哈罗(哈密市-罗布泊镇)铁路的开通对促进钾盐开发和加快南疆地区脱贫致富等方面都具有重要意义。目前,风沙危害已对该铁路的安全运营构成严重威胁,但由于对铁路沿线戈壁风沙运动规律认识不足,导致既有防沙体系的防护能力明显不足,风沙危害仍呈现逐年加剧趋势,对该线风沙危害形成机理及其防治对策的研究尤为迫切和重要。本文运用风沙物理学、地貌学和大气科学等多学科交叉方法,采用野外观测、定位监测和室内实验等多种成熟手段,对哈罗铁路沿线地表沉积物粒度特征、风动力环境、空气空力学粗糙度和输沙过程等致灾因素开展深入和系统研究,并对风沙危害严重路段防护体系的防护效果进行监测和评价,在此基础上提出了哈罗铁路风沙危害防治对策和建议。主要结论如下: 1)粒度分析结果表明,哈罗铁路沿线地表沉积物以中、细沙为主,为风沙危害提供了丰富的物质来源。其中,哈密盆地冲洪积平原区,灌丛沙地分选性中等至很差,偏度以近对称为主,峰度以中等和窄峰态为主;沿线戈壁下伏沉积物颗粒粗细混杂,粗粒占比较大且集中,分选性较差和很差,偏度以极正偏为主,峰度以窄峰态为主。防护体系内和上风向戈壁地表沉积物的粒度频率曲线对比,表明造成铁路沿线沙害的主要原因是就地起沙。此外,靠近铁路的格状沙障内细沙占比高,极易成为风沙灾害的二次沙源,造成沙害。 2)六个站点的风况统计结果表明,哈罗铁路沿线风力强劲,为风沙危害提供了充足营力。K73+100、K87+700、K94+500、K104+700、K110+100、K291+100六个站点年平均风速分别为4.4m/s、5.2m/s、6.0m/s、7.3m/s、5.7m/s、6.3m/s。远大于一般沙漠地区。输沙势计算结果显示,除K73+100站点属于中风能环境外,其余站点均属于高风能环境,K104+700站点附近输沙势和合成输沙势最大,也因此成为沿线风沙危害最严重的路段。 3)风速廓线观测结果表明,沿线戈壁风速随高度变化呈对数分布,各观测点空气动力学粗糙度随风速变化遵循指数函数。根据分析五个不同砾石覆盖度的站点空气动力学粗糙度与风速的关系,认为沿线砾石覆盖度达到41%左右时,戈壁面可有效的抑制风蚀,减少风沙危害。沿线摩阻速度与风速呈正相关关系,关系式为μ=23.6μ·-3。 4)典型风沙危害路段(K98+050)输沙率观测结果表明,其输沙率随高度增加而下降,曲线形似斜“L”,风沙/砾流结构特征值九为3.0,说明该区气流具有很强的搬运能力,风沙/砾流处于非饱和搬运状态。不同高度沙/砾粒径分析结果发现,在73.5cm高度范围内,以细沙、中沙和粗沙为主,超过73.5cm后,以极细沙和细沙为主,314cm处,仍有中沙分布,表明沙粒跃移高度可达3m以上,跃移高度和强度远大于一般沙漠地区,这或许也是之前传统防护措施效果较差和屡遭破坏的原因之一。 5)对既有三种典型防护体系的调查和效益监测结果表明,大部分PE网阻沙栅栏失去了防沙功能,且因栅栏的存在增加了其前后的垂向风速,加剧了风沙灾害,急需新的补强措施。此外,因防护体系内积沙量巨大,且距离铁路很近,形成了危害铁路二次沙源,急需对体系内积沙进行清理和固定。 6)综合上述研究成果,本文认为哈罗铁路沿线风沙危害防治应坚持“远侧降风导沙,近处固阻结合”的原则,并结合风沙危害形成因素提出了以下防治建议。首先,对线路及两侧已有积沙进行及时清理,避免上路;其次,沿线戈壁低路堤路段风沙防治应以疏导为主,避免使用过多阻固措施,可在路基两侧布设砾石床面,使其形成人工输沙场;第三,在风沙危害严重地段增强防沙措施,但防护措施不能距路基太近,否则容易造成二次沙源。希望今后在沿线布设防沙措施时,能在深入科学研究基础上,综合考虑致灾因子、防沙材料、关键参数、结构配置及工程成本等因素,做到因地制宜、因害设防,以减少浪费和提高效益。