中東地區某鐵路風沙防治措施研究

張德保，許志勇

(1.鐵道第三勘察設計院集團有限公司，天津 300142;2.天津晟興交通勘察設計有限公司，天津 300142)

1 地形地貌

中東地區某鐵路由波斯灣南岸沿海平原區至內陸沙漠區，地勢南高北低。沿線穿越3個不同的地貌單元。

海濱平原區:地形較平坦，地表以鹽沼和固定、半固定沙地為主。

沖積沙質平原區:地表多為固定、半固定沙地及少量移動沙丘，有少量駱駝草等沙生植物。

沙漠丘陵區:沙漠腹地，沙害嚴重，自然條件嚴酷，地表分布高大的新月形鏈和縱向沙壟，沙丘高度達20～40 m，植物生長非常稀少，沙害嚴重。

2 氣候

本地區屬熱帶海洋性氣候和熱帶沙漠氣候，全年只有2個季節，夏季和冬季，兩季氣溫都偏高且降水稀少，年平均蒸發量3 500 mm，全年幾乎陽光普照，藍天烈日是本地區氣候特征。主導風向大致以北、北北西向和東向為主。冬季平均風速2.8～5.5 m/s，夏季2.2～4.8 m/s，極端最大風速為10.8～15.1 m/s。氣候詳細數據見表1。

表1 氣候數據

3 本地區風沙特點

3.1 風沙物質組成

沙粒細顆粒較粗顆粒輕，更容易受到風力吹揚。在同一風速條件下，細沙表面的輸沙量最大，分布的高度也大，沙害也越嚴重;粗沙表面的輸沙量較小，分布的高度也小，沙害也輕。

本地區沙漠中，特別是新月形沙丘地段，沙粒尺寸一般在0.06～0.3 mm，呈圓形，這種沙粒很容易受到風的搬運。

3.2 起風速度及風沙分布規律

通過風洞試驗研究，得出有效的啟動風速約為6.0 m/s，且大部分顆粒沿風沙表面移動(地面以上0～10 cm)，說明風沙流運動是貼地面的沙粒被風力搬運的現象。

4 風沙防治措施研究

4.1 風沙防治措施數值模擬

對采用的輸沙斷面建立輸沙體系模型，擬定風速6～12 m/s，路堤高度不小于0.5 m，風向角設定為:90°、60°、30°及 0°。以下舉例說明部分 CFD 模擬結果，以支持采用的輸沙體系橫斷面。

4.1.1 未設輸沙堤地段(固定、半固定沙丘及平沙地地段)

(1)0.5 m高路堤(圖1)

圖1 0.5 m高路堤模擬結果(橫斷面方向)

模擬結果顯示，無減速區，但鐵路路基迎風側風速無加速，風沙沉積無法避免。

(2)1.6 m高路堤(圖2)

圖2 1.6 m高路堤模擬結果(橫斷面方向)

模擬結果顯示，無減速區，鐵路路基迎風側風速快，流沙易通過路基，防止沉積。

4.1.2 設輸沙堤及積沙槽地段路基(沙漠丘陵區)

(1)輸沙堤迎風側為自然表面(圖3)

圖3 迎風側模擬結果(橫斷面方向)

模擬結果顯示，輸沙堤堤頂風速加速;輸沙堤背風處溝槽有減速現象;鐵路路基面頂風速加速，將風積沙吹走，降低了沉積的可能性。積沙槽位置風速顯著降低，使得路基本體附近風沙大部分沉積在積沙槽內。

(2)90°及60°風向下模擬結果比較(圖4、圖5)

圖4 風向90°模擬結果(橫斷面方向)

圖5 風向60°模擬結果(橫斷面方向)

模擬結果顯示，輸沙堤背風處強烈減速，風積沙堆積于背風側;鐵路路基面頂端風速加快，將風積沙吹走，降低了沉積的可能性;90°及60°風向下，結果相似，輸沙堤背風側風積沙有所增加，但不明顯。

(3)輸沙堤迎風側表面植被覆蓋較稀疏

與表面覆蓋有茂密植被的輸沙堤，試驗結果幾乎相同。

因此，設計中采用了適中植被的輸沙堤，但由于一些區域缺水，植物無法成活(成活困難)或者成本較高，植被可采用稻草等其他材料代替植被。

以上充分說明了采用輸沙體系進行風沙防治要充分利用路基本體的橫斷面形式，結合輸沙堤、積沙溝槽等措施，利用適當的材料，防護形式等，以保證風沙順利通過路基本體、風沙沉積在路基本體外。

