（地质工程专业论文）青藏铁路机械沙障风蚀防治效益研究.pdf

i 立交道太堂亟堂僮论室生塞擅要 中文摘要 摘要：青藏铁路阻固结合的机械防沙体系作为高寒沙区这种无灌溉条件地区铁路 线的沙害防护具有至关重要的作用。本文通过对青藏铁路沿线几个典型地段( 南 山口d k 8 8 7 、错那湖d k l 5 6 2 、西格段j 0 17 1 6 + 2 0 0 ) 布设的机械防沙措施迸行效 益分析，比较分析各种不同规格、不同材料的半隐蔽格状沙障( 石方格、方格网、 芦草方格和黏土方格) 的防沙效益差别，以及分析d k 8 7 8 路基风蚀状况，以此来 评价青藏铁路沿线各风蚀防护措施的防护效益。评价方法主要包括采用控蚀公式 分析各方格蚀积强度及稳定性情况，根据集沙断面形态数据分析方格拦沙率和近 似凹曲面型和稳定凹曲面型占总凹曲面百分比来评价方格稳定程度以及测钎法分 析路基风蚀状况。通过对以上评价方法可以得到如下结论： 1 测量区所有量测方格平均沙埋深度基本都接近或高于8 c m ，第二次测量平 均沙埋深度均高于第一次测量，蚀积系数k 均小于第一次测量值。 2 所有测量方格纵向集沙形态均较稳定，横向集沙形态第二次测量比第一次 测量时集沙形态稳定，表现为近似和稳定型凹曲藏占总凹曲面百分比提高。 3 所有测量方格除d k 8 8 7 第一次测量时方格2 为风蚀外，其余均为积，且 计算拦沙率基本均大于1 0 。 4 不管是掏蚀型方格、波浪型方格还是较稳定型方格，都在向着稳定型方格 的方向发展。 分析结果表明，青藏线南山口d 懿8 7 石方格，错那湖d k l 5 6 2 石方格，西格 段j 0 17 1 6 + 2 0 0 方格网、芦草方格和黏土方格方格的稳定性和防沙效益随着布设时 间的增加两逐渐显现出来，用控蚀公式分析各方格蚀积强度及稳定性情况和根据 集沙断面形态数据分析方格拦沙率以及近似凹曲面型和稳定凹曲面型占总凹曲面 百分比是有效和可行的，能够很好的分析方格的防沙效益。各种机械沙障措施体 系设置合理，效益显著，能有效保护青藏线免受风蚀沙埋危险。 关键词：控蚀公式；蚀积强度；拦沙率；路基风蚀；防沙效益 分类号：s 7 2 7 2 3 韭瘟交道太堂亟堂焦i 盆塞旦墅显整卫 a b s t r a c t a bs r r a c r i ti sm o r et h a nal i t t l ei m p o r t a n tt ou s eap u r ep r e v e n t i n g - a n d - b i n d i n g m e c h a n i c a ls a n d ，p r e v e n t i o ne n g i n e e r i n gs y s t e ma tq i n g h a i - t i b e tr a i l w a y , w h i c ha l s oi s k n o w n 勰at y p i c a la l p i n er a i l w a yw i t h o u ti r r i g a t i o nc o n d i t i o n s 1 r i i i sa r t i c l ed i s c u s s e s s a n d - p r e v e n t i n ge f f i c i e n c yo fd i f f e r e n tm e c h a n i c a lm e a s u r e sa t ac o u p l eo ft y p i c a l s e c t i o n s ( s o u t hm o u n t a i nd k 8 8 7 ，c u o n al a k ed k l 5 6 2 a n dt h ex i n i n g - g e e r ms e c t i o n j 0 17 1 6 + 2 0 0 ) w ec a ne v a l u a t es a n d - p r e v e n t i n ge f f i c i e n c yo fm e c h a n i c a lm e a s u r e sa t q i n g h a i - t i b e tf a i l w a yb yc o m p a r i n gb e n e f i td i f f e r e n c e so fs e m i - b u r i e dc h e c k e r b o a r d s a n d - b a r r i e r so fd i f f e r e n ts p e c i f i c a t i o n sa n dm a t e r i a l s ( s t o n ec h e c k e r b o a r d ，p l a s t i cn e t c h e c k e r b o a r d , s t r a wc h e c k e r b o a r da n dc l a yc h e c k e r b o a r d ) a n da n a l y z i n gw