青藏铁路巴索曲特大桥沙害形成原因分析

李良英, 石 龙, 蒋富强,薛春晓,李晓军,

(1.兰州交通大学 土木工程学院，甘肃 兰州 730070；2.中铁西北科学研究院有限公司，甘肃 兰州 730000)

青藏铁路是世界上海拔最高、线路最长的高原铁路，沿线穿越戈壁荒漠、沼泽湿地、雪山草原等多种不同地貌单元，自然环境有原始、独特、敏感、脆弱的特点。青藏铁路海拔4 000 m以上地段达965 km，最高点海拔5 072 m(唐古拉山口)，全线总里程1 956 km。

由于其独特的地理环境，青藏铁路自通车以来，高原风沙流就时常侵袭铁路，轻则污染道床，重则掩埋钢轨，给铁路运营带来安全隐患。针对青藏铁路部分路段沙害日益严重的现状，我国科技人员一方面借鉴其他风沙线路沙害防治技术，另一方面通过现场监测、风洞试验、数值模拟等手段，从风沙灾害特点[1-3]、防沙措施效益评价[4-7]、路基沙害形成机理[8-9]等方面对青藏铁路沙害防治进行研究，并取得一定成果，为青藏铁路安全营运提供可靠的技术支持。但桥梁沙害形成机理方面的研究较少见，忽视沙害对桥梁的影响导致青藏铁路巴索曲特大桥下积沙严重，河道阻塞，严重影响其排洪功能，直接威胁列车的安全运营。因此，有必要对巴索曲特大桥沙害形成机理进行研究。

本文通过现场调查，结合数值模拟手段，揭示巴索曲特大桥沙害形成原因，并提出相关建议，可为其他风沙地区铁路建设提供借鉴。

1 工程概况

巴索曲特大桥位于西藏自治区北部安多县措那湖东岸，海拔约4 800 m，周围为山前冲洪积平原，地形开阔，微向东南倾斜。错那湖附近小湖泊及条带状湿地分布广泛，地表草皮发育，覆盖率60%～90%，北部湖积平原发育，东岸分布有流动沙丘，宽度约13 km。

该区属高寒半湿润季风气候，年平均气温-2.9℃，最热月(7月)平均气温23.3℃，最冷月(1月)平均气温-36.7 ℃。年平均降水量417.5 mm(80%集中在6～9月)，年降水量最大值604.6 mm(1971年)，年降水量最小值292.3 mm(1972年)，年平均蒸发量1 782.9 mm。该区主要盛行风向WSW(2～3月)和NE、NNE(其他月份)，年平均风速4.3 m/s，年平均大风日数147.1 d。定时最大风速35.0 m/s，风向WSW(1976年2月)；瞬时最大风速38.0 m/s，风向W(1977年1月)。安多县多年年最大风速平均值为27.18 m/s，相对应的风向(频率)为WSW(65.14%)、W(26.19%)和WNW(7.17%)，主要出现在1～3月和11～12月。

2 沙害形成机理

风沙流是气流携沙的运动物理过程。当风速大于起动风速时，松散在地表上的固体颗粒被气流搬运，形成风沙流，对地表产生风蚀；当风沙流遇到障碍物时，过流断面发生变化，气流能量减小，携沙能力降低，形成风积沙。巴索曲特大桥沙害就是由于大桥改变了其周围原有的风沙流场，形成了典型的风积沙害。由于风沙运动形成主要依靠气流与沙粒的相互作用，所以本文着重从沙物质来源与风场变化两方面分析巴索曲特大桥风积沙害的形成原因。巴索曲特大桥两侧积沙情况如图1所示。

