中东地区某铁路风沙防治措施研究

2014-01-03张德保许志勇

铁道标准设计 2014年1期

关键词：输沙防沙风沙

张德保，许志勇

(1.铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津 300142;2.天津晟兴交通勘察设计有限公司，天津 300142)

1 地形地貌

中东地区某铁路由波斯湾南岸沿海平原区至内陆沙漠区，地势南高北低。沿线穿越3个不同的地貌单元。

海滨平原区:地形较平坦，地表以盐沼和固定、半固定沙地为主。

冲积沙质平原区:地表多为固定、半固定沙地及少量移动沙丘，有少量骆驼草等沙生植物。

沙漠丘陵区:沙漠腹地，沙害严重，自然条件严酷，地表分布高大的新月形链和纵向沙垄，沙丘高度达20～40 m，植物生长非常稀少，沙害严重。

2 气候

本地区属热带海洋性气候和热带沙漠气候，全年只有2个季节，夏季和冬季，两季气温都偏高且降水稀少，年平均蒸发量3 500 mm，全年几乎阳光普照，蓝天烈日是本地区气候特征。主导风向大致以北、北北西向和东向为主。冬季平均风速2.8～5.5 m/s，夏季2.2～4.8 m/s，极端最大风速为10.8～15.1 m/s。气候详细数据见表1。

表1 气候数据

3 本地区风沙特点

3.1 风沙物质组成

沙粒细颗粒较粗颗粒轻，更容易受到风力吹扬。在同一风速条件下，细沙表面的输沙量最大，分布的高度也大，沙害也越严重;粗沙表面的输沙量较小，分布的高度也小，沙害也轻。

本地区沙漠中，特别是新月形沙丘地段，沙粒尺寸一般在0.06～0.3 mm，呈圆形，这种沙粒很容易受到风的搬运。

3.2 起风速度及风沙分布规律

通过风洞试验研究，得出有效的启动风速约为6.0 m/s，且大部分颗粒沿风沙表面移动(地面以上0～10 cm)，说明风沙流运动是贴地面的沙粒被风力搬运的现象。

4 风沙防治措施研究

4.1 风沙防治措施数值模拟

对采用的输沙断面建立输沙体系模型，拟定风速6～12 m/s，路堤高度不小于0.5 m，风向角设定为:90°、60°、30°及 0°。以下举例说明部分 CFD 模拟结果，以支持采用的输沙体系横断面。

4.1.1 未设输沙堤地段(固定、半固定沙丘及平沙地地段)

(1)0.5 m高路堤(图1)

图1 0.5 m高路堤模拟结果(横断面方向)

模拟结果显示，无减速区，但铁路路基迎风侧风速无加速，风沙沉积无法避免。

(2)1.6 m高路堤(图2)

图2 1.6 m高路堤模拟结果(横断面方向)

模拟结果显示，无减速区，铁路路基迎风侧风速快，流沙易通过路基，防止沉积。

4.1.2 设输沙堤及积沙槽地段路基(沙漠丘陵区)

(1)输沙堤迎风侧为自然表面(图3)

图3 迎风侧模拟结果(横断面方向)

模拟结果显示，输沙堤堤顶风速加速;输沙堤背风处沟槽有减速现象;铁路路基面顶风速加速，将风积沙吹走，降低了沉积的可能性。积沙槽位置风速显著降低，使得路基本体附近风沙大部分沉积在积沙槽内。

(2)90°及60°风向下模拟结果比较(图4、图5)

图4 风向90°模拟结果(横断面方向)

图5 风向60°模拟结果(横断面方向)

模拟结果显示，输沙堤背风处强烈减速，风积沙堆积于背风侧;铁路路基面顶端风速加快，将风积沙吹走，降低了沉积的可能性;90°及60°风向下，结果相似，输沙堤背风侧风积沙有所增加，但不明显。

