丁錄勝， 程建軍， 陳柏羽， 葛 云， 丁泊淞

(1.中鐵一院新疆鐵道勘察設計院有限公司， 新疆 烏魯木齊 830011； 2.石河子大學水利建筑工程學院，新疆 石河子832003； 3.石河子大學 機械電氣工程學院， 新疆 石河子832003)

風沙災害防治一直是中國西部戈壁、沙漠地區(qū)鐵路建設與運營期所面對的棘手工程技術問題，鐵路沿線風沙治理通常有機械防沙、植物防沙以及化學防沙3類形式。其中機械防沙是最有效，也是最快捷的方式。但機械防沙由于工程量巨大，且因防沙材料與種類的選擇，關系到其使用壽命問題[1]。目前在鐵路沿線所采用的機械防沙主要有混凝土式、PE網(wǎng)式以及其它形式的土工材料[2]。在鐵路沿線整個防沙工程體系中，位于最前沿的高立式阻沙沙障其作用最重要，目前在建庫格鐵路沿線高立式阻沙沙障采用蘆葦沙障為主要沙障形式之一。

蘆葦沙障因為具有造價低，來源廣泛、就地取材、施工便捷、后期更替修補方便等特點被列為庫格鐵路沿線高立式阻沙沙障所采用的主要防護形式之一，然而對于采用蘆葦沙障進行風沙防護的研究較少，韓致文等[3]對不同間距蘆葦方格進行風洞試驗發(fā)現(xiàn)，風速最大值出現(xiàn)在蘆葦方格迎風側(cè)第一格的上空，且方格內(nèi)積沙均勻。馬學喜等[4]通過野外實地觀測發(fā)現(xiàn)，在不同地形條件下蘆葦方格沙害類型均表現(xiàn)為半埋危害。這些研究僅針對低立式蘆葦方格進行了初步研究，而針對高立式蘆葦沙障的防沙的文獻尚未見到報道，高立式蘆葦沙障設置高度為2 m，蘆葦采用質(zhì)地優(yōu)良水生干蘆葦，用鍍鋅鐵絲捆扎成直徑為8 cm的蘆葦束，蘆葦束間距為5 cm，每隔2 m設置圓木立柱，立柱直徑15 cm，根部埋入地基中不少于1m。為了調(diào)查高立式蘆葦沙障的防風阻沙性能以及蘆葦沙障的流場分布特征，本文采用鐵路沿線的阻沙現(xiàn)場測試以及流體動力學數(shù)值計算手段對高立式蘆葦沙障阻沙防風性能進行研究，以期為風沙災害防治提供相關的科學依據(jù)。

1 高立式蘆葦沙障阻沙現(xiàn)場測試試驗設計及數(shù)值模擬方法

1.1 阻沙現(xiàn)場測試試驗

為了調(diào)查高立式蘆葦作為阻沙沙障的防風阻沙性能，在庫格鐵路沿線進行了蘆葦沙障的阻沙測試試驗與防風測試試驗。試驗在蘆葦沙障的迎風側(cè)50 m范圍之外布設第一套風沙采集系統(tǒng)，風沙采集系統(tǒng)由1 m高的地表集沙儀與3 m高的梯度風速儀組成。其中地表集沙儀采集高度范圍為1 m，50個高度層次，每2 cm為一個采集高度。當有風沙來流時，需要人工調(diào)整方向，使來流對準采集口。梯度風速儀為4檔高度，分別為0.2，0.8，2，3 m。此套風沙采集系統(tǒng)所得數(shù)據(jù)為風沙來流參照值。第2道風沙采集系統(tǒng)布設在蘆葦沙障的背風側(cè)沙障防風影響范圍之外，通過2套采集系統(tǒng)的對照，能摸清蘆葦沙障截留的過境風沙流，用阻沙率及大風遮蔽效應系數(shù)表示蘆葦沙障的防風阻沙性能[5]。

