兰新高铁化学固沙防护工程试验研究

兰新高铁化学固沙防护工程试验研究

葛春庚

(兰新铁路新疆有限公司，乌鲁木齐 830011)

摘 要：基于室内试验，对4种固沙剂的各项性能指标进行了测试和分析，并在烟墩风区开展现场试验。室内试验结果表明：固沙剂的黏度随着温度降低呈增大的趋势，在-20 ℃时出现结冰现象；固沙剂浸水后表面有溶胀现象，但风蚀量均小于1%；固化层平均厚度依次为A型>B型>C型>D型，B型层厚最均匀；风洞试验中固沙剂的质量损失率都小于1%，均具有良好的抗风蚀能力；时效性A型最优，成本A、D型最高。现场试验表明：喷洒固沙剂的沙方格抗风蚀能力明显强于未喷洒固沙剂的沙方格，喷洒固化剂的沙方格有效地发挥了固沙作用。

关键词：兰新高铁； 化学固沙； 试验研究

随着西部大开发战略步伐的逐步推进，荒漠地区工矿、城镇、交通建设步伐的加快，风沙防护工程研究的滞后已成为限制区域开发的一个重要问题。近年来在我国西部地区修建了多条风沙铁路，风沙灾害对铁路运输的威胁成为铁路修建首先必须考虑的重要技术问题。新开通的青藏铁路、太中银铁路、喀和铁路及临策铁路等，沙害十分严重。针对沙害，国内外防沙工作者做了大量研究[1]，有针对性地研发出许多防沙措施[2]，并应用于工程实践，起到了一定的防护效果，但普遍存在一定的缺陷，因此防沙效益不能发挥到最大，铁路运营部门每年都要花费大量的人力、财力、物力来维修，防治难度较建线时大幅度增加。

兰新高铁全长1 776 km，其中新疆境内线路长度709.923 km。新疆段位于新疆维吾尔自治区境区，东起甘新省界，途经哈密市、鄯善县、吐鲁番市，西至新疆维吾尔自治区首府乌鲁木齐市。线路沿途通过烟墩风区、百里风区、三十里风区、达坂城风区四大风区。新疆境内线路通过大风区长度462.41 km，占新疆段线路总长的64.8%，而风沙路基主要集中于烟墩风区及百里风区，线路通过风沙路基工程长度约217 km，占线路长度的30.6%。

兰新高铁沿线风区自然条件十分恶劣，人烟稀少，多为戈壁荒漠，大风主要有风速高、风期长、季节性强、风向稳定、变化速度快的特点。尤其是百里风区和三十里风区，风沙灾害尤为严重。大风伴随强沙尘天气给附近的铁路设施造成严重的威胁，在“安西风口”附近的大草滩至玉门、低窝铺到军垦，“百里风区”及“三十里风区”附近的尾亚至思甜、土墩至红桥、盐泉至黄芦岗、沙尔至小草湖及三个泉至后沟等处均存在着严重的戈壁风沙灾害问题。大风及大风引起的沙害曾多次造成既有兰新铁路、南疆铁路翻车、停轮，给铁路运输带来了巨大的经济损失和严重的不良社会影响，兰新高铁列车运行速度高、车体轻，风沙灾害对高速铁路的威胁远甚于既有铁路。

化学固沙剂作为一种有效的防沙措施，由于具有成本低、固沙效果好、施工快速方便等优点而被应用于铁路防沙工程中。由于固沙剂大部分应用于低风速地区的防沙工程中，对于强风地区采用固沙剂防沙鲜有相关文献论证。因此，为保障兰新高铁风区防沙工程高效合理，通过室内试验研发了适合强风环境下的固沙剂，并建立试验段对其固沙效果进行了现场验证。

1 试验段工程概况

现场试验段位于烟墩风区，属典型的温带大陆性气候，冬季寒冷干燥，春季多风且冷暖多变，夏季高温少雨，年降水量平均为33.8 mm，年蒸发量为3 300 mm，昼夜温差大，平均日较差为14.8 ℃，极端最高气温43 ℃，极端最低气温-32 ℃，无霜期平均182 d。年平均风速4.6～5.9 m/s，定时最大风速27～28 m/s。

