青藏鐵路沱沱河路段風(fēng)沙活動(dòng)特點(diǎn)及其動(dòng)力環(huán)境

青藏鐵路沱沱河路段風(fēng)沙活動(dòng)特點(diǎn)及其動(dòng)力環(huán)境

沙區(qū)的環(huán)境破壞一直是沙區(qū)道路建設(shè)和安全運(yùn)營(yíng)的主要因素。1958年,穿越騰格里沙漠的包蘭鐵路建成通車,開創(chuàng)了我國(guó)沙漠鐵路建設(shè)的先河。隨后,又相繼修建了蘭新、集二、干武等多條沙漠鐵路,經(jīng)過長(zhǎng)期的野外工程實(shí)踐,我國(guó)在沙漠鐵路的修筑與沙害防治方面已取得了卓越的成就。青藏鐵路穿越高原腹地,地跨昆侖山、唐古拉山和很多峽谷,通過永久凍土地帶和廣袤的草原草甸。鐵路沿線自然條件嚴(yán)酷,生態(tài)環(huán)境脆弱。隨著青藏鐵路全線開通,沙害問題凸現(xiàn)和日益嚴(yán)重,風(fēng)沙災(zāi)害已成為影響鐵路安全運(yùn)營(yíng)的主要環(huán)境問題之一。目前,青藏鐵路沙害路段約200余km,其中嚴(yán)重地段43km。調(diào)查表明,鐵路沙害正呈現(xiàn)迅速增長(zhǎng)的趨勢(shì),從2003年的48處增加到2006年的90多處,主要分布在沱沱河、五道梁、秀水河及錯(cuò)那湖等地。青藏高原高寒環(huán)境獨(dú)特,任何微小的擾動(dòng)都會(huì)改變系統(tǒng)物質(zhì)和能量平衡,導(dǎo)致土壤結(jié)構(gòu)離散分解,從而加劇地表風(fēng)沙活動(dòng)。特別是在全球變暖的背景下,高原多年凍土退化呈增強(qiáng)趨勢(shì),隨著地表土壤結(jié)構(gòu)的離散分解,地表風(fēng)蝕強(qiáng)度將增加。另外,青藏鐵路的修建在空間上擾動(dòng)了高寒區(qū)風(fēng)沙運(yùn)行原有的相對(duì)穩(wěn)定的動(dòng)態(tài)平衡,改變了風(fēng)沙流場(chǎng)結(jié)構(gòu),造成路基與風(fēng)沙流的互饋。一方面,攜沙氣流在運(yùn)行過程中,由于路基抬升作用,在路基兩側(cè)風(fēng)沙流場(chǎng)形式、能量分布和輸沙強(qiáng)度都會(huì)發(fā)生改變。另一方面,風(fēng)沙流運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的改變會(huì)直接影響路基和道床沙粒的沉降和搬運(yùn)過程,造成不同形式的風(fēng)蝕和積沙危害。隨著鐵路的通車運(yùn)行,現(xiàn)有防沙設(shè)施的不足之處將會(huì)顯露出來。鐵路沿線的風(fēng)沙災(zāi)害關(guān)系到線路的安全高效運(yùn)行,這必將受到社會(huì)各界的關(guān)注。因此,筆者根據(jù)青藏鐵路沿線風(fēng)沙危害現(xiàn)狀,選取沱沱河路段為典型沙害研究區(qū)域,結(jié)合多年風(fēng)況資料和野外實(shí)地觀測(cè),對(duì)其風(fēng)沙危害現(xiàn)狀、特點(diǎn)和動(dòng)力環(huán)境進(jìn)行分析。這不僅為揭示高寒環(huán)境下風(fēng)沙運(yùn)行規(guī)律及其鐵路沿線沙害形成機(jī)理奠定了基礎(chǔ),更能為青藏鐵路和類似地區(qū)道路工程的沙害防治合理措施的制定提供理論依據(jù)。1沙害段積沙嚴(yán)重地段及沙源風(fēng)沙對(duì)鐵路的危害主要表現(xiàn)為風(fēng)蝕和沙埋。