葛春庚，石 龍，李凱崇

(1.蘭新鐵路新疆有限公司，烏魯木齊 830011；2.中鐵西北科學研究院有限公司，蘭州 730000)

蘭新二線強風地區(qū)防沙措施效益評價

葛春庚1，石 龍2，李凱崇2

(1.蘭新鐵路新疆有限公司，烏魯木齊 830011；2.中鐵西北科學研究院有限公司，蘭州 730000)

基于現(xiàn)場觀測試驗，掌握試驗段全年大風特征，并對不同類型的阻沙措施與固沙措施的防沙效果進行對比分析。結(jié)果表明：百里風區(qū)試驗段的主導風向為NNW，煙墩風區(qū)試驗段的主導風向主要為NE、ENE，分別占全年風向的21%和26%；百里風區(qū)阻沙措施性價比依次為：金屬涂塑網(wǎng)措施>斜插板式擋沙墻>箱式擋沙墻>插板式擋沙墻；煙墩風區(qū)阻沙措施性價比依次為：金屬涂塑網(wǎng)措施>高立式PE網(wǎng)措施>斜插板式擋沙墻>插板式擋沙墻；固沙措施性價比依次為：蘆葦方格>石方格>沙方格；在現(xiàn)場試驗研究的基礎(chǔ)上，綜合考慮工程造價和現(xiàn)場實際情況，建議試驗段阻沙措施采用金屬涂塑網(wǎng)沙障，固沙措施采用石方格沙障。

蘭新二線；強風地區(qū)；防沙措施；效益評價

新建蘭新鐵路第二雙線是亞歐大陸橋快速通道的重要組成部分，正線全長1 776 km，其中新疆境內(nèi)線路長度709.923 km。東起甘新省界，途經(jīng)哈密市、鄯善縣、吐魯番市，西至新疆維吾爾自治區(qū)首府烏魯木齊市。線路沿途通過煙墩風區(qū)、百里風區(qū)、三十里風區(qū)、達坂城風區(qū)、安西風區(qū)五大風區(qū)。新疆境內(nèi)線路通過大風區(qū)長度462.41 km，占新疆段線路總長的64.8%，而風沙路基主要集中于煙墩風區(qū)及百里風區(qū)，線路通過風沙路基工程長度約217 km，占線路長度的30.6%。

新疆鐵路大風地區(qū)內(nèi)自然條件十分惡劣，人煙稀少，多為戈壁荒漠，大風主要有風速高、風期長、季節(jié)性強、風向穩(wěn)定、變化速度快的特點。大風及大風引起的沙害曾多次造成既有蘭新鐵路、南疆鐵路翻車、停輪，給鐵路運輸帶來了巨大的經(jīng)濟損失和嚴重的不良社會影響，蘭新第二雙線列車運行速度高、車體輕，風沙災害對高速鐵路的威脅遠甚于既有鐵路。針對風沙地區(qū)鐵路風沙災害，許多科技工作者通過現(xiàn)場監(jiān)測與室內(nèi)試驗，從風沙流特征[1-5]與防沙措施[6-12]等方面做了大量的研究，取得了不少科研成果，對風沙災害防治工程的結(jié)構(gòu)設計起到了一定的指導作用。但由于戈壁強風地區(qū)地表主要以礫石、粗砂覆蓋物為主，下墊層物質(zhì)條件與普通沙漠地區(qū)不同，這就使得戈壁地區(qū)風沙流運動的力學特性不同于普通沙漠地區(qū)，同時部分措施設計本來就存在一定的缺陷，不能直接應用于蘭新二線防沙工程中。

針對這種情況，選取沙害嚴重的煙墩風區(qū)與百里風區(qū)作為試驗段，對不同類型措施的防沙效果進行了現(xiàn)場監(jiān)測，并結(jié)合工程造價對其性價比進行對比分析，為蘭新二雙線高速鐵路的風沙防治提供相應的技術(shù)支持。

1 試驗段工程概況

百里風區(qū)試驗段位于哈密盆地山前沖、洪積傾斜平原區(qū)，地形較開闊，地勢起伏較小，地面高程650～740 m，其地層主要為：第四系全新統(tǒng)沖、洪積細圓礫土，第三系泥巖、礫巖及砂質(zhì)泥巖夾層。百里風區(qū)屬于中溫帶大陸性干旱氣候區(qū)，氣候干燥，降雨量小，冰凍期長，晝夜溫差變化較大，春、秋多風，夏季短促而炎熱，冬季漫長且嚴寒。年平均降雨量38 mm，最大降雨量99.1 mm，年平均蒸發(fā)量4 803.6 mm，年最大蒸發(fā)量7 914 mm，年平均風速5.8 m/s，最大定時風速46.6 m/s，主導風向為NNW，約占全年風向的31.6%左右，靜風頻率為0.76%(圖1)。