i n de r o s i o n o nr o a d b e da td k 8 7 8 e v a l u a t i o nm a i n l yc o n t a i n st h r e em e t h o d s ，t h ef i r s to n ei s a n a l y z i n ge r o s i o n - a n d - d e p o s i t i o ni n t e n s i t y a n ds a n d - s u r f a c es t a b i l i t yo fe a c h c h e c k e r b o a r dw i t he r o s i o n - c o n t r o l l i n gf o r m u l a , t h es e c o n do n ei s a n a l y z i n g s a n d - c o l l e c t i n gv o l u m er a t i oa n dp e r c e n t a g eo fp r o x i m a t ea n ds t a b l ec o n c a v es u r f a c e s a c c o u n t i n gf o rt o t a lc o n c a v es u r f a c e sa c c o r d i n gt os a n dc r o s s - s e c t i o nd a t a ，t h el a s to n e i sa n a l y z i n gw i n de r o s i o no nr o a d b e dw i t hs u r v e yp i n sm e t h o d w ec o u l do b t a i n c o n c l u s i o n sa sf o l l o w s ： 1 t h em e a ns a n d - b u r i e dd e p t ha tm e a s u r e m e n tz o n e sa l ib a s i c a l l yc l o s et 0o ra b o v e 8 c m a n dt h em e a ns a n d b u r i e dd e p t h so ft h es e c o n dm e a s u r e m e n ta r ea l la b o v et h a to f t h ef i r s tm e a s u r e m e n t , a sw e l la st h ee r o s i o n - a n d - d e p o s i t i o nc o e f f i c i e n t sa r ea i l l e s st h a n t h ef i r s tm e a s u r e m e n t 2 a l lo ft h el o n g i t u d i n a ls a n ds h a p e sa r er e l a t i v e l ys t a b l e ，t h ep e r c e n tt h a tp r o x i m a t e a n ds t a b l ec o n c a v es u r f a c e sa c c o u n t i n gf o rt o t a lc o n c a v es u r f a c e sh a si n c r e a s e dl e a dt o ac o n c l u s i o nt h a tl a t e r a ls a n ds h a p e so ft h es e c o n dm e a s u r e m e n ta r ea l ls t a b l e rt h a nt h a t o ft h ef i r s tm e a s u r e m e n t 3 a p a r tf r o m c h e c k e r b o a r d2o ft h ef i r s tm e a s u r e m e n ta td k 8 8 7s h o w i n g w i n d - e r o s i o n a l lo t h e rc h e c k e r b o a r d so fd i f f e r e n tm e a s u r e m e n tz o n e sp r e s e n t d e p o s i t i o n ，a n da l lt h ec a l c u l a t i n g - c o l l e c t i n g - v o h m er a t i o sa r eb a s i c a l l ya b o v e 1 0 4 r e g a r d l e s so fu n d e r c a t f i n g , u n d u l a t i o no rr e l a t i v e l