風(fēng)沙流在途經(jīng)鐵路過程中,由于其流場(chǎng)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,首先產(chǎn)生遇阻堆積,沙粒沉積于路基和道床,引起列車脫軌掉道、道床板結(jié),加劇鋼軌的磨耗和銹蝕。風(fēng)蝕主要發(fā)生在風(fēng)力較大、地表缺乏保護(hù)的地區(qū)。青藏鐵路處于獨(dú)特的高原環(huán)境,受高空急流和柴達(dá)木盆地地面冷鋒的影響,鐵路所經(jīng)各站年均大風(fēng)日數(shù)一般都在60d以上。沱沱河路段是青藏高原大風(fēng)日數(shù)集中區(qū),年均大風(fēng)日數(shù)高達(dá)167.8d,強(qiáng)勁的風(fēng)力為地表土壤風(fēng)蝕及風(fēng)沙活動(dòng)提供了充足的動(dòng)力條件。沱沱河所處地段屬河相沉積物典型分布區(qū)。風(fēng)沙對(duì)鐵路的危害主要集中在河谷下風(fēng)向的迎風(fēng)側(cè),即河谷北岸的鐵路西側(cè),沙害路段長(zhǎng)約1.5km。積沙嚴(yán)重區(qū)段集中在沱沱河特大橋與唐古拉山車站之間,長(zhǎng)達(dá)410m。其中,積沙最嚴(yán)重地段位于沱沱河大橋附近100m處,在道床和路肩平臺(tái)有積沙。路基坡腳有片狀積沙,寬度3m左右,厚達(dá)10~15cm。由于沱沱河河岸較高,在岸坡有河相沉積物向岸頂移動(dòng)的痕跡。距離路基15m處有一條長(zhǎng)約100m,寬0.9m,深約0.6m的排水溝遭遇沙埋。排水溝西側(cè)鋪設(shè)有寬約200m的石方格,在近鐵路和河谷的石方格內(nèi)積沙與石方格基本齊平,厚度約在20cm。石方格內(nèi)的積沙厚度隨離鐵路和河谷的距離增加而逐漸減少,在最薄處也在2cm以上。在距離排水溝約50m的石方格中,設(shè)有第一排直立式導(dǎo)沙墻,高2m,長(zhǎng)約160m。其兩側(cè)積沙高度達(dá)0.5m,寬約3m。在石方格外側(cè)設(shè)有與鐵路呈30°夾角的直立式阻沙柵欄,柵欄兩側(cè)積沙高約1.3m,最寬處約14m。在阻沙柵欄外40m處,設(shè)有與鐵路大致平行的導(dǎo)沙墻,導(dǎo)沙墻東側(cè)的積沙高約1m,最寬處約5m。沱沱河區(qū)段沙源主要來自古河流沖積物、現(xiàn)代河流沖積物和活化古沙丘等,其粒度組成見表1。另外,在冬春季節(jié),沙化草地也為其風(fēng)沙活動(dòng)提供主要的物質(zhì)基礎(chǔ)。2大風(fēng)+風(fēng)旱同季干旱多風(fēng)加劇了這一地區(qū)風(fēng)沙災(zāi)害的形成。2.1生成沙風(fēng)的季節(jié)分布圖2為沱沱河各月起沙風(fēng)動(dòng)力玫瑰。沱沱河地段起沙風(fēng)季節(jié)變化非常明顯。冬春季風(fēng)向單一,持續(xù)時(shí)間長(zhǎng),風(fēng)力強(qiáng)勁。1\_4月盛行風(fēng)向以西風(fēng)為主,約占起沙風(fēng)全年總量的70%以上。其中,1月WSW\_WNW三方向占95%。自5月開始,風(fēng)向發(fā)生偏轉(zhuǎn),起沙風(fēng)分布分散,各風(fēng)向頻次相對(duì)均衡,除西北風(fēng)外,在東北方向上亦有一定的分布。從7月起沙風(fēng)玫瑰分布來看,NNE\_ENE三方向起沙風(fēng)頻率占全年總量的43%。東北風(fēng)相對(duì)增加,一直持續(xù)到8月。從9月開始,西南風(fēng)有所增加,但主導(dǎo)風(fēng)向仍以單一的西風(fēng)為主,一直持續(xù)到12月。