張 凱， 王起才， 楊子江， 梁柯鑫， 趙 坤， 崔曉寧

(1. 蘭州交通大學 土木工程學院， 甘肅 蘭州 730070； 2. 蘭州交通大學 道橋工程災害防治技術國家地方聯(lián)合工程實驗室， 甘肅 蘭州 730070)

隨著我國“一帶一路”戰(zhàn)略的不斷深入，跨越荒漠地區(qū)的鐵路、公路等線路越來越多，但同時會受到風沙災害的困擾，因此風沙災害的有效防治成為荒漠地區(qū)交通建設的重要保障[1]。風沙災害防治體系可分為機械、生物和化學三大類，其中機械防沙體系已成為防沙體系的先行建設項目[2]。近些年來，國外學者對各類傳統(tǒng)機械防沙措施在回流區(qū)長度、障后風速削弱長度、不同密度的阻力系數(shù)等方面展開了大量的室內(nèi)風洞試驗、數(shù)值模擬和現(xiàn)場試驗[3-6]，國內(nèi)以中國科學院、蘭州交通大學等單位為首，對傳統(tǒng)機械防沙體系中沙障對風沙的減弱機理及控住措施等方面已有大量報道[7-11]，主要以風沙流的結構特征及沙障的防沙阻沙效果為研究目的[12-15]。然而隨著對傳統(tǒng)防沙材料(麥草、蘆葦?shù)?的需求日益增多，導致傳統(tǒng)材料供給短缺，一些新的人工材料應運而生，如塑料網(wǎng)和尼龍網(wǎng)等，其中HDPE板防沙網(wǎng)是新型防沙材料之一，具有良好的耐熱性和耐寒性、抗紫外線性能強、化學穩(wěn)定性好、耐老化等特點，且在施工過程中方便、快速。目前，高立式防沙沙障已廣泛應用于風沙流侵害的防治中，劉世海等[16]通過對青藏鐵路格拉段現(xiàn)場實驗觀測得出，高立式沙障在降低風速和風蝕量方面具有顯著效果；李凱崇等[17-18]在風洞試驗和現(xiàn)場試驗對不同類型沙障前后流場的風速輪廓線、輸沙率等進行觀測，提出了多種風沙防治措施，并對其防沙效應和防沙機理進行了研究；龐營軍等[19]采用高立式格狀沙障對地表粗糙度進行研究，結果表明高立式格狀沙障使地表粗糙度增大了44倍，大大提高了地表的粗糙度。目前對HDPE板高立式沙障的研究僅局限于室內(nèi)風洞實驗和現(xiàn)場觀測，受實驗儀器、客觀環(huán)境、物理模型及周期較長等條件的制約，無法直接達到理想條件。

對此本文應用數(shù)值模擬分析手段，對HDPE板高立式沙障周圍風沙流場進行研究，提出了不同條件下沙障的有效防護距離，對多道防沙沙障布置的間距問題進行了研究，提出了多排防沙沙障的合理間距，為鐵路工程防沙體系的設計及完善提供了有力理論支撐，對鐵路防沙工程具有重要意義。

1 研究方法

1.1 區(qū)域概況

新建格庫鐵路(青海段)風沙試驗段，起迄里程DK326+000—DK329+000，總長度為3 000 m，位于柴達木盆地南緣西部茫崖湖一帶，地形較平坦、開闊，年均大風(≥8級)日數(shù)43 d，最大瞬時風速29.2 m/s。流動沙地以風積粉細沙為主，沙質(zhì)不均，含少量礫石、中粗沙粒及粉土，植被覆蓋率小于10%，主導風向N50°W。該地冬春季風沙活動強烈，沙物質(zhì)主要來自荒漠，對沿線鐵路危害嚴重，見圖1。

1.1.1 沙粒粒徑分析

沿線地域沙粒主要為第四系全新統(tǒng)風積細沙，上更新統(tǒng)洪積細沙。以現(xiàn)場典型風沙病害地段的現(xiàn)場沙粒為研究對象，采用馬爾文激光粒度分析儀對其粒徑進行分析。沙粒的粒徑分布及正態(tài)累計曲線見圖2、圖3。

