王福

(呼和浩特鐵路局，內(nèi)蒙古呼和浩特 010057)

1 自然概況

1.1 地形地貌

臨策鐵路是我國《中長期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》臨哈線的東段，起至包蘭線臨河站，終至為中蒙邊界的策克口岸，是我國連接蒙古國的一個重要運輸通道，也是內(nèi)蒙古自治區(qū)境內(nèi)建設(shè)里程最長、建設(shè)運營條件最為艱苦的一條沙漠戈壁鐵路。臨河至策克鐵路由東向西依次經(jīng)過黃河河套平原區(qū)、山前洪積平原區(qū)、陰山山脈的狼山中山區(qū)以及巴彥淖爾-阿拉善剝蝕平原區(qū)。在狼山中山區(qū)與黃河河套平原區(qū)的交接地帶，多分布著大型沖洪積扇和丘陵，在巴彥淖爾-阿拉善剝蝕平原區(qū)中夾雜分布低山丘陵、山間洼地。線路經(jīng)過地區(qū)僅臨河至太陽廟段和額濟納旗一帶多為農(nóng)田耕地，植被較為發(fā)育，其余地段均為半荒漠、荒漠地區(qū)，植被稀少，主要以低矮灌木叢為主［1］。由于氣候干旱，且暴雨集中，致使水土流失較為嚴重。線路穿越的大部分區(qū)域通過烏蘭布和沙漠、亞瑪雷克沙漠、巴丹吉林沙漠和廣袤的巖漠、礫漠(戈壁)分布區(qū)，沿線植被稀少，風(fēng)力強勁，風(fēng)沙活動劇烈，是我國北方沙漠化強烈發(fā)生地區(qū)［2］。

1.2 氣象特征

本區(qū)地處亞洲大陸腹地的內(nèi)陸高原，遠離海洋，周圍群山環(huán)抱，為典型的中溫帶大陸性干旱氣候。區(qū)內(nèi)光照充足，熱量豐富，降水量少，蒸發(fā)量大，干旱少雨，春秋兩季大風(fēng)彌漫，風(fēng)大沙多，夏季酷熱，冬季嚴寒，無霜期較長，晝夜溫差懸殊，四季氣候特征明顯。狼山山脈的兩側(cè)，南北氣候有所差異，主要表現(xiàn)為氣溫北部較南部冷，風(fēng)速北部較南部大等。

根據(jù)臨河、吉蘭泰、巴彥諾爾公、拐子湖和額濟納氣象站的觀測資料顯示，臨策鐵路沿線區(qū)域年平均氣溫 7.3℃ ～9.2℃，極端最高氣溫44.8℃，極端最低氣溫－31.6℃，最熱月平均氣溫24.1℃，最冷月平均氣溫 －10.9℃ ～ －9.9℃;雨季多集中在每年的6～8月，年平均降水量35.2～154.2 mm，年平均蒸發(fā)量2 265.6～4 217.8 mm，年平均風(fēng)速 2.1～4.7 m/s，最大風(fēng)速28.6 m/s，年平均大風(fēng)日數(shù)(≥8級)4.8～61.1d，主導(dǎo)風(fēng)向WNW。

1.3 植被

臨策鐵路沿線植被類型以半灌木、矮半灌木荒漠植被為主，占總面積的50.59%，其次以灌木荒漠植被為主，占總面積的20.60%，其它類型占總面積的28.81%。

群系類型以紅砂荒漠為主，占總面積的27.69%，主要分布于查干德日斯至紅石山，八道橋至準扎南之間，即 K380－K430、K580－K630、K300－K550、K150－K390之間，呈大面積片狀分布。其次無葉假木賊荒漠、西伯利亞白刺荒漠和泡泡刺荒漠，分別占總面積的10.43%、9.95%和7.5%。

2 沙害類型

由于臨策鐵路線跨越了不同的自然地帶，穿越了差異較大的地形地貌，其地質(zhì)、地貌、水文、植被及氣象等因子，人為因素都有明顯區(qū)別，沙害的成因及其發(fā)展過程也大不相同。

