葛春庚，石 龙，李凯崇

(1.兰新铁路新疆有限公司，乌鲁木齐 830011；2.中铁西北科学研究院有限公司，兰州 730000)

兰新二线强风地区防沙措施效益评价

葛春庚1，石 龙2，李凯崇2

(1.兰新铁路新疆有限公司，乌鲁木齐 830011；2.中铁西北科学研究院有限公司，兰州 730000)

基于现场观测试验，掌握试验段全年大风特征，并对不同类型的阻沙措施与固沙措施的防沙效果进行对比分析。结果表明：百里风区试验段的主导风向为NNW，烟墩风区试验段的主导风向主要为NE、ENE，分别占全年风向的21%和26%；百里风区阻沙措施性价比依次为：金属涂塑网措施>斜插板式挡沙墙>箱式挡沙墙>插板式挡沙墙；烟墩风区阻沙措施性价比依次为：金属涂塑网措施>高立式PE网措施>斜插板式挡沙墙>插板式挡沙墙；固沙措施性价比依次为：芦苇方格>石方格>沙方格；在现场试验研究的基础上，综合考虑工程造价和现场实际情况，建议试验段阻沙措施采用金属涂塑网沙障，固沙措施采用石方格沙障。

兰新二线；强风地区；防沙措施；效益评价

新建兰新铁路第二双线是亚欧大陆桥快速通道的重要组成部分，正线全长1 776 km，其中新疆境内线路长度709.923 km。东起甘新省界，途经哈密市、鄯善县、吐鲁番市，西至新疆维吾尔自治区首府乌鲁木齐市。线路沿途通过烟墩风区、百里风区、三十里风区、达坂城风区、安西风区五大风区。新疆境内线路通过大风区长度462.41 km，占新疆段线路总长的64.8%，而风沙路基主要集中于烟墩风区及百里风区，线路通过风沙路基工程长度约217 km，占线路长度的30.6%。

新疆铁路大风地区内自然条件十分恶劣，人烟稀少，多为戈壁荒漠，大风主要有风速高、风期长、季节性强、风向稳定、变化速度快的特点。大风及大风引起的沙害曾多次造成既有兰新铁路、南疆铁路翻车、停轮，给铁路运输带来了巨大的经济损失和严重的不良社会影响，兰新第二双线列车运行速度高、车体轻，风沙灾害对高速铁路的威胁远甚于既有铁路。针对风沙地区铁路风沙灾害，许多科技工作者通过现场监测与室内试验，从风沙流特征[1-5]与防沙措施[6-12]等方面做了大量的研究，取得了不少科研成果，对风沙灾害防治工程的结构设计起到了一定的指导作用。但由于戈壁强风地区地表主要以砾石、粗砂覆盖物为主，下垫层物质条件与普通沙漠地区不同，这就使得戈壁地区风沙流运动的力学特性不同于普通沙漠地区，同时部分措施设计本来就存在一定的缺陷，不能直接应用于兰新二线防沙工程中。

针对这种情况，选取沙害严重的烟墩风区与百里风区作为试验段，对不同类型措施的防沙效果进行了现场监测，并结合工程造价对其性价比进行对比分析，为兰新二双线高速铁路的风沙防治提供相应的技术支持。

1 试验段工程概况

百里风区试验段位于哈密盆地山前冲、洪积倾斜平原区，地形较开阔，地势起伏较小，地面高程650～740 m，其地层主要为：第四系全新统冲、洪积细圆砾土，第三系泥岩、砾岩及砂质泥岩夹层。百里风区属于中温带大陆性干旱气候区，气候干燥，降雨量小，冰冻期长，昼夜温差变化较大，春、秋多风，夏季短促而炎热，冬季漫长且严寒。年平均降雨量38 mm，最大降雨量99.1 mm，年平均蒸发量4 803.6 mm，年最大蒸发量7 914 mm，年平均风速5.8 m/s，最大定时风速46.6 m/s，主导风向为NNW，约占全年风向的31.6%左右，静风频率为0.76%(图1)。

烟墩风区试验段位于天山东脉北山山前剥蚀平原区，地形平坦开阔，地势略有起伏。多为典型的细砂或粗砂戈壁荒漠地貌，其地层为第四系上更新统-全新统洪积细沙、细圆砾土，第三系古新统-始新统泥岩、砂岩、砾岩。烟墩风区试验段属典型的温带大陆性气候，冬季寒冷干燥，春季多风且冷暖多变，夏季高温少雨。年降水量平均为33.8 mm，年蒸发量为3 300 mm，年平均风速4.6～5.9 m/s，定时最大风速27～28 m/s，受地形地貌的影响本试验段的主导风向主要为NE、ENE，分别占全年风向的21%和26%，静风频率为1.36%(图2)。

