14-15]。另外，本模型不考虑热量的交换，是单纯流场问题，所以不包含能量方程。描述挡风墙背风侧流场的控制方程主要包括连续方程、动量方程、和k-ε湍流模型方程，具体方程见文献[16]。

通过不同长度和高度的模型计算比较，当模型的计算长度大于100 m，高度大于15 m时，计算空间的高度和长度对沙障周围流场产生的影响很小。其余尺寸和粗糙度的选取与实际情况保持一致。因此，流场的计算长度取为100 m，高度取为15 m。

为模拟青藏高原低温低气压条件下的风场情况，参数选取海拔约4 500 m左右的空气状态情况，青藏高原大风季节一般为每年10月到翌年3月，气温为－20℃，空气密度和气压均取为标准状态的55%[17]。由于空气黏度和温度有显著的关系，但和气压几乎没有关系，所以空气黏度选取温度为－20℃时标准大气压的情况，黏度μ=1.628×105Pa·s。

模型的入口和出口分别采用速度入口和自由出流，地面和挡风墙采用固体壁面边界。

5 计算结果分析

5.1 防沙栅栏合理间距与栅栏形式的关系

为便于分析青藏铁路防沙栅栏的合理间距，文中统一风速为18 m/s。

5.1.1 混凝土插板式挡沙墙

混凝土插板式挡沙墙风速流场数值模拟结果见图4，从风速矢量图4(a)可以看出，沙障对风场有明显的干扰作用，大量空气穿过沙障的较大孔隙，在障后形成一个较大涡流区。涡流区中，风速明显减弱，风沙流中的沙粒随即沉积。模拟结果和现场调查障后形成较多积沙的情况吻合，说明模拟结果具有较高的准确性。

从图 4(b)、(c)、(d)间距分别为 30、40、50 m 情况下的风速云图，深色区域为沙障对风场的影响范围。从图4中可以看出，间距为30 m情况下，2道沙障间的降速区域重叠;间距为40 m情况下，2道沙障间的降速区域略有重叠;间距为50 m情况下，2道沙障间的降速区域分离。按照相贴原则，混凝土插板式挡沙墙的合理间距为40～45 m。

图4 混凝土插板式挡沙墙风场图

5.1.2 混凝土挂板式挡沙墙

混凝土挂板式挡沙墙风速流场数值模拟结果见图5，从风速矢量图5(a)可以看出，沙障对风场有明显的干扰作用，大量空气穿过沙障的较大孔隙，在障后被分成上下两股，形成上下2个较大涡流区。涡流区中，风速明显减弱，风沙流中的沙粒随即沉积。模拟结果和现场调查障后形成较多积沙的情况基本吻合，说明模拟结果具有较高的准确性。

从图5(b)、(c)、(d)间距分别为 30、40、50 m、情况下的风速云图，深色区域为沙障对风场的影响范围。从图5中可以看出，间距为30 m情况下，2道沙障间的降速区域明显重叠;间距为40 m情况下，2道沙障间的降速区域分开小段距离;间距为50 m情况下，2道沙障间的降速区域明显分离。说明混凝土挂板式挡沙墙的合理间距为35～40 m。

图5 混凝土挂板式挡沙墙风场图

5.1.3 高立式PE网沙障

高立式PE网沙障风速流场数值模拟结果见图6。同样从风速矢量图6(a)可以看出，沙障对风场有明显的干扰作用，空气穿过PE网均匀而较小的孔隙，障后空气流向的改变相对前2种沙障较小，没有像前2种沙障形成明显涡流区域。在PE网的干扰下，障后风速的降低非常明显，风沙流中的沙粒同样可以沉积，模拟结果和现场调查障后形成较多积沙的情况基本吻合，说明模拟结果具有较高的准确性。

从图 6(b)、(c)、(d)中，间距分别为 30、40、50 m情况下的风速云图，深色区域为沙障对风场的影响范围。从图6中可以看出，间距为30 m情况下，2道沙障间的降速区域略有重叠;间距为40 m情况下，2道沙障间的降速区域分离;间距为50 m情况下，2道沙障间的降速区域明显分离。说明高立式PE网沙障的合理间距为30～35 m。