1.2 風沙流場數(shù)值模擬方法

1.2.1 幾何建模 利用AutoCAD建立計算區(qū)域模型。蘆葦沙障模型的計算域長80 m，寬6 m，高20 m，計算域尺寸的選取主要考慮計算對象阻塞率的要求，為使模型阻塞率小于6%，取計算域高度為10H(H為蘆葦沙障的高度，文中取H=200 cm)。蘆葦沙障每隔2 m設置一個直徑15 cm的立柱，研究對象取具有對稱性的3段蘆葦沙障，總長6 m，故計算域?qū)捜? m；為滿足氣流在蘆葦沙障附近充分發(fā)展的條件，將蘆葦沙障布設在距計算域入口10H位置處，沙障后保留30H的距離以分析氣流在其后的發(fā)展情況，故計算域長度取80 m。本文中以直徑為8 cm的圓柱體代替實際防風沙工程中的蘆葦束，為考慮蘆葦沙障穩(wěn)定性設備如捆綁鐵絲等對氣流的影響，在蘆葦束高度方向上每隔30 cm設置一長6 m，直徑為0.2 cm的圓柱體。為盡可能真實的反映實際工程阻沙蘆葦沙障的阻沙效果，設置蘆葦束間距均為5 cm。

1.2.2 網(wǎng)格劃分 采用ANSYS ICEM CFD的Meshing模塊對建立的幾何模型和計算域進行網(wǎng)格劃分，采用非結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)格(TETRAHEDRONS)劃分方法并設定合適的網(wǎng)格尺寸，其中網(wǎng)格節(jié)點(Nodes)176 435個、網(wǎng)格面(Faces)1 973 444個、網(wǎng)格單元(Cells)969 777個，計算域模型網(wǎng)格平均質(zhì)量為0.837，網(wǎng)格質(zhì)量優(yōu)良。

1.2.3 計算參數(shù)設置 為從沙粒的起動風速方面考慮沙粒在蘆葦沙障附近的沉積分布，分別進行流場和風沙兩相流的數(shù)值計算。流場的數(shù)值計算過程較為簡便，主要涉及入口廓線風速的設定，對于兩相流計算參數(shù)設定，為體現(xiàn)自然工況下沙源充分的情況，模擬中采用風攜沙模型計算蘆葦沙障作用下積沙分布規(guī)律，即在考慮風沙流自平衡機制下，在計算域入口處設置源源不斷的沙粒。設置求解器為能反映風沙兩相流的瞬間變化的瞬態(tài)、基于壓力的求解方式，其中壓力—速度耦合方法選擇用于求解不可壓縮流場的相間壓力耦合方程的半隱方法(Phase Coupled SIMPLE)，湍流模型選擇對邊界層湍流方程進行改進的可實現(xiàn)k-ε模型(Realizablek-ε模型)。由于該部分涉及風沙兩相流問題，定義沙顆粒密度和粘度分別為ρs=2 600 kg/m3，μ=0.004 7 kg/(m·s)，并在沙相屬性中選擇沙物質(zhì)形狀為顆粒狀，根據(jù)沙物質(zhì)不同粒徑下的運移方式定義沙顆粒直徑ds=0.1 mm[6]；為保證計算結(jié)果能夠收斂，動量、各相體積分數(shù)、湍動能以及湍流耗散率等的空間離散化方式均選擇一階迎風格式，并保證殘差監(jiān)視的絕對收斂標準不大于10-3。

設置模型入口為風沙流的速度入口，分別設定為6，12，20，25 m/s，通過定義地表粗糙度來實現(xiàn)風沙流速度在不同高度上的分布規(guī)律，由于采用風攜沙模型，沙相的體積分數(shù)設置考慮當顆粒的容積份額小于5%時，顆粒的自由沉降就會受阻，并且自由沉降速度也不再遵循斯托克斯定律[6]。因此根據(jù)多次數(shù)值模擬結(jié)果，并考慮提供合適的沙源而設置入口沙相體積分數(shù)為10%；計算域出口由于無法預測風沙流的湍流發(fā)展情況，故采用壓力出口邊界條件，湍流具體表示方法選擇湍流強度和水力直徑來描述，并根據(jù)模型尺寸分別定義兩者為5%和4.6 m。計算域左右兩側(cè)采用對稱邊界條件，上邊界采用滑移壁面條件，地面采用無滑移壁面條件(Wall)[7]，根據(jù)實測梯度風速數(shù)據(jù)根據(jù)公式(2)所得的地表粗糙度來進行設定，模擬計算時間統(tǒng)一為30 s。

