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格库铁路东起青海省格尔木市西至新疆库尔勒市,全长1214 km,开辟了青海中部到新疆中部的轨道交通,完善了我国西部铁路交通网,对推动线路所在区域社会经济、民族团结以及由内地进入中亚、南欧等一带一路地区发展具有重要战略意义。格库铁路青海段全长505 km,沿线所在区域隶属青藏高原柴达木盆地,平均海拔在3000 m左右,属于典型的高原大陆型干旱性气候,降水少、蒸发量大,且地下水位深,植被稀少,加之风沙地貌类型复杂多样,在大风作用下,极易形成风沙流,对铁路(路基、桥梁和涵洞等)产生极大的破坏作用,因此风沙灾害已成为格库铁路青海段安全运营面临的首要问题。本文采用现场调查、野外监测、风洞试验和数值模拟等研究方法和技术手段,阐明了格库铁路青海段沿线不同区域风场特征和典型地表风沙流运动规律,筛选了适宜于格库铁路青海段的防沙材料,确定了其最优防护特征参数,评价了防沙工程试验段的防护效益,并进行了改进与优化,构建了适宜于格库铁路青海段风沙灾害特征的防沙工程体系模式,为该铁路工程防沙体系的设计提供了有利支撑。主要结论如下:(1)基于格库铁路青海段沿线风沙地貌类型及下垫面性质差异,将格库铁路青海段风沙环境划分为三种类型区段:流动性沙丘区、沙砾质戈壁区和湖盆沙化区。(2)流动性沙丘区(中灶火)年平均风速为5.1 m/s,最大风速为21.2 m/s,主导风向和主起沙风向为WNW、W和NW,输沙势(DP)为452.07 VU,属于高风能环境;沙砾质戈壁区(甘森)年平均风速为3.6 m/s,最大风速为16.4 m/s,主导风向和主起沙风向为WNW、NW和W,年输沙势(DP)为223.56 VU,属于中风能环境;湖盆沙化区(茫崖湖)年平均风速为4.4 m/s,最大风速为20.6 m/s,主导风向和主起沙风向为NW、N、NNW,年输沙势(DP)为311.18 VU,属于中风能环境。(3)实地风沙观测结果表明,各分区典型地表输沙通量随高度增加均逐渐较小,风沙流结构服从指数递减规律。受区域风能强度影响,中灶火流动性沙丘区和茫崖湖盆沙化区输沙量主要集中于地表以上2 m高度范围内,风沙流中沙粒以细沙为主,多属于跃移颗粒;茫崖湖以西戈壁区输沙量主要集中于地表以上1.5 m高度范围内,风沙流中沙粒以细沙为主,多属于跃移颗粒。(4)通过风洞试验和数值模拟对HDPE板栅栏和镀锌金属板(冲孔板)栅栏进行了防护效益评价,当两种栅栏孔隙率为30%、间距为20H(H为栅栏高度)时,防护效果最优。其中,筛选的HDPE板具有良好的耐热性和耐寒性、抗紫外线性能强、化学稳定性好和耐老化等特点,首次应用于高海拔沙化地区铁路防沙工程,实现了防沙材料的创新。(5)对茫崖湖以西戈壁区和中灶火流动性沙丘区现有防护体系进行防护效益评价。在茫崖湖以西戈壁区,前沿阻沙带防风效率为20.6%~86.5%,阻沙效率为24.8%~56.1%;HDPE板方格防风效率(0.2 m高度)约为70%,0.5 m高度处的防风效率介于40%~50%之间,阻沙效率可达60%。在中灶火流动性沙丘区,前沿阻沙带防风效率为25.7%~92.4%,阻沙效率为33.1%~65.4%。(6)综合野外观测、风洞试验和数值模拟研究结果,根据格库铁路青海段风沙环境特点,构建了适合于该区域的防沙工程体系,主要由前沿阻沙带和大网格固沙带组成。体系前沿阻沙带防风效率达90%,是沙粒的主要沉降区;大网格固沙带高度以下区域几乎为静风区。构建的茫崖湖以西戈壁区、茫崖湖盆沙化区和中灶火流动性沙丘区的风沙灾害防护体系均具有较好的风沙防护效益,适宜于格库铁路青海段风沙灾害防治。