梁柯鑫, 王起才,2, 崔曉寧, 張 凱,2, 張戎令,2, 楊志冬

(1.蘭州交通大學(xué) 土木工程學(xué)院, 甘肅 蘭州 730070; 2.道橋工程災(zāi)害防治技術(shù)國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室,甘肅 蘭州 730070; 3.中國(guó)鐵路青藏集團(tuán)有限公司格庫(kù)鐵路建設(shè)指揮部， 青海 格爾木 816000)

防沙工程，從其作用原理和功能來(lái)劃分，有固沙措施、阻沙措施和輸導(dǎo)措施。固沙措施是阻滯氣固兩相流在床面上相互作用，固定活動(dòng)床面；阻沙措施是增大風(fēng)沙流運(yùn)動(dòng)的阻力，阻滯和攔截過(guò)境風(fēng)沙流；輸導(dǎo)措施是減少風(fēng)沙流運(yùn)動(dòng)阻力，促進(jìn)和加速風(fēng)沙流順利通過(guò)保護(hù)區(qū)[1]。近半個(gè)世紀(jì)中國(guó)修建的沙漠鐵路，固沙措施成為鐵路風(fēng)沙防護(hù)體系中不可或缺的方式。1956年蘇聯(lián)治沙專家彼得洛夫?qū)⒉莘礁裆痴弦M(jìn)中國(guó)[2]，并成功應(yīng)用于包蘭鐵路防沙工程，開(kāi)啟了草方格固沙的先河。之后經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期實(shí)踐，石方格、土方格等也成功應(yīng)用于鐵路固沙，取得了良好的防沙效益。近年來(lái)，隨著新材料的開(kāi)發(fā)應(yīng)用，用HDPE材料制成的塑料沙障開(kāi)始逐漸代替?zhèn)鹘y(tǒng)的草方格等沙障，固沙措施實(shí)踐應(yīng)用及其原理研究也逐漸走向成熟。

針對(duì)固沙措施，國(guó)外專家進(jìn)行了大量的研究并且取得了豐富的成果[3-7]，國(guó)內(nèi)許多學(xué)者對(duì)于固沙方式及其機(jī)理研究同樣做出了許多貢獻(xiàn)。孫浩等[8]通過(guò)大渦模擬方法研究了不同孔隙度沙障嵌固端受力變化；馬瑞等[9]對(duì)布設(shè)于不同沙源供給條件下的草方格沙障、塑料網(wǎng)方格沙障和黏土行列式沙障的輸沙量、風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)、沙面形態(tài)變化進(jìn)行了研究；李錦榮等[10]借助Fluent對(duì)不同規(guī)格沙袋沙障近地表氣流、風(fēng)速廓線和防風(fēng)效能進(jìn)行了模擬分析；袁鑫鑫等[11]通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)揭示了不同風(fēng)速和間距對(duì)雙排尼龍阻沙網(wǎng)的影響；周娜等[12]利用野外風(fēng)沙觀測(cè)和草方格風(fēng)洞流場(chǎng)模擬，解析了草方格沙障內(nèi)部凹曲面形成的過(guò)程；劉世海等[13]對(duì)青藏鐵路格拉段高立式沙障的防風(fēng)固沙效果進(jìn)行了詳細(xì)研究；屈建軍等[14-17]、張克存等[18]研究了草方格、HDPE板方格合理防沙尺寸以及防沙機(jī)理。綜上所述，大部分學(xué)者研究主要集中在沙障防沙機(jī)理以及參數(shù)優(yōu)化等方面，在HDPE板和固化沙壟方格內(nèi)積沙動(dòng)態(tài)變化方面研究不多。