ys t a b l ec h e c k e r b o a r d s ，t h e y a r ea l lp r e s e n t i n gat r e n dt om o r es t a b l ec h e c k e r b o a r d s a n a l y s i sr e s u l t ss h o wt h a ts t o n ec h e c k e r b o a r d sa ts o u t hm o u n t a i nd k 8 8 7a n d c u o n al a k ed k l 5 6 2 , p l a s t i cn e tc h e c k e r b o a r d s ，s t r a wc h e c k e r b o a r d sa n dc l a y j e 峦窑适太堂亟堂焦论窑旦s 卫i 盟 c h e c k e r b o a r d sa tt h e x i n i n g - g e e r m s e c t i o nj 0 17 1 6 + 2 0 0 g r a d u a l l yp r e s e n t s a n d - c o n t r o l l i n ge f f i c i e n c yw i t ht i m ei n c r e a s e s i ta l s os h o w st h a ti ti se f f e c t i v ea n d f e a s i b l et oa n a l y z ee a c hd l e c k e r b o a r dw i t he r o s i o n - c o n t r o l l i n gf o r m u l aa n da n a l y z e s a n d - c o l l e c t i n gv o l u m er a t i oa sw e l la sp e r c e n t a g eo fp r o x i m a t ea n ds t a b l ec o n c a v e s u r f a c e sa c c o u n t i n gf o rt o t a lc o n c a v es u r f a c e sa c c o r d i n gt os a n dc r o s s - s e c t i o nd a t a a l l o ft h o s ed i f f e r e n tm e c h a n i c a lm e a s u r e sp r e s e n tap r o m i n e n te f f e c to i lw i n d - p r e v e n t i n g a n ds a n d - b i n d i n gt op r o t e c tt h eq i n g h m - t i b e tr a i l w a yf r o ms a n dd i s a s t e r k e y w o r d s ： e r o s i o n - c o n t r o l l i n gf o r m u l a ；e r o s i o n - a n d d e p o s i t i o n i n t e n s i t y ； s a n d - c o l l e c t i n gv o l u m er a t i o ；w i n de r o s i o no nr o a d b e d ；s a n d c o n t r o l l i n ge f f i c i e n c y c l a s s n o ：s 7 2 7 2 3 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 到孝 导师签名： 地刍 签字日期：2 一一7 年限月1 7 日签字日期：2 0 0 7 年，2 月，尹日 j e 峦窑重左堂殛堂僮i 金室独剑丝童嘎 独创陛声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：签字日期：年月日 致谢 当我打完毕业论文的最后一个字符，涌上心头的不是长途跋涉后抵达终点的 欣喜，而是源自心底的诚挚谢意。我首先要感谢我的导师刘世海，刘老师在两年 多的时间里花费了大量的时间与心血来关心、帮助我，给予我支持与鼓励，经常 关心询问我的学业情况和论文情况，帮助我参加国际会议，增长见识和了解学科 前沿动态；提供我包括青藏线和清水川电厂水土保持项目的多次实践机会，使我 能够积累非常多的野外调查经验和实践能力，指导我取得了毕业论文的第一手资 料；毕业设计期间刘老师还帮助我查找相关资料，理清毕业论文思路以及探讨论 文细节，刘老师丰富的经验和渊博的学识对我完成毕业论文起到了非常重要的作 用，提出了很多非常有建设性的意见和建议。除此之外，刘老师对科学严谨、认 真的态度和一丝不苟的精神让我受益终生，在此论文完成之际，我谨向刘老师表 达我最衷心的感谢和最诚挚的敬意。 