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  • CN 62-1091/P
  • ISSN 1001-8166
  • 月刊 创刊于1986年
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地球科学进展, 2019, 34(6): 573-583 doi: 10.11867/j.issn.1001-8166.2019.06.0573

综述与评述

中国铁路风沙防治的研究进展

张克存,1, 屈建军1, 鱼燕萍1,2, 韩庆杰1, 王涛1, 安志山1, 胡菲1,2

1. 中国科学院西北生态环境资源研究院,敦煌戈壁荒漠生态与环境研究站,甘肃 兰州730000

2. 中国科学院大学,北京 100049

Progress of Research on Wind-blown Sand Prevention and Control of Railways in China

Zhang Kecun,1, Qu Jianjun1, Yu Yanping1,2, Han Qingjie1, Wang Tao1, An Zhishan1, Hu Fei1,2

1. Dunhuang Gobi and Desert Ecological and Environmental Research Station, Northwest Institute of Eco-Environment and Resources, Chinese Academy of Sciences, Lanzhou 730000, China

2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China

收稿日期: 2019-04-28   修回日期: 2019-05-25   网络出版日期: 2019-07-01

基金资助: 国家自然科学基金项目“垭口、山前丘陵地段风动力环境与敦格铁路沙害形成机理研究”.  41871016

Received: 2019-04-28   Revised: 2019-05-25   Online: 2019-07-01

作者简介 About authors

张克存(1978-),男,甘肃民勤人,研究员,主要从事风沙灾害与风沙工程研究.E-mail:kecunzh@lzb.ac.cn , E-mail:kecunzh@lzb.ac.cn

摘要

基于中国沙区铁路的发展历程,系统分析了铁路沙害类型、特点以及风沙防治方案、措施和技术体系。针对我国沙区地域特征和铁路沙害类型,作为个例分类剖析了途径流沙地表、高寒环境与戈壁大风区铁路风沙危害与防治技术取得的成效和面临的问题。结合目前我国沙区铁路的发展趋势,从理论研究和工程防沙实践出发,提出复杂地形、特殊环境铁路沙害是今后风沙工程学领域的重点和理论研究趋势,也是沙区铁路沙害防治的关键和难点。

关键词: 铁路沙害 ; 风沙防治 ; 防护体系 ; 复杂地形 ; 防治技术

Abstract

Based on the development of railways in desert areas of China, the types, characteristics, schemes, measures and technical systems of wind-sand disaster prevention and control were systematically analyzed in this paper. In view of the regional characteristics of sandy areas and the genres of railway sand damage in China, the results achieved and problems faced of wind-sand hazard and prevention technology in quicksand surface, plateau cold region and Gobi gale area were discussed as a case study. Combined with the expanding trend of railways in desert zone in China at present, starting from the theoretical research and the practice of sand control in engineering, it was proposed that the railway sand harm of complicated terrain and special environment is the key research direction in the field of wind-sand engineering in the future, which is also the crucial and difficult point in the protection and control of railway sand hazard in sandy zones.

Keywords: Railway sand disaster ; Wind-blown sand control ; Protection system ; Complicated terrain ; Prevention and control technology.

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本文引用格式

张克存, 屈建军, 鱼燕萍, 韩庆杰, 王涛, 安志山, 胡菲. 中国铁路风沙防治的研究进展. 地球科学进展[J], 2019, 34(6): 573-583 doi:10.11867/j.issn.1001-8166.2019.06.0573

Zhang Kecun. Progress of Research on Wind-blown Sand Prevention and Control of Railways in China. Advances in Earth Science[J], 2019, 34(6): 573-583 doi:10.11867/j.issn.1001-8166.2019.06.0573

风沙危害一直是困扰沙区道路建设和安全运营的主要因素[1,2,3]。中国是全球沙区铁路分布里程最长的国家,累计长度约1.5×104 km,主要集中在西北地区(图1)。随着西部开发战略推进和国防交通干线建设加快,铁路风沙问题愈加突出,部分路段受风沙危害长度高达30%以上,严重影响列车行车安全[4]。新近运营的兰新高铁(兰新第二双线)、青藏铁路、拉(萨)日(喀则)铁路和南疆铁路等均不同程度地遭受风沙威胁[5,6,7]。西北地区铁路沿线风沙危害有其独特的地域环境特征:一是干旱多风的动力基础;二是山脉盆地交错分布的“盆山地貌”格局;三是广阔的沙源和风沙灾害孕育的地形环境[8,9]