2.1 烏蘭布和沙漠段

該路段穿越烏蘭布和沙漠北部邊緣，地貌類型為半固定和流動沙丘，沙源豐富，風(fēng)沙活動劇烈，鐵路沙害類型主要為沙埋，沙害的形成主要是流動沙丘受風(fēng)力作用不斷前移，遇路基后沙丘延伸造成路基邊坡及基面積沙，沙害嚴重時埋沒軌道。

2.2 巴彥淖爾-阿拉善平原區(qū)

該路段地形地貌復(fù)雜多樣，包括低山丘陵、山間洼地、沖積湖積平原以及風(fēng)成沙丘，沙物質(zhì)來源主要是剝蝕碎屑物以及大量風(fēng)積沙，鐵路沙害以沙埋為主。

2.3 亞瑪雷克沙漠段

此路段同樣穿越沙漠邊緣，沙物質(zhì)來源于沙漠邊緣的流動沙丘，路基對風(fēng)沙流的阻擋是造成沙害發(fā)生的主要原因，而沙害的主要表現(xiàn)形式為片狀和堆狀沙埋。

2.4 荒漠草原路段

荒漠草原地帶的植被覆蓋率一般為10%～30%，主要生長植物為梭梭、紅柳等灌木，沙物質(zhì)來源主要是風(fēng)積沙，在荒漠草原地帶區(qū)灌木叢簇狀生長，可以阻截風(fēng)沙流中的沙物質(zhì)，使之沉降、堆積，再遇反向或多向風(fēng)作用時，無疑為鐵路沙害提供了潛在沙物質(zhì)來源。荒漠草原路段沙害類型主要為舌狀和片狀沙埋。

2.5 戈壁路段

戈壁與流沙地相比沙物質(zhì)豐富度較低，地表無明沙地，但是戈壁中的潛在沙物質(zhì)是沙害發(fā)生的重要沙物質(zhì)來源，其中包括原地貌中的剝蝕風(fēng)化碎屑物以及風(fēng)沙流攜帶沙物質(zhì)，戈壁風(fēng)沙流較高，并且始終處于未飽和狀態(tài)，戈壁中路基本身就是一種阻沙屏障，風(fēng)沙流遇阻后大量沙物質(zhì)沉積在路基及路基兩側(cè)，從而為沙害的發(fā)生提供了豐富的沙物質(zhì)。戈壁路段鐵路沙害類型為片狀和堆狀沙埋，沙害程度嚴重。

2.6 巴丹吉林沙漠段

與烏蘭布和沙漠段和亞瑪雷克沙漠段相同，巴丹吉林沙漠段沙物質(zhì)同樣來源于沙漠中的流動沙丘，伴隨著劇烈的風(fēng)沙運動，使鐵路沙害的發(fā)生頻率和程度也逐漸加大，而沙丘的前行對鐵路造成堆狀沙埋，沙害極為嚴重。

表1為臨策鐵路沿線沙害統(tǒng)計。

表1 臨策鐵路沙害統(tǒng)計表

3 路基斷面風(fēng)速流場分析

3.1 路基斷面形式分類

由于臨策鐵路所處地理位置，使得其路基斷面形式多樣化，根據(jù)調(diào)查，臨策沿線基本沒有零斷面，為使更好的研究不同路基斷面形式下的風(fēng)速流場特征，特將路基斷面形式的分類見表2。

表2 路基斷面形式的分類

3.2 路堤風(fēng)速流場特征

路基斷面風(fēng)速流場觀測，首先，用皮尺量取路基邊坡長度，用羅盤測定邊坡的角度，計算路堤(路塹)的高(深)度，并繪制鐵路路基及防沙體系簡圖，標記路基各部位測量數(shù)據(jù)于簡圖上。然后，利用HOBO自動風(fēng)向、風(fēng)速記錄儀對不同路基斷面(高路堤、中路堤、低路堤、全路塹、半路塹)進行風(fēng)向、風(fēng)速觀測，觀測點位分別布置在路基基面及路基兩側(cè)，風(fēng)向觀測高度距地面2.0 m，風(fēng)速觀測高度則分別為距地面0.2 m、0.5 m、1 m、2 m處，各觀測點位同時觀察，測量時間為10 min，記錄時間間隔2 s，然后求取平均風(fēng)速。

