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敦格铁路沙害形成机理及防治研究认领

作者：

鱼燕萍

学位授予单位：

中国科学院大学

摘要：

本文针对敦格铁路沿线风沙危害现状，在野外考察、定位监测和室内测试分析的基础上，阐明了铁路沿线下垫面性质、近地表物质组成、气候特征以及风动力环境，揭示了铁路沿线沙害时空分布、程度及其成因，提出了典型路段沙害防治原则与初步建议。首先，利用3D激光扫描仪定期监测铁路路基两侧风沙蚀积动态变化，在时间和空间尺度上对近地表风沙输移过程进行了定性分析及定量计算。其次，基于CFD数值模拟技术，对不同形式铁路路基和特殊地形流场结构进行了数值模拟，揭示了铁路沙害形成机理。第三，利用3D激光扫描仪在野外实测了铁路沿线既有风沙防护体系风沙蚀积量的空间分布，评价了综合防护效益以及各防护措施之间的差异。最后，根据敦格铁路沿线沙害现状及既有防护体系存在问题，对比目前各防护措施优缺点，提出了敦格铁路沙害防治原则及典型沙害路段防护体系的改进和完善建议，以期为其它穿越戈壁沙漠地区铁路风沙灾害防治提供参考。本文主要研究结论如下:　　(1)敦格铁路穿越冲洪积平原、沟谷、垭口和流动沙丘4种地形地貌，其中冲洪积平原为戈壁地表，垭口周边粉沙含量较高且分布有灌丛沙丘，沟谷和流动沙丘为流沙地表。铁路沙害主要分布在鸣沙山至沙山沟北部(S1至S3站点路段)，其中重度沙害8.0km，中度沙害3.5km，轻度沙害5.0km。沙害成因一是铁路西侧紧邻库姆塔格沙漠，为铁路沙害形成提供了丰富沙源;二是该路段“风旱同季”，为地表风蚀及风沙活动提供了充足的动力条件。沙害路段5～8月输沙势和输沙通量较大，输沙方向为西北和东北，以5～11m·s-1风速等级为主。　　(2)沙害路基风沙蚀积变化及粒度特征结果表明:①路基两侧坡脚2H(H为路基高度，5m)范围内地表形态变化较大。中度和轻度沙害路基5～8月风积量最大，其他时段蚀积状态基本平衡。重度沙害路基3～4月风积量最大，5～8月次之，9月～次年5月蚀积状态为风蚀。②中度和轻度沙害路基5～8月在-1～0H和0～1H范围内风积厚度较大，前者风积厚度分别为6.3cm、4.0cm，后者均为3.3cm。重度沙害路基3～4月在迎风坡、背风侧碎石带风积厚度较大，分别为2.2cm、2.8cm;5～8月在-1～0H、迎风坡风积厚度较大，分别为3.2cm、1.4cm;9月～次年5月，迎风坡、迎风侧碎石带和轨道风蚀厚度较大，分别为1.1cm、2.3cm和1.3cm。③路基沙害程度与时间相关，5～8月为沙害程度加重主要时期，该时期路基及防护措施的风沙输移过程对风沙灾害防治意义重大。④与2019年9月沉积物相比，2020年5月路基西侧坡脚沉积物平均粒径变细，东侧坡脚沉积物平均粒径变粗，表明沙害路段受双向风沙流影响，即西北和东北方向，与输沙势和输沙通量分析结果一致。　　(3)不同结构铁路及特殊地形的流场模拟结果表明:铁路路基迎风侧减速区范围为1～1.4H，背风侧回流区范围为1～2H，多数沙粒随气流速度降低沉积在这两个区域。高架桥铁路桥洞下气流加速作用明显，沙粒可加速通过而不沉积，且桥柱高度越高，桥柱间距越大，加速区范围越大，越有利于风沙流通过。沟谷和垭口地形内部形成减速区，位于其内部的铁路会受风沙危害而影响运行，在今后这两种地形内铁路的修建过程中，可根据情况采用合理高度和间距桥柱的高架桥铁路来防止沙害形成。　　(4)2019年3月不同栅栏积沙形态分析结果表明:①三道HDPE阻沙栅栏中第一道栅栏最大积沙厚度为1.45m，已接近栅栏高度(1.5m)，阻沙效率将会降低，建议及时维护。第二和第三道栅栏最大积沙厚度分别为0.35m和0.20m。三道阻沙栅栏总单宽积沙量为14.25m3/m，其中第一道栅栏积沙量占一半左右，积沙主要集中在-1～2H(H为栅栏高度，1.5m)范围内，第二和第三道栅栏单宽积沙量分别为4.14m3/m、3.06m3/m，积沙均匀堆积在0～5H范围内。②Z字形HDPE阻沙栅栏东侧“折点”积沙厚度最大，为1.05m;单宽积沙量为5.92m3/m，背风侧Z字内积沙量较大，占43.54％。③镀铝锌合金板阻沙栅栏最大积沙厚度为1.85m，已超过栅栏高度(1.5m)，阻沙效率将大大降低。单宽积沙量为10.42m3/m，-1～2H范围内积沙量较大，占55.97％。④镀铝锌合金板阻沙栅栏积沙范围和阻沙量最大，其他两种栅栏在不考虑成本的情况下，Z字形栅栏单宽积沙量略大，而考虑成本时，情况相反。　　(5)不同时期栅栏积沙动态变化结果表明:①3～4月，三道HDPE阻沙栅栏中第一道积沙形态变化最大，单宽积沙量增加0.96m3/m，-5～2H范围内增加较多;第二和第三道栅栏积沙形态变化较小。5～8月，第二道栅栏积沙形态变化最大，第三道次之，第一道最小，单宽积沙量分别增加1.29m3/m、0.89m3/m、0.60m3/m，主要增加范围分别为-3～2H、-5～1H、-5～3H和0～5H。9月～次年5月期间，第一道栅栏积沙形态变化较小;第二和第三道栅栏积沙形态变化较大，积沙量减少，减少量分别为0.68m3/m、0.60m3/m，其积沙减少主要范围分别为-1～5H、-1～0H和2～5H。②Z字形HDPE阻沙栅栏和镀铝锌合金板阻沙栅栏均为5～8月积沙形态变化最大，前者单宽积沙量增加1.11m3/m，迎风侧Z字内增加最多，后者迎风侧单宽积沙量增加0.89m3/m，背风侧单宽积沙量减少0.69m3/m。③随着时间变化，Z字形HDPE阻沙栅栏和镀铝锌合金板阻沙栅栏积沙呈现从背风侧往栅栏位置移动（远离铁路）的趋势，其布设方向对铁路沙害防治有显著作用，结合其阻沙量和阻沙范围相对较大，在防护措施选择中可优先考虑（不考虑成本）。　　(6)基于沙害路段防护体系现存问题和防护效益评价，在重度和中度沙害路段设计了新的“前阻后固、固阻结合”综合风沙工程防护体系，在轻度沙害路段已有防护体系西侧设计增设一道阻沙栅栏，并对其完善和维护提出相应建议。

摘要译文

关键词：

沙漠地区铁路; 路基沙害; 风沙蚀积; 形成机理; 防护体系

学位年度：

2021

学位类型：

博士

学科专业：

防灾减灾工程及防护工程

导师：

张克存

中图分类号：

U416.1[路基工程⑨];U21[铁路线路工程];S72[造林学、林木育种及造林技术]

学科分类号：

081401[岩土工程];082302[交通基础设施工程];090702[森林培育学]