從全年起沙風(fēng)玫瑰分布來看,以西風(fēng)和偏西風(fēng)為主,WSW\_WNW三方向約占全年總量的62.1%。圖3為沱沱河各月起沙風(fēng)矢量合成情況。可以看出,沱沱河地段從9月至次年5月合成輸沙方向以西風(fēng)為主,占全年總量的80%以上。而6、7月和8月合成輸沙方向以NE風(fēng)為主,起沙風(fēng)合成量相對(duì)冬春季較小。特別是7月,起沙風(fēng)合成量約占全年總量的20%。結(jié)合圖2不難發(fā)現(xiàn),7月,由于沱沱河地段處于多風(fēng)向時(shí)段,優(yōu)勢(shì)風(fēng)向主要集中在NE、SW和NW三個(gè)方向,分別占全年總量的42.5%、20.7%和19.5%。2.2組織成分分析輸沙勢(shì)(DriftPotential,簡(jiǎn)寫為DP)是衡量區(qū)域風(fēng)沙活動(dòng)強(qiáng)度及風(fēng)沙地貌演變的重要指標(biāo),也是目前計(jì)算風(fēng)沙活動(dòng)強(qiáng)度應(yīng)用最為廣泛的方法之一。筆者在計(jì)算輸沙勢(shì)時(shí),采用是Fryberger1979年提出的計(jì)算方法。沱沱河地段年輸沙勢(shì)DP為705.81VU,根據(jù)Fryberger提出的年平均風(fēng)能量變幅分類標(biāo)準(zhǔn),沱沱河地段風(fēng)能屬于高能環(huán)境(≥400VU)。年方向變率(RDP/DP)為0.84,屬于大比率。年合成輸沙勢(shì)RDP為590.42VU,輸沙方向RDD為89.1°,說明沱沱河地段合成輸沙風(fēng)向主要以W風(fēng)為主(圖6)。從圖7沱沱河地段各月輸沙勢(shì)DP、合成輸沙勢(shì)RDP以及合成方向RDD和方向變率來看,冬春季輸沙勢(shì)最大。1月輸沙勢(shì)達(dá)到全年的峰值,為3589.08VU。從5月開始,夏秋季輸沙勢(shì)減小,一直持續(xù)到10月為全年的最低值,只有94.47VU,輸沙能力較弱。另外,輸沙勢(shì)DP與合成輸沙勢(shì)RDP相關(guān)性非常顯著。主要反映沱沱河地段風(fēng)向單一,而且持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)。合成輸沙方向RDD從11月到次年4月,以西北風(fēng)為主。而在這一時(shí)段,方向變率達(dá)到0.9以上,風(fēng)況以單風(fēng)向?yàn)橹鳌?月風(fēng)向比較分散,方向變率達(dá)到全年最小值,為0.08,出現(xiàn)短暫的多風(fēng)向。3路基沙埋危害沱沱河所處地段屬河相沉積物典型區(qū)域,風(fēng)沙對(duì)鐵路的危害主要集中在河谷北岸的鐵路西側(cè),沙源主要來自河流沖積物和活化古沙丘等。鐵路所處地段優(yōu)勢(shì)風(fēng)向以西風(fēng)為主,與鐵路走向呈較大角度。當(dāng)風(fēng)沙流運(yùn)行至鐵路路基附近時(shí),隨著氣流的遇阻抬升,能量被大量消耗,底層氣流風(fēng)速降低,貼近地表以蠕移和部分躍移運(yùn)動(dòng)的沙粒以跌落沉積的方式堆積在路基迎風(fēng)坡坡腳,造成路基沙埋。若在后期弱風(fēng)環(huán)境下,很容易將堆積在路基迎風(fēng)坡坡腳的沙粒搬運(yùn)至道床,產(chǎn)生二次危害。野外實(shí)地調(diào)查發(fā)現(xiàn),在主導(dǎo)風(fēng)向盛行季節(jié),在偏西風(fēng)作用下,位于鐵路西側(cè)的沙源大量沙粒被攜帶至鐵路路堤附近。這時(shí)