青藏铁路北麓河路段风沙防护体系阻沙效益

在分析青藏铁路北麓河路段风沙灾害现状和风沙环境的基础上,将三维激光扫描技术应用于风沙工程防护体系的效益评价中,利用Leica C10三维激光扫描仪精确测量青藏铁路两侧典型防沙措施及防护体系积沙形态特征和风沙堆积量,评估防护效益。百叶窗条形阻沙栅栏单宽积沙体积最大,为18.31 m³,其次为不通风条形阻沙栅栏,单宽积沙体积为13.66 m³。阻沙栅栏最大防护距离为12 H,即上风向-3~0 H范围和下风向0~9 H范围内,双排结构的阻沙栅栏无论积沙范围或积沙量均较单排结构阻沙栅栏好。在栅栏上风向,沙粒自距栅栏5 m处开始沉降堆积,越靠近栅栏,积沙厚度越大。在阻沙栅栏的下风向,单排结构阻沙栅栏积沙范围为15 m,双排结构阻沙栅栏积沙范围可达20 m。     

塔克拉玛干沙漠腹地阻沙栅栏对垄间新月形沙丘形态的影响

阻沙栅栏是一种重要的机械防沙形式,在发挥阻沙效益的同时也影响了周边的风沙地貌的发育.塔克拉玛干沙漠腹地垄间新月形沙丘的实地测量表明,受阻沙栅栏影响,其迎风侧低矮新月形的几何形体和走向都发生了明显的变化;沙丘形态的变化模式与其自身形体大小、栅栏的水平垂直距离、当地风信、栅栏的设置走向以及栅栏已有的阻沙量大小等因素有关.阻沙栅栏对迎风侧沙丘影响的临界距离是15H(H为栅栏高度),当阻沙栅栏走向与当地的主导风向夹角α＜45°时,栅栏对沙丘移动有侧导作用.栅栏迎风侧沙丘的形态变化与栅栏对迎风侧近地表风场的扰动作用有关.     

青藏铁路沿线阻沙栅栏防护机理及其效应分析

对青藏铁路沿线阻沙栅栏的流场结构、阻沙效率进行风洞模拟实验,对沱沱河路段阻沙栅栏的野外积沙形态进行观测。结果显示,气流经过栅栏时有遇阻抬升、集流加速、减速沉降区和消散恢复区。在越过栅栏后形成两个减速恢复区和两个加速区,减速区分别距地表3 cm和20 cm处,加速区分别位于近地表和35 cm高度处。随来流风速的增加,栅栏前加速区起始范围向栅栏逼近,而栅栏后恢复区起点向远离栅栏方向发展。当气流越过栅栏后风速急剧降低,导致沙粒减速沉降。随进口风速的增加,栅栏间阻沙量和越过栅栏后输出沙量呈指数关系递增。铁路沿线采用的栅栏阻沙效率达80%以上,且随风速的增加呈线性关系递减。沱沱河路段阻沙栅栏西南侧以风蚀为主,最大风蚀深度达16\^7 cm,其余区域表现为积沙,最大积沙厚度达19\^9 cm。     

青藏铁路错那湖段沙害防治措施研究

通过分析青藏铁路错那湖段气候特征、地质地貌、植被、沙丘分布及特征的基础上,分析了该地段铁路沙害的类型与成因,并对近年来在青藏铁路错那湖段采用的固沙和阻沙工程防沙措施进行了评价。从工程性价比、风沙流成因和防护效果的综合角度出发,提出了采用尼龙网沙障、混凝土沙障、活动板挡沙栅栏、截沙沟等阻沙措施和卵（碎）石覆盖沙面、覆膜沙袋沙障等固沙措施以及植物措施相结合防沙措施的建议,这种防沙体系的结构配置对该地段铁路沙害防治具有重要的指导意义,对青藏高原其他地区的铁路、公路防沙也有一定的借鉴意义。     

