青藏铁路(格拉段)风沙危害及其防治研究

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青藏铁路(格拉段)穿越青藏高原腹地,是世界第一条海拔最高,穿越多年冻土及沙漠的高原铁路。同时,青藏铁路(格拉段)是西藏和青海通往内地的大动脉,事关西藏和青海社会稳定、经济发展和国防安全。而青藏铁路(格拉段)沙害严重威胁着青藏铁路(格拉段)的安全运营,而国内外对高寒铁路沙害治理方面研究较少。本文在前人研究的基础上,利用野外调查及观测、野外实验、室内沙样分析、风洞实验、数值模拟等研究手段,主要对以下主要内容做出研究:青藏铁路(格拉段)风沙危害形成的环境背景;对现有防沙措施防沙效益监测和评价;对典型路基路堑桥梁等沙害路段流场进行分析;在上述研究基础上,总结青藏铁路(格拉段)沙害防治思路和模式,尝试新的防沙措施开发,为青藏铁路沙害防治提供科学依据。本研究主要内容包括:  ⑴从空间分布看,青藏铁路(格拉段)沙害主要集中在红梁河、秀水河、北麓河、沱沱河、扎加藏布河谷及两岸地区以及错那湖段等地区。从时间分布上讲,青藏铁路冬春季大风日数多,而且冬春季气候相对干燥,形成“风旱同季”特征。风况以“风向单一,持续时间长,且以西风为主”为特征。风沙活动强度最大的月份集中于1月-3月,11月-12月的五个月内,以二月的最大,最小月份位于九月和十一月。形成风沙活动的有利条件包括:强劲的风力、沙物质来源丰富、稀疏低矮的植被、冻融变化、冻土退化、人为因素、鼠类破坏等;抑制风沙活动的因素:大地封冻和积雪覆盖。根据青藏铁路(格拉段)沙害形成原因及特征,青藏铁路沙害可分为四种类型:河流型沙害、滨湖型沙害、沙源型沙害、戈壁型沙害。  ⑵青藏铁路(格拉段)主要的防沙措施包括:石方格、羽毛状导沙排、砾石覆盖、百叶窗式栅栏、悬挂式铃铛挡雪栅栏(兼防沙)、盐方格、铁轨枕木栅栏、高立式尼龙网栅栏和低立式尼龙网栅栏等主要几种;防沙体系根据不同的路段的沙害特征类型采用不同的防沙措施,多种措施相结合。从本次调查结果来看,青藏铁路沿线阻沙栅栏、石方格的积沙量较多,阻沙效果明显。石方格阻滞的沙量较少,但石方格的阻沙率较高。不同风速下,石方格的阻沙率是不同的,风速越大,阻沙率越小;吹风时间越长,阻沙率越小。阻沙栅栏有效地降低栅栏前2h到栅栏后6h及以远的地面风速,风速降幅较大,从而使风沙沉积在栅栏前及栅栏后。当栅栏前后的沙子沉积高度超过石方格高度的2/3时,栅栏阻滞流沙的能力降低,阻沙率逐渐减少,最终流沙埋没栅栏,失去阻沙作用。  ⑶通过对青藏铁路(格拉段)沱沱河典型路基流场的监测,结果发现:迎风侧风速由远到近缓慢减小,在距离路基的坡角1H的位置其风速减小到最小,然后沿着路基边坡向上,风速迅速增加,在迎风面的路肩位置,风速达到最大值,然后迅速减小,到距离背风坡坡角1H的位置其风速达到最小,然后在19H位置以后缓慢增加到自然风。通过对秀水河路堑流场的监测,发现:迎风侧风速由远到近缓慢增加,在距离路基坡顶1H的位置其风速增加到最大,然后迅速减小,在背风面的路肩位置,风速达到最小值(而不是迎风面路肩),然后迅速增加,一直增加到坡项位置,其风速值达到最大,然后缓慢减小到自然风。通过对错那湖桥梁监测结果表明,桥梁处的积沙最主要原因还是桥梁对风场的阻挡作用,风场在桥梁前减小,引起积沙,而在桥梁前堆积的积沙进一步对风场起到阻挡作用,进一步加强了阻沙挡风作用。建议风沙路段桥梁的高度应该修建的高一些,以使气流能够顺利通过桥梁下的地表,而不受其阻挡。  ⑷结合长期的野外实践工作,根据不同沙害路段特殊的风沙活动特征、沙害类型、风沙地貌等因素,因地制宜,提出一系列适合于青藏铁路沿线风沙防治的新措施及新方法,并对其进行了实验论证。主要包括:一种适用于高寒地区河流性沙害防治的U形拦水防沙堤;一种新型盐块及卤水防沙固沙方法;植物纤维固沙网;镀铝锌合金板金属质阻沙栅栏;一种锁扣式防沙网挂件;高立式格状沙障及其防风效益研究;高立式玻璃纤维阻沙固沙栅栏;一种沙漠河流河岸沙害治理系统。  ⑸预测青藏铁路(格拉段)未来20~30 a冻融荒漠化继续发展,程度将加重。滨湖型沙害类型采用以水压沙,以冰压沙的思路;河流型沙害类型采用河岸阻沙的思路,自河床至河岸;沙源型及戈壁型沙害类型采用远阻、近固,采用高立式大网格和低立式小网格相结合的防沙思路。青藏铁路(格拉段)新型防沙工程实施三年来,效果明显,线路清沙次数及年清沙量明显减少。并对青藏铁路及中国沙漠铁路沙防治对策进行了展望。
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