2 結(jié)果與分析

2.1 阻沙現(xiàn)場試驗結(jié)果

在高立式蘆葦沙障前后同時布設風沙采集系統(tǒng)，一場大風后，記錄分析布設在沙障前后的集沙儀集沙量。從圖1可見，庫格沿線沙漠邊緣風沙來流的風沙流結(jié)構(gòu)特征表現(xiàn)為沙通量主要在1 m高度范圍以下，這與戈壁地表的風沙流運動規(guī)律有所不同[8]，且貼近地表輸沙量最大，在20 cm以下是輸沙量的主體部分，20 cm高度以上輸沙量呈規(guī)律性的逐漸遞減。由于沙障迎風側(cè)的集沙儀采集的沙量是自然地表未經(jīng)擾動的過境風沙流量，而沙障后的集沙儀采集的沙量是經(jīng)過了蘆葦沙障降速風沙流卸載后的過境風沙流。則沙障阻沙率的公式如下[5]：

(1)

式中：K——阻沙率(%)；Q1——不受沙障影響的來流總過境風沙流量值(g/min)；Q2——經(jīng)過沙障過濾后不能被截留的過境風沙流量值(g/min)；具體測試時，Q1的量值來自布設在蘆葦沙障迎風側(cè)10H(H為蘆葦沙障高度)以外，考慮到透隙式沙障的控風影響范圍在沙障背風側(cè)的距離為10～20H左右，Q2的量值來自布設在沙障背風側(cè)25H距離處的集沙儀。將本次測試的數(shù)值帶入(1)式得：

即第一道高立式蘆葦沙障的阻沙率為93.85%。

注：集沙層每層厚度為2 cm。圖1 高立式蘆葦沙障沙障前后集沙量對比

圖2為梯度風速儀實測的來流風速廓線，通過在蘆葦沙障前后布設多套梯度風速儀，在有風時同時監(jiān)測，能夠采集大風經(jīng)過沙障的流場風速變化數(shù)據(jù)，但是由于沙障對流場的擾動，沙障背風側(cè)風速變化大，僅靠幾套梯度風速儀難以捕捉到整個流場的風速變化規(guī)律。但是沙障迎風側(cè)布設的梯度風速儀所采集的風速數(shù)據(jù)仍然具有重要的作用。根據(jù)普朗特—馮·卡門的速度對數(shù)分布規(guī)律，可利用任何2層風速量值來求取地表粗糙系數(shù)z0，地表粗糙系數(shù)是風速為零的高度(m)，在后續(xù)的數(shù)值計算中是一個必須的參數(shù)。根據(jù)兩層風速推求地表粗糙系數(shù)的公式如下：

(2)

式中：ux2，ux1——高度為z2與z1高度處的風速值，未知數(shù)是Z0，因此該公式可以進一步表示為：

(3)

將本次采用梯度風速儀監(jiān)測所得同一時間的2個梯度風速值代入(3)式，即可得到該地域的地表粗糙度，為后續(xù)計算提供依據(jù)。

圖2 沙障迎風側(cè)風速廓線

2.2 數(shù)值模擬結(jié)果

2.2.1 蘆葦沙障的流場分布及防風效益 由于2種入口風速下，蘆葦沙障附近流場分布相似，故該部分主要提取12 m/s入口風速下的計算結(jié)果具體分析蘆葦沙障附近不同位置處的流場變化規(guī)律(如圖3所示)。

從圖3中可以看出，12 m/s的入口風速下，蘆葦沙障周圍流場變化明顯，經(jīng)過蘆葦?shù)目v斷面上流場分布規(guī)律與經(jīng)過蘆葦間隙的縱斷面上流場的分布規(guī)律相似，主要是因為蘆葦沙障間隙相對于蘆葦沙障來說屬于次要因素，對氣流的干擾在宏觀上的體現(xiàn)微弱[9]。圖3a中，入口廓線風速在經(jīng)過蘆葦沙障時，由于實體蘆葦對來流的阻礙，氣流在障前約3.97H范圍內(nèi)出現(xiàn)減速區(qū)；蘆葦沙障等間距布設存在的空隙，透隙率為36.5%，使得因蘆葦和其他氣流團的擠壓而從蘆葦沙障頂部越過的氣流較少，故在蘆葦沙障頂部偏后方位出現(xiàn)的擠壓上揚區(qū)范圍小，湍流強度弱；氣流在蘆葦沙障后形成的減速區(qū)較為均勻，且沒有渦流區(qū)的出現(xiàn)。圖3b的流場分布規(guī)律在整體上與圖3a的相似，局部區(qū)域的速度變化將在圖4中分析，而從z=30 cm高度上的速度分布云圖可以看出，氣流得到較大程度的削弱區(qū)間在障后1.8H～5.7H內(nèi)，其他區(qū)域的風速值仍大于4 m/s，即沙粒仍具有一定的動能保持運動狀態(tài)；從圖3c中還可以看出，蘆葦沙障對來流的干擾作用分布于蘆葦沙障的整個布設長度。

