公路或铁路等工程线路受风沙危害程度的影响

公路或铁路等工程线路受风沙危害程度的影响

1公路走向对公路沙害程度的影响陆运线路的沙害本质上是由于风速的影响、地面物质的侵蚀、运输成本的积累，以及工程线的极其保护系统造成的损害。沙漠公路是一个纵向延伸很长、横向尺度不大的线形工程,其走向和风力作用的夹角不可避免地对沙害的程度造成影响。以塔里木沙漠公路K207.6~K209.1和K211.1~K211.8为例,两段公路均位于垄间低地,处于相同的沙害环境背景下,但前者公路走向为北偏东2°,后者为北偏东55°,相应的沙害程度调查中,前者为一级,而后者为三级,可见公路走向对沙害程度的影响甚大。通常情况下认为,主向合成风向与公路走向的夹角越大,那么公路所受风沙危害的程度也越重,这对于主风向集中和简单的公路区段,特别是考虑沙丘移动对公路所造成的危害时,这个结论应得到认可。但是,对于主风向复杂多变的公路地段,由于反向风的抵消作用,沙丘并没有移动,但公路沙害依然十分严重,这种情况在塔里木沙漠公路南段表现尤为突出,说明它不能很好地解释风沙流积沙危害中夹角的作用。本文抛开地形起伏、沙物质丰富程度等因素,仅就风况及公路走向对公路沙害的影响进行讨论,提出了风沙活动区运输线路走向影响沙害程度的一种数学方法。通过计算不同路段风沙活动强度垂直分量转化率,进而对沙漠公路不同路段的走向进行评价。2沙漠公路沿线的风和公路的方向2.1沙能力分析及强度指数没有风力的作用,就不存在因线路走向而产生的风沙危害程度的变化问题,因此要讨论风沙活动区运输线路走向与沙害程度的关系,就必须结合考虑当地的风况。纵贯南北的塔里木沙漠公路,冬季受蒙古—西伯利亚高压的影响,全线大部受东北及东风的控制;夏季西风势力加强,位于克里雅河附近的NW-SE向气流切变线开始接近尼雅河,受其影响,沙漠公路南段夏季盛行偏西风,而公路北段仍然盛行东北风。通过对肖塘、塔中和安迪尔三站1997年全年大于起动风速的自动记录11.4m高10分钟平均风况数据的计算,得到肖塘塘沙活动强度指数为44067.0,塔中为44039.7,安迪尔为842.1。从总体上来看,风沙活动强度从沙漠北部的肖塘至沙漠腹地的塔中较大,从塔中往沙漠南缘的安迪尔显著降低,安迪尔风沙活动强度指数仅为塔中的1/50。从三站大于起动风速的风向组合(图1)来看,肖塘以地区E、N、NNE和ENE风向为主,分别占总输沙能力29.3%、13.9%、13.7%和12.2%;塔中地区以NE、ENE、NNE、N和E风向为主,分别占28.2%、21.4%、12.1%、10.6%和9.3%;安迪尔地区则以WSW、W和SW风向为主,分别占46.7%、34.9%和16.9%。2.2不同地段的宏观走向沙漠公路沙漠段共经过五大地貌单元,由北至南依次穿越塔里木河冲积堆积平原、塔里木盆地北部古湖沼平原、塔里木盆地中部垄岗地貌、牙通古斯河下游干三角洲、尼雅河下游干三角洲与北民丰隆起五大地貌单元。公路的宏观走向近于南北向,但在不同区段又有所不同。位于第一、二地貌单元的肖塘至满参段,公路走向偏转于北偏西16°至北偏东15°之间,总体走向北偏西6°,近于NNW-SSE方向;位于第三地貌单元的满参至K378处,公路走向偏转于北偏西8°至北偏东70°之间,但集中于北偏东15°至北偏东35°之间,宏观走向为北偏东30°,与NNE-SSW方向靠近;第四、五地貌单元,公路走向偏转于北偏西13°至北偏东64°之间,总体走向在北偏东10°至北偏东20°之间(图2)。上述公路走向大势,决定了公路北段和中段的主风向主要从东侧影响沙漠公路,而公路南段则主要受西侧风影响,同时东侧来风的影响也不能忽视。