從圖2可以看出，現(xiàn)場試驗段自然沙粒的粒徑分布近似于正態(tài)分布，粒徑主要范圍為80～315 μm，顆粒分級屬細沙、中沙，含少量粗沙。圖3為正態(tài)概率累積曲線，概率累計曲線從側面反映粒度分布并揭示搬運方式(蠕移、躍移和懸移)及其相對比重，整個樣品的粒度分布為4條直線，其中：蠕移組分代表粗顆粒，約占總沙量的19.8%，躍移組分a、b代表中顆粒，約占總沙量的76.7%，懸移組代表細顆粒，約占總沙量的3.5%。通過以上對顆粒的統(tǒng)計分析，可以更好的了解現(xiàn)場沙粒的分布特征，并客觀指導有限元模型的參數(shù)選取。

1.1.2 實驗布置

HDPE板高立式阻沙沙障高度為1.5 m，長度為3 m，設計示意見圖4。在試驗場地布設三道連續(xù)HDPE板高立式阻沙沙障，由于HDPE板孔隙率、間距未知，因此通過數(shù)值模擬確定單排HDPE板的孔隙率以及有效防護距離，提出HDPE板間橫向合理間距，應用于實際試驗段中，見圖5。

1.2 數(shù)值分析模型

1.2.1 幾何建模

在風場作用下沙粒重力、拖曳力等一般作用在同一平面內(nèi)，建立二維簡化模型，計算流域為120 m×15 m，HDPE板高立式沙障高度為1.5 m，將其簡化為無厚度壁面，距離入口20 m，采用結構性網(wǎng)格進行網(wǎng)格劃分，由于風沙流受邊界層的影響較大[20]，對HDPE板高立式沙障0.5 m范圍內(nèi)進行局部加密。

1.2.2 邊界條件

模型介質(zhì)類型為fluid，左側入口為速度入口，右側出口為出流條件，上壁面采用對稱邊界條件，HDPE板與模型下壁面采用壁面條件。

1.2.3 計算參數(shù)

上文對試驗段表面沙粒進行樣本分析，主要分布區(qū)間為0.08～0.315 mm，設定風沙流中沙粒ds=0.1 mm，沙粒密度ρs=2 650 kg/m3，由于地表中沙物質(zhì)顆粒所占體積率小于5%，且多相流理論為稀相，取下墊面初始沙粒相體積分數(shù)為1%，在此條件下，單一的顆粒球模型是一個很好的近似[21]；空氣密度ρ=1.225 kg/m3，黏度μ=1.789 4×10-5Pa·s；風沙流入口速度為12、18、24、30 m/s。

計算模型采用歐拉雙流體模型附加k-ε方程，忽略源項對湍流方程的影響、氣體的可壓縮性，建立標準k-ε模型運輸方程。

氣相湍動k方程為

( 1 )

氣相湍動ε方程為

( 2 )

湍流強度I和湍流尺度L計算公式分別為

( 3 )

( 4 )