注：H為蘆葦沙障高度，H=200 cm，下同。圖3 蘆葦沙障不同斷面的流場分布云圖

從圖4中可以看出不同斷面上局部位置處流場分布的差異性。在圖4a中，由于蘆葦束的阻礙作用，氣流僅在每株蘆葦束后形成貼近蘆葦束的微小離散渦流單元，渦流區(qū)單元微小，氣流通過沙障后則不存在大的渦流區(qū)；圖4b中，由于所選取縱斷面經(jīng)過兩束蘆葦之間空隙，該部分氣流因受到兩側(cè)蘆葦束的擠壓而出現(xiàn)速度增加的紊流區(qū)，速度變化梯度較大；圖4c中可以明顯看出蘆葦束和蘆葦束之間氣流的交替變化，由于兩側(cè)立柱離最近的蘆葦束只有40 mm的距離，小于蘆葦束之間的間距50 mm，所以在兩側(cè)立柱附近出現(xiàn)與蘆葦沙障后不同的流場分布規(guī)律。

采用風速遮蔽效應系數(shù)計算公式來計算蘆葦沙障的防風效益：

η=(v0-vx)/v0

(4)

式中：η——風速遮蔽效應系數(shù)；v0——入口風速(m/s)；vx——蘆葦沙障前后x位置處的風速(m/s)。取z=0.3，1.0，2.0 m這3個特征高度處中心縱斷面上的速度值進行數(shù)值分析，得到相應的遮蔽效應系數(shù)特征(如圖5所示)。

注：圖a和b為蘆葦沙障前0.5H至障后1H范圍內(nèi)1.2H高度內(nèi)的風速云圖；圖c為蘆葦沙障前0.2H至障后0.8H范圍內(nèi)局部風速云圖

圖4 蘆葦沙障周圍風速特征云圖

圖5 不同風速(V)時遮蔽效應系數(shù)特征

從圖5中可以看出，不同高度處中心縱斷面上風速的遮蔽效益系數(shù)隨水平距離的變化趨勢與入口風速的大小無關[10]，即特定的防風沙構(gòu)筑物對氣流的控制規(guī)律相同，不受風速影響。圖5a中，由于風沙兩相流中，沙顆粒主要在離地面30 cm范圍內(nèi)運動，故該部分選擇Z=0.3 m高度處風速值，分析其對沙粒運動的影響。在該高度上，風速的遮蔽效應系數(shù)呈現(xiàn)先增大后減小而后穩(wěn)定的變化趨勢。在計算域入口至蘆葦沙障區(qū)間內(nèi)，由于受到蘆葦沙障的阻礙和因阻礙而湍動能降低的氣流團的影響，氣流速度呈現(xiàn)先增加后減小的變化趨勢，即遮蔽效應系數(shù)先減小后增大；隨著水平距離的增加，氣流在蘆葦沙障的作用下將不斷得到削弱，即遮蔽效應系數(shù)從蘆葦沙障位置處向后逐漸增大并達到最值47.9%，該位置位于蘆葦沙障后6H附近；隨著水平距離的增加，蘆葦沙障的影響逐漸減小，障后氣流速度逐漸得到恢復，遮蔽效應系數(shù)逐漸減小，在障后17H處，氣流已基本恢復至與入口相同的湍動能，而后將保持不變。其中在障前3.5H和障后17H的主要影響區(qū)間內(nèi)，蘆葦沙障對來流的平均削弱能力為29.7%。z=1.0 m高度上和z=2.0 m高度上風速的遮蔽效應系數(shù)變化趨勢相似，僅在蘆葦沙障后1～30 m范圍內(nèi)，z=2.0 m高度上風速的遮蔽效應系數(shù)比z=1.0 m高度上的整體上下降了29.1%。

