包蘭鐵路沙坡頭段防沙的實測與分析

包蘭鐵路沙壩段是經(jīng)過最大的河流探測沙壩，受到沙壩破壞最大的區(qū)域。自45年前建成以來，它有效穩(wěn)定的保護體系得到了全世界的關注和認可。對于該地區(qū)的風沙活動特點,在鐵路建設和運營過程中,一直受到沙漠科研人員和鐵路工程技術人員的高度重視,先后進行了多次短期觀測和研究,但當時多偏重于風沙活動引起格狀沙丘主梁脊線變化。風沙運動規(guī)律是決定防護體系或防護措施穩(wěn)定性的一個主要指標,對此研究已很普遍。在評價防護體系的綜合效益、防護體系設計原理等方面顯得尤為重要。例如,對敦煌莫高窟窟頂防護體系效應觀測研究和風洞實驗模擬。為了研究防護帶的前沿阻沙,取得格狀沙丘移動方式和移動強度的更為準確的資料,以及沙丘移動可能對防護體系的影響,即前沿積沙掩埋防護體系或形成高大沙堤保護防護體系。我們于1982年在鐵路北側設置了一個觀測斷面,斷面由鐵路北側固沙區(qū)開始,經(jīng)過前沿阻沙帶,直穿流動沙丘,全長約為1400m,其中流沙部分約占700m;地形轉折點均埋設不同長度的水泥樁,埋深為50～180cm左右,斷面末端埋設15m長的(直徑120mm)鋼管,埋深3m左右,作為長期固定標志。根據(jù)研究工作需要,于1982—1984年間進行過4次斷面測量,之后由于各方面的條件限制,未能對于斷面的變化進行連續(xù)的觀測。2001年4月又對此斷面遺跡進行了最近一次測量。2002年、2003年選擇相似走向的副斷面進行了高精度測量,2004年又進行了航攝測量和斷面測量。本文將根據(jù)沙坡頭氣象站22a(1980—2001)的風向風速自計記錄,結合地形測量,從該地區(qū)風沙流場性質和沙丘移動規(guī)律的角度出發(fā),分析和討論該地區(qū)的風沙運動規(guī)律及其與防護體系的相互作用。1級配均沙細沙分布沙坡頭地處騰格里沙漠東南緣,地勢西北高東南低。沙丘類型有:格狀沙丘、新月形沙丘鏈與單個新月形沙丘。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降低的臺階分布,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,此種級配的沙丘沙是形成沙紋導致風沙活動的最佳級配。新月形沙丘鏈多見于黃河二級階地上,單個新月形沙丘,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的長期作用下,逐漸逼臨黃河沿岸。本區(qū)地處西北內陸,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,風沙多的特點。以降水為例,平均年降水量為202.1mm,最多的1958年,高達304.2mm,最少的1957年,只有88.3mm,年際較差超過了平均值。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,導致春季風沙活動頻繁。2沙石運動法2.1沙面風勢分析2.2沙物質的投加量2.3沙量與沙風的季節(jié)變化特征格狀沙丘在兩個近乎相互垂直方向的風力作用下形成的,即在NW—WNW風的作用下,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量結果見圖7。從圖7可以看出:丘頂因風蝕而普遍降低,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。沙丘相對高度降低、沙丘縱斷面趨于和緩。綜合上述,可以認為,格狀沙丘主梁移動過程具有如下特點:即較高部位的高大沙丘迎風坡吹蝕和落沙坡的堆積,首先引起脊線的擺動,進而導致沙丘形態(tài)的變化,脊線擺動具有往復前進的特征,底部卻無明顯的移動和變化;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),并無明顯的脊線擺動。其副梁沿主風向的大尺度“沙舌”運動和左右擺量大是格狀沙丘移動和危害的主要特征。3沙流場的性質與防護體系的作用研究結果對騰格里沙漠東南緣的格狀沙丘地區(qū)風沙的活動規(guī)律的研究不僅具有科學上的意義,而且具有非常重要的實踐意義。因為,我國第一條沙漠鐵路——包蘭鐵路就通過這一地區(qū),為保護鐵路運輸暢通無阻,防止風沙危害就成了頭等重要的問題。因此,在鐵路建設和運營的過程中,廣大科技工作者,多年一直很重視對風沙運動規(guī)律的研究,但研究工作偏重于沙丘主梁脊線擺動的觀測,忽略了主梁整體移動和副梁移動的綜合研究。我們近期研究結果表明,該地區(qū)風沙流場性質與防護體系之間具有相互影響、相互制約的作用,具體表現(xiàn)為:1)風的多向性和穩(wěn)定性,風玫瑰3組主風向:W—NNW、ENE—E