在我两年半的学习生活中，王连俊老师、杨成永老师、白明洲老师、刘莹老 师和王勐老师都给了我非常大的帮助。导师刘世海，学友赵文杰硕士、许国光硕 士、安多监测的夏金权，都同本人参与了现场第一手数据资料的采集，并且在青 藏线上对我的生活照顾帮助很大，格尔木的杨栋对本文资料的收集也做出了积极 的贡献。学友叶字翔硕士、薛峰硕士，刘丽花硕士、丁桂玲博士以及赵永秀硕士 在生活和学习中对我的帮助也相当大，在此一并感谢。 另外也感谢我的父亲和母亲，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我 的学业。 簋二童绪论 1 1 研究背景 1 绪论 以风沙过程为主要标志的沙漠化已成为全球最突出的生态环境问题之一。世 界上有1 0 0 多个国家和地区存在沙漠化问题，全球约1 6 的人口生活在沙漠化地区。 我国土地沙漠化面积3 7 9 6 x l o a k m 2 ，受风沙危害地区的面积达1 9 1 x 1 0 4 k m 2 ，6 0 以上的贫困县生活在风沙地区。风沙对农业、牧业、交通、水利等造成了极大的 危害( 倪晋仁，2 0 0 6 ) 。 建国5 0 多年以来，我国相继在沙漠或边缘地区修建了宝兰线、兰新线等2 0 多条沙漠铁路干支线路，目前我国通过风沙地区的铁路总长度已超过3 0 0 0 k i n 。截 至1 9 9 0 年底，根据兰州、呼和浩特、乌鲁木齐等铁路局对2 4 条干支线的统计， 现有风沙区铁路共存在沙窖7 6 6 处，总沙害延长达9 0 0 k m ，并且这个数字还有进 一步扩大的趋势( 邸耀全，1 9 9 8 ) 。 穿越青藏高原腹地的青藏铁路一期工程，是全国铁路既有线中自然环境最恶 劣、条件最艰苦的一条高原铁路，素有”中国铁路病害博物馆”之称。全长8 4 6 9 公 里的西宁至格尔木段，平均海拔3 0 0 0 米以上。沿线的戈壁、沙漠、盐湖、沼泽地 段占了线路全程的8 0 以上。这里气候干燥，大部分地段地表裸露，沙源丰富， 生态环境脆弱。 青藏线西格段的沙害主要分布在克土到南山1 3 间7 3 0 公里的范围内，沙害长 度2 7 4 公里，其中严重沙害8 8 处共7 9 公里。风沙对铁路危害的主要表现是沙埋。 在铁路运行初期，风沙埋没铁路现象十分严重，不仅造成行车中断，而且风沙不 断的摩擦会损毁铁轨，给铁路养护带来难度。据资料显示，1 9 8 4 年至2 0 0 2 年因风 沙埋没线路造成中断行车累计达1 4 6 2 次。尤其是1 9 9 0 年以前沙害肆虐，年均影 响中断行车达1 6 1 次，甚至发生过一夜间中断行车3 4 次的纪录。1 9 9 8 年，锡铁山 附近沙子埋道3 公里，堆积在钢轨上的厚度达2 0 厘米，造成当时行车彻底中断。 青藏线沙害最严重的地段是松如沟盐桥沙害段，由于地处察尔汗盐湖边缘， 沿线寸草不生，流沙丰富，最大风速为每秒2 3 米，风力最大时能达到八、九级， 几乎常年都有沙埋现象，轻者道心积沙，重者沙埋超过轨面4 0 6 0 毫米。由于沙 埋道岔，使尖轨搬动困难，影响接发列车和调车作业。长期积沙，使道砟中的细 沙含量不断增多，道床失去弹性影响道轨稳定性和安全性。青藏线沿线沙子带有 较重的盐碱成份，沙埋轨道，造成钢轨锈蚀，剥落的锈块最长达1 0 0 毫米、宽达 j e 瘟銮垣太堂亟堂撞i 金童 8 0 毫米、平均厚2 毫米，这在国内其他铁路上也是罕见的。 青藏线新建线格拉段全长1 1 3 6 8 5k m ，其中线路所经的轻度以上风蚀区长度 约2 6 0k m ，风蚀区主要分布在沿线的格尔木水泥厂附近、纳赤台至昆仑山1 2 1 沿线、 沱沱河沿附近、通天河沿周围及其至雁石坪沿线、三河汇流处至温泉沿线、安多 d k l 5 5 3 d k l 5 6 3 、那曲d k l 6 8 7 d k l 6 8 8 、堆龙德庆d k 2 0 0 2 d k 2 0 0 3 等地段， 在上述分布区中，尤以安多段的风蚀最为强烈，其强度以上风力侵蚀段地长约8 k r a 。 因此，在青藏铁路这种极端干旱且无灌溉条件的地区，工程措施尤其是机械 防沙措施作为当前防沙建设的一个重要方面得到广泛应用，我们很有必要对已布 设的机械沙障进行防护效益方面的研究，使其能尽可能的到达较大的防护效益， 延长措施寿命，减少更新维护次数以及费用。 综上所述，对机械沙障防沙效益的进一步研究，无论对于完善既有铁路风沙 区风沙害的治理工作，还是对于指导在建或将建风沙区铁路对风沙害的预防，都 具有重大的现实意义。 1 2 机械沙障防沙的研究进展 1 2 1 主要机械沙障防沙机理及国内外研究现状 机械防沙，又称为工程防沙或物理防沙，是在不改变地表物质组成的前提下， 通过设置防沙障碍物，增大地表粗糙度，改变贴地气流场特征，以达到阻滞流沙， 固定沙丘，保护建筑物不受风沙危害的一种人工防沙措施。机械防沙体系在防止 风沙前移和风蚀显示出很大的优越性，是一种十分有效的防治流沙的方法，在我 国包兰铁路沙坡头段、塔里木沙漠公路和其他干旱、半干旱地区受风沙侵袭的道 路、水利工程、工矿及国防建设等设旌中得到广泛的应用。