(a)大桥东侧

(b)大桥西侧图1 巴索曲特大桥两侧积沙情况

2.1 沙物质来源

沙物质主要来源于湖滨沉积物、巴索曲及桑曲冲积物、湖岸边大片固定沙丘及岩石风化物。地表出露的湖相沉积物主要分布在错那湖的边缘，包括湖滨相砂、砾石和湖相砂、黏土层，湖泊沉积物海拔高度4 585～4 588 m，湖泊南缘可见夹含螺壳化石的灰白色粉砂层和黏土层，它们构成了湖泊第一级阶地。该阶地在湖泊周缘分布比较连续，其后缘形成湖蚀陡坎，延至湖泊南岸逐渐过渡为错那湖与嘎弄湖之间的湖间砂坝或砂堤。河流沉积主要包括洪积物和冲积物，洪积物主要分布在安多谷地南、北两侧的山麓地带，向谷地中心方向，洪积物逐渐相变为巴索曲及桑曲冲积物。大片的固定沙丘主要分布在错那湖滨，由于严重的风蚀逐步演变为活化固定沙丘，这些沙丘从巴索曲特大桥南侧断续延伸至北桑曲特大桥东侧，总长度7.5 km，宽度50～300 m，沙丘顶部植被覆盖良好，侧面风蚀严重，形成陡坎。岩石风化产物主要分布在铁路东侧山坡出露上古生界花岗片麻岩上，表层风化严重。

对北桑曲特大桥南侧与巴索曲特大桥南侧两个地层剖面分析，粒度从上到下(0～2.5 m)差别较小。北桑曲特大桥南侧沙物质相对较细，细砂在60%以上，极细砂含量约30%，中砂较少，不含粗砂。活化沙丘的颗粒组成为：微砂67.63%，细砂28.82%，粉砂1.60%，中砂1.40%，微粗砂约0.53%。由于有山坡粗粒岩石风化产物混入，巴索曲特大桥东侧有一定比例的粗砂和极粗砂，总体以细砂为主，含量在50%以上。巴索曲及桑曲冲积物，粒度范围较宽，粒径含量从高到低依次为细砂34.82%、中砂33.99%、粗砂26.17%、微砂4.08%、极粗砂0.29%。岩石风化物中的颗粒较粗，一般呈灰白色，与湖滨沙丘的沙有一定差异。

由于该区域风力强劲、沙源丰富，在风力与水力作用下，风沙活动强烈，导致巴索曲流域的低山丘陵上形成大片流动沙丘。这些沙物质在雨季经雨水与河水的搬运沉积到错那湖东岸湖滨滩地，成为新的沙源。大桥东侧山坡出露上古生界花岗片麻岩，表层风化严重，风化物中的细颗粒被地表水搬运沉积到巴索曲河谷中，雨季经河水搬运再沉积至错那湖东岸，风季又经风力搬运堆积在山前平原、巴索曲河谷及缓坡地带。巴索曲河谷及缓坡地带的风积沙受地表水及河水的冲刷、搬运，使错那湖东岸沙源得到补充。因此，本段风沙流活动具有循环性特点。

由于河漫滩太宽，堆积了大量的沙，为风沙活动提供了丰富的沙源，在风力作用下很容易形成风沙流。遇到梁体后，风沙流平衡状态改变，沙粒沉积在大桥两侧，阻塞河道，影响河道的排洪功能。

2.2 巴索曲特大桥周围风场的改变

为掌握大桥对其周围风沙流场的影响，本文借助数值模拟手段对其周围流场进行仿真分析。

2.2.1 模型中流体的压缩性

根据密度是否为定值，可以将流体分为可压缩流体与不可压缩流体。当密度为定值时，流体为不可压流体，反之，称之为可压流体。在某些数值计算中，可以根据空气动力学近似公式计算密度随速度的变化是否可以忽略，来区分流体的压缩性。

(1)

(2)

T=273+t

(3)

式中：v为当地风速，m/s；c为声音在空气中的传播速度，m/s；ρ0为静止时空气密度，kg/m3；T为热力学温度，K；t为摄氏温度，℃；比热比γ=1.4；空气常数R=287 m2/s2。