(3)输沙堤迎风侧表面植被覆盖较稀疏

与表面覆盖有茂密植被的输沙堤，试验结果几乎相同。

因此，设计中采用了适中植被的输沙堤，但由于一些区域缺水，植物无法成活(成活困难)或者成本较高，植被可采用稻草等其他材料代替植被。

以上充分说明了采用输沙体系进行风沙防治要充分利用路基本体的横断面形式，结合输沙堤、积沙沟槽等措施，利用适当的材料，防护形式等，以保证风沙顺利通过路基本体、风沙沉积在路基本体外。

4.2 积沙计算

依据CFD模拟结果，风沙在输沙体系不同区域沉积量见表2。

表2 防沙体系不同区域沉积量

如上所述，输沙体系效率可达80%，剩余20%沙沉积在道床上。

4.3 推荐的边坡坡率

4.3.1 路堤采用的边坡坡度

当路堤边坡较陡(1∶1.75～1∶2)，气流受路堤阻挡作用明显，在路堤迎风侧产生高压区，边坡下部的风速减小，上部增大，在路肩上部达到最高值，然后扩散，从路堤中心开始减速，至路堤背风侧形成低速区(图6)。

图6 路堤风速增减率(%)等值线图

显然，在路堤高度确定的情况下，应尽量采用缓边坡路堤通过。

4.3.2 路堑

如果边坡坡率缓于1∶4，气流流线比较平顺，且产生滑移冲力，可将大部分沙粒输送至迎风侧堑顶以外，但受路基上部道砟及轨道的阻挡，使部分沙粒沉积在道床两侧与道床中心。

边坡坡率愈陡，边坡高度愈高，风速降低愈多。当边坡高2～3 m，边坡坡率1∶0.75，背风侧坡脚30 cm高的风速比远方2 m高的风速降低80%。

所以，路堑地段应尽量以敞开式、缓边坡通过。

路堑采用路堤式路堑形式，其边坡坡度见表3。

4.4 由无砟轨道代替有砟轨道

对于沙漠丘陵区风沙危害严重段落，由于风沙的20%将落在道床区，大量风沙进入道床后造成碎石道床的严重污染，使得道床消化吸收车辆振动荷载的能力大大降低，进而将影响钢轨的使用寿命、加剧基床结构的病害产生。更为甚者，清筛、清洗碎石道床等维修养护频率将大大增加，运营期间养护费用增加，因此，在风沙危害严重段落采用无砟轨道代替有砟轨道，尽管增加了初期建设投资，但大大降低了运营期间的路基病害及养护维修工作，在保证铁路正常运营的同时，节省了大量的养护费用。

表3 边坡坡度

据不完全统计，对于风沙危害等级较高段落，“采用无砟轨道的建设费用+运营期间养护费用”与“采用无砟轨道的建设费用+运营期间养护费用”相比较，大约运营10～15年后费用相当。

综上所述，在风沙危害等级较高段落采用无砟轨道是一种有效地防治风沙危害的措施。

4.5 防护路肩

采用坚硬、抗腐蚀、平滑圆顺的路肩形式可增加风速，提高风沙的通过能力。本项目采用混凝土路肩，加速风沙的通过能力。

4.6 路基边坡防护形式

路基边坡采用黏土、卵石土包坡可增加风速，降低风沙沉积的可能性。

结合项目特点，就地取材，本项目采用卵石土包坡，加速风积沙的通过能力。

5 风沙效果评估

通过输沙量计算，输沙体系效率可达80%，剩余20%落在道床区，这大约是2.3 t/年/m;据统计最多有50%的风沙沉积在道砟上。假如维修工人可以通过维修工具清除道砟以上20～50 mm的沉积沙，那么大约有10%的风积沙和铁路日常的运营道渣碎屑进入道渣空隙。大约0.1 t/年/m风积沙进入道砟，即占道砟体积的2.8%，满足设计要求的10年含沙体积占道砟体积30%。其余风积沙可通过清扫等养护措施处理。