铁路风沙危害形式包括风蚀和沙埋:风沙流对铁路设备风蚀打磨,破坏电力和通信信号等行车设施;路基两侧流场结构差异导致携沙气流遇阻堆积,直接压埋道床和钢轨,使线路运营和养护成本增加,制约铁道设施的效能发挥。铁路风沙危害及其防治一直是风沙工程学的重要内容,随着沙区铁路建设的高速发展,尤其是西部铁路建设步伐的加快和国家铁路网“纵横结构”体系的日益完善,沙区铁路风沙危害及防治面临新的挑战。在建或新近通车铁路库格线(库尔勒—格尔木)、敦格线(敦煌—格尔木)、哈罗线(哈密—罗布泊)、哈额线(哈密—额济纳旗)、和若线(和田—若羌)、临策线(临河—策克)、额临线(额济纳旗—临河)、拉日线(拉萨—日喀则)和拉林线(拉萨—林芝)等均不同程度受到风沙的威胁。尤其是穿越或毗邻沙漠环境的高速铁路,要求有快速、高标准的风沙防治工程来保障铁路工程建设与安全运营。

本文就中国沙区铁路的发展历程和特点,系统分析沙区铁路风沙危害与防治技术取得的成效和面临的问题,提出沙区铁路沙害防治的关键和难点以及未来的研究趋势,不仅为铁路风沙防治措施的选择和合理布局提供依据,更能为深入研究类似地区道路工程沙害的形成机理、发展趋势及其制定合理的防治措施提供借鉴,具有非常重要的理论意义和实践价值。

1 理论储备与野外实践探索

自20 世纪50年代以来,随着沙漠戈壁地区开发建设,我国铁路交通得到了迅速发展。1958年,第一条沙漠铁路——包兰线建成通车,开创了我国沙漠铁路建设的先河。随后又相继修建了集二线(集宁—二连浩特)、乌吉线(乌海—吉兰泰)、京通线(北京—通辽)、干武线(干塘—武威)和兰新线等沙漠铁路干线或支线,受风沙危害路段总计约3 000 km[5]。为了取得沙漠筑路经验,1954年铁道第一设计院在茶房苗建立了我国第一个沙漠铁路观测站,观测基本气象要素、沙丘形态特征、风沙活动规律和沙丘移动速度等,初步储备了铁路风沙危害防治的理论依据[10]。研究认为:固沙造林是防治铁路沙害最根本和有效的措施,主要采取机械固沙和植物固沙等措施;线路走向最好与主风向平行;弯道较易积沙,应尽量少用或不用[11,12]。基于大量的野外调查,分析铁路沿线主要区段风沙危害的方式和成因,制定了铁路治沙方案,提出机械防护与生物防护相结合的模式,辅助人工灌溉措施,长远以生物工程治理为主,并初步筛选了适宜沙漠铁路生物防治的植物种[13,14]。草方格沙障是铁路风沙危害防治的主要措施,从粗糙度对风沙流的作用、输沙率与风速的关系和输沙量随高度的分布特征3个方面揭示了草方格沙障的防护原理和防护效益,并提出了野外草方格沙障设置的注意事项[15]

图1

图1   穿越沙漠戈壁地区铁路分布图

Fig.1   Railway distribution map through the desert Gobi area


由于当时研究水平、观测仪器和研究经费等限制,野外风沙观测相对单一、零散、不系统,数据获取主要靠人工记录。研究重点主要围绕铁路两侧自然环境和沙源分布特征,初步揭示铁路沙害成因和分区治理重点,阐述铁路沙害的分类和危害等级划分,制定了防治原则[16,17]。基于野外实地调查和风沙观测,发现风沙流是危害铁路的主要形式,风沙流往复交替式摆动造成铁路边坡或道床积沙[18]。根据野外实践经验和零散的理论储备,对铁路风沙防治提出一些对策,包括固沙措施、阻沙措施、输沙措施和导沙措施,或机械措施、生物措施和化学措施。该阶段铁路沙害防治对策主要基于经验总结,很难做到因地制宜和因害设防,防沙措施配置相对单一,缺乏有机联系,铁路风沙防治还没有形成有效的防护体系。风沙防治工程强调固、阻、输、导措施的有机结合,在铁路风沙灾害防治过程中综合防护体系的建立尤为重要。针对不同地形、风况和风沙危害特征,综合集成机械、生物和化学措施的优势和合理配置,逐步构建完善稳定的防护体系,积累了流沙地表、高寒和戈壁大风等不同地域环境铁路风沙危害防治的成功经验,确保沙区铁路的安全运营。

