南疆戈壁区HDPE板沙障风沙防护机理及效果评价

2019-06-04李凯崇丁录胜魏永杰孔令伟

中国铁道科学 2019年3期

李凯崇，周沁，丁录胜，魏永杰，孔令伟

(1.中铁西北科学研究院有限公司技术中心，甘肃兰州 730000；2.中国铁路乌鲁木齐局集团有限公司格库铁路新疆建设指挥部，新疆库尔勒 841000；3.新疆铁道勘察设计院有限公司地路处，新疆乌鲁木齐 830011)

新疆地处亚欧腹地，是我国内陆干旱区的典型代表。特殊的气候环境和地理特征，使得新疆成为我国风沙地貌分布面积最广、沙丘类型最为复杂多变的省份之一[1-2]。格库铁路西起新疆南疆重镇库尔勒市，沿塔里木盆地南下，经若羌、翻越阿尔金山脉至柴达木盆地南缘进入昆仑山麓至青海格尔木市，全长1 214.6 km。格库铁路新疆段线路全长708 km，其中风沙段累计401 km，占线路全长的56.6%。风沙段整体地形平坦、地势开阔略有起伏，沿线风沙地貌主要为戈壁荒漠、流动沙丘、固定半固定沙丘、风蚀残丘等，风沙灾害十分严重[3-4]。

铁路风沙灾害防护措施按性质差异可分为生物治沙和工程治沙两类，其中工程措施作为风沙防护体系的先导工程，为后期永久性生物防护或铁路的短期安全运营提供了技术保障[5]。目前常用的工程阻沙措施主要有高立式沙障、挡沙堤、截沙沟等，其中以透风式高立式沙障的阻沙效果最优[6]。根据沙障材料的差异，阻沙措施又可分为混凝土挡沙墙、植物枝条(秸秆)沙障、化工合成材料沙障等。混凝土挡沙墙具有原材料广泛、耐久性强等优点；但其缺点是造价过高，且为刚性结构，风沙防护效果略差。植物枝条(秸秆)沙障具有造价低廉、取材环保等优点；但缺点是原材料较为匮乏，受当地农业条件限制较大。化工合成材料沙障作为一种新的人工材料，具有耐热(寒)性强、化学稳定性好、施工便捷等优点，被广泛地应用于各种大型工程中；但其抗老化性和耐久性一直是制约其推广的关键因素。HDPE板作为一种新型化工合成防沙材料，主要针对现有防沙材料的不足，在抗老化性和耐久性等方面有了大幅度提升。

本文依托格库铁路风沙防护工程，对HDPE板沙障风沙防护机理及效果开展研究。

1 风洞试验

试验是在中国科学院寒旱所敦煌戈壁荒漠研究站野外环境风洞中完成的。风洞全长11 m，由动力段、过渡段、整流段、收缩段和试验段组成，风洞横断面为0.6 m×0.6 m,试验风速为0～16 m·s-1。风洞中的梯度风速采用比托管测定，测定高度为0.4，0.6，1.2，2，4，8，12，16和20 cm；积沙采用台阶式积沙仪测定，仪器高20 cm，连续分布有10个2 cm×2 cm的进沙口，下部为积沙管。

试验模型为铁路防沙新材料HDPE板沙障，按照1∶10的比例制备，孔隙率为46%，墙体高度20 cm。流场试验中，选取8，12和16 m·s-1共3组来流风速，分别测定沙障前1H，3H，5H，10H，障后0.5H，1H，3H，5H，7.5H，10H，15H，20H，25H(H为沙障模型的高度)处的流速，采集周期为1 s，采集时间为30 s。阻沙率测定试验中，来流风速选择12和16 m·s-1，沙源为敦煌鸣沙山的沙粒，积沙仪布设在沙障前9H(双排时4H)和障后7.5H处，测试时间分别为3和1 min。

2 现场测试

2.1 工点概况

本研究的现场试验工点位于格库铁路新疆段的米兰地区，为典型的戈壁风沙流地段。地貌为塔里木盆地山前冲、洪积倾斜平原区，相对高差1～10 m，地表植被稀疏，风沙流作用显著。区内气候分区属暖温带大陆性荒漠干旱气候，年平均温度11.8 ℃，极端最高温度43.6 ℃，年平均降水量28.5 mm，年平均蒸发量2 920.2 mm；年平均风速2.7 m·s-1，极端最大风速≥40 m·s-1。

2.2 试验方法

通过在2 m高的HDPE板沙障周边关键位置布设1 m高的集沙仪，动态记录某一时间段内近地表位置风沙流中沙物质的质量，计算不同位置处的输沙率和沙障的阻沙效果等。风沙监测仪器布设如图1所示。