煙墩風區(qū)試驗段位于天山東脈北山山前剝蝕平原區(qū)，地形平坦開闊，地勢略有起伏。多為典型的細砂或粗砂戈壁荒漠地貌，其地層為第四系上更新統(tǒng)-全新統(tǒng)洪積細沙、細圓礫土，第三系古新統(tǒng)-始新統(tǒng)泥巖、砂巖、礫巖。煙墩風區(qū)試驗段屬典型的溫帶大陸性氣候，冬季寒冷干燥，春季多風且冷暖多變，夏季高溫少雨。年降水量平均為33.8 mm，年蒸發(fā)量為3 300 mm，年平均風速4.6～5.9 m/s，定時最大風速27～28 m/s，受地形地貌的影響本試驗段的主導風向主要為NE、ENE，分別占全年風向的21%和26%，靜風頻率為1.36%(圖2)。

圖1 百里風區(qū)風頻玫瑰圖

圖2 煙墩風區(qū)風頻玫瑰圖

2 試驗設計

2.1 現(xiàn)場觀測方案

觀測方法：每場大風后，由技術(shù)人員將不同集沙儀上的集沙桶所收集的沙礫樣品進行收集，填寫并加裝取樣記錄表，分別裝入不同編號的樣品袋中，送交試驗室完成相關(guān)土工分析試驗。觀測頻率：1次/月，可根據(jù)現(xiàn)場實際情況進行適當?shù)脑鰷p。

觀測儀器采用強風儀、數(shù)采儀、無線傳輸裝置等。觀測頻率：每秒鐘記錄一次2 m和10 m高度的風速風向數(shù)據(jù)，通過專業(yè)氣象軟件處理，得到2、10 min的平均風速、風向及該時間段內(nèi)的極值風速數(shù)據(jù)，24 h全天候自動記錄相關(guān)試驗段的風沙流場變化數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)傳輸頻率：數(shù)據(jù)打包后每周傳輸1次。

2.2 試驗段防沙工程布設方式

在試驗段措施前后分別設置集沙儀，來分析研究措施前后風沙流場的變化特征，同時通過試驗結(jié)果評估煙墩風區(qū)所設置的不同措施的防沙效益，篩選出針對該地區(qū)風沙流運動特點，防沙效益最優(yōu)的措施。

(1)百里風區(qū)試驗段

該試驗段鐵路里程為DK1414+900～DK1418+300，主導風向側(cè)線路路堤坡腳線外約100 m處，設置8種不同類型的措施，其中，DK1414+900～DK1415+000段采用孔隙率為40%的新型金屬涂塑網(wǎng)措施，措施高度為2.0 m，DK1415+000～DK1415+412段采用高寬比為3.7的箱式擋沙墻， DK1415+412～DK1415+750段采用高寬比為4.5的箱式擋沙墻，DK1415+750～DK1416+100段采用高寬比為6.0的箱式擋沙墻，DK1416+100～DK1416+893段采用2.0 m高的插板式擋沙墻，DK1416+893～DK1417+150段采用1.5 m高的斜插板式擋沙墻，DK1417+150～DK1417+990段采用2.0 m高的斜插板式擋沙墻，DK1417+990～DK1418+300段采用2.5 m高的斜插板式擋沙墻。

(2)煙墩風區(qū)試驗段

在鐵路里程為DK1237+050～DK1240+150段，主導風向側(cè)線路路堤坡腳線(或路塹塹頂)外約100 m處(平地情況下)，設置8種不同類型的措施；其中DK1237+050～DK1237+150段，采用孔隙率為40%的新型金屬涂塑網(wǎng)措施，DK1237+150～DK1237+550段，采用透風率為30%的高立式PE網(wǎng)措施， DK1237+550～DK1237+950段，采用透風率為40%的高立式PE網(wǎng)措施，DK1237+950～DK1238+350段，采用透風率為50%的高立式PE網(wǎng)措施，DK1238+350～DK1238+750段，采用2.5 m高的斜插板式擋沙墻，DK1238+750～DK1239+150段，采用2.0 m高的斜插板式擋沙墻，DK1239+150～DK1239+650段，采用1.5 m高的斜插板式擋沙墻，DK1239+650～DK1240+150段，采用2.0 m高的插板式擋沙墻。