2 特征地域环境铁路风沙危害综合防治范式

2.1 流沙环境铁路风沙危害与综合防治——包兰铁路

包兰铁路沙坡头段是穿越流动沙丘最长、受到风沙危害最为严重的路段,自建成运营以来,其有效而稳定的防护体系受到世人的关注和公认[19,20]。对于该地区的风沙活动特点,在铁路建设和运营过程中,一直得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[21],后经观测研究表明,格状沙丘副梁迅速前移是造成风沙危害的直接原因[22]

经过长期的野外试验,沙坡头初步建立了“四带一体”的防沙体系(图2),即由高立式栅栏构成的前沿阻沙带、无灌溉条件下草方格沙障和植物措施结合的固沙带、灌溉条件下的乔灌木林带、砾石平台缓冲输沙带[23],虽取得了一定成效,但也逐渐发现防沙体系的缺陷。第一,乔灌木林带受水资源限制;第二,通过砾石平台进行输沙基本不可能。经过不断加强和改进,逐渐形成了“以固为主、阻固结合”的防沙工程体系,主要由高立式栅栏和草方格沙障固沙带组成。

图2

图2   包兰铁路沙坡头段“四带一体”风沙防护体系示意图

Fig.2   Schematic diagram of the “four-belts-one” wind and sand protection system in Shapotou section of Baolan Railway

1:前沿阻沙带;2:固沙带;3:乔灌木林带;4:砾石平台缓冲输砂带

1:The zone of leading-edge sand-blocking;2:Sand-fixing zone;3:Arbors and shrubs zone;4:The gravel platform buffer sand transport zone


高立式栅栏(高度为1 m左右)能阻拦沙流,并使之成为高大的阻沙堤,最初采用荆条笆、杨树枝、玉米秸、旧枕木和竹条笆等材料。为防止栅栏根部被掏蚀,在紧贴栅栏两侧分别埋设1~4行草方格。设置部位在迎风坡2/3以上、脊线以下坡段,且走向与主风向有较大交角或正交。实验表明,孔隙度是影响栅栏防护效益最重要的因素,当孔隙度为30%~40%,栅栏阻沙效果最佳。草方格沙障与植物措施结合的固沙带是铁路风沙防护体系的主体。其作用是增大地表粗糙度,使贴地表风速减弱到起动风速以下,进而稳定沙面,防止植株被风蚀或沙埋,是建设生物防沙带初期创造植物生长环境的有效措施。扎制时多就地取材。经野外实践和风洞试验证实,1 m×1 m、高度为10~20 cm的草方格固沙效果更好(宽高比为1∶10)。在沙坡头铁路固沙体系中,做了多种化学措施实验,但防护寿命较短,效果不理想。植物固沙措施防护效果相对稳定而持久,中国科学院沙坡头沙漠试验研究站建立后,大量引种栽植,格状沙丘上起初建立的灌木—半灌木人工植被随着时间推移逐渐演替为草本植物—半灌木天然植被,沙面结皮也逐渐形成,地面一般不再发生风蚀现象[24]

沙坡头防护体系的建立和逐步完善,抑制了年总输沙量,控制了风沙活动方向与强度,保障铁路畅通无阻,为国家创造了数百亿元的经济效益。该防护体系积累了在流动沙漠中以工程固沙方法为主的沙害防治经验,“以固为主、固阻结合”的流沙固定与铁路防护体系的理论与实践,曾获国家科学技术进步特等奖,成为我国流沙环境交通干线风沙防治的成功模式[25]