公路防沙设计中夸大沙害严重性原因分析

在多年实践的基础上逐渐认识到,在多种因素影响下,研究人员在进行公路防沙设计时,往往会夸大沙害的严重性。要解决这一问题,首先应认识到,当有风沙吹向公路时,并不一定会有较为严重的沙害;其次,要认识到在沙漠的不同区域,如沙丘分布区与平坦的流沙地等,其风沙运动规律及沙害特征等,会有很大不同;此外,还应注意到防沙工程对外侧来沙的容纳量要比我们以前所认为的要大得多。本文从沙害强度与输沙率之间的关系、阻沙栅栏的导沙与阻沙作用、固沙带中积沙的不均匀性、公路的输沙作用、沙害防治的评价标准等方面入手,对此问题进行较为全面地探讨。     

栅栏最佳疏透度的空气动力学评价

为研究栅栏防沙的动力学机制,运用风洞中PIV所测风速资料,从空气动力学角度对直立栅栏的最佳疏透度范围进行了讨论与评价。结果表明,不同研究者所得栅栏的最佳疏透度范围不尽相同,大致范围在0.2～0.6之间,结果非常分散。PIV资料评价的栅栏最佳疏透度在0.2～0.3之间,该疏透度范围的栅栏周围气流湍流度较低,对风能的耗散较大,能有效抑制过境风沙流,理论上属于防沙的最佳疏透度,但实践操作中为了降低成本,阻沙栅栏的实际疏透度可适度增大,放宽到0.3~0.4左右。栅栏绕流的复杂性,使得众多研究都运用了过多的简化与假设,而且研究者们对于栅栏防护过程的不同理解以及所强调的保护侧重点不同导致评判的标准也各不相同,最终得到的最佳疏透度范围也有所差异。     

不同结构的尼龙网和塑料网防沙效应研究

通过不同结构的尼龙网和塑料网对风沙流减弱作用的风洞实验研究,旨在为探求各种防沙新材料的防护功能,并为防沙新材料的开发、野外工程防沙的优化设计及其应用提供理论依据。笔者在前人研究的基础上,以平均净阻沙率、网后平均输沙率和风沙流动态变化趋势为参考指标,初步证实了尼龙网和塑料网与常规的防沙材料,在防沙功能上具有同等的作用,且当孔隙度β在40%左右时防护效益最佳。     

机械防沙体系防沙功能的衰退过程

作为一种十分有效的防治流沙的方法,机械防沙体系在防止风沙前移显示出很大的优越性,其目的就是要把流沙滞留在体系内,体系在发挥其功能的同时也是逐步丧失其功能的过程。在平坦地形条件下,草方格沙障积沙是从前沿向纵深发展的。在复杂地形地貌条件下,流沙的堆积具有不平衡性,且积沙形式多样。无论积沙形式如何,都有整体向前推进的趋势。阻沙栅栏的积沙形式因材料及孔隙度的大小而异,阻沙栅栏在初期时,可以拦截较多的沙量（75%）,草方格固沙带只承担25%的积沙量,随着时间推移,阻沙栅栏的效益逐渐降低,草方格固沙带则要承担较多的积沙量。从阻滞的沙量来看,一道栅栏阻拦的沙量至少等于40行草方格滞留的沙量,在工程实践中应优先考虑栅栏的应用。     

临哈铁路典型防沙工程区阻风效率与积沙量特征

为掌握临哈铁路沿线风沙防护措施的防护效果,优化布设方案,选择临哈铁路K217、K585、K745及其支线天策线K16典型防沙工程区,采用样带同步观测法和测钎法,测定了每个区域的阻风效率和积沙量特征。结果表明：由铁路外侧向内侧,防沙工程对风的抑制效应逐渐增强。1.5 m高沙障积沙带、2.5 m深路堑、10 m和16 m高路堤导致风速增减的幅度分别为114%—69%、44%、160%—24%和190%—75%。网格防护区比阻沙栅栏防护区在1 m高度处的平均抑风效应更强,网格的高度和边长越大,其抑风效应越强。在严重沙害路段,大部分沙粒堆积在迎风侧中部的0.5 m网格内,在轻微沙害路段1.5 m阻沙栅栏处积沙量最大。因此建议在沙障配置中,中等和严重沙害路段以0.5 m高防沙网格为主,特别是在上风向沙源丰富的戈壁地区;在轻微沙害路段以多道1.5 m阻沙栅栏为主,网格措施为辅。     