主要包括阻沙栅栏， 半隐蔽或隐蔽式沙障和砂砾石或黏土压沙等( 吴正，2 0 0 3 ) 。 ( 1 ) 高立式沙障 高立式沙障规格及布设方式 高立式沙障中栅栏是一种最为常见的防风阻沙工程措旖，它是采用高杆植物 如芦苇、高粱秆等直接插入沙上，或将这些材料编成笆块，钉在木框上，来阻挡 风沙和阻止流沙移动，它是在枕木墙的基础上发展起来的。将条状的材料如树枝、 毛竹、玉米秸、芦苇等扎成排制成，埋入沙层内的深度为3 0 - - 5 0 e r a ，外露高度1 m 以上；或将这些材料编成笆块，钉在木框上，制成防沙栅栏。近年来，有采用铁 路轨枕、混凝土块以及具有防火性能的尼龙网制作成栅栏用于防风阻沙的。栅栏 2 差= 童 缝i 金 设置图如下图1 - 1 所示。 图1 - 1 栅栏设置图 高立式沙障流场特征 无论是挡风墙还是栅栏，当气流通过时都会出现能量的重新分配，从而改变 沙障附近能量梯度，所不同的是，挡风墙相当于孔隙度为零的情况，它在背风面 有一个很大的涡流区，在沙障上方同时出现一个高速区，它们之间造成一个很大 的速度梯度，动量向下传输很强，致使其背风区域的风速很快地恢复，从而降低 了它的防护距离( 按恢复到自然风速的8 0 的距离) 。而具有一定孔隙度的栅栏， 能够在其前部上空形成一个新的减速区，这使得它的有效防护距离远比挡风墙的 要大，并且研究表明，栅栏的有效防护距离，都随孔隙度的增大而增大。但是， 孔隙度过大，可能完全失去防风阻沙功能，当孔隙度为0 3 加5 时，栅栏阻沙效益 达到最佳状态。 不同结构模型栅板速度场由下图1 - 2 所示。 3 氧鞫影 j e 塞窆逼太堂亟堂僮淦塞 图1 - 2 不同结构模型栅板速度场( 风洞实验，h = s c m ，“* = 1 0 m s ) ( 据刘贤万，1 9 9 5 ) ( a ) 紧密结构( 卢= 0 ) ；( b ) 疏透结构( 户= o 5 ) ； ( c ) 通风结构( 卢= 0 4 ) ，h - - 2 c r n o t 为下口高) 高立式沙障粒度分布及输沙率分析 从栅栏两侧沙物质含量和粒度的空间变化分析，阻沙栅栏明显减少过境风沙 流的挟沙量和所携带沙物质的粒度分布( 陈广庭，2 0 0 4 ) 。我以塔里木沙漠公路所 取得的一组阻沙栅栏前后风沙流结构的实测资料作为实例。 输沙率是指单位时间内通过单位断面的沙量。由于通过栅栏时气流的改变， 能量的重新分配和消耗，风沙流的输沙率陡然降低。表1 - 1 是在塔里木沙漠公路所 取得的一组阻沙栅栏前后风沙流结构的实测资料，从中可以看到，当栅栏前1 0 m 处风速为8 1 m s 时，栅栏后1 0 m 处的输沙率只有栅栏前1 0 m 处的4 2 ，栅栏前后 1 0 m 处的风沙流输沙率下降了约6 0 ；随着与栅栏距离的增大，栅栏后的输沙率 开始接近栅栏前：当栅栏前风速为7 2 m s 时，栅栏后2 0 m 处的输沙率为栅栏前5 m 处的8 5 ，下降了约1 5 。 栅栏两侧风沙流中沙物质随高度的分布也有相应变化，野外观测表明，阻沙 栅栏对过境风沙流沙粒高度分布的影响( 表1 - 1 ) 主要表现在：通过栅栏后的风沙 流，下层含沙量相对下降，上层含沙量相对增大。比如，当栅栏前1 0 m 处风速为 8 1 m s 时，栅栏后1 0 m 处风速为7 5 m s ，下降了7 4 ，1 0 e m 高度以下相对含沙 量栅栏前为8 5 2 7 ，栅栏后为8 2 0 1 ，栅栏后，栅栏前为0 9 6 ：当栅栏前5 m 处风 速为7 2 m s 时，栅栏后2 0 m 处的风速为6 7 m s ，下降了6 9 ；1 0 c m 高度以下含 沙量，栅栏前为9 0 8 ，栅栏后2 0 m 处为7 6 7 4 ，栅栏后栅栏前为0 8 4 ：1 0 c m 高度以上，栅栏前5 m 处为9 2 ，栅栏后2 0 m 处为2 3 2 6 ，栅栏后，栅栏前为2 5 3 。 4 蘸 筮= 童缮盈一一 表1 - 1 阻沙栅栏对风沙流结构的影响 ( 塔里木沙漠公路) 项目 数据 测点 栅栏前l o r e栅栏前5 m栅栏后l o m栅栏后5 m 风速 8 17 27 56 7 o 2 c m 2 6 8 0 ( 4 4 5 5 )1 9 4 3 ( 5 3 1 9 )8 3 7 ( 3 2 9 4 )8 1 0 ( 2 6 1 0 ) 2 4 c m 1 1 8 3 ( 6 4 1 4 )6 8 4 ( 7 1 9 1 )4 0 9 ( 4 9 0 4 )6 0 8 ( 5 0 6 各高度 4 - 6 c m 5 9 6 ( 7 4 0 3 )3 2 1 ( 8 0 7 0 )3 7 9 ( 6 3 9 5 )3 9 3 ( 5 8 3 1 ) 相对输 6 8 e m 3 5 5 ( 7 9 9 1 )z 3 9 8 7 0 5 )2 8 9 ( 7 5 3 2 )3 3 1 ( 6 9 0 0 ) 沙置 8 l o o m 3 2 4 ( 8 5 2 7 )1 3 7 ( 9 0 8 0 11 7 0 ( 8 2 0 1 )2 4 0 ( 7 6 7 4 ) o g ( 相 l o - - 1 2 e m 2 7 5 ( 8 9 8 3 )1 2 4 ( 9 4 2 0 )0 9 3 ( 8 5 6 7 )1 8 6 ( 8 2 9 2 ) 对含沙 1 2 - 1 4 e m 1 7 0 ( 9 2 6 5 )0 6 3 ( 9 5 9 2 )1 1 0 ( 9 0 o o )1 6 0 ( 8 7 2 7 ) 。