2.2 高寒环境铁路风沙危害与综合防治——青藏铁路

青藏铁路是世界上第一条海拔最高、穿越多年冻土及沙漠的高原铁路,风沙灾害主要分布在高寒荒漠、高寒草原和高寒草甸区,地表风沙形成过程与低海拔的干旱、半干旱沙漠和戈壁区差异大(图3),致灾作用比低海拔地区更为突出[26,27,28,29,30]。造成青藏铁路沿线沙害的原因有:青藏高原气候严酷,植被稀疏,生态脆弱,微小的扰动也会促使其生态系统产生强烈变化,特别是在目前全球变暖的背景下,青藏高原多年冻土融化趋势增强,导致地表土壤结构离散分解,加剧地表风蚀沙漠化过程。青藏铁路沿线地貌以山脉与河湖盆地、宽谷相间为特征,加之长期受冻融作用影响,在河滩、湖滩、古河道、洪积扇及山麓地带形成大量碎石、砾石和沙等松散物质,导致沙源丰富。青藏铁路沿线是中国大风日数较多的地区之一,每年大风日数多在150天以上,风力强劲,且“旱风同季”,为地表风蚀及风沙活动提供了基本的动力条件[31,32,33]。铁路沿线锡铁山、红梁河、秀水河—北麓河、沱沱河、通天河、扎加藏布和措那湖等8个路段沙害最为严重[34]

图3

图3   高寒环境风沙运动的特殊性

Fig.3   Particularity of sand movement in plateau cold region


在青藏铁路修建过程中,曾仿效内地沙区的沙害防治模式,采用砾石方格和阻沙栅栏等措施对沿线风沙灾害进行防治。由于砾石方格和阻沙栅栏的阻滞作用,使得原本分散的沙物质逐渐集中积累,并且转移至铁路近处,形成风沙灾害。因此,针对该路段的沙源、风沙活动规律、沙害类型及现状进行了一系列研究,提出青藏铁路沙害防治主要采取远阻近固、输导结合,以机械措施为主,生物、化学措施相结合的综合防护体系[27,34,35,36]。机械措施主要包括高立式沙障和方格沙障,高立式沙障有混凝土插板式、混凝土挂板式和PE网沙障,插板式沙障主要应用于红梁河和措那湖段,挂板式沙障应用于红梁河、北麓河和沱沱河段,PE网沙障应用广泛,主要分布于红梁河、沱沱河和措那湖段;方格沙障以石方格和碎石压沙为主[34]。高立式沙障用于最大限度将沙源拦截在铁路最外围;方格沙障用于稳定沙面、防止就地起沙。经试验证明,高立式沙障的防沙效益优于石方格;石方格内积沙厚度若超过石方格高度,则会失去阻沙作用,积聚在内的大量沙物质将成为新的沙源[27]。生物措施须挑选适宜当地土壤和气候环境的品种。化学措施以DST材料为主,其力学强度大、抗风蚀能力强、保水作用好、抗老化性能强。在以上防治措施基础上,结合长期的野外实践工作,因地制宜地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。如伏沙梁路段地处盐湖地区,分布有大量的盐湖及盐块[37],为提高防沙效益,将当地盐块粉碎与卤水混合成盐块,制成1 m×1 m,高度为15 cm的盐方格,或撒成盐面;同样,将卤水和沙混合制成固沙格,或直接将卤水浇灌在流沙上[27]。以上措施可替代石方格,降低铁路风沙防治成本,更好地在防沙体系中发挥效益。

高寒地区特殊的冻融作用使下垫面异常脆弱,任何微小的扰动都会改变系统的物质和能量平衡,因此风沙防治的关键和难点是不仅要控制沙源,还应注意防沙体系不能破坏沿线原本稀疏的植被和脆弱的生态环境。从长远看,高寒地区铁路防沙应重点保护生态,恢复植被;建立以生物措施为主,机械措施为辅的综合防沙体系。

2.3 戈壁大风环境铁路风沙危害与综合防治——兰新高铁

兰新高铁又称兰新第二双线,是中国首条穿越戈壁大风区和风沙区的高速铁路,沿线经过烟墩、百里、三十里和达坂城等四大风区,大风区路段长达462.4 km,最高瞬时风速可达60 m/s[5,38],铁路设计最高时速为250 km,运行环境要求高。然而,铁路穿越戈壁大风区,区域风速大、风期长,8级以上大风日数超过100天,起风突然,独特的风沙流完全不同于其他风沙地区(图4)。强风作用下形成的戈壁风沙流所携带的沙粒和砾石冲击力大,曾多次击碎车窗钢化玻璃、埋压轨道和毁损铁路行车设施,致使列车翻车、停运,造成人员伤亡和经济损失,严重威胁铁路安全运行[39]