青藏线客城区段沙害成因与防治途径的研究

青藏铁路哈（尔盖）－格（尔木）段位于青藏高原，横穿柴达木沙漠，不少地段曾因沙害造成中断行车和机车掉道等事故，其中以客城最为突出。对青藏线客城区段气候、地质、地貌等自然因素和人为因素的研究表明：风大多风是该区段风沙猖獗的动力因素，分布广泛的洪积沙层则构成了风沙流的物质基础，不适当的人为活动加剧了当地的沙漠化，致使线路沙害日趋严重。在该锻铁路防沙中，采用的竹片栅栏与碎石方格相结合的机械措施取得较好的防沙效果，经过观测，阻沙措施降低了风速；固沙措施增加了地面的粗糙度，减少了沙面的流动性，为植物的生长创造了有利条件。植物固沙试验表明，白刺是当地最佳的治沙植物种，它具有冠幅大，根系发达、固沙效果好等特点，虽然地下水矿化度高，但用它浇灌，可提高白刷成活率。防沙措施取得了明显的防沙效果和经济效益，确保了该段行车安全。     

塔里木沙漠公路沿线机械防沙体系效益分析

野外实测和室内风洞实验的数据分析表明,塔里木沙漠公路沿线高立式沙障和半隐蔽式沙障发挥了较大的防沙效益,平沙地上高立式沙障的防护距离在18H左右。3种高立式沙障防沙效益各不相同,以芦苇栅栏最佳,抗紫外线尼龙网栏次之,白尼龙网栏最差。随设置路段、地貌部位、风沙活动强度不同,各种高立式沙障使用年限有差异。沙漠腹地半隐蔽式沙障的掩埋速度为2.0~14.4m·a^-1左右,并随时间推移有一个加速的过程。     

栅栏对颗粒起动风速影响的实验研究

气流对栅栏的响应可以定量地用沙粒的起动风速来表征。通过风洞模拟实验研究了栅栏两侧不同距离处沙粒的起动风速及运动特征随疏透度和高度的变化关系。根据颗粒运动的不同典型特征,栅栏附近的水平区域可划分为5个区。栅栏的疏透度是决定其最终防护效果的关键因素,紧密型栅栏,尤其是不透风栅栏,其迎风侧脚容易形成堆积。栅栏疏透度为0.3～0.4时相对起动风速最大,疏透度0.3～0.6时能产生最大的有效防护距离。栅栏越低,产生最佳的防护效果所要求的疏透度就相对越小,反之亦然。疏透度0.3～0.4的栅栏在实际应用中可以起到最佳的防风阻沙效果。     

包兰铁路沙坡头段防护体系前沿栅栏沙丘形态与近地面流场

防护体系前沿阻沙栅栏不仅是维持栅栏沙丘形态、阻挡流沙进入防护带内的重要屏障,还是栅栏沙丘这一独特沙丘类型形成发育的首要条件。形态测定与流场观测表明,在沙坡头铁路防护体系前沿地带,栅栏沙丘迎风坡平均坡度大于天然沙丘,背风坡坡度小于天然沙丘,背风坡水平长度与迎风坡水平长度之比约为0.7,远大于天然沙丘（0.3）。阻沙栅栏显著影响沙丘表面流场,但栅栏缺失或沙埋后栅栏沙丘与天然沙丘表面流场结构具有很大的相似性。沙丘迎风坡剪切风速均沿坡面至丘顶呈先增大、后减小的趋势,但栅栏沙丘迎风坡脚至中上部剪切风速增长速度较快,中上部至丘顶剪切风速迅速降低而且幅度较大,这种变化对栅栏沙丘的成长具有重要意义。     