本文模型中流体的速度v=10～30 m/s，温度t=20 ℃，根据式(1)～式(3)可知密度比：ρ/ρ0=0.996 2～0.999 6，与静止流体相比密度减小0.04%～0.38%，速度对密度的影响可以忽略。因此，本文模型中流体按照不可压缩流体处理。

2.2.2 模型建立

为避免桥梁背风侧涡旋流对出口边界条件的影响，通过试算，模型计算域尺寸取为100 m×15 m×10 m。巴索曲特大桥为标准简支T梁，梁高1.90 m，顶面宽3.90 m，人行道板宽1.05 m，梁底净空2.0 m。为提高网格划分的质量，简化了仿真模型中梁体部分局部形状。

本文所建模型较复杂，为提高工作效率，基于ICEMCFD软件对计算域进行非结构自动体网格划分。网格划分类型Tetra/Mixed，边界层采用Robust(octree)，网格单元总数超过1 000 000。

2.2.3 控制方程

连续性方程

(4)

动量方程

(5)

(6)

(7)

式中：ux、uy、uz为速度u在x、y、z轴方向上的速度分量；ρ为气流密度；p为流体微元体上的压强；τxx等是因分子黏性作用而产生的作用在微元体表面黏性应力τ的分量；g为重力加速度。

2.2.4 波动指数

当气流途经障碍物时，过流断面发生变化，能量重新分布，导致气流速度分区域增大或减小。为方便分析梁体对其周围气流速度的扰动程度，本文引入气流波动指数，指流场中气流速度与来流速度的比值，即

(8)

式中：u∞为来流速度；ux为测点速度。

2.2.5 结果分析

为掌握梁体对其周围风场的影响，从梁体周围气流速度分布特征、梁体净空以及梁体类型三个方面进行分析。

2.2.5.1 气流速度分布特征

为掌握不同风速工况下梁体周围气流速度分布特征，以来流风速u∞分别取10、20、30 m/s，梁底净空高度H=2 m为例进行仿真分析。

图2为梁体周围气流速度分布等值线。从图2可以看出，不同来流风速下梁体周围气流速度分布形态基本一致，气流形成分区，大致可分为气流高速区(梁体上方约2～4 m)、加速区(梁体下方)、紊流区(梁体上方约0～2 m、梁体内侧、背风侧约0～8 m)、减速区(迎风侧约0～5 m)和局部低速区(A、B处)。通过对比分析，随着来流速度的增大，高速区、紊流区、加速区在逐渐增大，梁体背风侧局部低速区逐渐向下风向移动，有与紊流区连成一体的趋势。

(a)u∞=10 m/s

(b)u∞=20 m/s

(c)u∞=30 m/s图2 简支梁梁体周围气流速度分布等值线图

不同来流风速工况下简支梁不同位置的气流波动指数如图3所示。从图3可以看出，来流风速对迎风侧气流波动指数影响较小，对背风侧及梁底气流波动指数影响较大。随着风速的增大，气流加强区范围、衰减区范围和谷值与纵轴线的距离都有增大趋势，而谷值呈递减趋势，峰值变化不明显。说明随着来流风速的增大，梁体对背风侧及梁底气流的扰动程度逐渐增大，对迎风侧气流扰动不大。

以上分析表明，桥梁两侧积沙的主要原因在于梁体改变了其周围的风沙流场，破坏了风沙流的平衡状态，导致部分区域风速减小，气流携沙能力降低，沙粒沉积在梁体两侧。迎风侧积沙来自局部低速区A处和减速区的沙粒沉积，背风侧积沙来自局部低速区B处和紊流区的沙粒沉积。研究表明，风沙流中大部分沙粒在近地表约50 cm以下范围内运动，所以桥梁两侧积沙主要原因是局部低速区气流速度的降低。且来流风速越大，梁体对风沙流的平衡状态影响越大，沙粒越容易沉积在桥梁两侧。