量，1 1 4 - - 1 6 c m 1 5 8 ( 9 5 2 6 )0 6 2 ( 9 7 6 2 )1 0 3 ( 9 4 0 6 )1 3 5 ( 9 2 2 7 ) 1 6 1 8 e m 1 6 7 ( 9 8 0 3 )0 4 9 ( 9 8 9 6 )0 8 4 ( 9 7 3 6 )1 3 1 ( 9 6 4 9 ) 1 8 2 0 c m 1 1 9 ( 1 0 0 ) o 3 8 ( 1 ( 1 0 )0 6 7 ( 1 0 0 )1 0 9 0 0 0 ) 总输沙量o g 6 0 3 7 3 6 5 32 5 4 1 3 1 0 4 输沙率 3 0 21 8 31 2 71 s 5 q g ( c r a n i l n ) 】 阻沙橱栏的设置还要受橱高、风向交角的影响。阻沙栅栏一般多用于沙源丰 富地区，作为防止圆沙带前沿积沙的辅助性措旌。 ( 2 ) 半隐蔽式沙障，因其绝大部分或全部沉没于风沙流层里，所以，其作用 首先是阻沙，其次是固沙；而隐蔽式沙障全身覆盖在沙面上，故它的作用就是封 闭固定沙面，隔断削弱风沙流与沙面的直接接触。在青藏铁路中主要是防风固沙 效能较好、应用较广的半隐蔽式的草方格沙障、石方格沙障和黏土方格沙障等。 草方格沙障规格及布设方式 草方格沙障1 9 5 6 年由原苏联治沙专家彼得诺夫院士引入我国，并在腾格里沙 漠包兰铁路沙坡头试验路基试用，取得成功的一种性能优良的固沙措施。它是用 稻草、麦秆和芦苇等柔性材料，将其直接插入沙层内，直立于沙丘上，扎设成方 格状的半隐蔽式沙障。革埋入沙层中的深度约为1 5 - - 2 0 c m ，上露沙砸高度约2 0 3 0 e m ，草方格的边厚5 c m 左右，用铁锨壅沙踏实使之牢固。沙障高度是由气流中 沙粒的分布高程决定的。由于风沙流中9 0 以上的沙量是在离地表3 0 c m 的高度内 通过的，因此，采用高出沙面2 0 3 0 c m 的沙障，就足以控锩4 沙丘表面的风沙流活 动。 草方格沙障的规格要根据地区风力大小和方向而定，在单向风地区可以垂直 风向设置带状草沙障；在风向随季节变化不定的地区，要扎制格状的草方格沙障。 草方格的规格大小以地区风力而定，最常见的为l m x l m ，在地形起伏不大的沙面 上，实践证明l m x l m 草方格最为合理，也有一定的理论依据。为了适应不同风沙 5 韭宝銮适盔堂亟堂僮监塞 流条件以及地理位置下的固沙情况，也设置了不同规格的方格，其防沙效益明显， 但需要做进一步的研究。 草方格固沙原理和作用 草方格工程的防沙原理是增加地表租糙度，改变其上的风速廓线，从而减弱 贴地面层风速，降低实际风力作用的有效性，控制风蚀。 地面扎制草方格改变了下垫面性质的第一个反映是加大了地面粗糙度，转化 风沙运动条件( 表1 - 2 ) ，阻滞近地面层风的风速。 表1 - 2 粗糙度( z o ) 对风的削弱作用 v z v 2 地表性质z o e m v x ( c m s ) z = l mz = o 5 m z = 0 3 m 流沙o 0 ( 1 9 6 o 9 20 8 60 8 2 砾石平台0 4 1 03 2 40 8 8o 7 80 7 0 新i m x l m 草方格沙障1 5 1 74 1 00 8 60 7 20 6 2 旧l m l m 草方格沙障1 8 8 64 3 00 8 4o 7 00 6 0 旧2 m x 2 m 草方格沙障 2 3 9 84 5 30 8 40 6 80 5 8 注：z o 为空气动力学粗糙度；仇为2 m 高处风速5 n y s 时的摩阻速度；i _ ，x v 2 为z 高度风 速与2 m 高风速的削减值 对沙坡头地区草方格防沙效益的实测结果表明：扎有草方格的沙地比流沙地 表，在2 m 高处风速削弱1 0 ；0 5 m 高处削弱了3 0 4 0 ，粗糙度增加了4 0 0 6 0 0 倍，风沙活动量仅为流沙地表的0 9 6 4 ，如下表1 - 3 所示。 表1 - 3l m x l m 草方格沙障的防风阻沙效益 观测日期5 月68 风向e5 月7 日风向n w 风i 射( m s 1q风速i 啪 q z o 2 0 a n观测内容 q ( c m m i n ) 】 q ( c m r a i n ) 】c m v o jv 2p 0 51 ，2 流沙8 49 61 4 1 1 1 50 0 0 2 56 _ 8”1 3 7 4o 0 0 2 5 草方格沙障 5 ，o7 0o 日o 嚣s1 56 47 30 0 1 3 2 51 0 ( 1 m x l m ) 比值5 9 5 2 7 8 8 8 o 1 8 4 6 0 07 9 a 1 1 0 0 0 9 6 4 4 0 0 虽然学术界对草方格研究的较多，但对草方格工程布设后附近流场的结构变 化，至今没有统一的看法，塔里木沙漠公路防沙专题组在进行风洞模拟实验后认 为，单行草带沙障后亦有6 个能量重新分配区( 图1 3 ) ，障前贴地层由远及近有 一个加速区和一个减速区；障后由近及远有一个减弱区和一个加速区；障后空间 有一个涡漩回流区；障顶有一个加速区沙障前后的减速区即为沙障的保护区。 