风沙流对青藏铁路路基影响的研究

张亚宾刘文晓

（1甘肃建筑职业技术学院，甘肃 兰州 730050；2包头铁道职业技术学院，内蒙古 包头 014060）

风沙流对青藏铁路路基影响的研究

张亚宾1刘文晓2

（1甘肃建筑职业技术学院，甘肃 兰州 730050；2包头铁道职业技术学院，内蒙古 包头 014060）

针对青藏铁路沙害问题，通过对青藏铁路路基进行观察研究，分析风沙流对路基产生的影响，结果表明：路基的路肩部位风蚀现象明显而坡脚处积沙现象明显；由于背风侧存在涡旋气流，导致背风侧积沙量比迎风侧积沙量少；青藏铁路轨道结构的沙埋现象并不发生在风力最强的时候，而是在弱风季节及多风向季节。

青藏铁路；风沙流；路基；积沙

1 引 言

我国有将近1万公里铁路线路受到风沙灾害的威胁。其中最具代表性的是包兰铁路，其治沙首创的“五带一体”治沙防沙体系也成为我国铁路防沙的典范工程。后建成的青藏铁路、喀和铁路、太中银铁路、以及兰新二线等铁路线均存在严重的沙害问题，所以我国学者对线路防沙也越来越重视：张克存等[1]对青藏铁路沱沱河段路基进行风洞模拟，发现气流经过路基时形成遇阻抬升区、集流加速区、减速沉降区以及消散恢复区。赵秀峰[2]研究了青藏公路风沙灾害，分析了风沙堆积的成因及影响。李驰[3]等利用FLENT研究了沙漠公路的风蚀破坏，分析路基高度、坡度和宽度等对风沙流的影响。张军平等[4]对兰新铁路路基研究后发现：迎风侧路肩上方产生风蚀现象，坡脚处产生积沙。本文主要结合青藏高原风沙灾害，探讨青藏铁路风沙流对铁路路基的影响，为青藏铁路沙害治理提供支持。

2 风沙流对路基的影响

2.1 基本原理

铁路风沙病害可分为风蚀和积沙。地表松散物质被风力带走的现象是风蚀；被风力带走的颗粒物遇到阻挡物或风力减弱后沉积形成积沙。起沙风速是沙颗粒由静止状态进入运动状态的风速临界值。铁路路基产生风沙灾害的基本原理是：当作用于路基的风力达到该处的起沙风速后，路基表面上的松散物质被风带走，产生路基风蚀现象，随风蚀产生并加强的风沙流裹挟大量颗粒物，不断冲击路基表面，使路基表面产生松动，大量因风沙流冲击而松动的颗粒物会随之纳入风沙流，进而加剧风沙流的冲击力，此过程反复作用，最终不断加剧路基风蚀现象；另一方面，路基又是风沙流运动的障碍物，风沙流经过路基时会降低速度，甚至会沿线路产生气流旋涡，损失其前进动力，致使风沙流所携沙颗粒沿线路沉积，产生线路积沙现象。所以从现场来看，路基的路肩部位风蚀现象明显而坡脚处积沙现象明显。

2.2 风沙流变化特征

风沙流经过路基时气流速度会发生变化，根据气流速度的不同进行分区，在迎风侧坡脚形成气流减速区，在迎风侧坡面形成加速区，在迎风侧路肩形成高速区，在路堤顶面形成低速区，在背风侧形成紊流区。

气流低速区范围较大，积沙量也较大。理论上背风侧低速区范围比迎风侧低速区范围大，即背风侧积沙量比迎风侧积沙量要大。但实际上，由于背风侧存在涡旋气流，部分沉积在背风侧的沙粒被涡旋气流带离，导致背风侧积沙量比迎风侧积沙量少。

路基背风侧是紊流区，存在不同的气流涡旋，故而风沙流运动较为复杂。风沙流经过背风侧时，已沉积在背风侧的部分沙粒被卷入气流，随涡旋气流运动，在重力作用下，卷入涡旋气流的沙粒又沉积在背风侧；同时还有少部分沉积在背风侧的沙粒会随上升气流进入气流的主流区，离开路基坡脚。

2.3 风速对路基积沙的影响

风力是沙粒发生移动的动力条件，当风速大于沙粒的起沙风速时，沙粒开始移动。风沙流遇到路基阻挡后速度降低，当风速降低不足以让沙粒继续移动时，沙粒便会沉积形成积沙。一般情况下，随着风速的增大，迎风侧坡脚的积沙量逐渐减少，背风侧坡脚的积沙量变化不大，其原因是，当初始风速较高时，虽然风沙流通过路基时气流速度和沙粒速度都会降低，但迎风坡侧脚附近的风速仍大于沙粒的启动速度，故只有少部分紧贴地面的沙粒沉积在坡脚，而大部分沙粒则会沿着路基坡面向上移动；若初始风速较小，风沙流通过路基时速度降低，小于沙粒的启动速度，则大部分沙粒沉积在坡脚形成积沙。