(a)h=0.2 m

注：h为距床面高度。图3 不同来流风速工况下简支梁的气流波动指数

2.2.5.2 桥下净空

过流断面决定穿越该区域气流速度的大小，一定程度上影响着沙粒在桥梁两侧的沉积形态与沉积量。桥下净空直接决定梁底过流断面的大小，为掌握桥下净空对梁体周围流场的影响程度，以来流风速u∞=20 m/s，桥下净空H分别取2、3、4、5 m为例进行仿真分析。不同梁底净空工况下气流速度分布和简支梁不同位置气流波动指数如图4、图5所示。

从图4可以看出，随着桥下净空的逐渐增大，局部低速区逐渐减小，桥下净空达到某一高度后局部低速区基本消失。从图5可以看出，桥下净空越小，气流波动指数变化幅度越大，相反，桥下净空越大，气流波动指数变化幅度越小，说明随着桥下净空的增大，梁体对近地表气流的扰动程度逐渐变小。

(a)H=2 m

(b)H=3 m

(c)H=4 m

(d)H=5 m注：H为桥下净空。图4 不同桥下净空工况下简支梁气流速度分布等值线

注：h为距床面高度。图5 不同桥下净空工况下简支梁的气流波动指数

以上分析表明，桥下净空对桥下两侧积沙有较大影响，桥梁净空越小，梁底气流速度的增幅越大，梁底越不易积沙，但桥梁两侧气流速度的衰减幅度也越大，导致桥梁两侧越容易积沙；桥下净空高度越大时，气流速度变化幅度也较小，达到某一高度后气流波动指数趋近于1，此时梁体对风沙流平衡状态基本没有影响，即风沙流能够顺利通过梁底，不会在桥梁两侧形成积沙。

2.2.5.3 梁体类型

由于简支梁与箱梁横截面不同，风沙流途经梁体时，流场产生差异，导致桥梁两侧积沙形态和积沙量不同。为掌握不同梁体截面对周围气流场的影响，本文以来流风速u∞=30 m/s、桥下净空H=2 m为例进行数值仿真分析。不同梁体类型桥梁周围气流速度分布和气流波动指数如图6、图7所示。

从图6可以看出，同等条件下，与简支梁相比，箱梁不仅梁底加速区范围更大，同时局部低速区B距梁体的距离更远。从图7可以看出，距床面同等高度处，与简支梁相比，在桥梁迎风侧与背风侧低速区，箱梁的波动指数衰减幅度较小，梁底加速区箱梁波动指数增幅范围更大。

以上分析表明，同等条件下，箱梁两侧更不易积沙，同时背风侧的积沙区域距梁体更远。在桥下净空设计不合理的情况下，与箱梁相比，简支梁两侧更容易形成积沙，清沙周期越短，防护费用越高，经济损失越大。

(b)箱梁图6 不同梁体类型周围气流速度分布等值线

注：1.XL、JZ分别代表箱梁和简支梁；2.h为距床面高度。图7 不同梁体类型周围气流波动指数

3 结论

(1)气流途经梁体时，其速度重新分布，大致可分为气流高速区、加速区、紊流区、减速区和局部低速区。随着来流速度的增大，高速区、紊流区、加速区范围逐渐增大，梁体背风侧局部低速区逐渐向下风向移动，有与紊流区连成一体的趋势。

(2)桥下净空越小，梁底气流速度的增幅越大，梁底越不易积沙，但桥梁两侧气流速度的衰减幅度也越大，导致桥梁两侧越容易积沙；桥下净空越大，气流速度变化幅度越小，桥下净空达到某一高度后气流波动指数趋近于1，此时梁体对风沙流平衡状态基本无影响，即风沙流能够顺利通过梁底，不会在桥梁两侧形成积沙。

(3)同等条件下，箱梁两侧更不易积沙，同时背风侧的积沙区域距梁体更远。在梁体净空设计不合理的情况下，与箱梁相比，简支梁更容易形成沙害，清沙周期越短，防护费用越高，经济损失越大。

(4)在设计风沙地区铁路前，建议详细考察当地风沙流特征，合理设计梁底净空，使风沙流能顺利通过梁底，消除桥梁风积沙害。

参考文献：

[1]张克存， 屈建军， 姚正毅，等.青藏铁路格拉段风沙危害及其防治[J]. 干旱区地理，2014，37(1)：74-80.

