1.工程现状与风沙环境分析

1.1 工程现状

临哈铁路临河至额济纳段扩能改造工程位于内蒙古自治区西部的巴彦淖尔市和阿拉善盟境内，计划进行增建第二线及电气化改造。项目东起京兰通道包兰铁路临河站，向西北方向依次经巴彦淖尔市临河区、杭锦后旗、乌拉特后旗、磴口县，阿拉善盟阿拉善盟左旗、阿拉善右旗、额济纳旗至项目终点额济纳站，线路全长685.184km。是一条以煤运为主、兼顾沿线及少量区际客货交流的路网干线铁路。

在扩能改造工程项目中，通过详细分析临河至额济纳段既有线的风沙灾害情况，提出增建第二线方案并进行对比，进而保障该段铁路扩能改造后的安全稳定运行。

临哈铁路K650 + 000~K667 + 400段穿越巴丹吉林沙漠南缘腹地，该区域地貌类型以流动沙丘、半固定沙丘为主，风沙活动频繁，属典型的风沙灾害高发地段。线路整体走向基本与沙丘链走向呈一定角度交叉，受地形与风力主导方向影响，线路沿线易遭受风蚀、积沙与埋压等病害威胁。

该区段为单线铁路，设计时已充分考虑流动沙丘的强风蚀作用，在风沙活动最强的两个区段设置两座明洞工程(见图1)，分别位于K651 + 039.24~K657 + 698.87(1号明洞，长6659.63m)与K662 + 778.51~K664 + 198.51(2号明洞，长1420m)，合计长8079.63m，均采用单洞线形式，洞内铺设有砟轨道。

明洞建设完成后，可有效防治风沙危害，保障铁路安全运行，但运营过程中产生衬砌风化剥落、变形缝漏砂、热胀冷缩掉块等问题，在本次扩能改造工程中需要重新审视其与区域风沙系统之间的相互作用机制。

图1 临哈铁路与流动沙丘位置关系

1.2 区域风沙环境特征分析

(1)风沙类型及地貌特征

研究区所处巴丹吉林沙漠及其过渡带风沙活动强烈，受地形、地表类型、风场条件与人类活动等多因素共同影响，风沙动态变化明显，时空特征差异大，随季节变化显著。

沿线风沙以戈壁风沙流、低山丘陵风沙流为主，部分地段分布风积沙丘(见图2)。

图2 沿线风沙分布

其中K651 + 102~K657 + 705段与K662 + 764~K664 + 092段为流动沙丘(见图1)，其他风沙段落为半固定沙丘。进素图一带以新月形沙丘链为其主要特征(见图3)，沙丘链高2~12m，呈北东 - 南西走向，链间距40~70m为主，北西迎风面稍凸而平缓，一般为8°~20°，南东背风面内凹而陡，坡度为28°~35°，沙丘两翼不对称，丘前洼地多成碟形，随不同季节风向变化，呈往复前进，但总体移动方向为由北西向南东移动。既有临哈铁路为防治风沙灾害，在流动沙丘地段设置明洞两处，由于明洞阻挡导致线路附近风速、风向变化，至既有明洞附近沿线路走向移动趋势明显，并以明洞为基础形成线沙垄，沿明洞方向沙丘链与明洞交错呈现高低起伏状。

图3 拟建明洞附近新月形沙丘链

(2)既有明洞对风沙系统的干扰效应

通过对进素图一带流动沙丘范围进行现场勘察，经核实K651 + 102~K657 + 705、K662 + 764~K664 + 092范围为流动沙丘，K657 + 705~K662 + 764范围为半固定沙丘，根据风沙分布范围，采取合理的工程设置通过流动沙丘，其余地段采取有效防沙措施。

既有临哈铁路临河至额济纳段(原临策线)于2005年2月开始勘察设计，2006年11月开工建设，2010年4月开通运营。明洞工程在一定程度上扰动风沙系统的自然演化路径。通过对不同时期(2006年、2012年、2013年)同一月份(6月)沙丘链卫星图像进行位置对比分析，可见以下趋势。

(1)根据既有明洞迎风侧500m处沙丘链位置对照(见图4)，2006年6月至2012年3月，移动距离为24~30m，平均移动速度为4.7m/a，2012年3月至2013年6月移动距离为5~8m，平均移动速度为5.2m/a，移动速度并未发生明显变化。

(1)根据既有明洞迎风侧500m处沙丘链位置对照(见图4)，2006年6月至2012年3月，移动距离为24~30m，平均移动速度为4.7m/a，2012年3月至2013年6月移动距离为5~8m，平均移动速度为5.2m/a，移动速度并未发生明显变化。