由于風(fēng)沙流特征具有明顯的地域特征，不同地區(qū)的風(fēng)沙防治措施布設(shè)要結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，因地制宜地建立風(fēng)沙防護(hù)體系。本文擬對(duì)新建格庫(kù)鐵路先行風(fēng)沙防護(hù)試驗(yàn)段組裝式多周期HDPE板固沙土工格和固化沙壟方格，開(kāi)展數(shù)值模擬進(jìn)行積沙機(jī)理以及積沙斷面動(dòng)態(tài)形態(tài)研究，以期為鐵路沿線后期風(fēng)沙防護(hù)措施大規(guī)模鋪設(shè)提供依據(jù)。

1 研究區(qū)域及防沙工程概況

1.1 研究區(qū)概況

格庫(kù)鐵路(青海段)風(fēng)沙防護(hù)試驗(yàn)段(2017年3月建成)位于柴達(dá)木盆地南緣西部，起屹里程：DK326+000.00—DK329+000.00,長(zhǎng)3 000 m，分6個(gè)區(qū)段，每個(gè)區(qū)段500 m。工程區(qū)位于茫崖湖洪積平原，地形較平坦、開(kāi)闊，局部地形有起伏，地勢(shì)北高南低，地面高程3 104～3 239 m；流動(dòng)沙地呈波浪狀，以風(fēng)積粉細(xì)沙為主；年平均氣溫2.9 ℃，極端最高32 ℃，極端最低-34.3 ℃；年降雨量44 mm，蒸發(fā)量2 739.3 mm；年均大風(fēng)(17.2～20.4 m/s)日數(shù)43 d，最大瞬時(shí)風(fēng)速29.2 m/s，起沙風(fēng)速7～10 m/s，年均風(fēng)沙日數(shù)36 d。用馬爾文激光粒度分析儀測(cè)得現(xiàn)場(chǎng)自然沙粒徑分布主要集中分布在150～500 μm范圍，砂質(zhì)不均，有少量礫石。通過(guò)計(jì)算得到沙粒正態(tài)概率曲線，整個(gè)樣品的粒度分布為4條直線，沉積自然沙蠕移組分占19.8%，躍移組分占76.7%，懸移組分占3.5%。試驗(yàn)段地表裸露，植被覆蓋率小于10%，主導(dǎo)風(fēng)向北偏西50°。沒(méi)有防護(hù)措施時(shí)，經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，主導(dǎo)風(fēng)向下風(fēng)沙流對(duì)鐵路路基主要產(chǎn)生沙埋(舌狀沙埋、片狀沙埋)，另外沙粒沉積在道砟孔隙中，對(duì)線路和行車安全危害嚴(yán)重。

1.2 防沙試驗(yàn)工程

選取試驗(yàn)段固化沙壟方格(位于DK327+000.00—DK327+500.00)和組裝式多周期HDPE板(位于DK328+000.00—DK328+500.00)兩種固沙措施進(jìn)行分析。HDPE板由1.0 m×1.0 m×0.3 m的HDPE板小單元組裝而成每,HDPE板孔隙形狀為方孔(0.5 cm×1.5 cm)，孔隙率50%，10 m×10 m為一個(gè)大單元格，大單元格邊采用鍍鋅矩管立柱(總長(zhǎng)1 m)固定，打入或埋入地面以下0.5 m,露出地面0.5 m。后期可以根據(jù)積沙情況調(diào)整高度，以確保積沙效果。沿鐵路方向布設(shè)總長(zhǎng)度500 m，垂直鐵路迎風(fēng)側(cè)方向布設(shè)225 m，背風(fēng)側(cè)方向布設(shè)105 m，中間設(shè)置空留帶，總布設(shè)面積161 000 m2。

固化沙壟方格(以下簡(jiǎn)稱沙壟方格)尺寸為1.0 m×1.0 m×0.3 m(高)，坡率為1∶0.75，方格沙壟采用就地取土填筑，填土需夯實(shí)，方格沙壟筑完成后盡快噴灑化學(xué)固化劑，沙壟方格的邊與主導(dǎo)風(fēng)向垂直。沿鐵路方向布設(shè)總長(zhǎng)度500 m,垂直鐵路迎風(fēng)側(cè)方向布設(shè)225 m，背風(fēng)側(cè)方向布設(shè)105 m，中間設(shè)置空留帶，總布設(shè)面積161 000 m2。