3道路的行驶与沙害的关系3.1考虑公路走向的q和q的关系塔里木沙漠公路南北跨度大,气象站点少,仅有肖塘、塔中和安迪尔和民丰四站的气象资料。由于民丰站点位居沙漠南缘的绿洲内部,势必受到绿洲环境因素的影响,因此就以安迪尔作为沙漠公路南端资料进行控制。我们作如下考虑:对肖塘、塔中和安迪尔三站分别统计1997年三站16个方向起沙风次数及风速,从而确定三站各方向风沙活动强度指数,累加后得到各站总的风沙活动强度值Q,用内插的方法可以确定出三站之间任一区段的相应值,这是在未考虑公路走向时的一个参考值。在考虑某风向对某一具体走向路段风沙危害的影响时,当风力方向与公路走向间的夹角成垂直相交时,其单位时间内通过单位宽度公路断面或防沙体系的输沙量(输沙率)最大,沙害程度也最重,表现为最有效的风蚀、沙丘前移压埋和风沙流堆积;当这种夹角越小,沙害程度也越轻,夹角为零时,其对沙害程度的影响降到最低,因此以夹角系数乘以各向风沙活动强度值后进行累加,便得到该路段在考虑公路走向后的风沙活动强度垂直分量Q′。将Q′和Q进行比较,其比值是输沙量在垂直方向上的转化率,比值越大说明该段公路走向越有利于沙害的形成。具体步骤与计算如下:①风沙活动强度指数Q的计算: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为N,NNE,NE……16个方位;j=1,2,3……n为各方位起沙风次数;Vij为大于起动风的风速值;6.0为塔克拉玛干沙漠沙粒的起动风速值。用内插的方法逐个确定不同路段的Q值。风沙活动强度指数在全线的分布如(图3)②风沙活动强度的垂直分量Q′的计算: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为N、NNE、NE……16个方位;j=1,2,3……n为各方位起沙风次数;Vij为大于起动风的风速值,ai为16个方位与公路走向的夹角。风沙活动强度的垂直分量在全线的分布如(图4)。从上式中可以看出风沙活动垂直分量的分布大势和风沙活动强度的分布存在明显的一致性,说明风动力和公路走向在影响沙害程度中,前者起着决定性作用。但是曲线的波动却完全是公路走向影响的结果,在风沙活动强度一致的前提下,由于公路走向发生了变化,作用于公路的风沙活动垂直分量也势必发生变化,垂直分量越大,说明其公路走向越利于沙害的形成。③风沙活动强度垂直分量的转化率q值的计算q=Q′/Q⋅100%(3)q=Q′/Q⋅100%(3)由于沙漠公路南北纵向跨度大,不同地段风沙活动强度不同,全线不同地段Q′的比较并不能说明公路走向对沙害的影响程度,为此我们考虑Q′与Q的比值q,值越大说明风沙活动垂直分量的转化率也越大,其公路走向越有利于沙害的形成,q值在全线的分布(图5)。为了对某一区段的整体公路走向进行评判,利用下式计算该区段的平均q¯q¯值,其中Li为不同走向公路段的长度:q¯=(∑i=1nqi⋅Li)/∑i=1nLi(4)q¯=(∑i=1nqi⋅Li)/∑i=1nLi(4)3.2各段公路走向分析根据风沙活动强度、公路走向大势和地貌类型的相似性和差异性,将沙漠公路分成5大区段(表1),并对不同走向路段风沙活动强度垂直分量转化率进行计算。其范围变化在36%到80%之间,其中5大区段所对应的垂直分量转化率平均值分别为66.3%、56.4%、54.7%、61.9%和64.4%。