图4 丘链不同时期位置对照(迎风侧500m)

(2)根据既有明洞迎风侧100m处沙丘链位置对照(见图5)，2006年6月至2012年3月，移动距离为30~40m，平均移动速度为6m/a，2012年3月至2013年6月移动距离8~12m，平均移动速度8m/a，移动速度略有升高。

图5 沙丘链不同时期位置对照(迎风侧100m)

(3)既有明洞迎风侧50m以内，2012年3月至2013年6月移动距离为5~8m，平均移动速度为5.2m/a，较同一沙丘链远明洞端速度(8m/a)降低35%。

综上，明洞修建一定程度上改变铁路附近沙丘链形态及移动速度，但明洞顶高程一般低于区域沙丘链顶高程，对风沙搬运总体影响不大，大部分风积沙仍可越过明洞线形沙垄，然后依附背风侧沙丘链继续搬运。

2 线间距及桥下净空高度的选定原则

结合本段地形地质特征、既有铁路布设条件、流动沙丘分布形态及工程规模等因素，分别对新建单线明洞与单线桥梁两种方案的线间距与单线桥梁方案桥下净空高度的选定原则进行系统研究与分析。

2.1 线间距选定原则

(1) 新建单线明洞方案

为合理确定新建单线明洞与既有明洞间的安全线间距，引入风沙作用下明洞阻沙功能的模拟分析。将明洞视为模拟沙丘障碍体，依据典型沙丘几何特征，假定线状沙垄高度为10m，迎风侧坡度为1:4.5(常见范围1:4~1:6)，背风侧坡度为1:1.5(常见范围1:1~1:2)。为避免沙垄之间的风沙相互干扰，需确保两线状沙垄坡面互不交叠。经几何分析，两座明洞间的安全间距约为60m。该值与近场区天然沙丘链间距(40~70m)基本一致。因此，建议新建单线明洞与既有明洞之间的线间距取60m，单线明洞方案见图6。

图6 单线明洞方案

(2)新建单线桥方案

在风沙环境中，结构物对气流具有显著扰动作用，会形成减速区、加速区及紊流区，进而影响风沙输运路径。考虑到既有明洞对风沙的阻断作用，新建桥梁可发挥“输沙”通道功能，宜布设于迎风侧沙丘链间的低洼区域，以最大程度保持风沙通道的连贯性。结合区域沙丘链间距(40~70m)及沙丘积沙空间分布规律，选取沙丘链间距的半宽(20~35m)作为推荐线间距，既有利于桥梁通风输沙功能的实现，也可降低相邻结构物间流场干扰的风险。综合模拟分析结果，确定新建单线桥梁与既有明洞的线间距为25m，新建单线桥方案见图7。

图7 新建单线桥方案

2.2 桥下净空高度的选定原则

在流动沙丘发育强烈的区域，为确保风沙能够顺利通过桥梁结构，避免形成局部风积沙堵塞，桥下净空需满足以下两项功能需求:①允许下部沙丘迁移通过;②为上部风沙流保留足够输运通道。若净空不足，在复杂风向与起伏沙丘共同作用下，极易导致桥下或两侧形成风积沙堆积，危及结构安全与线路运营。基于区域风沙环境分析、同类工程案例调研以及风速流场数值模拟结果，进一步明确桥下净空高度的主要影响因素与选定原则。

(1)同类工程案例

在和若铁路进行“民丰西侧经新月形沙丘链局部方案”研究时，该区域内分布大面积新月型沙丘链，高3~5m，局部可达7m，属于风沙危害严重区域，线路以18.1km特大桥穿过新月形沙丘链地段，风沙地段桥梁控制性工点的桥下净空按“沙丘高度 + 10m”控制(如沙丘高度为12m，桥下空净为22m)；部分段落坡度困难无法满足“沙丘高度 + 10m”净空，按1.5倍沙丘高度考虑(如沙丘高度为12m，桥下净空为18m)；线路纵断面受限的段落，可对局部高大沙丘削坡，保证梁底与地面间至少有10m输沙空间，但运营后需要定期桥下清沙。其风沙地貌与本项目流动沙丘相似，可以作为参照。

若克雅特大桥全桥长 9.736km，穿越多段流动沙丘，最大沙丘高度可达20~30m。桥下净空一般按“沙丘高度 + 10m”控制，平均墩高24m，最高桥墩35m；DK543 + 950~DK544 + 400段地势较高，但桥址区最大高差30~50m，线路纵断面受限，为减少整桥高度，采取削坡清理沙丘措施，保证桥梁与地面间有10m输沙空间。