6 箍二童 绪论 减速区的范围( 宽度) 与草带的出露高度和风速有关，一般起沙风吹过时，减速 范围在1 0 h ( h 为草带出露高度) 的之内，最佳效应出现在7 h 。连续草带，下 一带应扎制在减速区范围。这也是常规草方格草带高度1 2 1 5 c r n ，规格l m x l m 的道理。 图1 - 3 风洞实验测绘的( 单行) 草方格沙障流场 从沙丘上设置沙障地段的剖面来分析，在新设置的草方格沙障上，当风沙流 经时，均有涡漩产生，并有积沙现象。经过充分蚀积作用，最后形成较为光滑而 稳定的凹曲面( 图l - 4 和图1 - 5 ) 。这种凹曲面，其平均深度与沙障边长之比保持在 1 ：1 0 范围内。 图1 - 4l m x l m 草方格尚未形成稳定的凹曲面 图1 - 5l m x l m 草方格已形成稳定的凹曲面 凌裕泉假设障内沙面为一段圆弧，沙面最高点处圆的弦切角为干沙的休止角， 进而从理论上得出草方格沙障内最大风蚀深度与方格边长之间的解析关系。由图 1 - 6 可以求得，草方格沙障最大风蚀深度( 即稳定凹曲面的深度，h 值) 与方格边 长( l ) 的关系如下所示 h 一0 5 t a n ( a 2 ) 式中，口为干沙休止角，平均为3 2 。，实地调查，a 的平均值为2 8 6 0 。 7 ( 1 1 ) i b 立变道太堂亟堂焦j 金塞 0 图1 - 6 草方格沙障最大风蚀深度与方格边长之间的关系图解 由这种稳定凹曲面组成的有规则波纹状的下垫面，由于凹槽内回流的存在， 对其顶部气流具有一种升力作用，通常称为这种小型浅槽的“升力效应”( 图1 7 ) 。 它既能保证在强风时沙面自身不起沙，又能使气流中挟带的少量外来沙物质被抬 升气流搬运过境，不产生流沙的堆积( 朱震达，1 9 9 8 ) 。 图1 7 “升力效应”流场分布( 引自j d i v e r s e m ，1 9 8 6 ) 总之，草方格沙障的主要功能是通过工程加速( 固沙工程) 前后风能的损耗 和再分配，从而达到抑制风蚀，固定流沙的目的。刘贤万( 1 9 9 5 ) 按风沙工程分 类，将其划归为消能工程类。 黏土沙障和砾石沙障 黏土沙障或砾( 卵) 石堆砌成地埂状，形成阻沙堤，改变了地表的性质，加 大了地面动力学粗糙度，减小贴地层风速，阻滞蠕移沙和部分跃移沙的运动，这 就形成了黏土沙障或砾石沙障。 黏土本身就是一种良好的胶结黏合物，黏性土土粒之间的静电引力，黏土土 粒与水分子之间的亲合，形成了黏性很大的胶乳；黏性土只要有水分就能形成具 8 有一定结构的土块，土块一旦形成，其结构很难遭到破坏。这时，黏土已经不是 游离的单个土粒，而以团聚体( - i - 块) 来对抗风蚀。野外所见的黏土沙障一般为 多条土埂，高3 0 4 0 c m ，底座宽度6 0 8 0 c m ，垄间间隔1 5 2 m 。现有的研究资 料表明，黏土沙障的效果比草方格要差很多，土埂间强烈的涡漩运动是黏土沙障 比草方格易于被风蚀，固沙效果较差的原因。 砾石沙障在流动沙丘危害的地区，作为因地制宜就地取材的一种机械固沙措 施，是十分理想的，既可做到稳定持久的发挥固沙效益，又有较强的保水性能， 而且对植物的生长发育并无不良影响。但它和粘土沙障一样，受地区条件限制大， 不是任何有沙害的地区都能普遍采用的。另外砾石沙障特别在沙区水库、铁路、 公路、路堤及路堑边坡加固，防止风蚀效果更为明显。 ( 3 ) 新型材料沙障 近几年，以尼龙网和塑料网为代表的新型材料沙障逐步得到重视，并已经在 实践中经受住了考验，尼龙网和塑料网作为一种新型的防沙材料，虽然造价相对 较高，但可以不断提高其抗老化性能和抗风沙作用，并且具有可工业化生产、便 于施工等优点。特别在一些风沙危害比较严重的地区，用尼龙网和塑料网作为防 沙材料其防护效果非常明显，具有广阔的应用前景0 4 , 1 6 1 。 1 2 2 机械沙障防沙效益研究现状 防沙治沙是一项系统工程，其防护效益就应是一个综合指标，它是由材料性 质、成本、劳务和风沙流场性质，地形条件以及防沙功能等多种因素决定的【9 】。 现有的防护效益评价主要从保护铁路不受风沙危害的目的出发，风速流场及 梯度的变化以及风沙流结构特征来进行防沙效益比较，也有人通过对防护措施布 置前后的清沙成本及措施回收成本进行经济效益比较，而总的防护效益是二者的 综合【1 0 t 1 对铁路线路防护效益的评价并没有一个固定的指标，而防护效益本身就是一 个综合指标，它是由材料性质、成本、劳务和风沙流场性质，地形条件以及防沙 功能等多种因素决定的。对铁路线的防护效益评价主要从保护铁路不受风沙危害 的目的出发，通过对典型防护断面的风蚀防治措施进行野外实地测量，对高立式 沙障有沙障前后风速流场变化和输沙率、掩埋高度、平均积沙量等方面。