铁路沿线不同沙害区域机械防沙措施设计研究.pdf

收稿日期:20221126基金项目:中铁工程设计咨询集团有限公司科技开发计划重点课题(研-2019-62)。作者简介:李选民(1978),男,2006 年毕业于中南大学岩土工程专业,工学硕士,高级工程师,E-mail:498308624 。文章编号:16727479(2023)04008208铁路沿线不同沙害区域机械防沙措施设计研究李选民1 辛国伟2 宋彦宏3,4 张 洁3,4 黄 宁3,4(1.中铁工程设计咨询集团有限公司郑州设计院,郑州 450001;2.兰州交通大学土木工程学院,兰州 730070;3.西部灾害与环境力学教育部重点实验室,兰州 730000;4.兰州大学土木工程与力学学院,兰州 730000)摘 要:为解决沙区铁路所面临的风沙危害,设计相应的机械防沙措施,以拟建鄂托克前旗上海庙铁路(简称“鄂上铁路”)为研究背景,在测量区域风速及输沙量基础上,对满足防沙需要的沙障设置进行三维数值模拟研究,并辅以风洞实验验证。研究表明,沙害中等区域流沙量较少,沙障拦截效率高,单道沙障和草方格搭配使用可满足防沙需要;沙害严重区域流沙量较多,单道沙障防护效率降低,双道沙障和草方格搭配使用方可满足防沙需要。研究表明:(1)鄂上铁路沙害中等区域,设置单道 30%孔隙率沙障和 10 m 草方格后其防护效益达 60%,可满足此区域防沙需要;(2)鄂上铁路沙害严重区域,设置双排沙障并加设 10 m 草方格后其防护效益达 62%,可满足防沙需要;(3)沙害严重区域双排沙障之间的合理间距为 10H(H 为沙障高),草方格与双排沙障的合理间距为 15H。研究结果表明,实际布设沙障时,防沙效益受多种因素影响,可适当增加草方格设置宽度,增大防沙效益设计余量,尽可能减少风沙对线路的影响。关键词:鄂上铁路;路基;机械沙障;数值计算;风沙;防沙效益中图分类号:U216;U213.1 文献标识码:ADOI:10.19630/ki.tdkc.202211260001开放科学(资源服务)标识码(OSID):Study on Design of Mechanical Sand Prevention Measures in Different Sand Damage Areas Along RailwayLI Xuanmin1 XIN Guowei2 SONG Yanhong3,4 ZHANG Jie3,4 HUANG Ning3,4(1.Zhengzhou Design Institute,China Railway Engineering Design and Consulting Group Co.,Ltd.,Zhengzhou 450001,China;2.School of Civil Engineering,Lanzhou Jiaotong University,Lanzhou 730070,China;3.Key Laboratory of Mechanics on Disaster and Environment in Western China,Ministry of Education of China,Lanzhou 730000,China;4.School of Civil Engineering and Mechanics,Lanzhou University,Lanzhou 730000,China)Abstract:In order to solve the hazard of wind-sand for railways in desert,the corresponding mechanical sand prevention measures were designed.This paper took Etuokeqianqi-Shanghaimiao Railway as the research background,based on the field measurement of the wind speed and sediment transport in the area of moderate and severe sand damage,a three-dimensional numerical simulation study on the sand barrier setting and optimization to meet the needs of sand control were carried out,and the measures were verified by the wind tunnel experiment.The results show that,the amount of flowing sand in the moderate sand damage area is less