(2)流动沙丘对桥下净空高度的影响

本段风沙地貌与和若铁路相似，均走行于大型沙漠边缘，主要为流动沙丘。为尽量减小桥梁对流动沙丘的影响，便于流动沙丘顺利通过桥梁，桥下净空在不小于区域沙丘最大高度基础上，宜考虑一定安全系数。

既有铁路、京新高速沿巴丹吉林沙漠边缘一条季节性河流走行，区域风沙环境受明洞、高速等构筑物及河流影响强烈，沙丘高度在既有铁路北侧呈北高南低趋势，在京新高速南侧呈北低南高趋势，在铁路、高速之间沙丘高度最低。根据地质调查:既有铁路迎风侧区域流动沙丘高度以4~12m为主，明洞附近流动沙丘高度以4~8m为主，1号明洞范围12m高沙丘距离线路最近约280m，2号明洞范围12m高沙丘距离线路最近约1km。

既有1号明洞(出口段)迎风侧新月形沙丘链高度见图8，既有1号明洞(进口段)迎风侧新月形沙丘链高度见图9，既有2号明洞迎风侧新月形沙丘链高度见图10。借鉴和若铁路设计经验，取区域最大沙丘高度的1.5倍作为桥下净空。

图 8 既有 1 号明洞（出口段）迎风侧新月形沙丘链 高度

图 9 既有 1 号明洞（进口段）迎风侧新月形沙丘链 高度

图 10 既有二号明洞迎风侧新月形沙丘链高度

综上，沙丘最大高度代表流动沙丘区域积沙高度的上限，可作为桥下净空取值的主要影响因素。在此基础上，取区域流动沙丘最大高度进行计算安全性较高，但经济性较差；取明洞附近最大沙丘高度进行计算经济性较高，但安全性较差。

（3）既有明洞对桥下空高度的影响

①明洞结构对风速流场的影响

明洞结构对风速流场影响的模拟分析显示（见图11），当气流遇到明洞结构时，迎风侧顶部与路肩形成加速区，背风侧形成明显减速区，前者会增强风蚀作用，后者易引发风积沙现象。此特性决定明洞周边结构物易发生积沙堆积。

图11 路堤或明洞风速场

②桥梁结构对风速流场的影响

桥梁结构对风速流场影响的模拟分析显示（见图12），风沙流在前进过程中遇到桥梁时，受梁体结构影响，流场会出现明显的扰动，在梁体周边形成一些气流分区，大致可分为气流高速区（梁体上方）、加速区（梁体下方）、紊流区（梁体四周）、减速区（桥梁前、中、后）。通过分析，不难发现桥梁有一定加速效应，其正下方气流速度明显呈现增加的趋势，但受其结构影响会在梁体前后近地表出现一些局部低速区，当携沙气流途经上述区域时，风沙流平衡状态被打破，部分区域风速减小，气流携沙能力降低，致使沙粒沉积；而风沙流中大部分沙粒集中在近地表约50cm以下范围内运动，为桥梁两侧积沙提供充沛的沙源。

图 12 桥梁风速流场

③桥下净空对风速流场影响分析

桥下净空对风速流场影响的数值分析显示（见图13），净空高度对桥梁两侧积沙有较大影响，桥梁净空越小，梁底气流速度的增幅越大，梁底越不易积沙，但桥梁两侧气流速度的衰减幅度也越大，导致桥梁两侧越容易积沙；而净空高度越大时，气流速度增幅与减幅也较小，达到某一高度后波动指数趋近于1，此时梁体对风沙流平衡状态基本没有影响，即风沙流能够顺利通过梁底，不会在桥梁两侧形成积沙。在大风天气时，梁底净空高度取2，3，4，5m时，开展桥梁净空尺寸对流场影响的分析，发现梁底有效净空高度＜4m时，波动指数趋近于1。

图 13 不同净空高度工况下的波动指数对比

④既有明洞对桥下净空影响

通过明洞、桥梁段风速流场模拟分析，路肩、明洞洞顶、桥梁梁底为加速区，路基、明洞坡脚及桥梁两侧为减速区，明洞、桥梁相邻时两线之间易堆积大量风积沙。由于既有路堤高度普遍较低，明洞洞顶为积沙高度上限，为减少大风天气桥梁积沙，并行明洞段桥梁的桥下净空宜高于明洞<4m。