烟墩风区试验段位于天山东脉北山山前剥蚀平原区，地形平坦开阔，地势略有起伏。多为典型的细砂或粗砂戈壁荒漠地貌，区内人烟稀少。其地层为第四系上更新统-全新统洪积细沙、细圆砾土，第三系古新统-始新统泥岩、砂岩、砾岩。其岩性特征详述如下。

(1)细圆砾土(Q4pl6):分布于地表层，厚0～0.5 m，土黄色，松散，干燥，岩芯呈散体状，粒径2～20 mm约占60%，砾石成分主要为砂岩，圆楞状，余为杂砂充填。属Ⅱ级松土，s0=300 kPa。

(2)砂岩(NSs): 厚度大于4.0 m，黄褐色，砂状结构，层状构造，泥质胶结，岩芯多呈散粒状，局部呈碎块状，弱风化呈柱状，强～弱风化。强风化属Ⅲ级硬土，s0=350 kPa，弱风化属Ⅳ级软岩，s0=500 kPa。

(3)泥岩(NMs)：厚度大于25.0 m，红褐色,泥质结构，层状构造，泥质胶结，强～弱风化，岩心多呈短柱状，少数呈碎块状，成岩较差，敲击易碎。全、强风化属Ⅲ级硬土，s0=200～300 kPa，弱风化属Ⅳ级软岩，s0=400 kPa。

该地段未见地表水及地下水。该处属于戈壁大风区，沿线主导风向为NE、ENE，地表为细沙、细圆砾土及泥岩风化层，在风力作用下，部分砂粒容易被风蚀搬运，形成较为严重的风沙灾害。

2 室内试验

2.1 试验材料及仪器

2.1.1 基料

基料为固沙剂的主要材料。其主要作用是对沙土颗粒有较强黏结作用，具有一定黏度，减少溶液渗透趋势。

(1)PLD：水溶性高分子聚合物，在常温下可溶于水，对许多固体有一定黏附力，水溶液呈中性。

(2)PLE：水溶性高分子聚合物，在常温下可溶于水，对许多固体表面和溶解物质有良好的黏附力。

2.1.2 辅料

辅料为固沙剂的辅助材料。主要作用是改善溶液的性能、适量增加溶液渗透性能，并降低成本。

PLF：天然高分子聚合物，有一定的黏性和弹性。在常温下溶解水后可以形成均匀、黏稠的液体。

2.1.3 试验仪器

试验仪器主要包括烧杯、量筒、旋转黏度计、温度计、医用冰箱、恒温烘箱、搅拌器(自制)。

2.2 性能指标的测定

固沙剂的主要作用是喷洒在沙土表面固化后形成固化层，防止小颗粒沙土被风吹起，因此本试验采用黏度和剪切强度作为评价其性能的指标。

(1)黏度的测定

黏度是评定胶黏剂质量的一个重要指标。测定液体黏度的方法很多，本试验选用旋转黏度计来测定固沙剂的黏度。

(2)剪切强度的测定

本试验选择测定固沙剂的拉伸剪切强度用以指示其胶接强度。具体的试验方法是：将制好的两块同等大小的金属试块用所制的固沙剂黏合在一起，固化24 h后，将其一端固定在铁架上，另一端底部开始施加重物，直至两试块分离为止，称量所施加重物的质量，计算胶接面积所受的拉力，从而确定固沙剂的胶接强度。

2.3 固沙剂的优化

研究发现基料和辅料所组成的混和溶液具有较好黏合性和抗剪能力，在参考国内外相关文献的基础上，初步得到4种不同配比的混和溶液(表1)，为了进一步检验各种配方固沙剂的综合性能，确定出最佳配方。将下列固化从耐温性、耐水性、固化层厚度、固化时间、有效期等方面考察其综合性能。

表1 固沙剂配比 %

型号ABCD材料PLDPLFPLEPLFPLDPLFPLEPLF质量比11111.2011.201

2.3.1 固沙剂耐温性试验

由于固沙剂被喷洒在沙土层表面后会在自然条件下放置一段时间，自然条件的影响会关系到对沙土的固化效果，为使固沙剂能够适应春夏秋冬不同时节的气温变化，课题组进行了耐温性试验，将上述试验中选择的A、B、C、D样品作为试验对象，分别在40 ℃、20 ℃、-10 ℃、-15 ℃、-20 ℃的不同温度下让其恒温放置一段时间后观察其变化，并且测定其黏度，从而确定其耐温性及储存条件。本耐温性试验0 ℃以下的试验是采用医用-40 ℃冰箱，对各样品进行2 h的恒温冷冻，40 ℃的数据用实验室恒温干燥箱，之后对其黏度进行测定，试验结果见表2～表5。