2.2.2 蘆葦沙障的積沙分布與控沙特征 如圖6所示，隨著入口風速的增加，沙粒在蘆葦沙障附近的沉積分布規(guī)律相似，均集中分布在蘆葦沙障前，障后沙粒的分布相對較少且較為均勻，只是不同的入口風速下對應的沙粒沉積分布區(qū)的沙相體積分數(shù)有所不同。圖6a中，由于入口風沙流速較小僅有6 m/s，比直徑為0.1 mm的沙粒對應的的起動風速4 m/s略大，加之蘆葦沙障對來流平均29.7%的削弱作用，使得風沙流的湍動能得到一定程度的削減后其速度值接近并低于沙粒的起動風速，所以沙粒在障前0.2H范圍內(nèi)出現(xiàn)大量的沉積，沙相體積分數(shù)達最大值60%。障后，由于蘆葦沙障豎向均勻透隙存在，使得未經(jīng)削弱的風沙流在障后不斷緩和湍動能偏小的風沙流，從而導致沙粒的沉積量減小[11]。

圖6 不同風速(V)時蘆葦沙障周圍的積沙分布特征

為分析蘆葦沙障對過境風沙流的控制作用，尤其是在沙障障后減速區(qū)范圍內(nèi)沙顆粒物質(zhì)的沉積與運動規(guī)律，參考流場分布特點，提取蘆葦沙障前3.5H至障后17H范圍內(nèi)的沙粒質(zhì)量流率以定量分析蘆葦沙障的控沙特點，其中沙相質(zhì)量流率為單位時間內(nèi)通過計算域目標截面的沙粒質(zhì)量。結(jié)果如圖7所示。

從圖7中可以看出，在不同的入口風沙流速下，蘆葦沙障前3.5H至障后17H范圍內(nèi)的沙粒質(zhì)量流率變化有一定的差異性，在水平距離X=14～19 m(X=20 m為蘆葦沙障的布設位置)范圍內(nèi)保持穩(wěn)定；越過蘆葦沙障后，沙通量急劇減小，在X=20～54 m范圍內(nèi)波動差異大，這種波動正是由于沙障對障后風沙流場的擾動所造成的，但該區(qū)間內(nèi)沙粒質(zhì)量流率明顯小于蘆葦沙障前7 m范圍內(nèi)的沙通量，這種變化趨勢與沙粒的沉積分布情況是吻合的。

3 結(jié) 論

針對在建庫格鐵路沿線大量使用的高立式蘆葦沙障進行了現(xiàn)場測試與數(shù)值計算分析，采用高立式蘆葦沙障作為阻沙沙障的系統(tǒng)研究尚未見文獻論述，本文基于現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)分析了蘆葦沙障的阻沙性能、控風性能，流場分布以及整體控沙規(guī)律。通過研究發(fā)現(xiàn)在建庫格鐵路沿線采用的高立式蘆葦沙障的阻沙效果明顯，單道蘆葦沙障的阻沙率為93.85%，雖然當風級增大時，阻沙率會發(fā)生變化，但由于鐵路沿線通常設置多道阻沙沙障，可以推測風沙流經(jīng)過多道阻沙沙障后，基本被凈化。

在單道蘆葦沙障的作用下，來流在其周圍的速度分布明顯，障后形成的減速區(qū)較為均勻且沒有渦流區(qū)的出現(xiàn)；蘆葦沙障的透隙率為36.5%，蘆葦沙障對來流的削弱影響區(qū)主要在分布障前3.5H和障后17H水平距離范圍內(nèi)，對來流的平均削弱程度為29.7%，最大值為48%，對蘆葦沙障風沙兩相流的計算結(jié)果分析可知，當風速大于起沙風速后，沙顆粒主要分布在蘆葦沙障前0.2H范圍內(nèi)，風沙流經(jīng)過沙障后沙通量急劇降低。

圖7 不同風速(V)時沙障前后減速區(qū)范圍內(nèi)沙粒質(zhì)量流率變化特征

以上研究結(jié)果表明，高立式蘆葦沙障對障前3.5H和障后17H范圍有較好遮蔽效果，可可為多道高立式蘆葦沙障的合理布置間距提供參考，此外，高立式蘆葦沙障具有類似網(wǎng)式沙障的優(yōu)良控沙特征，也可為該型沙障在庫格鐵路沿線的推廣使用提供理論依據(jù)。