ZHANG Kecun，QU Jianjun，YAO Zhengyi，et al.Sand Damage and Its Control along the Golha Section of the Qinghai-Tibet Railway[J].Arid Land Geography，2014，37(1)：74-80.

[2]李顺平，蒋富强，薛春晓，等.青藏铁路格拉段沙害现场调查及防治研究[J].铁道工程学报，2014(5)：1-6.

LI Shunping，JIANG Fuqiang，XUE Chunxiao，et al.Field Investigation of Sand Disaster and Prevention Research in the Golmud-Lhasa Section of Qinghai-Tibet Railway[J]. Journal of Railway Engineering Society，2014(5)：1-6.

[3]安志山，张克存，屈建军，等.青藏铁路沿线风沙灾害特点及成因分析[J].水土保持研究，2014，21(2):285-289.

AN Zhishan，ZHANG Kecun，QU Jianjun，et al. Sand Hazard Characteristics and Genetic Analysis along the Qinghai-Tibet Railway[J].Research of Soil and Water Conservation，2014，21(2):285-289.

[4]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. Status of Aeolian-Sand Disaster and Estimation of Mechanical Sand-controlling Benefit at Typical Sections of Qinghai-Tibet Railway[J].Journal of Desert Research， 2009，29(4): 596-603.

[5]薛智德，刘世海，许兆义，等.青藏铁路措那湖沿岸防风固沙工程效益[J].北京林业大学学报，2010， 32(6)：61-65.

XUE Zhide，LIU Shihai，XU Zhaoyi，et al .Efficiency of Wind Erosion Control Measures along Cuona Labe on Qinghai-Tibet Railway[J].Journal of Beijing Forestry University，2010， 32(6)：61-65.

[6]张克存, 屈建军, 牛清河，等.青藏铁路沿线阻沙栅栏防护机理及其效应分析[J].中国沙漠，2011，31(1):16-20.

ZHANG Kecun，QU Jianjun，NIU Qinghe，et al.Protective Mechanism and Efficiency of Sand-blocking Fences along Qinghai-Tibet Railway[J]. Journal of Desert Research，2011，31(1):16-20.

[7]刘世海，冯玲正，许兆义.青藏铁路格拉段高立式沙障防风固沙效果研究[J]. 铁道学报，2010，32(1)：133-136.

LIU Shihai，FENG Lingzheng，XU Zhaoyi. Study on Effect of Wind Erosion Controlling in the Geerm-Lahsa Section of the Qinghai-Tibet Railway[J]. Journal of the China Railway Society，2010，32(1)：133-136.

[8]张克存，牛清河，屈建军，等.青藏铁路沱沱河路段流场特征及沙害形成机理[J].干旱区研究，2012，27(2)：303-308.

ZHANG Kecun，NIU Qinghe，QU Jianjun，et al.Study on the Characteristics of Flow Field and the Mechanism of Wind-blown Sand Disasters in the Tuotuohe Region along the Qighai-Tibet Railway[J]. Arid Zone Research，2010，27(2)：303-308.

[9]石龙，蒋富强，韩峰.风沙两相流对铁路路堤响应规律的数值模拟研究[J].铁道学报，2014，36(5)：82-87.

SHI Long, JIANG Fuqiang, HAN Feng. Numerical Simulation of Response Law of Wind-blown Sand Flow around the Railway Embankment[J]. Journal of the China Railway Society，2014，36(5)：82-87.