表2 4种固沙剂溶液的耐温性测定结果

配方A固沙剂溶液B固沙剂溶液C固沙剂溶液D固沙剂溶液温度/℃黏度/Pa·s平均黏度/Pa·s4034.734.834.934.82035.334.7135.0235.01-1058.2758.3558.4758.36-1562.7362.5762.8362.71-20结冰结冰结冰—4034.534.935.835.072038.0739.1439.4738.89-1046.4146.946.6746.66-1548.5749.1248.8148.83-20结冰结冰结冰—403535.535.735.42036.136.7136.0236.28-1062.259.3559.4760.34-1562.6162.6862.5462.61-20结冰结冰结冰—4034.2334.7835.634.872038.1238.1439.0238.43-1046.5346.546.1346.39-1548.6748.8248.9648.82-20结冰结冰结冰—

从表2中的试验数据不难发现，4种固沙剂的黏度均随温度降低呈增大趋势，A、C型固沙黏度增幅大于B、D型固沙剂。同时还可以看出，A、B、C、D固沙剂溶液在低于-20 ℃的情况下，都会出现结冰现象，即使不结冰，由于黏度的上升会影响溶液的喷洒效果。在40 ℃温度条件下，溶液的性质未发生显著变化，因此可认为A、B、C、D固沙剂可在-15 ℃到40 ℃条件下保存和使用，若在更低的气温条件下使用，则应在喷洒设备保温方面增加相应的辅助设施以确保固沙剂的正常喷洒。

2.3.2 固沙剂耐水性试验

考虑到雨雪天气的影响，课题组对上述耐温性试验中的各类固沙剂均进行了耐水性试验，具体采用以下2种方法。

(1)用医用托盘取配方A、B、C、D样品，按3 L/m2配置喷洒固沙剂溶液，喷洒于4组相同的沙土样品上，待其固结成膜后，用喷壶在沙土表面上喷洒1.0～1.5 mm厚的水层，在室温下放置24 h，晾干水分后观察表面现象并通过风洞试验进行评估，风洞实验室位于宁夏回族自治区中卫市沙坡头，风洞洞体全长38 m，试验段长21 m，风洞截面积为1.2 m×1.2 m，边界层厚度50 cm，风速范围0～40 m/s。结果显示4种样品经水浸泡后表面虽有溶胀现象，但风蚀量均小于1%，固沙效果良好。

(2)将A、B、C、D溶液分别涂抹在两块制备规格相同的木块中间，将木块黏接在一起，放置一段时间使其固化，然后将木块投入盛水的烧杯中，记录两木块分离所需的时间，判断固沙剂的耐水性，A、B、C和D型固沙剂黏结试样在水中分离时间分别为11、12、13 h和14 h。考虑到每次降雨及地面汇流时间一般不会超过10 h，所以固沙剂A、B、C、D均能达到耐雨淋的要求。

2.3.3 固沙剂固化层厚度试验

固沙剂在使用过程中，固化层厚度是一项重要的指标，本次试验采用如下方法进行试验。

配制A、B、C、D固沙剂溶液各2L，自制白铁皮箱子(无盖)L=1 m，B=0.25 m，H=0.06 m 16个。将同样的沙土放入同样大小的铁箱子，表面铺平。然后将A、B、C、D固沙剂溶液分别均匀喷洒在表面。待固化后用钢尺测量固化层厚度。得出的固化层厚度数据见表3。

表3 固沙剂固化层厚度 cm

固沙剂种类1234A0.81.30.92.2B1.51.11.41.6C1.20.91.11.4D0.60.80.90.7

从表3试验结果可以发现A、B、C固沙剂均能达到要求，D固沙剂固化层平均厚度不到1 cm，相比之下B固沙剂固化层厚度更均匀。

2.3.4 固沙剂有效期试验

喷洒固沙剂后的沙土表面形成1～2 cm的固化层，固化层能有效地阻止沙土颗粒随风启动，从而隔断了气固两相流的形成。固沙剂固化层的有效期是检验固沙剂固沙效果的重要指标。因此，课题组对固沙剂的有效期进行了实地考察，考察结果见表4。