and the sand-prevention efficiency is high,and the combination of single sand barrier and straw checkerboard barrier on its leeward side can meet the needs of sand control.In the serious sand damage area,there is a large amount of flowing sand and the sand-prevention efficiency of single sand barrier is 28铁 道 勘 察2023 年第 4 期reduced,so it is necessary to set double sand barrier and straw checkerboard barrier together to meet the needs of sand prevention.The main conclusions are as follows:(1)The sand-prevention efficiency of a single 30%porosity sand barrier and 10m straw checkerboard barriers can reach 60%,which can meet the needs of sand control in the area.(2)The sand-prevention efficiency of double sand barriers and 10m straw checkerboard barriers can reach 62%,which can meet the needs of sand prevention in the serious sand damage area.(3)The reasonable distance between double sand barriers should be 10H,and the reasonable distance between 10m straw checkerboard barriers and double sand barriers should be 15H in the serious sand damage area.The results indicate that the sand-prevention efficiency is affected by many factors in the actual setting of sand barrier.The width of straw checkerboard barrier can be appropriately increased,and the design allowance of sand-prevention efficiency can be increased to reduce the influence of wind sand.Key words:Etuokeqianqi-Shanghaimiao Railway;subgrade;mechanical sand barrier;numerical calculation;wind-sand;sand-prevention efficiency引言我国是世界上沙漠分布面积最广的国家之一,主要集中在新疆、甘肃、内蒙古及青海等地区1-5。风沙运动会导致土地荒漠化蔓延,进而影响周围的农田、交通及水利等设施,严重威胁农业、畜牧业的发展6。同时,风沙也一直是困扰沙区铁路安全运营的主要因素。为抵御风沙灾害对铁路线路的侵蚀,部分学者通过理论分析、数值模拟、风洞实验和野外观测等手段,对沙粒的起动、输运、沉积以及对线路掩埋的机制展开研究,提出一系列防风固沙的措施,有效阻止风沙对铁路的危害7-10。针对铁路风沙危害的防治措施,主要有机械防沙、植物防沙及化学防沙11。机械防沙即工程防沙,主要包括各类阻沙、固沙及输导沙工程等,具有施工便捷、环境适应性优越、建设周期短、适用范围广、防沙功能全等优势,是当前应用最广泛的防沙措施。植物防沙又称为生物防沙,包括人工种植防护林带、恢复天然植被等,具有可自行繁殖再生、永久固定、有利于生态环境等优点。但植物防沙所需建设周期长,对环境条件要求苛刻,且后期维护成本高昂,很难在短时间内发挥风沙防治要求。化学防沙措施是指将能够固定流沙的化学试剂喷洒在沙漠地表,使其形成结皮,从而达到防治沙害的目的,其建设周期短、适用范围广且固沙作用明显,但投入成本较大,且形成黏结层或结皮仅能起到固定沙源的作用,并不能对风沙流产生影响。