式中：Re為雷諾數(shù)；Cμ是一個模型常量，在標準k-ε模型中取值0.9；k與ε分別為湍流動能和湍動能耗散率，其值按式( 1 )與式( 2 )計算。

2 單排HDPE板沙障數(shù)值模擬及分析

2.1 不同孔隙率HDPE板周圍速度云圖

試驗段最大瞬時風速29.2 m/s，選取v=30 m/s模擬HDPE板高立式沙障周圍速度云圖，見圖6。

由圖6(a)可知：孔隙率為10%時，氣流經(jīng)過HDPE板沙障，孔隙率較小，速度遇到障礙發(fā)生顯著變化，在迎風側下方形成氣流減速區(qū)A，大部分氣流遇阻向上形成氣流加速區(qū)B，在抬升過程中氣流不斷匯聚加速，在HDPE板上方形成氣流高速區(qū)C，小部分氣流直接通過孔隙在HDPE板后方形成氣流低速區(qū)，由于上下層氣流產(chǎn)生速度差，導致氣流發(fā)生分流，此時會產(chǎn)生逆壓梯度，阻礙空氣向前運動，出現(xiàn)回流，形成低速回流區(qū)D，受渦旋流中下沉氣流的影響，產(chǎn)生速度突增區(qū)E，氣流繼續(xù)前行，氣流速度逐漸恢復，形成消散恢復區(qū)F，但穩(wěn)定后的速度比入口速度有降低，說明風沙流經(jīng)過HDPE板沙障后有部分能量損失。孔隙率25%與孔隙率10%云圖相同，在此不進行分析。分析圖6(b)可以發(fā)現(xiàn)：孔隙率為40%時，與孔隙率為10%條件下氣流分區(qū)類似，存在氣流減速區(qū)、加速區(qū)、高速區(qū)和回流區(qū)，不同之處在于：氣流經(jīng)過HDPE板沙障，通過孔隙的氣流大于10%孔隙率的HDPE板沙障，氣流減速區(qū)、加速區(qū)以及高速區(qū)域范圍減小，HDPE板后方上下層氣流產(chǎn)生速度差減小，導致回流區(qū)范圍減小，且不存在速度突增區(qū)。分析圖6(c)可知：當孔隙率增大到50%時，大部分氣流直接穿過HDPE板沙障，導致氣流減速區(qū)、加速區(qū)以及高速區(qū)域范圍減小，不存在回流區(qū)及速度突增區(qū)。

2.2 不同孔隙率HDPE板周圍風沙流運動特性

風沙流在沙漠中一般貼近于地表運動，近地表風速對沙粒運動影響顯著，研究近地面HDPE板周圍氣流變化趨勢對阻沙形成機理具有指導意義[22]。HDPE板控制氣流減速的效果主要靠水平方向速度變化來體現(xiàn)，選取入口速度為24 m/s時不同孔隙率及不同高度下HDPE板周圍水平速度分布圖，見圖7。

分析圖7可知：(1)當孔隙率為10%時，障礙物1.5 m高度以下，來流風速遇到障礙物后迅速減小，障后出現(xiàn)回流，約6.5 m處產(chǎn)生速度(負值)的谷值(最小值)為9 m/s。障礙物高度以上，由于風速的集流效應，風速迅速增大到峰值(最大值)為29.2 m/s，此時壓差導致上方速度下降，遠離障礙物后速度逐漸恢復。當孔隙率為25%時，障后9.6 m處產(chǎn)生速度(負值)的谷值為5.9 m/s，峰值為29 m/s，孔隙率為40%時，障后8.2 m處產(chǎn)生速度(負值)的谷值為1.3 m/s，峰值為26.8 m/s，孔隙率為50%時，障后10 m處產(chǎn)生速度的谷值為4.8 m/s，峰值為26.5 m/s?？紫堵手饾u增大，當?shù)陀?.5 m時，谷值逐漸增大，高于1.5 m時，峰值逐漸減小。當流場氣流經(jīng)過HDPE板沙障后，沙障高度以下范圍，氣流水平速度整體呈V形分布，沙障高度以上范圍，氣流水平速度整體呈雙V形分布。

(2) 文獻[2]定義阻沙沙障對風速的有效防護距離為沙障高度以下恢復到自然風速的80%的距離。從圖中可以看出，不同高度(0.1、0.3、1、1.5 m)處沙障的有效防護距離變化不大，因此可取四個高度處HDPE板的有效防護距離平均值最為最終的有效防護距離?？紫堵蕿?0%、25%、40%、50%時，有效防護距離分別為29.9、31.7、33.6、39.6 m，在一定范圍內(nèi)(孔隙率為50%以下時)，HDPE板孔隙率越大，其有效防護距離越大，其原因是HDPE板孔隙率越小，障后高速區(qū)流速與回流區(qū)流速之差越大，形成的壓差越大，導致回流區(qū)流速恢復到原始速度越快。因此HDPE板沙障50%孔隙率為幾種孔隙率下的最優(yōu)孔隙率。