对半隐 蔽格状沙障，主要有输沙量( 风沙流结构) 、稳定凹曲面、地表粗糙度、障内沙障 蚀积强度等方面1 1 捌。 ( 1 ) 对高立式沙障( 栅栏) 的效益评价有沙障前后风速流场变化和输沙率、掩 埋高度、阻沙率等方面。 9 韭廛窑煎盔堂亟堂僮途童 高立式沙障具有阻滞消能的功能，当气流通过时，能引起能量的重新分配， 改变风沙流的能量梯度，在栅栏周围形成新的能量分布区。对栅前栅后的风速进 行剖面对比观测，以及输沙率变化可以评价栅栏的防风阻沙效益。 栅栏只有在掩埋高度低于正常工作情况下才能发挥出作用，因此必须对掩 埋过高的沙障及时更新拔高。并且避免栅栏倒伏。 为了鉴定栅栏的工程效益，我们把单位宽度( m ) 栅栏的阻沙量( q 。) 与同期单 位宽度上的最大可能输沙量( g ) 的比值百分数( k ) ，即k = o o 0 , , x 1 0 0 ，定义为 栅栏的阻沙效率，以沙坡头地区各种结构栅栏的阻沙效率为例，它与栅栏高度、 孔隙度、走向及栅栏所处部位的关系非常密切。 ( 2 ) 对半隐蔽格状沙障的效益评价我们可以从输沙量( 风沙流结构) 、稳定凹 曲面、沿主风向蚀积量的变化、地表紧实度、地表粗糙度、障内沙障蚀积强度、 小气候等方面着手。 输沙量是指气流在单位时间内通过单位面积所搬运的沙量，通过对各层输 沙量的观测，可以得到风沙流结构的变化，方格沙障的防护效益，主要为增大地 表粗糙度，降低近地表层气流速度，从而降低气流的输沙能力，改变输沙率随高 度分布的特征。 半隐蔽格状沙障防风固沙作用的关键是稳定凹曲面的形成，它对不饱和风 沙流具有一种升力效应，从而形成了沙物质的非堆积搬运条件。它在稳定沙面的 同时也有利于颗粒细物的积累。 沿主风向蚀积量的变化可以判断格状沙障的防沙功能和防护效益的大小， 同时也可以考察防护带宽度，它与地形部位的设定息息相关。 地表紧实度是反应沙漠表层抵御物质搬运和抗风蚀能力的重要指标，也是 反映各种固沙措施固沙效果好坏的指标之一。特别是化学固沙，其固沙作用就是 通过在沙丘表面喷洒化学材料，使化学试剂与表层沙结合而增加表层紧实度提高 了表层沙面耐风蚀能力而实现的。 地表粗糙度是指平均风速减小到零时距地面的高度，是表示地表粗糙程度 的重要指标，它可以作为比较不同防沙措施对地表保护程度的一个量化指标。实 际工作中可以通过风速廓线图或是通过公式计算得到。 障内沙面蚀积强度。粗糙度虽然理论上只与地表性质有关，但实际测量中受 环境和各种因素影响很大，同一地的测值在不同时间段得出的结果不一，且相差 很大。粗糙度有时候不能准确反应障内蚀积状况，有时甚至会出现粗糙度大和小 的沙障与蚀积情况相反的对应。此外，由于粗糙度的不准确性，对于同一片沙障 的不同设置部位，我们也很难通过粗糙度来找到与蚀积情况的对应，因此，孙显 科提出采用沙障控蚀理论得到的障内沙面蚀积强度作为衡量沙障固沙效能的综合 1 0 簋二重绻论 指标对方格的防沙效益进行分析。 小气候是指在局部地区内，因下垫面局部特性影响而形成的贴地层和土壤 上层的气候。固沙措施同样改变小气候，对不同季节日平均风速以及日平均气温 这两个指标进行观测统计，可以看出措施实施前后的变化情况。 1 3 研究方法、内容和研究意义 1 3 。1 研究方法 通过在青藏铁路南山口防护区、错那湖d k l 5 6 2 、西格段j 0 17 1 6 + 2 0 0 对风蚀 防治措施效果进行分析以及对d k 8 7 8 处路基风蚀情况进行分析来评价青藏铁路沿 线风蚀防治措施效益，采用的测量设备包括风速仪、集沙仅，标杆、直尺和皮尺 等。 5 m s ) 的日数每年都在1 8 0 d 以上。8 级以 上大风日数为3 0 1 2 9 d ，春季约占4 0 5 0 ，这为地表风蚀提供了最基本的动 力条件。高原上“旱、风同季”更加速了沙漠化的形成和发展。 青藏高原多年冻土区内植物生长期短，个体矮小，单株一般高1 0 2 5c l n ，植 被稀疏，总覆盖度为1 5 4 0 ，造成地表长期处于干燥，疏松裸露或半裸露状， 地表对风蚀作用的抵抗力很弱。 2 1 2 研究区自然地理状况 ( 1 ) j 0 17 1 6 + 2 0 0 属于南山口至昆仑山之间的铁路段，南山口至昆仑山属坡降 较大的昆仑山河谷区，海拔高度为3 0 0 0 4 7 7 0 m 。本段属昆仑山以北干旱气候区， 年平均气温3 6 ，最高气温2 3 7 ，最低气温一2 6 7 ，年平均降水量2 5 0 3 0 0 m m 左右，相对湿度4 7 。本段3 5 0 0 m 以下为山地荒漠生态系统，3 5 0 0 m 以上逐渐过 渡为山地草原生态系统，植被覆盖度为1 5 2 5 ，主要荒漠植被为膜果麻黄、 驼绒黎、蒿叶猪毛菜、沙生针茅、紫花针茅等优势种组成的群落。 ( 2 ) 格尔木至南山口d k 8 8 7 属柴达木盆地南缘山前冲、洪积倾斜平原，地形 平坦，地势向北倾斜，海拔2 8 0 0 3 0 0 0 m 。本段属柴达木盆地干燥气候区，夏季 炎热，冬季寒冷，相对湿度低，降雨量极小。年平均气温6 7 ，最高气温3 5 5 ， 最低气温3 3 6 1 2 ，年平均降水量4 0 r a m 左右，相对湿度3 2 。本段为戈壁裸地生 1 4 差三