2 數(shù)值計(jì)算模型及計(jì)算參數(shù)

2.1 幾何建模

由于在風(fēng)場(chǎng)作用下沙粒重力、拖曳力、阻力一般作用在同一平面內(nèi)，另外考慮到計(jì)算機(jī)性能要求，建立二維簡(jiǎn)化模型。計(jì)算流域3 m×50 m，HDPE板和沙壟方格距離入口10 m,將其簡(jiǎn)化為無(wú)厚度壁面，采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，對(duì)HDPE板和沙壟方格0.5 m高度范圍內(nèi)進(jìn)行局部加密。

2.2 邊界條件

模型左側(cè)入口為速度入口(velocity_inlet),右側(cè)出口為出流條件(out_flow)，HDPE板、沙壟方格以及模型下壁面采用壁面條件(wall)，上壁面采用對(duì)稱邊界條件(symmetry)。

2.3 計(jì)算參數(shù)

設(shè)定風(fēng)沙流攜沙粒徑ds=0.1 mm,沙粒密度ρs=2 650 kg/m3；由于地表的風(fēng)沙流中沙物質(zhì)顆粒所占容積率都在5%以下，按照多相流理論為稀相，故初始沙粒相體積分?jǐn)?shù)取為1%，在此條件下，單一的顆粒球模型是一個(gè)很好的近似；空氣密度ρ=1.225 kg/m3，黏度μ=1.789 4×10-5Pa/s；因現(xiàn)場(chǎng)一年中17.2～20.4 m/s風(fēng)速天數(shù)達(dá)到43 d，所以取其均值，對(duì)兩種固沙措施進(jìn)行對(duì)比，初始風(fēng)速與沙粒速度為均勻風(fēng)速18 m/s；計(jì)算模型采用歐拉雙流體模型附加k-ε方程，湍流強(qiáng)度I=3.22%；湍流長(zhǎng)度尺度L=0.127 m；求解過(guò)程加入Syamlal-O’Brien拖曳力(參照ANSYS15.0 HELP 中fluid-solid exchange cofficient部分)。

3 模擬結(jié)果與分析

3.1 速度流場(chǎng)變化

圖1為HDPE板與沙壟方格周圍速速度變化云圖，圖2為氣流經(jīng)過(guò)HDPE板與沙壟方格時(shí)的速度流線圖。

圖1 格庫(kù)鐵路不同固沙措施速度云圖

當(dāng)下方氣流經(jīng)過(guò)HDPE板和沙壟方格時(shí)受到阻礙，在其迎風(fēng)側(cè)的下方形成了低速區(qū)A。氣流則沿著HDPE板和沙壟方格向上爬升，形成遇阻抬升區(qū)B(圖1)。抬升過(guò)程中氣流不斷匯聚加速，在HDPE板和沙壟方格上方形成集流加速區(qū)C。由于HDPE板有孔隙，對(duì)氣流的抬升匯聚作用效果小于沙壟方格，導(dǎo)致沙壟方格上方加速區(qū)規(guī)模大于HDPE板上方加速區(qū)。HDPE板和沙壟方格對(duì)氣流匯聚作用使得其上方形成高速區(qū)即高壓區(qū)，而在其后方形成第一減速區(qū)D，也即低壓區(qū)，壓差作用下HDPE板和沙壟方格中央形成渦流(圖2)，渦流區(qū)流速度降低導(dǎo)致沙粒在此沉降。第一減速區(qū)的氣流繼續(xù)前行，同樣沿著HDPE板和沙壟方格抬升，匯聚加速形成更大的高壓區(qū)。同樣的原理在第二塊HDPE板和沙壟方格后方形成第二減速區(qū)E，再次形成渦流。因?yàn)镠DPE板的孔隙作用，其中央的旋渦與后方渦流連接到一起，因沙壟方格是密實(shí)的，兩個(gè)渦流是分開(kāi)的。氣流繼續(xù)前行，通過(guò)HDPE板和沙壟方格之后失去阻礙作用，集流加速區(qū)與第二減速區(qū)氣流速度逐漸恢復(fù)，形成消散恢復(fù)區(qū)F。