表4 固沙剂有效期

固沙剂种类地点时间效果A民勤青土湖3年固化层完好B民勤青土湖2.5年固化层基本良好C民勤青土湖2年固化层轻微破损D民勤青土湖2年固化层轻微破损

固沙剂有效期试验测试结果表明：在民勤青土湖地区，A固沙剂3年内固化层完好，其他固沙剂固化层均不同程度存在破损现象，固沙剂有效固沙期定为3年。

2.3.5 固沙剂抗风性试验

试验选择喷洒A、B、C、D固沙剂及未喷洒固沙剂的沙土进行风洞实验。测试试验在兰州大学西部灾害与环境教育部重点实验室多功能环境风洞中进行。洞体全长55 m，风速在4～40 m/s之间连续可调。将托盘放入距出口5 m处。在30、15、10 m/s的风速下吹蚀5 min后分别在测试前后称托盘重量，计算风蚀大小和损失的质量百分比。

试验沙土粒径范围为10～40目，测试风速分别为30、15 m/s和10 m/s。测试结果见表5。表中的样品编号，a、b、c分别表示风速为30、15、10 m/s，30表示沙土粒径在30～40目，20表示粒径在20～30目，10表示粒径在10～20目。

由抗风性结果可看出，沙土的粒径越小，风速越大，损失百分率越大。喷洒固沙剂后，沙土质量损失均小于1%，远远低于未喷洒时的沙土损失。

2.3.6 最佳配方的选取

考虑到固沙剂应具有性能优良、喷洒容易、原料易得、价格低廉、无污染等特性。根据上述实验结果，课题组筛选出了4种固沙剂的配方：A 、B、C、D。其基本性能指标列见表6。

从表6可以看出，4种配方的整体性能相差不大，但是A配方的有效期和固化效果最好，C配方成本最低，B配方综合性能最好，因此综合比较课题组选定B为最优配方。

表5 喷洒固沙剂后的沙土风洞测试结果

固沙剂类型ABCD未喷洒固沙剂样品编号试验前质量/g试验后质量/g前后差值/g损失百分比/%30a13201310100.7630b1308130620.1530c131413140020a1283127580.6220b1291128920.1620c1276127510.0810a1301129560.4610b1290128910.0710c129512950030a1278127080.6330b1318131170.5330c1297129610.0820a1287127980.320b1326132240.1620c1271127010.0810a1314130950.3810b1309130810.0710c129712970030a1288128170.5430b1322131480.6130c1293128580.6220a1288128260.4620b1322131930.2320c1274127040.3110a1320131730.2310b1309130810.0710c1297129610.0730a1283127670.5530b1297129160.4630c1299129450.3820a1283127940.320b1326132240.320c1276127060.4710a1312130930.2310b1310130820.1510c1287128610.0730a12340123410030b124760124610030c125946579463.0720a12830128310020b129135893372.2720c137086650436.7810a130130127197.710b122363059348.4910c13201282382.79

表6 试验选择的固沙剂配方比选

固沙剂种类ABCD黏度/(Pa·s)4～56～76～76～7剪切强度/MPa≥0.10≥0.10≥0.10≥0.10有效期期3年2.5年2年2年耐温性/℃-10～40-15～40-15～40-15～40耐水性良好良好良好良好喷洒后表观固化均匀、无破损固化均匀、无破损固化均匀、无破损固化均匀、无破损材料成本高中低高

3 固沙剂现场观测试验应用研究

由于戈壁强风地区地表主要以砾石、粗砂覆盖物为主，下垫层物质条件与普通沙漠地区不同，这就使得戈壁地区风沙流运动的力学特性不同于普通沙漠地区。而室内试验是将常规参数和现场条件理想化后所取得的结果，其研究成果对风沙灾害防治工程的结构设计起到了一定的指导作用，但毕竟与野外实际情况有一定差距，不能提供直接的设计计算方法和相关参数。针对这种情况，课题组在兰新高铁烟墩风区建立了试验段，对固沙剂的固沙效果进行了试验。

3.1 固沙剂配方选取及溶液配制

本次试验固沙剂采用前期研究中固沙效果好的A、B、C三种配方。A固沙剂溶液配制质量百分比为1.5%，搅拌时间1 h，固化时间24 h，固化层厚度1 cm；B固沙剂溶液配制质量百分比为1%，搅拌时间1 h，固化时间24 h，固化层厚度1.5 cm；C固沙剂溶液配制质量百分比为0.8%，搅拌时间1 h，固化时间12 h，固化层厚度2 cm。