图6 高立式PE网沙障风场图

综上所述，防沙栅栏合理间距与栅栏形式有密切关系，障后形成的涡流区越大栅栏合理间距越大。

5.2 防沙栅栏合理间距与风速的关系

为研究不同风速情况下防沙栅栏的合理间距问题，模拟了10、18、26和34 m/s风速情况下上述3种防沙设施的合理间距，结果见表1。

表1 不同风速条件下各种沙障的合理间距 m

图7为合理间距和风速的关系图。从图中可以看出，合理间距和风速大小具有较好的线性关系，3种沙障的合理间距都随风速的增大而减小。风速为26 m/s时，3种沙障的合理间距相差不大，为30 m左右。插板式沙障合理间距受风速影响最大，高立式PE网沙障的合理间距受风速影响最小。

根据图7中拟合的各种沙障合理间距随风速变化的线性关系公式，可以计算出风速大于10 m/s情况下，各种沙障在各种风速条件下的合理间距。从不同地区现场防沙体系设计中，可根据现场风速资料求得相应的合理间距。

图7 合理间距随风速变化关系

6 结论

(1)从数值模拟角度对常见3种沙障的不同间距风场进行分析得到，大风季节最高风速18 m/s情况下，混凝土插板式挡沙墙的合理间距为40～45 m，混凝土挂板式挡沙墙的合理间距为35～40 m，高立式PE网沙障的合理间距为30～35 m。各种沙障间的合理间距随风速增大而减小。

(2)混凝土插板式挡沙墙障后形成1个较大涡流区，混凝土挂板式挡沙墙障后形成上下2个小涡流区，而高立式PE网沙障障后没有形成涡流区。可见，相同风速下，防沙栅栏障后的涡流区越大，防沙栅栏的合理间距越大。

(3)根据青藏铁路红梁河区段现场调查，从现场积沙角度比较，3种沙障对风场的影响范围从大到小为，混凝土插板式挡沙墙、混凝土挂板式挡沙墙、高立式PE网挡沙墙。调查结果和数值模拟结果正相关，说明数值模拟结果是较可靠的。

(4)根据北麓河和沱沱河现场调查，防沙体系路基下风向侧防沙栅栏起不到任何防沙功能，应予拆除。防沙栅栏走向与主导风向不垂直时，防沙功效得不到充分发挥。所以防沙栅栏应布置在铁路上风向侧，且其走向应垂直于现场主导风向。

铁路不同防沙栅栏布设位置的影响因素较复杂，文中重点考虑了挡沙墙形式、风速、地表粗糙度等因素，对沙粒粒径及微地形地貌等因素没有考虑，研究结论有待在实践中进一步检验和完善。

防沙栅栏的合理间距研究结果，可直接为青藏铁路防沙体系的设计提供支撑，也可以为其他地区铁路防沙设计提供参考。

[1]杨印海，蒋富强，王锡来，等.青藏铁路错那湖段沙害防治措施研究[J].中国沙漠，2010，30(6):1256-1262.Yang Yinhai，Jiang Fuqiang，Wang Xilai，etc.Study on the Sand Control Measures in the Cuo-na Lake Section of Qinghai-Tibet Railway[J].Journal of Desert Research，2010，30(6):1256-1262.

[2]蔺全林.青藏线错那湖沿岸风沙的形成机制及治理措施[J].铁道勘察，2007，3:74-76.Lin Quanlin.Sand Formation Mechanism and Control Measures Near the Cuo-na lake[J].Railway Investigation and Surveying，2007，3:74-76.

[3]朱震达，吴正，刘恕，等.中国沙漠概论(修订本)[M].北京:科学出版社，1980.Zhu Zhenda，Wu Zheng，Liu Shu，et al.Introduction fo Chinese Desert(Revised)[M].Beijing:Science Press，1980.