3.2 HDPE板與固化沙壟方格防沙效益

3.2.1 HDPE板與固化沙壟方格防護(hù)距離 圖3a為水平方向不同高度HDPE板周圍的速度變化，圖3b為水平方向不同高度沙壟方格周圍速度變化。對(duì)于HDPE板和沙壟方格，降風(fēng)效應(yīng)是評(píng)價(jià)其防護(hù)效果的直觀指標(biāo)之一，按照風(fēng)速恢復(fù)到來(lái)流風(fēng)速的80%的位置到HDPE板和沙壟方格的距離作為有效防護(hù)距離。

水平方向速度變化體現(xiàn)了HDPE板和沙壟方格控制氣流減速的效果。由圖3a可以看出，對(duì)于HDPE板，在0.3 m高度處有效防護(hù)距離為2.6 m，在0.4 m高度處有效防護(hù)距離為1.85 m，在0.5 m處對(duì)應(yīng)第一塊HDPE板的位置速度發(fā)生突變，從速度云圖(圖1)不難發(fā)現(xiàn)其處于集流加速區(qū)，在此高度HDPE板已經(jīng)失去防護(hù)效果。0.3 m高度處速度最低值位置出現(xiàn)在10.1 m處，0.4 m高度處速度最低點(diǎn)位置出現(xiàn)在10.95 m處。HDPE板后風(fēng)速最低值并不是出現(xiàn)在板后的零距離處，而是有一定的滯后距離，隨著高度增加滯后距離增大。

圖2 格庫(kù)鐵路不同固沙措施速度流線

由圖3可見(jiàn)，沙壟方格在0.3 m處有效防護(hù)距離為6.4 m，在0.5 m高度處有效防護(hù)距離為5.45 m。0.3 m高度處速度最低值出現(xiàn)在10.8 m處，0.4 m高度處速度最低值出現(xiàn)在10.95 m處，0.5 m高度處速度最低值出現(xiàn)在11.05 m處。與HDPE板一樣，不同高度速度最低值也是有一定滯后距離。

在同一風(fēng)速下，可以明顯看出沙壟方格的有效防護(hù)距離大于HDPE板的有效防護(hù)距離。0.5 m高度處HDPE板方格已經(jīng)處于集流加速區(qū)，沙壟方格仍有防護(hù)作用，防護(hù)高度大于HDPE板的防護(hù)高度。

a 水平方向不同高度HDPE板周圍速度變化 b 水平方向不同高度沙壟方格周圍速度變化

圖3格庫(kù)鐵路不同固沙措施周圍速度變化

3.2.2 HDPE板與沙壟方格固沙效果 HDPE板方格和沙壟方格的阻沙原理，主要是風(fēng)沙流經(jīng)過(guò)HDPE板和沙壟方格時(shí)，在阻滯作用下形成沙梗，并在其中心部位產(chǎn)生沙面侵蝕，在沙粒分選作用下形成光滑穩(wěn)定的凹曲面[2]。本文通過(guò)ansys fluent有限元軟件模擬HDPE板和沙壟方格在風(fēng)沙流作用下積沙斷面形態(tài)變化的過(guò)程。

圖4為HDPE板方格沙障在不同時(shí)刻的沙粒體積分?jǐn)?shù)云圖，圖中顏色越深表示積沙越多，紅色表示積沙已經(jīng)穩(wěn)定堆積，其余顏色指沙粒已經(jīng)沉降于地表但還未形成穩(wěn)定積沙。