图1 百里风区风频玫瑰图

图2 烟墩风区风频玫瑰图

2 试验设计

2.1 现场观测方案

观测方法：每场大风后，由技术人员将不同集沙仪上的集沙桶所收集的沙砾样品进行收集，填写并加装取样记录表，分别装入不同编号的样品袋中，送交试验室完成相关土工分析试验。观测频率：1次/月，可根据现场实际情况进行适当的增减。

观测仪器采用强风仪、数采仪、无线传输装置等。观测频率：每秒钟记录一次2 m和10 m高度的风速风向数据，通过专业气象软件处理，得到2、10 min的平均风速、风向及该时间段内的极值风速数据，24 h全天候自动记录相关试验段的风沙流场变化数据。数据传输频率：数据打包后每周传输1次。

2.2 试验段防沙工程布设方式

在试验段措施前后分别设置集沙仪，来分析研究措施前后风沙流场的变化特征，同时通过试验结果评估烟墩风区所设置的不同措施的防沙效益，筛选出针对该地区风沙流运动特点，防沙效益最优的措施。

(1)百里风区试验段

该试验段铁路里程为DK1414+900～DK1418+300，主导风向侧线路路堤坡脚线外约100 m处，设置8种不同类型的措施，其中，DK1414+900～DK1415+000段采用孔隙率为40%的新型金属涂塑网措施，措施高度为2.0 m，DK1415+000～DK1415+412段采用高宽比为3.7的箱式挡沙墙， DK1415+412～DK1415+750段采用高宽比为4.5的箱式挡沙墙，DK1415+750～DK1416+100段采用高宽比为6.0的箱式挡沙墙，DK1416+100～DK1416+893段采用2.0 m高的插板式挡沙墙，DK1416+893～DK1417+150段采用1.5 m高的斜插板式挡沙墙，DK1417+150～DK1417+990段采用2.0 m高的斜插板式挡沙墙，DK1417+990～DK1418+300段采用2.5 m高的斜插板式挡沙墙。

(2)烟墩风区试验段

在铁路里程为DK1237+050～DK1240+150段，主导风向侧线路路堤坡脚线(或路堑堑顶)外约100 m处(平地情况下)，设置8种不同类型的措施；其中DK1237+050～DK1237+150段，采用孔隙率为40%的新型金属涂塑网措施，DK1237+150～DK1237+550段，采用透风率为30%的高立式PE网措施， DK1237+550～DK1237+950段，采用透风率为40%的高立式PE网措施，DK1237+950～DK1238+350段，采用透风率为50%的高立式PE网措施，DK1238+350～DK1238+750段，采用2.5 m高的斜插板式挡沙墙，DK1238+750～DK1239+150段，采用2.0 m高的斜插板式挡沙墙，DK1239+150～DK1239+650段，采用1.5 m高的斜插板式挡沙墙，DK1239+650～DK1240+150段，采用2.0 m高的插板式挡沙墙。

针对烟墩风区风沙灾害相对较为严重的特点，设计时在线路右侧路堤坡脚(或路堑堑顶)外 50 m处，设置1道透风率为40%的折线形高立式PE网措施，同时在背风侧路堤坡脚(或路堑堑顶)外50 m处也设置1道透风率为40%的折线形高立式PE网措施，如遇地形地貌变化较大时，应适当调整各设施与路堤坡脚或路堑堑顶的距离。

在主导风向侧，内侧高立式PE网措施与路基坡脚之间，设置1.0 m×1.0 m的固沙剂固结格状措施和1.0 m×1.0 m的石方格措施，措施高出地表约20 cm，固沙剂格状措施设置里程为DK1237+150～DK1238+650，石方格措施设置里程为DK1238+650～DK1240+150，措施设置宽度为30 m。

3 防沙效益分析

3.1 不同类型阻沙措施对比

根据目前测试数据研究分析，结合性价比，措施高度为2.0 m，透风率为40%较为适宜，故下面以2.0 m高措施的阻沙率进行对比分析。

为研究戈壁强风地区不同沙障的风沙防护效果，有针对性地找出适用于戈壁强风铁路风沙灾害防治的效果较好的措施，通过对不同措施迎风侧与背风侧集沙量的观测(不同类型沙障前后集沙量见图3)，挑选出了试验段防护效果最优的风沙防护措施(防沙性价比见表1和表2)。

