公路或鐵路等工程線路受風沙危害程度的影響

公路或鐵路等工程線路受風沙危害程度的影響

1公路走向?qū)飞澈Τ潭鹊挠绊戧戇\線路的沙害本質(zhì)上是由于風速的影響、地面物質(zhì)的侵蝕、運輸成本的積累，以及工程線的極其保護系統(tǒng)造成的損害。沙漠公路是一個縱向延伸很長、橫向尺度不大的線形工程,其走向和風力作用的夾角不可避免地對沙害的程度造成影響。以塔里木沙漠公路K207.6~K209.1和K211.1~K211.8為例,兩段公路均位于壟間低地,處于相同的沙害環(huán)境背景下,但前者公路走向為北偏東2°,后者為北偏東55°,相應(yīng)的沙害程度調(diào)查中,前者為一級,而后者為三級,可見公路走向?qū)ι澈Τ潭鹊挠绊懮醮?。通常情況下認為,主向合成風向與公路走向的夾角越大,那么公路所受風沙危害的程度也越重,這對于主風向集中和簡單的公路區(qū)段,特別是考慮沙丘移動對公路所造成的危害時,這個結(jié)論應(yīng)得到認可。但是,對于主風向復(fù)雜多變的公路地段,由于反向風的抵消作用,沙丘并沒有移動,但公路沙害依然十分嚴重,這種情況在塔里木沙漠公路南段表現(xiàn)尤為突出,說明它不能很好地解釋風沙流積沙危害中夾角的作用。本文拋開地形起伏、沙物質(zhì)豐富程度等因素,僅就風況及公路走向?qū)飞澈Φ挠绊戇M行討論,提出了風沙活動區(qū)運輸線路走向影響沙害程度的一種數(shù)學方法。通過計算不同路段風沙活動強度垂直分量轉(zhuǎn)化率,進而對沙漠公路不同路段的走向進行評價。2沙漠公路沿線的風和公路的方向2.1沙能力分析及強度指數(shù)沒有風力的作用,就不存在因線路走向而產(chǎn)生的風沙危害程度的變化問題,因此要討論風沙活動區(qū)運輸線路走向與沙害程度的關(guān)系,就必須結(jié)合考慮當?shù)氐娘L況?？v貫?zāi)媳钡乃锬旧衬?冬季受蒙古—西伯利亞高壓的影響,全線大部受東北及東風的控制;夏季西風勢力加強,位于克里雅河附近的NW-SE向氣流切變線開始接近尼雅河,受其影響,沙漠公路南段夏季盛行偏西風,而公路北段仍然盛行東北風。通過對肖塘、塔中和安迪爾三站1997年全年大于起動風速的自動記錄11.4m高10分鐘平均風況數(shù)據(jù)的計算,得到肖塘塘沙活動強度指數(shù)為44067.0,塔中為44039.7,安迪爾為842.1。從總體上來看,風沙活動強度從沙漠北部的肖塘至沙漠腹地的塔中較大,從塔中往沙漠南緣的安迪爾顯著降低,安迪爾風沙活動強度指數(shù)僅為塔中的1/50。從三站大于起動風速的風向組合(圖1)來看,肖塘以地區(qū)E、N、NNE和ENE風向為主,分別占總輸沙能力29.3%、13.9%、13.7%和12.2%;塔中地區(qū)以NE、ENE、NNE、N和E風向為主,分別占28.2%、21.4%、12.1%、10.6%和9.3%;安迪爾地區(qū)則以WSW、W和SW風向為主,分別占46.7%、34.9%和16.9%。2.2不同地段的宏觀走向沙漠公路沙漠段共經(jīng)過五大地貌單元,由北至南依次穿越塔里木河沖積堆積平原、塔里木盆地北部古湖沼平原、塔里木盆地中部壟崗地貌、牙通古斯河下游干三角洲、尼雅河下游干三角洲與北民豐隆起五大地貌單元。公路的宏觀走向近于南北向,但在不同區(qū)段又有所不同。位于第一、二地貌單元的肖塘至滿參段,公路走向偏轉(zhuǎn)于北偏西16°至北偏東15°之間,總體走向北偏西6°,近于NNW-SSE方向;位于第三地貌單元的滿參至K378處,公路走向偏轉(zhuǎn)于北偏西8°至北偏東70°之間,但集中于北偏東15°至北偏東35°之間,宏觀走向為北偏東30°,與NNE-SSW方向靠近;第四、五地貌單元,公路走向偏轉(zhuǎn)于北偏西13°至北偏東64°之間,總體走向在北偏東10°至北偏東20°之間(圖2)。上述公路走向大勢,決定了公路北段和中段的主風向主要從東側(cè)影響沙漠公路,而公路南段則主要受西側(cè)風影響,同時東側(cè)來風的影響也不能忽視。