图1 沙障前后集沙仪布设示意图

3 分析及讨论

3.1 沙障周边流场分布

风沙流是风力搬运沙物质的一种近地表运动，是风沙地貌形成和发展的主要动力[7]。掌握近地表的气流运动形式，对于判断沙质地表的蚀积变化状态，评价沙障的防护效果具有十分重要的意义[8]。图2为野外风洞中不同来流风速下HDPE板沙障前后的流场分布图(注：0为阻沙措施所在位置，气流运动方向为从左向右)，从图2可以看出：气流在前进过程中受沙障影响，在沙障前后出现了一定的波动，尤其是沙障后，出现了明显的低速区，气流运动速度明显低于起沙风速，为过境风沙流的沙物质沉降堆积区。分析图中不同水平位置风速的变化情况可得，在障前随着过境气流与沙障水平距离的减小，风速显现出了缓慢降低的趋势；在障后流场的分布情况与障前相比，也呈现了降低的趋势，但是二者变化曲线存在明显的差异。对比二者，发现障前气流受沙障自身影响较小，气流在靠近沙障过程中，速度降低的幅度较为平缓，风速在障前1H处才呈现明显的降低；而在障后0.5H～10H范围内，不同来流下的风速降低幅度都较大，8 cm高度处HDPE板沙障最大风力消减率可达94.4%，风力最小值出现在障后5H左右。说明障后的0.5H～10H范围，基本为HDPE板沙障的绝对低速区，在此范围内，风速通常都会低于起沙风速，是沙障的典型积沙区之一。

图2 HDPE板沙障前后的流场分布(测试高度为8 cm)

3.2 沙障阻沙效果

阻沙率是指过境风沙流经沙障阻挡净化后，气流中被消减的沙质量占原始来流沙量质量的百分比，用η表示。它与沙障高度和风速有关，是评价阻沙措施风沙防护效果的关键指标之一。

(1)

式中：m0为障前来流中的携沙量， g；m1为经过沙障后气流中的携沙量， g；η为挡沙墙的阻沙率，%。

图3为野外风洞中不同来流风速下HDPE板沙障的阻沙率分布图。从图3可以看出，HDPE板沙障起到了较好的风沙流净化效果；12 m·s-1来流风速下，沙障高度范围内的总阻沙率可达到71.13%；在16 m·s-1来流风速下，总阻沙率依然可达70.31%。分析不同沙障高度处阻沙率的分布情况可以看出，在沙障高度范围内，阻沙率呈现一定的正态分布，在8～10 cm范围内，阻沙率达到了最大值，而在地表和沙障顶部阻沙率则明显变小。说明在风洞中，受试验条件和边界效应影响，风沙流中的沙物质在试验区大多都以跃移形式运动，在8～10 cm高度区间内呈现集中分布区，致使阻沙率随高度呈现一定的正态分布；而在18～20 cm处，由于受沙障压缩气流影响，在沙障顶部出现一个明显的加速区，致使此处障后的风速有所增大，风沙流中携带的沙物质出现调整，呈现了少量的增加，故而出现障后沙物质多于障前沙物质的现象。

图3 HDPE板沙障不同高度的阻沙率

3.3 不同布设间距对阻沙效果的影响

阻沙措施能够通过改变近地面流场来实现地表沙物质的堆积、搬运等现象，形成了不同的风沙地貌[9-10]。阻沙措施间的布设距离是影响风沙防护体系的一个重要因素，沙障排间距过大，防沙体系的整体防沙效果会削弱；间距过小，所布设的阻沙措施防沙能力又不能充分发挥，造成一定的浪费。

图4为HDPE板沙障不同布设间距整体阻沙率对比。从图4可以看出，随着风速的增大，沙障的整体阻沙率呈现了一定的降低趋势。在12 m·s-1的来流风速下，当沙障的布设间距在5H～10H区间段内时，体系的累计阻沙率差异不大；但当布设间距增大到15H后，累计阻沙率呈现了一定的下降趋势，但整体变化趋势不显著。当风速为16 m·s-1时，其整体变化趋势与12 m·s-1的变化情况类似，但是三者之间的差距明显变小；说明在短时间内，沙障间距的变化对阻沙率影响不大，但是随着距离的进一步增大，风沙流会在沙障中间的空留带获得沙源补给，致使整体阻沙效果变差，所以建议在戈壁荒漠地区HDPE板阻沙措施的布设间距以15H～20H为宜。

图4 HDPE板沙障不同布设间距阻沙率对比

3.4 现场防护效果验证

在新建格库铁路DK732+905—DK733+578戈壁风沙流地段，根据风沙流结构特征，现场采用了阻固结合的风沙防护模式。在主风向侧，前沿阻沙措施采用了2道2 m高的HDPE板阻沙措施，布设间距为40 m；在阻沙措施和路基之间布设了40 m宽的4 m×4 m×0.8 m中立式芦苇大方格固沙带。现场试验监测时的风向为NNE，与线路走向的夹角约为60°。通过现场定位监测发现，风沙流经过2道HDPE板阻沙措施后，气流中的输沙率由原始的0.65 g·m-2·s-1下降至0.005 8 g·m-2·s-1，下降幅度超过99%，说明过境风沙流中的沙物质基本都被阻沙措施所拦截，阻沙措施防护效果非常显著。图5为DK732+905—DK733+578试验段累计阻沙率沿体系断面变化。从图5可以看出，HDPE板沙障起到了良好的风沙防护效果，虽然受监测设备采集率影响，体系内不同位置的阻沙率存在一定的波动，但是阻沙措施的整体阻沙率都在93%以上，风沙防护效果良好。