[4]张登山，高尚玉.青海高原沙漠化研究进展[J].中国沙漠，2007，27(3):367-372.Zhang Dengshan，Gao Shangyu.Qinghai Plateau Desert Research[J].Journal of Desert Research，2007，27(3):367-372.

[5]李森，董玉祥，董光荣，等.青藏高原沙漠化问题与可持续发展[M].北京:中国藏学出版社，2001.Li Sen，Dong Yuxiang，Dong Guangrong，et al.The Qinghai-Tibet Plateau Desertification and Sustainable Development[M].Beijing:China Tibetology Press，2001.

[6]葛盛昌，蒋富强.兰新铁路强风地区风沙成因及挡风墙防风效果分析[A].铁道工程学报，2009，128(5):1-4.Ge Shengchang，Jiang Fuqiang.Analyses of the Causes for Wind Disaster in Strong Wind Area along Lanzhou-Xinjiang Railway and the Effect of Windbreak[A].Journal of Railway Engineering Society，2009，128(5):1-4.

[7]庞巧东，程建军，蒋富强，等.戈壁铁路挡风墙背风侧流场特征与挡风功效研究[J].铁道标准设计，2011(2):1-5.Pang Qiaodong，Cheng jianjun，Jangfuqiang，et al.Study on the Flow Characteristics and Efficiency of Wind Break Wall Along the Gobi Railway[J].Railway Standard Design，2011(2):1-5.

[8]葛盛昌，周林森.兰新铁路沙害成因及防治对策[B].铁道运输与经济，2007，29(1):33-34.Ge Shengchang，Zhou Lin-sheng.Caues and Countermeasures of Sand Damage in Lanzhou－Xinjiang Railway[B].Railway Transport and Economy，2007，29(1):33-34.

[9]赵秀峰.青藏公路沿线风沙堆积的成因及环境意义[J].干旱区资源与环境，1991，5(4):61-69.Zhao Xiufeng.Study on Aeolian Origin and Environmental Significance of the Qinghai－ Tibet Way[J].Journal of Arid Land Resources and Enveronment，1991，5(4):61-69.

[10]孙庆伟，王涛，韩致文，等.北疆铁路沿线风沙危害的研究[J].中国沙漠，2004(3):182-186.Sun Qingwei，Wang Tao，Han Zhiwen，et al.Blown Sand Harm along North Xinjiang Rail way and Its Control[J].Journal of Desert Research，2004(3):182-186.

[11]黄以职，郭东信，赵秀峰.青藏高原冻土区沙漠化及其对环境的影响[J].冰川冻土，1993，15(1):202-208.Huang Yizhi，Guo Dongxin，Zhao Xiufeng.Desertification and Its Impact on the Environment in the Qinghai－ Tibet Plateau Permafrost[J].Journal of Glaciology and Geocryology，1993，15(1):202-208.

[12]牛清河，屈建军，张克存，等.青藏铁路典型路段风沙灾害现状与机械防沙效益估算[J].中国沙漠，2009，29(4):596-603.Niu Qinghe，Qu Jianjun，Zhang Kecun，et al.Disaster Situation and Prevention Benefit Estimation in Typical Sections of Qinghai－Tibet Railway[J].Journal of Desert Research，2009，29(4):596-603.

[13]邸耀全，张克智.中国铁路沙害及其防治[M].北京:中国环境科学出版社，1998，1-35.

[14]吴建民.高等空气动力学[M].北京:北京航空航天大学出版社，1992.

[15]王福军.计算流体动力学分析[M].北京:清华大学出版社，2004.

[16]朱红钧，林元华，谢龙汉.流体分析及仿真[M].北京:人民邮电出版社，2010.

[17]白虎志，董安详，李栋梁，等.青藏高原及青藏铁路沿线大风沙尘日数时空特征[J].高原气象，2005，24(3):311-315.Bai Huzhi，Dong Anxiang，Li Dongliang，etc.Time and Space Characteristics of the Gale and Sand Storm in the Qinghai－Tibet Plateau[J].Plateau Meteorology，2005，24(3):311-315.