3道路的行駛與沙害的關(guān)系3.1考慮公路走向的q和q的關(guān)系塔里木沙漠公路南北跨度大,氣象站點少,僅有肖塘、塔中和安迪爾和民豐四站的氣象資料。由于民豐站點位居沙漠南緣的綠洲內(nèi)部,勢必受到綠洲環(huán)境因素的影響,因此就以安迪爾作為沙漠公路南端資料進行控制。我們作如下考慮:對肖塘、塔中和安迪爾三站分別統(tǒng)計1997年三站16個方向起沙風次數(shù)及風速,從而確定三站各方向風沙活動強度指數(shù),累加后得到各站總的風沙活動強度值Q,用內(nèi)插的方法可以確定出三站之間任一區(qū)段的相應(yīng)值,這是在未考慮公路走向時的一個參考值。在考慮某風向?qū)δ骋痪唧w走向路段風沙危害的影響時,當風力方向與公路走向間的夾角成垂直相交時,其單位時間內(nèi)通過單位寬度公路斷面或防沙體系的輸沙量(輸沙率)最大,沙害程度也最重,表現(xiàn)為最有效的風蝕、沙丘前移壓埋和風沙流堆積;當這種夾角越小,沙害程度也越輕,夾角為零時,其對沙害程度的影響降到最低,因此以夾角系數(shù)乘以各向風沙活動強度值后進行累加,便得到該路段在考慮公路走向后的風沙活動強度垂直分量Q′。將Q′和Q進行比較,其比值是輸沙量在垂直方向上的轉(zhuǎn)化率,比值越大說明該段公路走向越有利于沙害的形成。具體步驟與計算如下:①風沙活動強度指數(shù)Q的計算:Q=∑i=116∑j=1n(Vij?6.0)3(1)Q=∑i=116∑j=1n(Vij-6.0)3(1)其中,i=1,2,3……16為N,NNE,NE……16個方位;j=1,2,3……n為各方位起沙風次數(shù);Vij為大于起動風的風速值;6.0為塔克拉瑪干沙漠沙粒的起動風速值。用內(nèi)插的方法逐個確定不同路段的Q值。風沙活動強度指數(shù)在全線的分布如(圖3)②風沙活動強度的垂直分量Q′的計算:Q′=∑i=116Q′=∑i=116[|Sinai|?∑j=1n(Vij?6.0)3](2)ai|?∑j=1n(Vij-6.0)3](2)其中,i=1,2,3……16為N、NNE、NE……16個方位;j=1,2,3……n為各方位起沙風次數(shù);Vij為大于起動風的風速值,ai為16個方位與公路走向的夾角。風沙活動強度的垂直分量在全線的分布如(圖4)。從上式中可以看出風沙活動垂直分量的分布大勢和風沙活動強度的分布存在明顯的一致性,說明風動力和公路走向在影響沙害程度中,前者起著決定性作用。但是曲線的波動卻完全是公路走向影響的結(jié)果,在風沙活動強度一致的前提下,由于公路走向發(fā)生了變化,作用于公路的風沙活動垂直分量也勢必發(fā)生變化,垂直分量越大,說明其公路走向越利于沙害的形成。③風沙活動強度垂直分量的轉(zhuǎn)化率q值的計算q=Q′/Q?100%(3)q=Q′/Q?100%(3)由于沙漠公路南北縱向跨度大,不同地段風沙活動強度不同,全線不同地段Q′的比較并不能說明公路走向?qū)ι澈Φ挠绊懗潭?為此我們考慮Q′與Q的比值q,值越大說明風沙活動垂直分量的轉(zhuǎn)化率也越大,其公路走向越有利于沙害的形成,q值在全線的分布(圖5)。為了對某一區(qū)段的整體公路走向進行評判,利用下式計算該區(qū)段的平均qˉqˉ值,其中Li為不同走向公路段的長度:qˉ=(∑i=1nqi?Li)/∑i=1nLi(4)qˉ=(∑i=1nqi?Li)/∑i=1nLi(4)3.2各段公路走向分析根據(jù)風沙活動強度、公路走向大勢和地貌類型的相似性和差異性,將沙漠公路分成5大區(qū)段(表1),并對不同走向路段風沙活動強度垂直分量轉(zhuǎn)化率進行計算。其范圍變化在36%到80%之間,其中5大區(qū)段所對應(yīng)的垂直分量轉(zhuǎn)化率平均值分別為66.3%、56.4%、54.7%、61.9%和64.4%。