3.2 沙方格沙障的布设

不同规格沙障的风洞试验和野外试验表明，格状沙障的应用改变了地表粗糙度，降低了风速，集沙能力和抗蚀能力随沙障方格规格的不同而不同。沙丘不同部位，沙障的抗蚀能力不同，迎风向中下部受损程度和风蚀严重，中上部较轻，背风向则以沙埋为主。不同规格的沙障，1 m×1 m沙障抗蚀集沙能力最强，1.5 m×1.5 m沙障次之，2 m×2 m沙障相对最差。

本试验段所采用的沙方格尺寸为1 m×1 m的正方形，方格四边的横断面为：上底25 cm，下底30 cm，高20 cm的等腰梯形。沙方格堆砌采用地表原沙土。由于严重缺水，堆砌好的沙方格呈干粉状，极易被踩踏破坏。固沙剂喷洒设备采用自主研发的移动喷洒车，喷洒设备组成：载重2t汽车1台，11 kW三相发电机1台，5 kW搅拌电机1台，2.2 kW潜水泵1台，储液搅拌罐1个。如图1、图2所示。

图1 固沙剂现场喷洒作业

图2 固沙剂固化层

3.3 沙方格沙障的固沙效果研究

2011年3月底课题组到现场调研了喷洒试验效果。整体固化层覆盖良好。

通过6月份和9月份的现场调研，发现没有喷洒固沙剂的沙方格风蚀非常严重，而喷洒固沙剂的沙方格沙障固化层整体效果良好，有效地发挥了固沙作用。如图3、图4所示。

图3 没有喷洒固沙剂的沙方格

图4 喷洒固沙剂的沙方格

4 结论

(1)4种固沙剂的黏度均随温度降低呈增大趋势，A、C型固沙黏度增幅大于B、D型，固沙剂溶液在-20 ℃时均出现结冰现象。

(2)4种固沙剂浸水后表面有溶胀现象，但风蚀量均小于1%，固沙效果良好。固化层平均厚度大小依次为A型>B型>C型>D型，B型层厚最均匀。

(3)风洞试验中4种固沙剂的质量损失率均小于1%，均具有良好的抗风蚀能力；时效性A型最好；时效性A型最优，成本A、D型最高。

(4)现场试验表明：喷洒固沙剂的沙方格抗风蚀能力明显强于未喷洒固沙剂的沙方格，喷洒固化剂的沙方格有效地发挥了固沙作用。

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Experimental Research on Protective Engineering of Chemical Sand-Fixation along Lanzhou-Xinjiang High Speed Railway Line

GE Chun-geng

(Urumqi Railway Administration， Urumqi 830011， China)

Abstract：Various properties of four kinds of sand fixing agent are analyzed based on laboratory tests,, and field tests are carried out in Yandun wind zone. Laboratory test results show that sand fixing agent viscosity decreases with the temperature increase and freezing occurs when the temperature is -20 ℃; the surface of sand fixing agent swells after being soaked in water， but the wind erosion is less than 1%; the average thickness of different solidified layers is ranked as type A>type B>type C>type D， and the thickness of type B is the most uniform; the mass loss of sand fixing agents are all less than 1%m， demonstrating good wind erosion resistance; the timeliness of type A is the best， Type A and D are the highest in cost. The field tests show that resistance to wind erosion of sand-box sprayed with sand fixing agent is obviously stronger than that of the sand-box without sand fixing agent， and the sand-box sprayed with sand fixing agent has played an effective role in sand fixing.

Key words：Lanzhou-Urumqi High Speed Railway; Chemical sand fixation; Experimental reseauch

文章编号：1004-2954(2017)04-0009-05

收稿日期：2016-09-06;

修回日期：2016-09-23

基金项目：中国中铁股份有限公司科技开发计划课题(2015-KJ035-G004-03)；西北地区铁路沙害综合防治新技术研发及推广应用(2013EG123034)；新疆维吾尔自治区重大科技专项(201130106-3)

作者简介：葛春庚(1958—)，男，高级工程师，E-mail：[e-mail]。

中图分类号：U213.1+54

文献标识码：A

DOI：10.13238/j.issn.1004-2954.2017.04.003