3.2.1 高路堤

如圖1為12 m高路堤斷面示意圖，該路堤選擇在 K326+200處，路堤兩側(cè)邊坡長度均為24 m，邊坡坡角為30°，風(fēng)從A5點吹向B5點，風(fēng)向西風(fēng)，A5和B5點距離到路堤中心的距離均為82 m，整個實驗觀測寬度為186 m，觀測時A5點處2 m高度風(fēng)速為10.39 m/s，觀測時儀器順風(fēng)向擺放由A5～B5，具體定位詳見圖1。

圖1 高12 m路堤測點剖面示意圖

圖2為12 m高路堤風(fēng)速流場圖，黑色梯形部分為路基本體，從圖2中可以看出，氣流進入實驗觀測段后隨著高度的增加風(fēng)速增大。從80 m到50 m氣流處于緩慢上升的趨勢，當氣流順著風(fēng)向過了50 m后氣流受到路堤的影響，風(fēng)速開始下降，在路堤迎風(fēng)側(cè)的坡腳處形成低速區(qū)，部分氣流被路堤阻斷，部分隨著路堤邊坡被抬升，在路堤的正上方形成渦旋，當氣流越過路堤后迅速下降，到－20 m～－30 m處形成靜風(fēng)區(qū)，隨后風(fēng)速開始增大。根據(jù)風(fēng)速流場規(guī)律在路基兩側(cè)的邊坡、坡腳和－20 m～－30 m處最容易形成沙物質(zhì)堆積，其中，背風(fēng)一側(cè)的積沙范圍大于迎風(fēng)側(cè)，當遇反向風(fēng)時可對路基形成二次沙害。

圖2 高12 m路堤風(fēng)速流場圖

3.2.2 中路堤

根據(jù)路基斷面形式的分類將高度在3～6 m的路堤劃分為中路堤，圖3是K390+700－K391+100高度為4.3 m的路堤斷面示意圖，路堤邊坡比1∶1.75，該路段走向為205°，西北為剝蝕戈壁，東南側(cè)為東西走向的低緩丘陵，海拔932 m。該路堤的坐標為 N41°15'19″，E104°06'44″，風(fēng)向為西風(fēng)，與路基交角為 25°，路基邊坡長度為8.5 m，邊坡角度為30°，風(fēng)由C2點吹向B5點，C2點距離路堤中心為43.4 m，B5點距路堤中心為－43.4 m，所選擇點C2的2 m高處的風(fēng)速為8.16 m/s，在上風(fēng)向處有沙障，且距離C2點7 m，觀測時按著4.3 m路堤示意圖放置儀器。

圖3 高4.3 m路堤測點示意圖

圖4為4.3 m高的路堤風(fēng)速流場圖，從中可以看出:氣流進入實驗觀測段時風(fēng)速開始緩慢降低，并在15 m處風(fēng)速降到最低并形成低速區(qū)，部分氣流被路基阻斷，此時沙物質(zhì)開始沉積，而后部分氣流越過路基基面，并在－8 m處形成渦旋，隨后風(fēng)速急劇下降，在－10 m～－25 m處降到最低，隨后風(fēng)速開始上升，在整個實驗觀測區(qū)內(nèi)，在測高0.2 m處的風(fēng)速最低，形成靜風(fēng)區(qū)。根據(jù)風(fēng)速流場的規(guī)律可知在15 m、迎風(fēng)邊坡、背風(fēng)邊坡及－10 m～－25 m處容易形成沙物質(zhì)的堆積。