图4

图4   戈壁大风区风沙运动的特殊性

Fig.4   Particularity of sand movement in Gobi gale area


兰新高铁沿线大风区一般分布在天山山脉风口下风向,当地大风天气主要受西伯利亚冷空气控制,当冷空气遇到天山山脉的天山垭口时,气流夺垭口而出,在重力下沉、“狭管效应”和特殊地形地貌作用下流速加快,形成大风及特大风天气。大风区主要地貌形态为砾质戈壁和沙砾质戈壁,并有风成砾浪,其戈壁类型以堆积型为主,砾石覆盖度为40%~70%;风化和水流作用使很多地方地表颗粒疏松,易形成戈壁风沙流。

戈壁地表铁路风沙危害主控因素是大风,风沙防治难点是如何降低风速,设置逐级减弱风速的工程防护体系很关键。考虑到风沙危害,铁路建设初期根据以往普通铁路的防沙经验设置了挡风墙、石方格、“Z”字形高立式阻沙栅栏等措施,但因特大风区地形复杂,风沙/砾流场运动规律不清,防沙措施缺乏统筹兼顾,防沙体系效果不佳,导致铁路道床板边缘及铁轨板出现严重积沙现象[40]。因此,针对兰新高铁沿线大风分布规律、特征及危害特性做了系统调查,并对编织网和冲孔板2种金属材料阻沙栅栏进行了试验。结果表明:设置双排栅栏时,编织网和冲孔板阻沙栅栏的阻沙效率可达86.68%和86.61%。氯氧镁水泥基固沙障是以风积沙为填料的一种新型防沙措施,其最大优点是以沙治沙,实验表明,当疏透度为20%时,其固沙效率高达94.56%,适宜于戈壁大风区非饱和过境风沙/砾流的防治[41]。基于以上研究,建立了兰新高铁沙害最严重路段的试验工程防沙体系(图5),由前沿阻沙带和高立式固沙带组成。阻沙带包括3排阻沙栅栏,第一排位于铁路上风向220 m处,使用钢制冲孔板栅栏,可有效降低风速;第二排和第三排栅栏分别位于铁路上风向160 m处和100 m处,使用铁制编织网栅栏,可有效拦截沙量。在阻沙带下风向15 m处,即铁路上风向85 m处设置高立式大网格固沙带,因为铁路附近戈壁地表就地起沙量小,固沙带兼具阻沙和固沙的双重功能。利用现有防护体系内部风积沙,制成镁水泥基固沙障,达到以沙治沙的目的。经短期观测,阻沙带下风向输沙量减少87.87%,整体防护效益还需进一步观测。

图5

图5   兰新高铁试验示范段防沙工程体系平面设计图[41]

Fig.5   Design plan of the blown-sand disaster in the experimental area[41]


3 典型路段沙害专题研究

3.1 季节性河谷型沙害

青藏铁路沱沱河路段沙害主要集中在河谷下风向的迎风侧(河谷北岸西侧),沙害路段长约30 km;地处盆地环境,其边缘为洪积扇,中部为沱沱河河谷及其阶地,地表植被稀疏,是河相沉积物典型分布区,由于河流的侵蚀及风力侵蚀,造成其沙物质异常丰富。在丰水季,河流上游季节性洪水将沙粒携带至河滩阶地,枯水季(风季)沙物质裸露,在风力作用下被搬运上轨。因此,在铁路沙害防治过程中应重点注意拦截上游沙源进入河谷,并防止河床沙源输送。