針對煙墩風區(qū)風沙災害相對較為嚴重的特點，設計時在線路右側(cè)路堤坡腳(或路塹塹頂)外 50 m處，設置1道透風率為40%的折線形高立式PE網(wǎng)措施，同時在背風側(cè)路堤坡腳(或路塹塹頂)外50 m處也設置1道透風率為40%的折線形高立式PE網(wǎng)措施，如遇地形地貌變化較大時，應適當調(diào)整各設施與路堤坡腳或路塹塹頂?shù)木嚯x。

在主導風向側(cè)，內(nèi)側(cè)高立式PE網(wǎng)措施與路基坡腳之間，設置1.0 m×1.0 m的固沙劑固結(jié)格狀措施和1.0 m×1.0 m的石方格措施，措施高出地表約20 cm，固沙劑格狀措施設置里程為DK1237+150～DK1238+650，石方格措施設置里程為DK1238+650～DK1240+150，措施設置寬度為30 m。

3 防沙效益分析

3.1 不同類型阻沙措施對比

根據(jù)目前測試數(shù)據(jù)研究分析，結(jié)合性價比，措施高度為2.0 m，透風率為40%較為適宜，故下面以2.0 m高措施的阻沙率進行對比分析。

為研究戈壁強風地區(qū)不同沙障的風沙防護效果，有針對性地找出適用于戈壁強風鐵路風沙災害防治的效果較好的措施，通過對不同措施迎風側(cè)與背風側(cè)集沙量的觀測(不同類型沙障前后集沙量見圖3)，挑選出了試驗段防護效果最優(yōu)的風沙防護措施(防沙性價比見表1和表2)。

圖3 不同類型的沙障前后集沙量對比

措施類型優(yōu)點缺點阻沙率/%造價/(萬元/km)插板式擋沙墻耐久性長,模具制備簡單阻沙效果相對較差,14.5494.3斜插板式擋沙墻防沙效果較優(yōu),耐久性好造價偏高,模具制備技術(shù)要求高40.48120.5箱式擋沙墻阻沙效果較優(yōu),穩(wěn)定性好,具有較強水蝕力,造價偏高,施工技術(shù)要求高31.66137.8金屬涂塑網(wǎng)措施施工簡單,造價低廉,耐久性強,防護效果好材料的抗剪能力還有待提高57.640

注：設計瞬時風速60 m/s。

從圖3可以發(fā)現(xiàn)，與原始風沙流相比，沙障后氣流的攜沙量明顯降低，表明沙障對攜沙氣流具有一定的凈化作用。但由于沙障結(jié)構(gòu)不同，同等條件下周圍流場存在差異，導致凈化氣流的效果也不同。

從表1和表2可以看出，插板式擋沙墻具有模具制備簡單、耐久性高等優(yōu)點，但是其風沙防護效果不太理想；而斜插板擋沙墻和箱式擋沙墻，模具要求技術(shù)含量高，施工工藝較為復雜，施工速度慢，維修養(yǎng)護較為困難；同等條件下，雖然高立式PE網(wǎng)措施和金屬涂塑網(wǎng)措施阻沙率基本相同，但高立式PE網(wǎng)措施造價較大，同時金屬涂塑網(wǎng)措施的耐久性和抗酸堿腐蝕性較強，施工簡便快捷，積沙滿后立柱還可以加長，便于后期補強和養(yǎng)護維修，性價比最優(yōu)。百里風區(qū)阻沙措施性價比依次為：金屬涂塑網(wǎng)措施>斜插板式擋沙墻>箱式擋沙墻>插板式擋沙墻；煙墩風區(qū)阻沙措施性價比依次為：金屬涂塑網(wǎng)措施>高立式PE網(wǎng)措施>斜插板式擋沙墻>插板式擋沙墻?？紤]到現(xiàn)場實際情況，試驗段推薦使用金屬涂塑網(wǎng)措施。