3 风沙流对青藏铁路路基的影响

3.1 风沙流的积沙作用

青藏铁路沿线冬季受西风影响显著，风力持久强劲。当风沙流运行至铁路路基时，由于铁路路基的阻挡，风沙流在抬升的同时，部分能量产生损耗，贴地风沙流风速降低，部分沙粒沉积在路基迎风侧坡脚处，形成积沙，铁路路基的修建阻碍了风沙流运行轨迹，风沙易于沉积于铁路路基两侧。堆积在铁路路基迎风侧坡脚的积沙，极易在弱风作用下搬运至道床，危及线路安全。

青藏高原风季集中在冬春两季，大量沙颗粒被大风搬运至铁路路基附近，由于风力强劲，大部分风沙流处于不饱和状态，经过路基迎风侧时，沙埋现象并不显著；风沙流遇阻抬升时会在路基顶面形成风速高于起始值2倍以上的强风区；当风沙流越过铁轨进入背风侧紊流区，由于气流涡旋的作用，风沙流携沙能力急剧下降，而风沙流又处于过饱和状态，必然导致大量沙粒沉积在路基背风侧，若之后气流方向发生改变，沉积在路基背风侧的沙粒极易被带入线路轨道结构，因此在风向发生交替变化的季节，轨道结构风沙灾害最为严重。故而青藏铁路轨道结构的沙埋现象并不发生在风力最强的时候，而是强风将沙粒带到铁路沿线形成路基沙埋，在弱风季节及多风向季节，铁路路基处的积沙被带入轨道结构，造成沙埋危害，严重影响行车安全。

3.2 风沙流的风蚀作用

通过对青藏铁路路基进行观测，发现路肩及边坡上部风蚀非常严重，甚至部分路肩被风蚀成浑圆状，部分边坡形成风蚀槽，而且风蚀程度与路基高度及风向与线路的夹角相关，一般情况下，路基高度越高风蚀程度越严重；大风风向与铁路线路的夹角垂直时风蚀最严重。风蚀路肩导致路肩宽度不够，轨枕外露，加之列车运行振动影响，铁路轨道的轨道形位难以保持，危及列车安全运营，甚至造成列车停车事故。

4 结 语

1）路基是风沙流运动的障碍物，风沙流经过路基时速度降低，甚至产生气流旋涡，致使风沙流所携沙颗粒沿线路沉积，产生线路积沙现象。

2）路基背风侧是紊流区，存在不同的气流涡旋，风沙流经过背风侧时，已沉积在背风侧的部分沙粒被卷入气流，一部分卷入涡旋气流的沙粒重新沉积在背风侧；另部分卷入涡旋气流的沙粒会随上升气流进入气流的主流区，离开坡脚。

3）由于背风侧存在涡旋气流，部分沉积在背风侧的沙粒被涡旋气流带离，导致背风侧积沙量比迎风侧积沙量少。

4）青藏铁路轨道结构的沙埋现象并不发生在风力最强的时候，而是在弱风季节及多风向季节，铁路路基处的积沙被带入轨道结构，造成轨道结构沙埋危害。

[1]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，2010,27（2）：303-308．

[2]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．

[3]李驰，高瑜，黄浩．沙漠公路风蚀破坏规律的数值模拟研究[J]．岩土力学，2011,21（1）：642-647

[4]张军平，王引生，蒋富强．兰新铁路戈壁地区路基周围风沙流运动特征数值分析[J]．中国铁道科学，2011，32（4）,14-18

Study on the influence of wind-blown sand on QINGHAI - TIBET railway subgrade

According to the problem of sand hazard in Qinghai-Tibet Railway,through the observation and study of Qinghai-Tibet railway subgrade, analyzinge the influence of sand flow on the roadbed,the results show that the wind erosion phenomenon of the roadside of the subgrade is obvious and the sand at slope foot is obvious．Because of the existence of vortex airflow on the leeward side,the amount of accumulated sand in the leeward side is less than that in the windward side．The sand burial phenomenon of the Qinghai-Tibet railway track structure does not occur when the wind is the strongest,but in the weak wind season and the windy season．

Qinghai-Tibet railway；wind-blown sand；subgrade；sand

U216．413

B

1003-8965(2017)03-0088-02