线路总体走向评价是:穿行于塔里木盆地中部垄岗地貌区(K147~K378)、约231km长的公路线路总体走向不利于沙害的形成;穿行于塔里木河冲积堆积平原、塔里木盆地北部古湖沼平原(K76~K147)和尼雅河下游干三角洲与北民丰隆起地貌单元(K431~K508)、约148km长整体走向较利于沙害的形成;穿行于牙通古斯河下游干三角洲(K378~K431)、约53km长公路走向影响居中。需要特别指出的是,这种评价仅仅是将风况与公路走向相结合进行的单因素评价,并未考虑沙源、植被、沙垄走向等其它因素的影响。第I段从肖塘至满参,全长71km,为沙漠公路所经过的第一、第二大地貌单元,主导风向来自E、N、NNE和ENE方向。在1997年风况条件下,全部路段垂直分量的转化率在60%以上,从全线来看为高值区。其中q值在60%~70%之间所对应的公路长为62.8km,公路走向集中于北偏西8°至北偏东15°;q值在70%~80%之间所对应的公路长为9.4km,公路走向集中于北偏西12°至北偏西16°。从此看出要降低垂直分量的转化率,应该使沙漠公路在此段的走向向NE方向偏转。第II段从满参至塔中,全长148km,为沙漠公路所经第三大地貌单元北段,主导风向来自NE、ENE、NNE、N和E方向。q值小于60%的公路长度占到107.9km。其中q值在50%~60%之间所对应的公路长为93.4km,公路走向集中于北偏东18°至北偏东40°;q值在60%~70%之间所对应的公路长为37.6km,公路走向集中于北偏西2°至北偏东18°,q值小于50%的公路走向为北偏东40°至北偏东55°。可见NE走向的公路可降低垂直分量的转化率。第III段从塔中至K378,全长83km,为沙漠公路所经第三大地貌单元南段,主导风向来自NE、ENE、NNE、N和E方向。q值小于60%的公路长度占到75.6km。其中q值在50%~60%之间所对应的公路长为64.5km,公路走向集中于北偏东20°至北偏东30°之间;q值在60%~70%之间所对应的公路长为5.9km,公路走向集中于正北至北偏东20°之间,q值小于50%的公路走向为北偏东35°至北偏东70°之间。第IV段从K378至K431,全长53km,为沙漠公路所经第四大地貌单元,主导风向来自于WSW、W和SW。q值大于60%的公路长度占到43km。其中q值在60%~70%的范围内所对应的公路长度为39.6km,公路走向集中于正北至北偏东20°之间;q值在50%~60%的范围内所对应的公路长度为11.5km,公路走向集中于北偏东20°至北偏东30°之间,q值小于50%的公路走向为北偏东60°左右。第V段从K431至K508,全长77km,为沙漠公路所经第五大地貌单元,主导风向来自于WSW、W和SW。q值大于60%的公路长度占到59.3km。其中q值在70%~80%的范围内所对应的公路长度为33.2km,公路走向集中于北偏西14°至北偏东12°之间;q值在60%~70%之间所对应的公路长为26.1km,公路走向集中于北偏东12°至北偏东25°之间,q值小于50%的公路长为7.7km,走向变化于北偏东40°至北偏东70°之间。4沙害程度的综合判定标准(1)风沙活动区,对于纵向延伸很长而横向尺度不大的线形工程,其线路的走向与风力作用夹角的大小会影响风沙危害的程度已得到确认。以塔里木沙漠公路为例,在相同的沙害环境背景下,由于公路走向的不同而使沙害程度出现明显的差异,说明公路的走向对沙害程度的影响甚大。(2)在评价运输线路的走向与其本身及防护体系所受的风沙危害程度的关系时,不能通过合成风向(沙丘移动方向)与线路走向夹角的大小予以简单判定。一方面是由于反向风的抵消作用,它无法正确评判多向、复杂风力作用下线路走向的作用;另一方面它仅能够