该路段风沙防治措施采用“以固为主、固阻结合,远阻、近固、中漫”的整治方针,以生态保护和人工修复为主、工程措施为辅,因地制宜、因势利导对铁路沿线风沙危害进行了综合治理(图6)。具体来说,一是“远阻”,即在铁路迎风侧1 km外设置V型高立式消能防风阻沙栅栏,阻隔沙物质进入宽谷河道,防止给铁路沙害提供沙源。二是“中漫”,即在支流进入沱沱河宽谷河道处,设置2道滚水坝,间距500 m,可增加枯水季的水域面积,达到水沙动态平衡,防止河床沙源向铁路输送和就地起沙。三是在距离铁路1 km岸坡内设置檐式T型挡沙墙,将枯水期裸露于河床的干沙阻滞到河道,洪水期水流又将阻隔于挡沙墙内的沙粒携带,有效防止河床起沙,减轻宽谷地段风沙对铁路的二次危害。四是“近固”,即在铁路两侧1 km内的平坦沙地采用化学固沙、覆网措施配合人工植被修复技术,并设立禁牧网围栏,对退化草地进行封育,以化学工程措施为先导,固定地表流沙;辅助人工植被修复和抚育技术,加速植被恢复,最终以生物措施代替工程固沙措施。

图6

图6   季节性河谷型铁路沙害防治示意图

Fig. 6   Schematic diagram of railway sand disaster control in seasonal valley-type


3.2 湖盆型沙害

青藏铁路措那湖段为山前冲洪积平原,地形开阔,是青藏铁路沿线风沙灾害最为严重的路段,也是潜在沙害最长的路段。铁路西侧至措那湖边约2 km范围内均有流沙分布,尤其是在大风季节,铁路沿线风沙灾害非常严重,特别是巴索曲河桥下积沙已接近桥梁,严重影响铁路行车安全。

该路段采用“以固为主,固阻结合,远固、近漫”的整治措施,以工程措施为先导,最终以生物措施替代工程措施为目的的综合防治思路(图7)。一是在铁路下风侧,对提供沙源的山坡流动沙丘进行生物与工程措施锁边治沙,对流入措那湖的巴索曲河,在其适当位置建造拦沙坝,拦截山坡沙物质进入湖区,固定沙源;并分别选择喷灌和低压管道灌溉,进行人工植被恢复。二是在铁路上风侧,对湖岸流动、半固定沙丘采用覆网法和化学材料等固沙措施进行固定;湖周边设立禁牧网围栏,对退化草地进行封育,辅助人工植被修复技术,加速植被恢复。三是在干湖盆、平沙地采用砾石覆盖,辅以人工植被抚育措施,固定地表流沙。四是对巴索曲特大桥附近采用水漫方法,保留、完善和加固现有拦沙坝体系,达到水沙动态平衡,防止湖内淤积和就地起沙。

图7

图7   湖盆型铁路沙害防治示意图

Fig. 7   Schematic diagram of railway sand disaster control in lake-type


3.3 高浓度风沙/砾流环境沙害

戈壁地区风沙研究一直倍受国内外学者的关注,研究成果主要集中于戈壁风沙流结构、速度廓线、能量分布、空气动力学特征参数等方面[42,43,44,45,46,47,48]。受当时观测仪器和研究条件的限制,戈壁地区风沙科学基础研究进展缓慢,完整、系统的野外观测数据非常稀少,其风沙运动过程以及致灾机理不详。另外,戈壁地区风沙/砾往复式的能量交换及物质搬运,致使近地表风蚀、堆积及其交互过程复杂。尤其在沙漠与戈壁接壤地带,在复杂风况和沙源差异供给条件下,戈壁地表风沙/砾起动机制与输移过程的研究薄弱。戈壁地表风沙/砾运动规律与致灾机理与沙质地表迥然不同,以往的研究工作仍需深入和完善。首先,在戈壁大风和沙源相对不足的环境下,近地表风沙蚀积过程、摩阻速度以及输沙通量之间究竟存在何种关系?其次,戈壁地区铁路路基两侧沙粒起动、输送和沉积规律等关键的基础资料缺乏同步监测。

哈罗铁路沿线地表类型以戈壁为主,沙害严重地段流沙掩埋线路;防沙工程多年积累的积沙形成移动的近地沙源,线路及两侧大量积沙,并随风向变化在线路两侧来回移动,危及行车安全。近年来,引入以沙治沙的理念,研究采用合理的清沙方式、先进的固沙技术建设试验工程,通过观测其效果,总结优化适合本线特点的清沙措施和固沙方法,对其他类似地区的铁路风沙危害防治也具有重要的借鉴意义。清绿铁路是一条肩负重要军工运输任务的铁路专用线,多年来,为我国军工科学技术研究事业的发展做出了卓越贡献。清绿铁路专用线约有83%的路段穿行于戈壁、流沙、剥蚀残山和丘陵分布区,自然条件恶劣,风沙活动频繁。严重沙害地段流沙已侵袭至铁路路基处,引起列车脱轨、掉道。近年来,由于前期防护措施老化、失效,新增沙源凸现和危害方式多样化,铁路沿线沙害愈演愈烈,已影响线路运行和行车安全,严重制约我国军工科学技术事业的发展。