由圖4可見(jiàn)，t=10 s時(shí)在HDPE板中間以及第二塊HDPE板背風(fēng)側(cè)有少量積沙，沒(méi)有形成凹曲面。隨著風(fēng)沙流繼續(xù)發(fā)展，t=25 s時(shí)HDPE板方格沙障中間已經(jīng)開(kāi)始初步形成凹曲面，凹曲面最低點(diǎn)積沙厚度約為4.2 cm，右側(cè)沙梗最高為14 cm，凹曲面風(fēng)蝕深度(沙梗最高點(diǎn)與凹曲面最低點(diǎn)之差)和邊長(zhǎng)呈現(xiàn)出1∶10.2的關(guān)系，且第二塊HDPE板背風(fēng)側(cè)積沙增多。t=70 s時(shí)HDPE板沙障內(nèi)凹曲面形態(tài)更加明顯，最低點(diǎn)積沙厚度為7 cm，右側(cè)沙梗最高為17.8 cm，凹曲面風(fēng)蝕深度和邊長(zhǎng)呈現(xiàn)出1∶9.26的關(guān)系。事實(shí)上，t=70 s之后隨著風(fēng)沙流繼續(xù)發(fā)展，HDPE板方格沙障內(nèi)積沙形態(tài)不再發(fā)生變化，固沙作用失效。

圖4 格庫(kù)鐵路HDPE板沙粒體積分?jǐn)?shù)云圖

圖5為沙壟方格在不同時(shí)刻的沙粒體積分?jǐn)?shù)云圖。如圖5所示，在庫(kù)格鐵路研究區(qū)域內(nèi)，隨著風(fēng)沙流的發(fā)展，當(dāng)t=10 s時(shí)，在第一個(gè)沙壟迎風(fēng)側(cè)形成少量積沙，沙壟方格中間積沙量非常少。在t=25 s時(shí)，第一個(gè)沙壟迎風(fēng)側(cè)積沙沒(méi)有明顯增多，沙壟方格中間積沙開(kāi)始增多，積沙平均厚度約為2 cm，但是沒(méi)有形成凹曲面。在t=70 s時(shí)，沙壟方格中間積沙比較明顯，左側(cè)沙梗高度為5 cm，右側(cè)沙梗高度為12 cm。此后，沙壟方格內(nèi)積沙量不再變化，沙壟方格固沙作用失效。

圖5 格庫(kù)鐵路沙壟方格沙粒體積分?jǐn)?shù)云圖

HDPE板方格沙障和沙壟方格沙障內(nèi)的積沙形態(tài)隨時(shí)間呈動(dòng)態(tài)變化過(guò)程，在同等條件下HDPE板內(nèi)積沙多于沙壟方格內(nèi)積沙，所反映的固沙效果HDPE板要好于沙壟方格。當(dāng)HDPE板方格沙障內(nèi)積沙達(dá)到一定高度失去防沙作用時(shí)，可將HDPE板向上提升使其繼續(xù)發(fā)揮作用。對(duì)于沙壟方格來(lái)說(shuō)，積沙達(dá)到一定量時(shí)需要人工清沙，但清沙過(guò)程會(huì)破壞沙壟方格，從這一點(diǎn)來(lái)說(shuō)，HDPE板方格沙障實(shí)用性更好。

3.2.3 HDPE板與沙壟方格積沙量計(jì)算 定量描述HDPE板方格與沙壟方格沙障內(nèi)積沙量的變化，首先需要建立HDPE板方格和沙壟方格內(nèi)積沙曲面的方程式。但實(shí)際情況下積沙斷面是一個(gè)空間曲線，計(jì)算方程式的準(zhǔn)確表達(dá)比較困難。本文將HDPE板方格和沙壟方格內(nèi)積沙斷面簡(jiǎn)化為二維曲線，通過(guò)對(duì)其積分得到積沙量計(jì)算公式。使用得到的公式對(duì)現(xiàn)場(chǎng)方格內(nèi)積沙進(jìn)行計(jì)算。