線路總體走向評價是:穿行于塔里木盆地中部壟崗地貌區(qū)(K147~K378)、約231km長的公路線路總體走向不利于沙害的形成;穿行于塔里木河沖積堆積平原、塔里木盆地北部古湖沼平原(K76~K147)和尼雅河下游干三角洲與北民豐隆起地貌單元(K431~K508)、約148km長整體走向較利于沙害的形成;穿行于牙通古斯河下游干三角洲(K378~K431)、約53km長公路走向影響居中。需要特別指出的是,這種評價僅僅是將風況與公路走向相結(jié)合進行的單因素評價,并未考慮沙源、植被、沙壟走向等其它因素的影響。第I段從肖塘至滿參,全長71km,為沙漠公路所經(jīng)過的第一、第二大地貌單元,主導(dǎo)風向來自E、N、NNE和ENE方向。在1997年風況條件下,全部路段垂直分量的轉(zhuǎn)化率在60%以上,從全線來看為高值區(qū)。其中q值在60%~70%之間所對應(yīng)的公路長為62.8km,公路走向集中于北偏西8°至北偏東15°;q值在70%~80%之間所對應(yīng)的公路長為9.4km,公路走向集中于北偏西12°至北偏西16°。從此看出要降低垂直分量的轉(zhuǎn)化率,應(yīng)該使沙漠公路在此段的走向向NE方向偏轉(zhuǎn)。第II段從滿參至塔中,全長148km,為沙漠公路所經(jīng)第三大地貌單元北段,主導(dǎo)風向來自NE、ENE、NNE、N和E方向。q值小于60%的公路長度占到107.9km。其中q值在50%~60%之間所對應(yīng)的公路長為93.4km,公路走向集中于北偏東18°至北偏東40°;q值在60%~70%之間所對應(yīng)的公路長為37.6km,公路走向集中于北偏西2°至北偏東18°,q值小于50%的公路走向為北偏東40°至北偏東55°?？梢奛E走向的公路可降低垂直分量的轉(zhuǎn)化率。第III段從塔中至K378,全長83km,為沙漠公路所經(jīng)第三大地貌單元南段,主導(dǎo)風向來自NE、ENE、NNE、N和E方向。q值小于60%的公路長度占到75.6km。其中q值在50%~60%之間所對應(yīng)的公路長為64.5km,公路走向集中于北偏東20°至北偏東30°之間;q值在60%~70%之間所對應(yīng)的公路長為5.9km,公路走向集中于正北至北偏東20°之間,q值小于50%的公路走向為北偏東35°至北偏東70°之間。第IV段從K378至K431,全長53km,為沙漠公路所經(jīng)第四大地貌單元,主導(dǎo)風向來自于WSW、W和SW。q值大于60%的公路長度占到43km。其中q值在60%~70%的范圍內(nèi)所對應(yīng)的公路長度為39.6km,公路走向集中于正北至北偏東20°之間;q值在50%~60%的范圍內(nèi)所對應(yīng)的公路長度為11.5km,公路走向集中于北偏東20°至北偏東30°之間,q值小于50%的公路走向為北偏東60°左右。第V段從K431至K508,全長77km,為沙漠公路所經(jīng)第五大地貌單元,主導(dǎo)風向來自于WSW、W和SW。q值大于60%的公路長度占到59.3km。其中q值在70%~80%的范圍內(nèi)所對應(yīng)的公路長度為33.2km,公路走向集中于北偏西14°至北偏東12°之間;q值在60%~70%之間所對應(yīng)的公路長為26.1km,公路走向集中于北偏東12°至北偏東25°之間,q值小于50%的公路長為7.7km,走向變化于北偏東40°至北偏東70°之間。4沙害程度的綜合判定標準(1)風沙活動區(qū),對于縱向延伸很長而橫向尺度不大的線形工程,其線路的走向與風力作用夾角的大小會影響風沙危害的程度已得到確認。以塔里木沙漠公路為例,在相同的沙害環(huán)境背景下,由于公路走向的不同而使沙害程度出現(xiàn)明顯的差異,說明公路的走向?qū)ι澈Τ潭鹊挠绊懮醮蟆?2)在評價運輸線路的走向與其本身及防護體系所受的風沙危害程度的關(guān)系時,不能通過合成風向(沙丘移動方向)與線路走向夾角的大小予以簡單判定。一方面是由于反向風的抵消作用,它無法正確評判多向、復(fù)雜風力作用下線路走向的作用;另一方面它僅能夠