4.2 積沙計算

依據CFD模擬結果，風沙在輸沙體系不同區域沉積量見表2。

表2 防沙體系不同區域沉積量

如上所述，輸沙體系效率可達80%，剩余20%沙沉積在道床上。

4.3 推薦的邊坡坡率

4.3.1 路堤采用的邊坡坡度

當路堤邊坡較陡(1∶1.75～1∶2)，氣流受路堤阻擋作用明顯，在路堤迎風側產生高壓區，邊坡下部的風速減小，上部增大，在路肩上部達到最高值，然后擴散，從路堤中心開始減速，至路堤背風側形成低速區(圖6)。

圖6 路堤風速增減率(%)等值線圖

顯然，在路堤高度確定的情況下，應盡量采用緩邊坡路堤通過。

4.3.2 路塹

如果邊坡坡率緩于1∶4，氣流流線比較平順，且產生滑移沖力，可將大部分沙粒輸送至迎風側塹頂以外，但受路基上部道砟及軌道的阻擋，使部分沙粒沉積在道床兩側與道床中心。

邊坡坡率愈陡，邊坡高度愈高，風速降低愈多。當邊坡高2～3 m，邊坡坡率1∶0.75，背風側坡腳30 cm高的風速比遠方2 m高的風速降低80%。

所以，路塹地段應盡量以敞開式、緩邊坡通過。

路塹采用路堤式路塹形式，其邊坡坡度見表3。

4.4 由無砟軌道代替有砟軌道

對于沙漠丘陵區風沙危害嚴重段落，由于風沙的20%將落在道床區，大量風沙進入道床后造成碎石道床的嚴重污染，使得道床消化吸收車輛振動荷載的能力大大降低，進而將影響鋼軌的使用壽命、加劇基床結構的病害產生。更為甚者，清篩、清洗碎石道床等維修養護頻率將大大增加，運營期間養護費用增加，因此，在風沙危害嚴重段落采用無砟軌道代替有砟軌道，盡管增加了初期建設投資，但大大降低了運營期間的路基病害及養護維修工作，在保證鐵路正常運營的同時，節省了大量的養護費用。

表3 邊坡坡度

據不完全統計，對于風沙危害等級較高段落，“采用無砟軌道的建設費用+運營期間養護費用”與“采用無砟軌道的建設費用+運營期間養護費用”相比較，大約運營10～15年后費用相當。

綜上所述，在風沙危害等級較高段落采用無砟軌道是一種有效地防治風沙危害的措施。

4.5 防護路肩

采用堅硬、抗腐蝕、平滑圓順的路肩形式可增加風速，提高風沙的通過能力。本項目采用混凝土路肩，加速風沙的通過能力。

4.6 路基邊坡防護形式

路基邊坡采用黏土、卵石土包坡可增加風速，降低風沙沉積的可能性。

結合項目特點，就地取材，本項目采用卵石土包坡，加速風積沙的通過能力。

5 風沙效果評估

通過輸沙量計算，輸沙體系效率可達80%，剩余20%落在道床區，這大約是2.3 t/年/m;據統計最多有50%的風沙沉積在道砟上。假如維修工人可以通過維修工具清除道砟以上20～50 mm的沉積沙，那么大約有10%的風積沙和鐵路日常的運營道渣碎屑進入道渣空隙。大約0.1 t/年/m風積沙進入道砟，即占道砟體積的2.8%，滿足設計要求的10年含沙體積占道砟體積30%。其余風積沙可通過清掃等養護措施處理。

6 結語

國內的風沙防治以工程防沙與植物防沙相結合的綜合治理措施，積累了大量經驗，達到了防沙治沙的效果，并形成了規范及適合的風沙治沙體系，但某些地區受環境、降雨量、地下水埋深等因素影響，植物防沙效果失效，可根據風沙運動規律采用輸沙堤、積沙溝、設置無砟軌道代替有砟軌道等措施，同時結合維修養護來解決沙害問題。

隨著鐵路精細化設計標準的提高，建議相關規范根據風洞實驗、CFD模擬等手段得出的輸沙量、積沙率等參數，細化采取的風沙防治措施，同時補充防沙治沙所達到的標準(包括維修養護標準)，使防沙體系更加多樣化。

［1］ 鐵道部第一勘測設計院.鐵路工程設計技術手冊·路基［M］.修訂版.北京:中國鐵道出版社，1992.

［2］ 鐵道部第一勘測設計院.鐵路工程地質手冊［M］.修訂版.北京:中國鐵道出版社，1999.

［3］ 吳正.風沙地貌與治沙工程學［M］.北京:科學出版社，2010.

［4］ 中華人民共和國鐵道部.TB10035—2006 鐵路特殊路基設計規［S］.北京:中國鐵道出版社，2006.

［5］ 汪耀華.吉查鐵路風沙特點及防治措施［J］.鐵道標準設計，2013(2):8-11.

［6］ 劉輝，朱生憲，楊有海.太中銀鐵路沙害現狀調查及防治原則探討［J］.鐵道標準設計，2012(10):8-10.