目前,机械防沙措施的研究内容多针对其结构形式或是布设位置,其研究方法包括现场测试、数值模拟、风洞实验及理论分析等,所研究结果对防沙工程的优化及设置提供了一定的设计依据12-15。然而,沙障防护效益受风速、风向、地形、地貌、沙害严重程度及施工等因素的影响,在具体应用中仍存在较多的不确定因素,规范也明确要求针对新建线路要遵循“先试验后施工”的原则16。以拟建鄂上铁路为研究背景,在划分该线沙害严重程度区域后,通过现场测量获得沙害中等及严重区域风场及输沙条件,并应用数值模拟对不同风沙强度地区防沙栅栏的设置参数进行先导研究,同时辅以风洞实验予以验证,力图确定不同沙害区域机械防沙措施的设置原则,以期为后期同类工程的设计提供理论依据。1 项目简介鄂上铁路位于鄂尔多斯市鄂托克前旗境内,线路东起新上铁路陶鄂段敖高图日站,西止上海庙站,沿线地貌分布见图 1。由图 1 可知,沿线植被发育差,覆盖率低,固定和半固定沙丘较多。经过现场勘察,发现部分沙化区域是草地过度放牧形成的沙漠,其地表特征与塔克拉玛干沙漠等地区存在明显不同,这也使得鄂上铁路防沙措施没有现成的防护体系和模式借鉴。图 1 鄂上铁路沿线地貌分布2 研究方法2.1 现场观测依据现场踏勘资料,根据铁路特殊路基设计规38铁路沿线不同沙害区域机械防沙措施设计研究:李选民 辛国伟 宋彦宏等范16,将鄂上铁路沿线流动沙丘及沙地划分为沙害严重、中等和轻微等区域,其中沙害严重区域长度共计3.5 km,中等区域长度共计 6.555 km,分布范围为 0200 m 不等。选取鄂上铁路沙害严重地区和沙害中等区域,测试了该地区的风速分布,经统计分析,沙害严重地区 3 m 高处最大风速为 15.9 m/s,中等沙害地区最大风速为 8.3 m/s,并通过取样测试沙粒粒径分布,平均粒径为 150 m,其风速廓线见图 2。图 2 鄂上铁路沿线风速变化情况2.2 数值模拟利用 AUTOCAD 建立三维几何模型,用 Ansys-Mesh 进行网格划分,Fluent 进行数值模拟。计算区域长 200 m、高 15 m、宽 8 m,沙障模型高 1.5 m。网格划分采用 Tetrahedrons,并对沙障及地表附近的网格进行局部加密,共划分网格约 1.0108个。风沙流携沙粒径选取平均粒径,沙粒密度为 s=2 650 kgm-3,沙害严重初始沙粒相体积分数地区取1%,沙害中等地区取 0.045%。空气密度 =1.225kgm-3;黏度=1.78910-5Pas,压力为常压。采用 UDF 函数导入现场测试风速数据,有v(h)=vklnhz0(1)式中,v为摩阻风速;k 为冯卡门系数,取 0.4;z0为粗糙长度;h 为高度;v(h)为 h 高度处的风速值。2.3 风洞实验风洞实验在甘肃省荒漠化与风沙灾害防治国家重点实验室多功能环境风洞实验室进行,该风洞由进气段、动力段、整流段、收缩段、实验段和扩散段 6 部分组成,风洞全长 38.9 m,试验段长 16 m,截面为 1.2 m1.2 m,风速范围为 4 35 m/s 连续可调,精度为0.5 m/s。为了模拟大气边界层效应,在实验段前端加设了尖劈和粗糙元,尖劈一共4 组,每组由3 块高0.5 m,宽0.11 m 的直角三角形木板拼接而成,见图 3(a),并通过调节拼接角度改变风洞边界层的湍流强度。粗糙元为长 0.1 m,宽 0.1 m,高 0.04 m 的泡沫板沿流向按一定间隔铺设而成,铺设长度约 2.4 m,并可调节粗糙元密度及铺设长度,以为实验段区域的风场进行调节,使其满足中性大气层下的风速对数廓线形式。同时,为保证沙源供给充足,每次吹沙后均进行补充。风洞实验布置见图 3(c),实验开始时先进行空风场测试,即用皮托管测定不同位置处沿高度的风速变化,获得风速廓线,并设置沙源后持续吹沙约 1 min,利用集沙仪获得输沙量变化曲线,以用于验证数值模拟结果的可靠性。在此基础上,将 30%孔隙率、15 cm 高的直立式沙障模型固定在距离沙源9 m 处,持续吹沙1 min 后观测模型前后积沙范围,用于验证数值模拟中沙障周围的积沙分布范围,见图 3(b)。图 3 风洞实验布置示意及沙障模型2.4 模拟结果验证建立与风洞实验同尺寸的计算域,选取相同风速下平坦地表沿垂向不同高度处风速和沙量百分比,与所测风洞数据进行比较(见图 4)。由图 4 可知,平坦地表沙量沿高度百分比与风速的数值模拟结果与风洞实验数据形式基本吻合,证明数值模拟计算模型和相关参数设置是合理的。48铁 道 勘 察2023 年第 4 期图 4 不同高度下风速及输沙量比较3 结果分析文献研究及工程防护实践表明,沙区铁路机械防沙措施防护效益以 60%为宜18-19。基于这一原则,针对鄂上铁路中等沙害及严重沙害地区沙障设置进行先导研究。3.1 中等沙害地区沙障设置研究选取常见的孔隙率为 30%的竖向开孔沙障,以最大风速 8.3 m/s 对其进行模拟研究,水平风速分布云图见图 5。由图 5 可知,沙障迎风侧出现较小的减速区,斜上方存在明显的加速区,背风侧靠近沙障处出现减速区,远离沙障处为恢复区,且无明显的涡流区,这与已有文献的分析结果一致20。