HDPE板方格和沙壟方格內(nèi)積沙斷面曲線L(x)可通過(guò)分段拋物函數(shù)相加得到。假設(shè)L(x)在空間沿著z(HDPE板的寬度)方向?yàn)槌：瘮?shù)，則函數(shù)變成L(x,z)。另外設(shè)定沙子的密度為ρs=2 650 kg/m3，對(duì)L(x,z)進(jìn)行積分則得到HDPE板內(nèi)積沙量。

在實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)需要人工測(cè)得積沙斷面曲線上的控制點(diǎn)的相對(duì)坐標(biāo)，現(xiàn)給出一般公式：

(1)

其中：

(2)

對(duì)其進(jìn)行積分得到：

(3)

式中：S和T——HDPE板方格內(nèi)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)得每段積沙斷面曲線的相對(duì)起始值與終點(diǎn)值；W——HDPE板方格寬度(m)；m——HDPE板方格內(nèi)積沙斷面曲線函數(shù)段數(shù)。

圖6為HDPE板固沙作用失效時(shí)板內(nèi)積沙斷面圖。

圖6 格庫(kù)鐵路HDPE板方格沙障內(nèi)積沙斷面

圖6中橫縱坐標(biāo)代表HDPE板方格及積沙在整個(gè)模擬流場(chǎng)中的實(shí)際位置。在HDPE板方格內(nèi)積沙斷面曲線上取7個(gè)控制點(diǎn)(取小數(shù)點(diǎn)后兩位)，為方便計(jì)算，將A點(diǎn)坐標(biāo)定為(0，0.13)，以此類推B(0.05,0.09)，C(0.1，0.(1)，D(0.6,0.12)，E(0.95,0.18)，F(xiàn)(0.99,0.16)，G(1,0.12)。整個(gè)斷面曲線可以由3條曲線構(gòu)成，A，B，C這3點(diǎn)構(gòu)成L1(x)，C，D，E這3點(diǎn)構(gòu)成L2(x),E，F(xiàn)，G這3點(diǎn)構(gòu)成L3(x),3條曲線相加得到積沙斷面曲線,代入公式得到：

(4)

模擬結(jié)果，HDPE板固沙作用失效時(shí)方格內(nèi)總積沙量為323.21 kg。

對(duì)于沙壟方格，還要知道沙壟最低點(diǎn)相對(duì)坐標(biāo)，計(jì)算方法同上述一樣，對(duì)于沙壟方格進(jìn)行積分時(shí)，需要減去多于積分面積(傾斜部分)，得到積沙量：

(5)

式中：S和T——在現(xiàn)場(chǎng)沙壟方格內(nèi)測(cè)得每段積沙斷面曲線的相對(duì)起始值與終點(diǎn)值；W——沙壟方格的寬度；m——沙壟方格內(nèi)積沙斷面曲線函數(shù)段數(shù)。U和V——沙壟方格內(nèi)積沙左右兩側(cè)最高點(diǎn)沙梗到沙壟最低點(diǎn)的水平距離(m)。

圖7為固化沙壟方格固沙作用失效時(shí)方格內(nèi)積沙斷面圖。

圖7 格庫(kù)鐵路固化沙壟方格內(nèi)積沙斷面

圖7中橫縱坐標(biāo)代表沙壟方格以及積沙在整個(gè)模擬流場(chǎng)中的實(shí)際位置，在沙壟方格在整個(gè)斷面曲線上取7個(gè)點(diǎn)，將A點(diǎn)設(shè)為(0,0.07)，則B(0.1,0.09)，C(0.15,0.06)，D(0.45,0.13)，E(0.51,0.11)，F(xiàn)(0.58,0.16)，G(0.72,0.(3),另外計(jì)算得到A1(0.06,0)，G1(0.5,0)，將其帶入公式得到固沙作用失效時(shí)沙壟方格內(nèi)總積沙QS，結(jié)果為155.41 kg。

(6)

3.2.4 HDPE板與沙壟方格蝕積量變化 算出積沙量之后，通過(guò)下列公式可以計(jì)算HDPE板和沙壟方格內(nèi)積沙的蝕積量：

Δ=QS1-QS2

(7)

