包兰铁路沙坡头段防沙的实测与分析

包兰铁路沙坡头段防沙的实测与分析

包兰铁路沙坝段是经过最大的河流探测沙坝，受到沙坝破坏最大的区域。自45年前建成以来，它有效稳定的保护体系得到了全世界的关注和认可。对于该地区的风沙活动特点,在铁路建设和运营过程中,一直受到沙漠科研人员和铁路工程技术人员的高度重视,先后进行了多次短期观测和研究,但当时多偏重于风沙活动引起格状沙丘主梁脊线变化。风沙运动规律是决定防护体系或防护措施稳定性的一个主要指标,对此研究已很普遍。在评价防护体系的综合效益、防护体系设计原理等方面显得尤为重要。例如,对敦煌莫高窟窟顶防护体系效应观测研究和风洞实验模拟。为了研究防护带的前沿阻沙,取得格状沙丘移动方式和移动强度的更为准确的资料,以及沙丘移动可能对防护体系的影响,即前沿积沙掩埋防护体系或形成高大沙堤保护防护体系。我们于1982年在铁路北侧设置了一个观测断面,断面由铁路北侧固沙区开始,经过前沿阻沙带,直穿流动沙丘,全长约为1400m,其中流沙部分约占700m;地形转折点均埋设不同长度的水泥桩,埋深为50～180cm左右,断面末端埋设15m长的(直径120mm)钢管,埋深3m左右,作为长期固定标志。根据研究工作需要,于1982—1984年间进行过4次断面测量,之后由于各方面的条件限制,未能对于断面的变化进行连续的观测。2001年4月又对此断面遗迹进行了最近一次测量。2002年、2003年选择相似走向的副断面进行了高精度测量,2004年又进行了航摄测量和断面测量。本文将根据沙坡头气象站22a(1980—2001)的风向风速自计记录,结合地形测量,从该地区风沙流场性质和沙丘移动规律的角度出发,分析和讨论该地区的风沙运动规律及其与防护体系的相互作用。1级配均沙细沙分布沙坡头地处腾格里沙漠东南缘,地势西北高东南低。沙丘类型有:格状沙丘、新月形沙丘链与单个新月形沙丘。格状沙丘面积最大,也是该地区沙丘的主要类型,由西北向东南呈逐级降低的台阶分布,主梁高度一般为7～20m,副梁高度为3～5m,落沙坡角平均为32°。此类沙丘的沙粒分选性特别好,粒径均匀,细沙平均占99.7%,物理性粘粒(<0.001mm)甚少,不含中粗沙(表1)。研究表明,此种级配的沙丘沙是形成沙纹导致风沙活动的最佳级配。新月形沙丘链多见于黄河二级阶地上,单个新月形沙丘,仅见于沙漠与绿洲接壤地带。本区南面诸山相连成为沙漠南缘屏障,北部山脉多不连续,高低起伏不大,形成剥蚀残山,山间均有宽阔的谷地,腾格里沙漠在西北风的长期作用下,逐渐逼临黄河沿岸。本区地处西北内陆,受蒙古高压影响较深,加之地形影响,具有气候干旱、降水少而集中,温度变化大,风沙多的特点。以降水为例,平均年降水量为202.1mm,最多的1958年,高达304.2mm,最少的1957年,只有88.3mm,年际较差超过了平均值。日降水量最大为62.7mm(1959年8月5日),为该月降水量的53.9%,占全年降水量的31.0%。降水的季节分布是夏季占58.8%,冬季只占3.1%。故一年之中,冬季尤为干旱。冬季干旱与春季多风,导致春季风沙活动频繁。2沙石运动法2.1沙面风势分析2.2沙物质的投加量2.3沙量与沙风的季节变化特征格状沙丘在两个近乎相互垂直方向的风力作用下形成的,即在NW—WNW风的作用下,形成方格的主梁(NE—SW走向的沙丘链)之后,在NE—ENE的作用下,即在沙丘链之间产生低矮的沙埂,即副梁,分隔丘间低地呈格状形态。往往在沙丘链脊线低凹处,沿主风向延伸出一定尺度的沙舌,这就是格状沙丘副梁的雏形(图2)。2002年、2003年相似走向的副断面高精度测量结果见图7。从图7可以看出:丘顶因风蚀而普遍降低,降低的最大值为-0.92m、平均-0.38m。丘间因堆积而增高,增高的最大值为+1.16m、平均0.57m。沙丘相对高度降低、沙丘纵断面趋于和缓。综合上述,可以认为,格状沙丘主梁移动过程具有如下特点:即较高部位的高大沙丘迎风坡吹蚀和落沙坡的堆积,首先引起脊线的摆动,进而导致沙丘形态的变化,脊线摆动具有往复前进的特征,底部却无明显的移动和变化;其他处于较低位置的沙丘,或处于吹蚀状态,堆积状态和蚀积平衡状态,并无明显的脊线摆动。其副梁沿主风向的大尺度“沙舌”运动和左右摆量大是格状沙丘移动和危害的主要特征。3沙流场的性质与防护体系的作用研究结果对腾格里沙漠东南缘的格状沙丘地区风沙的活动规律的研究不仅具有科学上的意义,而且具有非常重要的实践意义。因为,我国第一条沙漠铁路——包兰铁路就通过这一地区,为保护铁路运输畅通无阻,防止风沙危害就成了头等重要的问题。因此,在铁路建设和运营的过程中,广大科技工作者,多年一直很重视对风沙运动规律的研究,但研究工作偏重于沙丘主梁脊线摆动的观测,忽略了主梁整体移动和副梁移动的综合研究。我们近期研究结果表明,该地区风沙流场性质与防护体系之间具有相互影响、相互制约的作用,具体表现为:1)风的多向性和稳定性,风玫瑰3组主风向:W—NNW、ENE—E