图 5 单排沙障风速分布云图(单位:m/s)单道沙障在中等沙害地区的积沙分布见图 6(a),入口沿 x 方向。由图 6(a)可知,单道沙障在中等沙害地区能够将积沙控制在背风侧 6H(H 为沙障高)范围内,靠近线路积沙以条带形式运动,积沙量较迎风侧明显减少。单道沙障在严重沙害地区积沙分布见图6(b),入口沿 x 方向。由图 6(b)可知,单道沙障在严重沙害地区背风侧的积沙范围约为 8H,积沙量较中等地区大幅增大,背风侧沙粒较密集,说明单道沙障在沙害严重地区并不能达到防沙需要。同时,30%孔隙率的单道沙障可将大部分积沙控制在背风侧一定区域内,且迎风侧积沙较少,这说明将积沙控制在背风侧一定区域内,不仅可减少运动至轨道附近的沙粒,还可以使沙障的有效使用寿命延长。单道沙障在风洞实验中的积沙分布见图 6(c)。由图 6(c)可知,30%孔隙率的单道沙障迎风侧几乎无积沙,积沙大部分被控制在背风侧,其长度范围约为8H1(H1为风洞实验中沙障高),这与数值模拟中积沙效果相一致,也进一步说明数值模拟计算沙障积沙效果的准确性。注:数值模拟中沙障周围不同颜色代表沙粒体积分数变化,红色表示沙粒浓度最大,蓝色表示沙粒浓度最小,下同。图 6 沙障周围沙粒分布58铁路沿线不同沙害区域机械防沙措施设计研究:李选民 辛国伟 宋彦宏等为进一步定量说明单道沙障在中等及严重沙害地区的防护效益,沿 xy 中轴线对单道沙障在中等及严重沙害地区的沙粒浓度进行对比分析,不同高度处沿流向方向沙粒浓度变化见图 7。图 7 不同高度处沿流向方向沙粒浓度变化由图 7 可知,在距地表 0.1 m 处,沙粒浓度沿流向方向均呈先减小后增大再逐渐恢复至稳定状态,在迎风侧越靠近沙障沙粒浓度越小,而在背风侧 15H 内,沙粒浓度较大,说明此区域积沙较多。通过对比中等及严重沙害地区的沙粒浓度变化,可发现严重区域沙障背风侧沙粒浓度均大于中等区域。在距地表 0.5 m和 1 m 处,沙粒浓度变化呈逐渐减小的区域,靠近线路处严重区域沙粒浓度均大于中等区域。由图 6、图7 可知,严重沙害地区布设单道沙障后,到达线路周围的积沙较多;而对于中等沙害区域,到达线路位置的积沙较少。为定量描述单道沙障是否满足中等沙害地区防沙需要,分别对其防护效益进行分析,不同沙害区域沙障结构防沙效益变化见图 8。由图 8(a)可知,单道沙障在中等沙害区域防沙效益约为 53%,在严重沙害区域防沙效益约为 28%,均未达到 60%的防沙需要,因此,需要对单道沙障进行加强设计。图 8 不同沙害区域沙障结构防沙效益变化目前,常见的机械防沙体系为“阻+固”结构,即阻沙措施与固沙措施结合使用。对单道沙障背风侧加设10 m 长草方格(方格间距 1 m1 m,高 0.2 m),并计算其防护效益,见图8。由图8 可知,加设10 m 长草方格后,中等沙害区域的防护效益达 59.8%,基本达到防沙设计需要,而对于沙害严重地区其防护效益约为32%,未达到防沙设计需要。加设草方格后积沙分布见图 9,由图 9 可知,加设草方格后,中等沙害区域到达线路附近的积沙量明显减少;而在沙害严重区域,到达线路附近的积沙较多。3.2 严重沙害地区沙障设置及优化研究(1)严重沙害地区沙障设置由上述分析可知,单道沙障加设草方格在沙害严重地区不能满足铁路防沙需要,故需对其进行加强。双排式沙障和双排式沙障加设 10 m 草方格的积沙分布见图 10。由图 10(a)可知,双排沙障能够将积沙控68铁 道 勘 察2023 年第 4 期图 9 不同沙害区域加设草方格后积沙分布制在两排沙障之间以及第二排沙障背风侧,相较于单道沙障,其防护范围增加约 20 m,可减少到达线路的积沙量。由图 10(b)可知,双排沙障加设草方格后到达线路的积沙更少,草方格将第二排背风侧后部分积沙控制在其内部,减少到达线路的积沙。图 10 沙害严重区域双排沙障与双排沙障加设草方格后积沙分布为定量描述沙害严重区域各类沙障防沙效益变化,对单排、单排加 10 m 草方格、双排、双排加 10 m 草方格的防沙效益进行定量分析(见图 11)。图 11 不同沙障设置后防沙效益由图 11 可知,在沙害严重地区,单排沙障的防护效益约为 28%,单排沙障加 10 m 草方格的防护效益约为 32%;双排沙障沙障的防护效益约为 45%,双排沙障加 10 m 草方格的防沙效益约为 62%。由此可见,双排沙障加 10 m 草方格能够满足鄂上铁路沙害严重地区。考虑到施工、地形地貌、风速风向及温湿度环境因素影响,可适当增加草方格设置宽度,以增大防沙体系防护效益,尽可能减少到达线路沙粒。(2)严重沙害地区沙障组合形式优化双排沙障间距优化双排沙障之间的间距对整体防护体系影响较大,适宜的间距能够将积沙控制在两道沙障之间,减少运动至线路的沙粒。双排沙障在 5H、10H、15H 下的积沙分布见图 12。