圖4 高4.3 m路堤風(fēng)速流場圖

3.2.3 低路堤

根據(jù)路基斷面形式的分類可知高度在0～3 m路堤為低路堤，圖5為K390+050處高度是1.5 m 路堤示意圖，坐標為 N45°15'18″，E104°06'39″，風(fēng)向為西南風(fēng)，邊坡長度為3 m，邊坡角度為30°，風(fēng)向由C2點吹向C5點，C2點距離路堤中心17.6 m，C5點距離路堤中心的距離為－23.6 m，所選擇點C2的2 m高處的風(fēng)速為8.72 m/s，測風(fēng)時按著1.5 m路堤示意圖放置儀器。

圖5 高1.5 m路堤測點示意圖

1.5m路堤所形成的風(fēng)速流場見圖6，從中可以得到:進入實驗區(qū)高處的風(fēng)速逐漸增加，低處的風(fēng)速逐漸降低直到到10 m處低處的風(fēng)速形成渦旋，高處的風(fēng)速下降到6 m處形成弱風(fēng)區(qū)，隨后遇路堤邊坡氣流開始抬升，其增加幅度大于之前的減小幅度，當氣流越過路堤中心處時，風(fēng)速開始急速降低，使氣流直降到背風(fēng)邊坡，而后風(fēng)速繼續(xù)降低，氣流到達－10 m處時形成渦旋，在背風(fēng)邊坡至－10 m處形成低速場，隨后風(fēng)速開始增加，并趨向平穩(wěn)。根據(jù)風(fēng)速流場的規(guī)律可知在10 m、迎風(fēng)邊坡、路基基面、背風(fēng)邊坡及背風(fēng)邊坡至－10 m處容易形成沙物質(zhì)的堆積。

圖6 高1.5 m路堤風(fēng)速流場圖

3.2.4 路堤風(fēng)速流場分析

由不同高度路堤斷面形式的風(fēng)速流場圖可知，發(fā)生渦旋和弱風(fēng)區(qū)在鐵路上形成的位置不同:在12 m高的路堤渦旋發(fā)生在軌道的正上方;在8 m高的路堤氣流下降且直接吹向軌道;在4.3 m高的路堤處渦旋和氣流的變化主要發(fā)生在軌道的兩側(cè)，在軌道上方處于平穩(wěn);在1.5 m高的路堤弱風(fēng)區(qū)主要形成在路堤的兩側(cè)坡腳處，而軌道上方處于風(fēng)速的高速區(qū)。由此可以知道:在高路堤的軌道上易形成積沙;在中路堤邊坡上易形成積沙，而在軌道上積沙較弱;在低路堤上，兩側(cè)的邊坡及距坡腳一定距離處都易形成積沙，而軌道上方不易形成積沙。

3.3 路塹風(fēng)速流場特征分析

3.3.1 全路塹

圖7為K391+200處2.8 m深全路塹測點示意圖，路塹兩邊的邊坡長度都為5.5 m，且坡角均為30°，鐵路走向為110°，主風(fēng)向為西風(fēng)，基本與路塹斷面垂直，風(fēng)由B2點吹向B4點，B2點到路塹中心的距離為25.8 m，B4點到路塹中心的距離25.8 m，整個實驗觀測段的距離為51.6 m，所選取的B2點處的2 m高度風(fēng)速為9.14 m/s。測風(fēng)時按著2.8 m淺路塹的示意圖放置儀器。

圖7 2.8 m路塹測點示意圖

圖8為2.8 m深全路塹所形成的風(fēng)速流場圖，由圖可知:氣流進入實驗觀測區(qū)段時的氣流運動規(guī)律及不穩(wěn)定，當氣流遇路塹后風(fēng)速開始降低，在路塹迎風(fēng)側(cè)坡腳處形成靜風(fēng)區(qū)，在路塹背風(fēng)側(cè)形成渦旋，此時在路塹斷面內(nèi)沙物質(zhì)開始大量沉積，隨后氣流在背風(fēng)側(cè)路肩處形成渦旋，隨后氣流上升，并在－8 m處上升為最大值，隨后開始下降，并在－18 m處形成弱風(fēng)區(qū)，隨后氣流上升。根據(jù)風(fēng)速流場圖可知在18 m、－8 m、－18 m及迎風(fēng)坡腳處可形成沙物質(zhì)的堆積。