栅栏绕流减速效应风洞实验模拟

为研究阻沙栅栏的空气动力学效应,利用PIV技术对栅栏绕流的速度场进行了风洞实验模拟,并对其减速效应加以分析评价。结果表明,疏透度对栅栏绕流的平均速度场分布影响比较明显,疏透度越小栅栏后的平均水平风速衰减得越快;栅栏绕流的垂直速度分量在栅栏顶部最大,并随疏透度的增大而减小,影响了栅栏周围沙粒的跃移传输及沉积特征;栅栏后的累计减速率可以用高斯峰值函数来拟合,随疏透度的增大呈先增大后减小的趋势,疏透度η=0.2时累计减速率最大,代表了栅栏减速的理论最佳疏透度。     

青藏铁路西格段戈壁风沙流防治体系研究

青藏铁路西宁至格尔木段(西格段)日照冻融变化强烈、风力强劲,为了解决该环境下戈壁风沙流对路基的危害,以PE(polythene)固沙网为平面防治并结合高立式沙障为立面防治措施,组成了戈壁风沙流防治体系,通过现场观测及室内风洞实验,验证了该防治体系的防风固沙效果和工程可靠性。工程应用表明,该防治体系具有抗风蚀性能强、可重复利用、寿命长及绿色环保等特点,能够有效防治铁路戈壁风沙流的危害,并对养护工作量的减少起到了重要作用,可以替代传统石方格、竹栅栏等防风固沙措施。对类似于西格段这种戈壁风沙流速较大、海拔高、生态脆弱、传统防沙材料贫乏和工程防沙措施失效的地区,新型防治体系具有借鉴和示范作用。     

塔克拉玛干沙漠公路风沙危害与防治

塔克拉玛干沙漠公路447 km路段穿越新月形沙丘与沙丘链、复合横向沙垄以及高大复合纵向沙垄区,风沙危害极为严重,被誉为“世界公路建筑的奇迹”。为解决沙漠公路风沙防护体系构建的一系列科学与技术问题,沙漠学界随之开展了风沙运动规律,风沙危害的成因、强度、时空分异及其机械、化学、生物防治的理论与应用研究。本文对风沙危害及其防治研究的主要内容及研究进展进行了全面总结,认为塔克拉玛干沙漠公路风沙危害与防治的理论研究成果与实践应用水平取得突破性进展。     

直立阻沙栅栏流场特征的风洞模拟实验

直立栅栏作用于地表深刻地影响了周围气流的流动特性,使原来流经地表的气流成为一种特殊形式的“次生流”。根据PIV所测的非对数-线性风速廓线形态及风速廓线所表现的不同速度梯度,栅栏周围的流场可以划分为6个典型区域。随着栅栏疏透度的增加,流动的区域会随着下风向距离的增加逐渐合并,划分的区域越来越少。这些典型的区域分别表现了气流的不同运移行为及能量传输特征,对栅栏周围的风沙沉积有很大的影响。     

地形对包兰铁路沙坡头段防护体系的影响

选择沙坡头铁路防护体系典型断面,利用野外风场观测与风洞模拟,讨论地形在道路防沙体系中的作用。结果表明,防护体系前沿栅栏沙丘下风向10倍沙丘高度的水平范围内,地表摩阻风速通常小于临界值;风速递减系数随防护距离的增大而增大,地形倾斜和起伏对贴地层风力减弱的贡献占防护体系风速削弱程度的43%。自流沙区至铁路路基,潜在输沙率迅速波动降低,其中地形变化使得防护体系内潜在输沙率降低50%以上。这表明,地形是沙坡头铁路防护体系发挥卓越功能的重要因素,栅栏沙丘已成为防护体系的重要构成部分。