包蘭鐵路沙坡頭段防沙的實(shí)測(cè)與分析

包蘭鐵路沙坡頭段防沙的實(shí)測(cè)與分析

包蘭鐵路沙壩段是經(jīng)過(guò)最大的河流探測(cè)沙壩，受到沙壩破壞最大的區(qū)域。自45年前建成以來(lái)，它有效穩(wěn)定的保護(hù)體系得到了全世界的關(guān)注和認(rèn)可。對(duì)于該地區(qū)的風(fēng)沙活動(dòng)特點(diǎn),在鐵路建設(shè)和運(yùn)營(yíng)過(guò)程中,一直受到沙漠科研人員和鐵路工程技術(shù)人員的高度重視,先后進(jìn)行了多次短期觀測(cè)和研究,但當(dāng)時(shí)多偏重于風(fēng)沙活動(dòng)引起格狀沙丘主梁脊線變化。風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)規(guī)律是決定防護(hù)體系或防護(hù)措施穩(wěn)定性的一個(gè)主要指標(biāo),對(duì)此研究已很普遍。在評(píng)價(jià)防護(hù)體系的綜合效益、防護(hù)體系設(shè)計(jì)原理等方面顯得尤為重要。例如,對(duì)敦煌莫高窟窟頂防護(hù)體系效應(yīng)觀測(cè)研究和風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)?zāi)M。為了研究防護(hù)帶的前沿阻沙,取得格狀沙丘移動(dòng)方式和移動(dòng)強(qiáng)度的更為準(zhǔn)確的資料,以及沙丘移動(dòng)可能對(duì)防護(hù)體系的影響,即前沿積沙掩埋防護(hù)體系或形成高大沙堤保護(hù)防護(hù)體系。我們于1982年在鐵路北側(cè)設(shè)置了一個(gè)觀測(cè)斷面,斷面由鐵路北側(cè)固沙區(qū)開始,經(jīng)過(guò)前沿阻沙帶,直穿流動(dòng)沙丘,全長(zhǎng)約為1400m,其中流沙部分約占700m;地形轉(zhuǎn)折點(diǎn)均埋設(shè)不同長(zhǎng)度的水泥樁,埋深為50～180cm左右,斷面末端埋設(shè)15m長(zhǎng)的(直徑120mm)鋼管,埋深3m左右,作為長(zhǎng)期固定標(biāo)志。根據(jù)研究工作需要,于1982—1984年間進(jìn)行過(guò)4次斷面測(cè)量,之后由于各方面的條件限制,未能對(duì)于斷面的變化進(jìn)行連續(xù)的觀測(cè)。2001年4月又對(duì)此斷面遺跡進(jìn)行了最近一次測(cè)量。2002年、2003年選擇相似走向的副斷面進(jìn)行了高精度測(cè)量,2004年又進(jìn)行了航攝測(cè)量和斷面測(cè)量。本文將根據(jù)沙坡頭氣象站22a(1980—2001)的風(fēng)向風(fēng)速自計(jì)記錄,結(jié)合地形測(cè)量,從該地區(qū)風(fēng)沙流場(chǎng)性質(zhì)和沙丘移動(dòng)規(guī)律的角度出發(fā),分析和討論該地區(qū)的風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)規(guī)律及其與防護(hù)體系的相互作用。1級(jí)配均沙細(xì)沙分布沙坡頭地處騰格里沙漠東南緣,地勢(shì)西北高東南低。沙丘類型有:格狀沙丘、新月形沙丘鏈與單個(gè)新月形沙丘。格狀沙丘面積最大,也是該地區(qū)沙丘的主要類型,由西北向東南呈逐級(jí)降低的臺(tái)階分布,主梁高度一般為7～20m,副梁高度為3～5m,落沙坡角平均為32°。此類沙丘的沙粒分選性特別好,粒徑均勻,細(xì)沙平均占99.7%,物理性粘粒(<0.001mm)甚少,不含中粗沙(表1)。研究表明,此種級(jí)配的沙丘沙是形成沙紋導(dǎo)致風(fēng)沙活動(dòng)的最佳級(jí)配。