圖8 2.8 m路塹風(fēng)速流場圖

3.3.2 半路塹

圖9為半路塹斷面示意圖，所選擇的半路塹位于 K434 處，地理位置 N41°24'56″，E103°37'15″。路塹的兩端深度不等，迎風(fēng)一側(cè)的路塹邊坡長度為15 m，其角度為45°，背風(fēng)一側(cè)的路塹邊坡長度為10.2 m，角度為35°。風(fēng)向由B4點吹向A4點，B4距離路塹中心54.6 m，A4距離路塹中心37.4 m，整個觀測距離為92 m，鐵路的走向為WN35°。選擇點B4其路2 m高的風(fēng)速為7.98 m/s。測風(fēng)時按著半路塹的示意圖放置儀器。

圖9 半路塹示意圖

圖10為半路塹風(fēng)速流場圖，從中可知:在實驗觀測區(qū)里面，順著風(fēng)向從測點到順風(fēng)坡頂處，風(fēng)速基本趨向平穩(wěn)，當風(fēng)到路塹處，開始降低，到路塹的底部降到最低，形成低速場，隨后沿著迎風(fēng)坡氣流隨之抬升，在迎風(fēng)坡坡頂趨向平穩(wěn)，根據(jù)風(fēng)速流場圖，可知在路塹背風(fēng)側(cè)坡腳處易形成沙物質(zhì)的堆積。

圖10 半路塹風(fēng)速流場圖

3.3.3 路塹風(fēng)速流場分析

由兩種路塹的風(fēng)速流場圖可知:在半路塹上風(fēng)向氣流趨近與平穩(wěn)，到達路塹的上方氣流均勻下降，在軌道及路肩處形成低速區(qū);而在全路塹的上風(fēng)向一側(cè)氣流較紊亂，到達路塹的上方一部分氣流上升，另一部分下降，下降的部分直接吹向軌道，且在迎風(fēng)坡腳處形成渦旋。由此可知當風(fēng)速夠大的時候半路塹軌道上不易積沙，但當小風(fēng)速通過路塹時，就易在路肩和軌道上形成沙物質(zhì)的堆積;在全路塹迎風(fēng)坡腳處，由于形成渦旋，所以在路肩及軌道上易形成沙物質(zhì)的堆積。

4 結(jié)束語

臨策鐵路自然環(huán)境惡劣，自2009年12月26日開通以來，由于沙害嚴重，無法組織行車，直到2010年7月15日才正式開行貨物列車，2010年11月24日開行呼和浩特至額濟納4661/4662次旅客列車，結(jié)束了內(nèi)蒙古自治區(qū)阿拉善盟不通旅客列車的歷史。臨策鐵路受風(fēng)沙危害線路之長、程度之重、時間之久、危害之大、影響之深，為全國鐵路沙害之首。因此，臨策鐵路生態(tài)保護與沙害治理顯得尤為重要。臨策鐵路沙害的治理，不僅能夠確保臨策線運輸暢通，而且對阿拉善、巴彥淖爾生態(tài)環(huán)境的改善都十分重要，鐵路治沙工程建成后將形成一條連接內(nèi)蒙古西部沙漠、戈壁、荒漠、草原的綠色長廊，不但減少了每年的清沙費和線路維護費，而且對周邊地區(qū)生態(tài)環(huán)境的改善，京津地區(qū)沙塵暴的緩解也都具有十分重要的意義。

［1］中鐵工程設(shè)計咨詢集團有限公司.新建臨策線烏蘭敖包至策克段初步設(shè)計［R］．2006．

［2］郝才元．臨策鐵路沙害現(xiàn)狀及治理途徑［J］．鐵路節(jié)能環(huán)保與安全衛(wèi)生，2011，1(2):93 －96．

［3］TB10053－98，鐵路工程地質(zhì)風(fēng)沙勘測規(guī)則［S］．