图3 不同类型的沙障前后集沙量对比

措施类型优点缺点阻沙率/%造价/(万元/km)插板式挡沙墙耐久性长,模具制备简单阻沙效果相对较差,14.5494.3斜插板式挡沙墙防沙效果较优,耐久性好造价偏高,模具制备技术要求高40.48120.5箱式挡沙墙阻沙效果较优,稳定性好,具有较强水蚀力,造价偏高,施工技术要求高31.66137.8金属涂塑网措施施工简单,造价低廉,耐久性强,防护效果好材料的抗剪能力还有待提高57.640

注：设计瞬时风速60 m/s。

从图3可以发现，与原始风沙流相比，沙障后气流的携沙量明显降低，表明沙障对携沙气流具有一定的净化作用。但由于沙障结构不同，同等条件下周围流场存在差异，导致净化气流的效果也不同。

从表1和表2可以看出，插板式挡沙墙具有模具制备简单、耐久性高等优点，但是其风沙防护效果不太理想；而斜插板挡沙墙和箱式挡沙墙，模具要求技术含量高，施工工艺较为复杂，施工速度慢，维修养护较为困难；同等条件下，虽然高立式PE网措施和金属涂塑网措施阻沙率基本相同，但高立式PE网措施造价较大，同时金属涂塑网措施的耐久性和抗酸碱腐蚀性较强，施工简便快捷，积沙满后立柱还可以加长，便于后期补强和养护维修，性价比最优。百里风区阻沙措施性价比依次为：金属涂塑网措施>斜插板式挡沙墙>箱式挡沙墙>插板式挡沙墙；烟墩风区阻沙措施性价比依次为：金属涂塑网措施>高立式PE网措施>斜插板式挡沙墙>插板式挡沙墙。考虑到现场实际情况，试验段推荐使用金属涂塑网措施。

表2 烟墩风区阻沙措施对比表

注：设计瞬时风速40 m/s。

对比百里风区和烟墩分区常见沙障的阻沙率可以看出，与烟墩风区的固定半固定沙地相比，百里风区的地表主要为砾石戈壁，具有起沙风速高、地表粗糙度大、大风携沙量少的特点，而不饱和风沙流经过挡沙墙净化，其风沙流中沙粒的去除值相对较小，墙体前后风沙流密度差别不显著，故而同结构沙障的阻沙率普遍低于烟墩风区。

3.2 不同类型固沙措施对比

考虑到当地原料的现状，兰新第二双线所试验段采用的固沙设施主要为石方格措施和喷洒固化剂的沙方格措施，其布设地点为烟墩风区，规格为1 m×1 m。从表3可以看出，芦苇方格具有施工便捷、耐久性好、性价比高等优点，但是其受原料产地限制较大，所以作为第一推荐方案，建议在原材料采集，且交通运输便利的地区采用；石方格为第二推荐方案，具有普遍性，但造价偏高；沙方格为第三推荐方案，建议在立地条件较好，适宜植被生长的区段使用。在条件允许的条件下，其性价比依次为：芦苇方格>石方格>沙方格。综合考虑现场实际情况，试验段推荐选用石方格。

表3 兰新第二双线试验段固沙措施对比

4 结论

(1)百里风区试验段的主导风向为NNW，约占全年风向的31.6%，静风频率为0.76%；烟墩风区试验段的主导风向主要为NE、ENE，分别占全年风向的21%和26%，静风频率为1.36%。

(2)百里风区措施性价比依次为：金属涂塑网措施>斜插板式挡沙墙>箱式挡沙墙>插板式挡沙墙；烟墩风区措施性价比依次为：金属涂塑网措施>高立式PE网措施>斜插板式挡沙墙>插板式挡沙墙。固沙措施性价比依次为：芦苇方格>石方格>沙方格。

(3)在现场试验研究的基础上，综合考虑工程造价和现场实际情况，建议试验段阻沙措施采用金属涂塑网措施，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

科技部科研院所技术开发研究专项资金项目(2013EG123034)；新疆维吾尔自治区重大科技专项(201130106-3)

葛春庚(1958—)，男，高级工程师，E-mail：313331801@qq.com。

石 龙(1986—)，男，助理工程师，工学硕士，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