表2 煙墩風區(qū)阻沙措施對比表

注：設計瞬時風速40 m/s。

對比百里風區(qū)和煙墩分區(qū)常見沙障的阻沙率可以看出，與煙墩風區(qū)的固定半固定沙地相比，百里風區(qū)的地表主要為礫石戈壁，具有起沙風速高、地表粗糙度大、大風攜沙量少的特點，而不飽和風沙流經(jīng)過擋沙墻凈化，其風沙流中沙粒的去除值相對較小，墻體前后風沙流密度差別不顯著，故而同結(jié)構(gòu)沙障的阻沙率普遍低于煙墩風區(qū)。

3.2 不同類型固沙措施對比

考慮到當?shù)卦系默F(xiàn)狀，蘭新第二雙線所試驗段采用的固沙設施主要為石方格措施和噴灑固化劑的沙方格措施，其布設地點為煙墩風區(qū)，規(guī)格為1 m×1 m。從表3可以看出，蘆葦方格具有施工便捷、耐久性好、性價比高等優(yōu)點，但是其受原料產(chǎn)地限制較大，所以作為第一推薦方案，建議在原材料采集，且交通運輸便利的地區(qū)采用；石方格為第二推薦方案，具有普遍性，但造價偏高；沙方格為第三推薦方案，建議在立地條件較好，適宜植被生長的區(qū)段使用。在條件允許的條件下，其性價比依次為：蘆葦方格>石方格>沙方格。綜合考慮現(xiàn)場實際情況，試驗段推薦選用石方格。

表3 蘭新第二雙線試驗段固沙措施對比

4 結(jié)論

(1)百里風區(qū)試驗段的主導風向為NNW，約占全年風向的31.6%，靜風頻率為0.76%；煙墩風區(qū)試驗段的主導風向主要為NE、ENE，分別占全年風向的21%和26%，靜風頻率為1.36%。

(2)百里風區(qū)措施性價比依次為：金屬涂塑網(wǎng)措施>斜插板式擋沙墻>箱式擋沙墻>插板式擋沙墻；煙墩風區(qū)措施性價比依次為：金屬涂塑網(wǎng)措施>高立式PE網(wǎng)措施>斜插板式擋沙墻>插板式擋沙墻。固沙措施性價比依次為：蘆葦方格>石方格>沙方格。

(3)在現(xiàn)場試驗研究的基礎(chǔ)上，綜合考慮工程造價和現(xiàn)場實際情況，建議試驗段阻沙措施采用金屬涂塑網(wǎng)措施，固沙措施采用石方格措施。

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Benefit Evaluation of Sand Prevention Measures in Strong Wind Area along Second Lanzhou-Xinjiang Railway Line

GE Chun-geng1， SHI Long2， LI Kai-chong2

(1.Lanzhou-Xinjiang Railway Xinjiang Co. Ltd.， Urumqi 830011， China; 2.Northwest Research Institute Co.， Ltd. of C.R.E.C， Lanzhou 730000， China)

With field observation and test， annual wind characteristics in the test section are mastered， and comparative analysis is conducted of sand control effect by means of sand preventing and fixing sand measures. The results showed that the dominant wind direction in 100 km Wind Area test section is NNW， the dominant wind direction in Yandun Wind Area test section is mainly NE， ENE， having accounted for 21% and 26% of annual wind direction respectively. The performance-price ratio of prevention measures in 100 km Wind Area is as the following: metal coated wire mesh sand barrier> oblique inserting sand retaining wall plate > sand box retaining wall> inserted plate retaining wall of sand. The performance-price ratio of fixing sand measures in Yandun Wind Area is as the following: metal coated wire mesh sand barrier> the high vertical PE net sand barrier > oblique inserted sand retaining wall plate> plate inserted retaining wall of sand. The performance-price ratio of fixing-sand barrier is as the following; reed square > stone square> sand square. On the basis of comprehensive consideration of the project cost and the actual field situation， the metal coated wire mesh sand barrier is recommended for preventing sand and he metal coated wire mesh sand barrier is recommended for fixing sand.

Second Lanzhou-Xinjiang railway Line; Strong wind area; Sand prevention measures; Benefit evaluation

2014-12-05；

2014-12-09

科技部科研院所技術(shù)開發(fā)研究專項資金項目(2013EG123034)；新疆維吾爾自治區(qū)重大科技專項(201130106-3)

葛春庚(1958—)，男，高級工程師，E-mail：313331801@qq.com。

石 龍(1986—)，男，助理工程師，工學碩士，E-mail：shilong 19861007@163.com。

1004-2954(2015)09-0037-04

U213.1+54

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2015.09.009