新月形沙丘鏈多見于黃河二級(jí)階地上,單個(gè)新月形沙丘,僅見于沙漠與綠洲接壤地帶。本區(qū)南面諸山相連成為沙漠南緣屏障,北部山脈多不連續(xù),高低起伏不大,形成剝蝕殘山,山間均有寬闊的谷地,騰格里沙漠在西北風(fēng)的長(zhǎng)期作用下,逐漸逼臨黃河沿岸。本區(qū)地處西北內(nèi)陸,受蒙古高壓影響較深,加之地形影響,具有氣候干旱、降水少而集中,溫度變化大,風(fēng)沙多的特點(diǎn)。以降水為例,平均年降水量為202.1mm,最多的1958年,高達(dá)304.2mm,最少的1957年,只有88.3mm,年際較差超過(guò)了平均值。日降水量最大為62.7mm(1959年8月5日),為該月降水量的53.9%,占全年降水量的31.0%。降水的季節(jié)分布是夏季占58.8%,冬季只占3.1%。故一年之中,冬季尤為干旱。冬季干旱與春季多風(fēng),導(dǎo)致春季風(fēng)沙活動(dòng)頻繁。2沙石運(yùn)動(dòng)法2.1沙面風(fēng)勢(shì)分析2.2沙物質(zhì)的投加量2.3沙量與沙風(fēng)的季節(jié)變化特征格狀沙丘在兩個(gè)近乎相互垂直方向的風(fēng)力作用下形成的,即在NW—WNW風(fēng)的作用下,形成方格的主梁(NE—SW走向的沙丘鏈)之后,在NE—ENE的作用下,即在沙丘鏈之間產(chǎn)生低矮的沙埂,即副梁,分隔丘間低地呈格狀形態(tài)。往往在沙丘鏈脊線低凹處,沿主風(fēng)向延伸出一定尺度的沙舌,這就是格狀沙丘副梁的雛形(圖2)。2002年、2003年相似走向的副斷面高精度測(cè)量結(jié)果見圖7。從圖7可以看出:丘頂因風(fēng)蝕而普遍降低,降低的最大值為-0.92m、平均-0.38m。丘間因堆積而增高,增高的最大值為+1.16m、平均0.57m。沙丘相對(duì)高度降低、沙丘縱斷面趨于和緩。綜合上述,可以認(rèn)為,格狀沙丘主梁移動(dòng)過(guò)程具有如下特點(diǎn):即較高部位的高大沙丘迎風(fēng)坡吹蝕和落沙坡的堆積,首先引起脊線的擺動(dòng),進(jìn)而導(dǎo)致沙丘形態(tài)的變化,脊線擺動(dòng)具有往復(fù)前進(jìn)的特征,底部卻無(wú)明顯的移動(dòng)和變化;其他處于較低位置的沙丘,或處于吹蝕狀態(tài),堆積狀態(tài)和蝕積平衡狀態(tài),并無(wú)明顯的脊線擺動(dòng)。其副梁沿主風(fēng)向的大尺度“沙舌”運(yùn)動(dòng)和左右擺量大是格狀沙丘移動(dòng)和危害的主要特征。3沙流場(chǎng)的性質(zhì)與防護(hù)體系的作用研究結(jié)果對(duì)騰格里沙漠東南緣的格狀沙丘地區(qū)風(fēng)沙的活動(dòng)規(guī)律的研究不僅具有科學(xué)上的意義,而且具有非常重要的實(shí)踐意義。因?yàn)?我國(guó)第一條沙漠鐵路——包蘭鐵路就通過(guò)這一地區(qū),為保護(hù)鐵路運(yùn)輸暢通無(wú)阻,防止風(fēng)沙危害就成了頭等重要的問(wèn)題。因此,在鐵路建設(shè)和運(yùn)營(yíng)的過(guò)程中,廣大科技工作者,多年一直很重視對(duì)風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)規(guī)律的研究,但研究工作偏重于沙丘主梁脊線擺動(dòng)的觀測(cè),忽略了主梁整體移動(dòng)和副梁移動(dòng)的綜合研究。我們近期研究結(jié)果表明,該地區(qū)風(fēng)沙流場(chǎng)性質(zhì)與防護(hù)體系之間具有相互影響、相互制約的作用,具體表現(xiàn)為:1)風(fēng)的多向性和穩(wěn)定性,風(fēng)玫瑰3組主風(fēng)向:W—NNW、ENE—E