2.3 不同風速下HDPE板周圍風沙流運動特性

孔隙率為50%，不同風速下0.1、1 m高度處HDPE板周圍水平速度分布見圖8。

分析圖8可知：不同風速下，HDPE板周圍水平速度變化規(guī)律基本一致，說明在不同風速下HDPE板周圍速度云圖變化規(guī)律差別不大，初始風速為12、18、24、30 m/s在0.1 m位置處的速度谷值分別為0.5、2.5、5.1、9 m/s，在1 m位置處的速度谷值分別為1.9、5.2、8.3、13.3 m/s，入口初始風速越大，速度的谷值越大。按照前文對于有效距離的定義，隨著入口初始風速的增大，有效防護距離在不斷減小，初始風速為12、18、24、30 m/s時，在0.1 m位置處，障后有效防護距離分別為48.5、45.1、42.6、40.7 m，在1 m位置處，障后有效防護距離分別為42.6、39.3、36.2、33.8 m，這是因為初始風速越大，具有的動能越大，障后高壓區(qū)與低壓區(qū)的壓差越大，逐漸恢復到80%的自然風速相對較容易，且由于能量的損失，恢復后的穩(wěn)定速度比入口初始速度稍有降低。聯(lián)系2.2節(jié)，不同高度(0.1、0.3、1、1.5 m)處沙障的有效防護距離變化不大，選取柵欄高度內(nèi)的有效防護距離平均值最為最終的有效防護距離，因此50%孔隙率的HDPE板沙障有效防護距離大于30 m，因此取HDPE板沙障間的距離為30 m。

3 三道HDPE板數(shù)值模擬及分析

上文中分析到HDPE板沙障為50%孔隙率，沙障后30 m范圍內(nèi)，可充分發(fā)揮沙障的效果。將試驗段中此布設原則進行數(shù)值模擬，三道(橫向間距30 m)HDPE板周圍氣流速度分布見圖9，不同高度下三道連續(xù)HDPE板周圍水平速度分布見圖10。

從圖9可以看出：當入口初始風速為24、30 m/s時，在第一道沙障和第二道沙障周圍出現(xiàn)氣流減速區(qū)、加速區(qū)以及高速區(qū)，不存在回流區(qū)，但在第三道沙障后出現(xiàn)回流區(qū)。分析圖10可知：當入口初始風速為24 m/s時，在第一道沙障后，距離地面0.1～1.5 m范圍內(nèi)風速降為4.1～12.6 m/s，在第二道沙障后，距離地面0.1～1.5 m范圍內(nèi)風速降為1.3～10.4 m/s，在第三道沙障后，距離地面0.1～1.5 m范圍內(nèi)風速降為-1.9～7.3 m/s，降低幅度明顯，初始風速在經(jīng)過三道連續(xù)的沙障后，降低至起沙風速(7～10 m/s)[2]以下。第2節(jié)分析到風速越低，沙障的有效防護距離越大，可推斷出初始風速小于24 m/s時，在第三道沙障后風速更易小于起沙風速。由于當?shù)刈畲箫L速為29.2 m/s，可設置風速為30 m/s評判三道連續(xù)沙障后的風速，當入口初始風速為30 m/s時，在第一道沙障后，距離地面0.1～1.5 m范圍內(nèi)風速降為7～17.6 m/s，在第二道沙障后，距離地面0.1～1.5 m范圍內(nèi)風速降為3.2～13.5 m/s，在第三道沙障后，距離地面0.1～1.5 m范圍內(nèi)風速降為-1.6～9.7 m/s，達到三道連續(xù)沙障的性能要求。因此三道連續(xù)HDPE板高立式沙障為50%孔隙率，間距為30 m時，滿足試驗段中HDPE板作為沙障的減風性能要求。