综上，既有构筑物的高度对新建桥梁桥下净空影响较大，由于流动沙丘段既有路堤高度较低，既有明洞高度为桥下净空取值的主要影响因素。

④桥下净空高度选定

综合上述分析，桥下净空的控制应根据工程布设位置、既有结构约束及沙丘特征进行分区控制。

线间距较小时（线间距＜25m，结构净距＜15m），风速流场受两线干扰明显，既有结构对积沙影响显著，既有明洞高度为积沙高度上限，对于桥下净空的取值，既有明洞高度为主要影响因素，沙丘最大高度为次要影响因素。

线间距较大时（线间距≥25m，结构净距≥15m），既有结构对积沙影响减弱，对于桥下净空的取值，沙丘最大高度为主要影响因素，既有明洞高度为次要影响因素。

本段线路桥梁与既有明洞线间距为25m，沙丘最大高度为主要影响因素，采用区域沙丘最大高度计算桥下净空。即并行明洞段桥梁的桥下净空=12m（区域最大沙丘高度）x1.5=18m，即桥下净空不宜<18m。

考虑桥下净空按明洞附近最大沙丘高度取值（12m）时，存在经济性较高的优势，以此原则制作比较方案，进行综合经济技术比选。

3 穿越流动沙丘段线路方案

3.1 方案说明

结合本段地形地质条件、既有线走向、流动沙丘分布特征及工程实施规模，综合采纳相关部门意见，考虑既有明洞病害整治的协同实施，提出3种穿越流动沙丘区域的增建第二线方案：新建单线明洞方案、新建单线桥（18m净空）方案及新建单线桥（12m净空）方案。各方案对比见图14。

图14 穿越流动沙丘段方案

（1）新建单线明洞方案

在既有线路右侧增建第二线，以单线明洞形式通过流动沙丘区域，与既有1号、2号明洞保持约60m线间距并行南下，出流动沙丘区域后改为路基形式，穿越半固定沙丘区域。新建单线明洞方案纵断面见图15。

图15 新建单线明洞方案纵断面

由于新建明洞与既有明洞结构形式相同、线路间距合理，运营期间的养护维修标准统一，有利于工务部门的维护管理。该方案对风沙影响具备良好的防护能力，减少长期防风固沙的资源投入，具备较高的综合经济效益。明洞并行布设对生态环境影响可控，鉴于相关规范与既有明洞环境条件，设置洞口缓冲结构的必要性不大。既有明洞中存在的病害问题将在电气化改造及病害整治中予以解决，漏砂问题的主要根源（如变形缝、通风孔）将得到有效治理。

（2）新建单线桥（18m净空）方案

该方案在线路右侧增建第二线，采用桥梁结构穿越流动沙丘区域，桥下净空高度为18m，并与既有1号、2号明洞保持约25m线间距并行布设。新建单线桥方案（18m净空）纵断面见图16。

图 16 新建单线桥方案（18m 净空）纵断面示意

（3）新建单线桥（12m净空）方案

线路沿既有线右侧增建第二线，以单线桥梁形式与既有1号明洞、2号明洞保持25m线间距并行向南通过流动沙丘区域，桥下净空高度为12m。新建单线桥方案（12m净空）纵断面见图17。

图17 新建单线桥方案（12m净空）纵断面

3.2 方案分析与比较

综合分析风沙防护能力、运维便利性、工程实施难度及投资经济性，新建单线明洞方案与桥梁方案均具备良好的实施条件与风沙适应能力。明洞方案工程投资最低、运维安全性最佳，进一步兼顾环保与经济效益，综合优势显著。因此，推荐采用新建单线明洞方案，方案优缺点分析见表1。

表1 优缺点分析

4 结论

临哈铁路K650+000~K667+400段位于巴丹吉林沙漠，风沙活动强烈，沿线以流动沙丘为主，风沙病害严重。为提高线路运行可靠性，对该段增建第二线的3种方案进行比选：新建单线明洞、新建单线桥（18m净空）、新建单线桥（12m净空）。

通过模拟分析，确定明洞方案线间距60m可避免风沙扰动相互干扰，桥梁方案25m线间距平衡输沙功能与流场干扰，并结合输沙需求与风流场数值模拟的同时借鉴和若铁路经验，确定桥下净空为12m或18m。最后对新建单线明洞、新建单线桥（18m净空）和新建单线桥（12m净空）3个方案进行技术经济比选及优缺点分析。

结果表明，明洞方案与桥梁方案均具备良好的实施条件与风沙适应能力，新建单线明洞方案可以有效防治风沙危害，养护维修工作量少、结构实施性好、工程经济性优、维修作业环境安全性高。因此，推荐采用新建单线明洞方案。

本文转自《铁道勘察》——临哈铁路扩能改造工程流动沙丘段风沙特征及选线研究，作者：陈乾；仅用于学习分享，如涉及侵权，请联系删除！