4 中国铁路风沙危害及其防治展望

综上所述,铁路风沙危害及其防治研究一直倍受国内外学者的关注,也取得了大量研究成果,主要包括:

(1)基于局地地形条件、风信状况和沙源分布,确定了沙区铁路的选线原则和可行方案[49,50,51]

(2)通过野外实地考察并借助高分辨率遥感影像资料,查清了沙区铁路风沙危害特点及其时空分布规律,并从宏观上阐明铁路沙害的成因及危害方式[1,52,53]

(3)基于铁路风沙防治需求,经过长期的工程实践,提出了铁路沙害防治技术和措施,并凝练出具有代表性的风沙综合防护体系与模式[22,54]

(4)通过风洞实验与数值模拟技术手段,初步揭示了铁路沿线典型防沙措施的防护机理[55]

(5)利用野外定位监测和3D地貌激光扫描技术,评价了铁路沿线风沙防护措施的防沙效益[23,56,57]。以上研究成果对深入揭示沙区铁路沙害形成机理和防治技术奠定了良好的基础。

沙区铁路国内外研究现状及发展动态,在众多领域取得了丰硕的研究成果,但在铁路沙害形成机理与发育过程方面仍有不足:

(1)从研究领域来看,沙区铁路风沙研究多集中于防沙实践与工程应用方面,缺乏对沙害成因及风沙防治机理地深入研究,最终导致铁路风沙防治针对性不强或防治措施失当,产生与防护初衷相悖的后果,增大防护成本。

(2)从研究尺度来看,以往的研究针对区域风况和沙源分布等,从宏观上揭示了铁路沙害分布及特点,缺乏针对特定地形环境下铁路沙害成因深入分析,而铁路沙害多集中在地形复杂和气流突变路段。

(3)从研究范围来看,以往对沙区铁路风沙研究多限于路基两侧及其有限的距离内,忽视了对铁路外围风动力环境的系统研究,尤其是复杂地形条件下近地表流场结构和环境要素的递变规律不清楚,导致对铁路局地沙害微观机理研究缺乏。

纵观我国地貌分布格局和西部沙区铁路特征,新疆“三山两盆”、甘肃祁连山脉、青海柴达木盆地和青藏高原等是西北典型地貌单元,境内铁路主体穿插在“盆山格局”的地貌景观中。铁路沙害分布与下垫面性质紧密相关,“盆山格局”和断续分布的垭口是西北地区铁路沿途的主要地貌景观。其中,垭口是我国西部交通建设中不可逾越的鸿沟,线路穿越山脉地段,必有垭口分布。垭口地段 “狭管效应”显著、风速大,气流呈“爬坡上升”型、高空携沙气流增强、风沙致灾距离长、影响范围大。山前丘陵区多为下山风、气流处于下沉环境,空气密度增大,沙物质遇阻堆积,风沙致灾距离短、具有突发加剧特征。铁路途经垭口、山前丘陵地段风沙危害较为严重且分布集中,尤其在山前丘陵地段,冲/洪积作用显著,地表碎屑物质丰富,风沙活动强烈。综合分析我国沙区铁路的研究历程、成果积累、发展趋势和存在问题,铁路途经复杂地形和特殊地表环境风沙危害防治是今后研究重点。铁路风沙危害防治的关键和难点是沙源的有效控制或输导,以消除或减弱风沙对铁路的潜在影响。在此过程中,不能仅靠单一的风沙防治措施,要结合工程、化学、生物措施的优势,根据当地气候、地形和风沙危害的特点,因地制宜,设置合理的综合防沙体系。因此,沙区铁路风沙综合防护体系的措施选择、结构优化和合理布局是铁路风沙防治工程实践和理论研究的核心内容,也是保障沙区铁路安全运营的关键。

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