4 現(xiàn)場試驗

在新建格庫鐵路DK326+000—K329+000路基迎風側布設：

(1) 單排HDPE板沙障，在HDPE板沙障前方30 m處布設自動梯度式風速監(jiān)測儀，目的是監(jiān)測原始風沙流中的風速，在HDPE板沙障后方距離HDPE板沙障5、10、15、20、30 m處分別布設自動梯度式風速監(jiān)測儀，自動監(jiān)測不同高度處(0.5、1、2 m)的風速，目的是監(jiān)測布設單排HDPE板沙障的擋風效果。

(2) 三道連續(xù)HDPE板沙障，沙障橫向間距為30 m，在第三道HDPE板沙障后方距離第三道HDPE板沙障5、10、15、20、30、35、40 m處分別布設自動梯度式風速監(jiān)測儀，高度均為2 m，自動監(jiān)測不同高度處(0.5、1、2 m)的風速，目的是監(jiān)測布設連續(xù)三道HDPE板沙障后的擋風效果。

監(jiān)測HDPE板沙障前后距離地面0.5 m處的風速，并與數(shù)值模擬數(shù)據(jù)進行對比，風沙流的原始風速分別為18.6、20.5、22.3、24.4 m/s，單排HDPE板沙障后不同距離(5、10、15、20、30 m)處的風速變化見圖11，以第三道HDPE板沙障為原點，沙障后不同距離(5、10、15、20、30、35、40 m)處的風速變化,見圖12。

從圖11、圖12中可以看出，對于單排HDPE板沙障，隨著障后距離的增大，原始風速為18.6、20.5、22.3、24.4 m/s時，監(jiān)測30 m處風速為10.5、11.9、14.2、16.7 m/s，分別為原始風速的0.56、0.53、0.64、0.68倍，均小于原始風速的0.8倍；對于三道連續(xù)HDPE板沙障，隨著第三道HDPE板沙障后距離的增大，速度逐漸增大。原始風速為18.6、20.5、22.3、24.4 m/s時，監(jiān)測30 m處風速為9.6、9.2、11.5、10.8 m/s，分別為原始風速的0.52、0.45、0.52、0.44倍，均小于原始風速的0.8倍，說明HDPE板沙障距離布設為30 m，是合理的。

5 結論

依據(jù)新建格庫鐵路(青海段)試驗防護段，對不同孔隙率HDPE板沙障周圍風沙流場進行數(shù)值模擬研究，給出了HDPE板的最優(yōu)孔隙率及有效防護距離，分析了三道連續(xù)HDPE板沙障的合理間距問題，得出如下結論：

(1) 當風沙流經(jīng)過HDPE沙障時，會形成速度分區(qū)，孔隙率為10%和25%時，速度分區(qū)分別為氣流減速區(qū)、氣流加速區(qū)、氣流高速區(qū)、低速回流區(qū)、速度突增區(qū)及消散恢復區(qū)；孔隙率增大至40%時，速度突增區(qū)消失，孔隙率增大至50%時，低速回流區(qū)消失。

(2) 當流場氣流經(jīng)過HDPE板沙障后，沙障高度以下范圍，氣流水平速度整體呈V形分布，沙障高度以上范圍，氣流水平速度整體呈雙V形分布。

(3) 風速為24 m/s時，孔隙率在一定范圍內(nèi)，HDPE板孔隙率越大，其有效防護距離越大，有效防護距離在29.9～39.6 m范圍內(nèi)，HDPE板沙障50%孔隙率最優(yōu)孔隙率；孔隙率一定時，入口初始風速越大，HDPE板沙障有效防護距離越小，連續(xù)HDPE板沙障間的合理距離可布設為30 m。

(4) 多道連續(xù)HDPE板沙障的研究結果，可直接為新建格庫鐵路防沙體系提供支撐，也可為其他地區(qū)鐵路、公路等線路的防護體系提供參考依據(jù)。