图 12 双排沙障在不同间距下的积沙分布由图 12 可知,当双排沙障间距为 5H 时,两排沙障之间距离较短且处于减速区,第一排沙障背风侧的积沙分布范围受第二排沙障影响,两道沙障影响下的沙粒沉积范围约为 10H;当双排沙障间距为 10H 时,第一排沙障背风侧的积沙范围受第二排沙障影响较小,第二排沙障迎风侧处于减速区,积沙增多,背风侧积沙受迎风侧积沙影响,呈两边多中间少趋势,两道沙障影响下的沙粒沉积范围合计约为 15H;当双排沙障间距为 15H 时,第一排沙障背风侧沙粒沉积范围约为 8H,第二排沙障迎风侧有少量积沙,背风侧积沙较多,其积沙分布范围约为 6H,两道沙障影响下的沙粒沉积范围合计约为 14H。经计算,间距为 5H 时,组合体系防护78铁路沿线不同沙害区域机械防沙措施设计研究:李选民 辛国伟 宋彦宏等效益约为 50%;间距为 10H 时,组合体系防护效益约为 62%;间距为 15H 时,组合体系防护效益约为 57%。由此可见,双排沙障间距宜为 10H。草方格与双排沙障间距优化草方格起固定沙粒的作用,是目前应用最广泛的固沙措施。草方格与双排沙障的合理间距,能够将越过沙障后的沙粒固定在地表,减少运动至线路的积沙。草方格与双排沙障在 5H、10H、15H 间距下的积沙分布见图 13。图 13 草方格与双排沙障在不同间距下的积沙分布由图 13 可知,当草方格与双排沙障间距为 5H时,由于草方格处于第二道沙障背风侧积沙分布范围内,草方格内有被积沙掩埋的趋势,其固定沙粒的作用减弱;当双排沙障间距为 10H 时,草方格可将越过第二道沙障的运动沙粒固定在地表,减少运动至线路的积沙;当双排沙障间距为 15H 时,草方格固定运动沙粒的作用更为明显,部分方格内的积沙也较多。经计算,间距为 5H 时,组合体系防护效益约为 55%;间距为 10H 时,组合体系防护效益约为 62%;间距为 15H时,组合体系防护效益约为 66%。由此可见,草方格与双排沙障的间距宜为 15H。4 结论以拟建鄂上铁路为研究背景,采用现场测量、风洞实验和数值模拟等方法,对其沙害中等和严重区域的沙障设置进行先导研究,并对沙害严重地区沙障组合形式进行优化,得出如下结论。(1)沙害中等区域单道沙障并不能满足防沙设计需要,加设 10 m 草方格后,可提高整体防沙效益,减少到达线路积沙,并基本达到防沙设计需要。(2)沙害严重区域由于流沙量较大,单排沙障加设 10 m 草方格已不能满足防沙设计要求,需设置双排沙障并加设 10m 草方格方可满足防护需要。考虑到实际布设时防沙效益受施工、地形地貌、风速风向及温湿度环境因素影响,可适当增加草方格设置宽度,以增大防沙体系防护效益。(3)沙害严重区域双排沙障之间的间距宜为10 倍沙障高,草方格与双排沙障的间距宜为 15 倍沙障高。参考文献1 肖建华,屈建军,姚正毅,等.新时期中国沙漠地区综合治理现状、问题及发展战略J.水土保持通报,2022,42(2):377-385.XIAO Jianhua,QU Jianjun,YAO Zhengyi,et al.Present Situation,Problems and Development Strategy for Comprehensive Control in Desert Regions of China in New EraJ.Bulletin of Soil and Water Conservation,2022,42(2):377-385.2 宋洁,春喜,白雪梅,等.中国沙漠粒度分析研究综述J.中国沙漠,2016,36(3):597-603.SONG Jie,CHUN Xi,BAI Xuemei,et al.Review of Grain Size Analysis in China Desert J.Journal of Desert Research,2016,36(3):597-603.3王训明.随风而来的沙漠化 J.科学通报,2013,58(14):1267-1276.WANG Xunming.Sandy desertification:Borne on the wind J.Science China Bulletin,2013,58(14):1267-1276.4 刘世增,徐先英,詹科杰.风沙物理学进展及其在沙漠化防治中的应用J.科技导报,2017,35(3):29-36.LIU Shizeng,XU Xianying,ZHAN Kejie.Advancing in Study of the Blown Sand Physics and Its Application in Desertification ControlJ.Science&Technology Review,2017,35(3):29-36.5 XU X L,ZHANG K L,KONG Y P,et 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