在一定時(shí)間間隔內(nèi)，如果Δ>0說(shuō)明在這一段時(shí)間內(nèi)發(fā)生了風(fēng)積，如果Δ<0說(shuō)明在這一段時(shí)間內(nèi)發(fā)生了風(fēng)積，如果Δ=0說(shuō)明在這一段時(shí)間間隔方格內(nèi)積沙處于動(dòng)態(tài)平衡。

自2017年4月份開(kāi)始，按照上文給出的公式，對(duì)該區(qū)域迎風(fēng)側(cè)選定的HDPE板方格和固化沙壟方格內(nèi)的沙子重量進(jìn)行計(jì)算記錄，然后取平均值，記錄間隔為2個(gè)月，持續(xù)時(shí)間1 a(表1)。

表1 格庫(kù)鐵路固沙方格內(nèi)沙子蝕積量變化

由表1可以看出201704—201705，201708—201709，201712—201801，201802—201803這4個(gè)時(shí)間段內(nèi)，在WNW主導(dǎo)風(fēng)向下HDPE板積沙為27.8，3.56，3.67和18.79 kg，固化沙壟方格內(nèi)積沙為15.35，2.69，2.25和12.82 kg，都發(fā)生了風(fēng)積現(xiàn)象。在NW主導(dǎo)風(fēng)向作用下，HDPE板和固化沙壟方格內(nèi)同樣發(fā)生了風(fēng)積現(xiàn)象，對(duì)應(yīng)時(shí)間段內(nèi)HDPE板內(nèi)積沙量明顯多于固化沙壟方格內(nèi)積沙。在SW主導(dǎo)風(fēng)向作用下HDPE板內(nèi)和固化沙壟方格內(nèi)積沙分別為-2.03和-3.06 kg，固化沙壟方格風(fēng)蝕嚴(yán)重。從2017年4月份到2018年3月份，HDPE板和固化沙壟方格內(nèi)總的積沙分別為64.14和35.73 kg。上文通過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算出HDPE板與固化沙壟方格防沙作用失效時(shí)方格內(nèi)積沙分別為323.21和155.41 kg，以此推算HDPE板和固化沙壟方格的有效防護(hù)持續(xù)時(shí)間分別約為5 a和4 a。

4 結(jié) 論

(1) 當(dāng)氣流通過(guò)HDPE板和固化沙壟方格時(shí)，在其周圍形成6個(gè)速度分區(qū)，分別為迎風(fēng)側(cè)低速區(qū)、遇阻抬升區(qū)、集流加速區(qū)、第1減速區(qū)、第2減速區(qū)和速度恢復(fù)區(qū)。

(2) 在同等風(fēng)速條件下，同一高度處固化沙壟方格的有效防護(hù)距離大于HDPE板的有效防護(hù)距離；HDPE板和固化沙壟方格風(fēng)速最低點(diǎn)并不是出現(xiàn)在HDPE板或固化沙壟方格后的零距離處，而是有一定的滯后距離，高程越大，滯后距離越大。

(3) HDPE板方格和固化沙壟方格沙障內(nèi)的積沙斷面形態(tài)隨時(shí)間動(dòng)態(tài)變化。固沙作用失效時(shí)，HDPE板方格內(nèi)積沙量多于固化沙壟方格；在方格沙障防沙形式上，透風(fēng)型HDPE板方格沙障以板內(nèi)固沙為主，不透風(fēng)型固化沙壟方格以沙壟前阻沙為主。

(4) 建立了計(jì)算HDPE板方格和固化沙壟方格沙障內(nèi)積沙量定量計(jì)算公式，可定量計(jì)算HDPE板方格和固化沙壟方格沙障內(nèi)的蝕積量。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)，計(jì)算出HDPE板和固化沙壟方格的有效工作時(shí)間分別為5 a和4 a。綜合考慮，HDPE板方格的經(jīng)濟(jì)性實(shí)用性以及防沙效果更好。