張 凱，楊子江，王起才，郝藝翔，何孟凱

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

新建格庫鐵路(格爾木至庫爾勒)主要位于柴達(dá)木盆地和塔里木兩盆地，該地氣候干燥、風(fēng)大且頻率高，地形開闊、沙源豐富，因而全線風(fēng)積沙、戈壁風(fēng)沙流非常普遍。由于該鐵路多跨越荒漠地區(qū)(圖1)，經(jīng)常會受到風(fēng)沙災(zāi)害的困擾(圖2)，為保證鐵路的安全運營，需要在風(fēng)沙嚴(yán)重地段進(jìn)行風(fēng)沙防護(hù)。由于格庫鐵路青海段處于高海拔地區(qū)，紫外線輻射強(qiáng)度高且鹽漬土分布廣泛，導(dǎo)致當(dāng)?shù)氐膫鹘y(tǒng)阻沙材料(麥草、蘆葦?shù)?緊缺，而且材料的穩(wěn)定性和耐久性也較差[1]，PE網(wǎng)的抗紫外線和抗老化性較弱，鐵絲網(wǎng)等一些金屬材料抗腐蝕性較弱。在這種情況下，一些新的人工材料應(yīng)運而生，其中HDPE(High Density Polyethylene)板是新型阻沙材料之一，它具有抗紫外線性能強(qiáng)、化學(xué)穩(wěn)定性好、耐老化等特點，因此，HDPE板可作為高海拔鐵路的阻沙材料。

決定阻沙沙障效果的主要結(jié)構(gòu)特征為孔隙率[2-3]。阻沙沙障是在沙障后一定距離范圍內(nèi)降低風(fēng)速，風(fēng)速減小量與孔隙率密切相關(guān)，孔隙率越低，風(fēng)速減少量越大[4]。但是，孔隙率低的沙障會產(chǎn)生較大的渦流，使得風(fēng)速在渦流后會很快恢復(fù)到原始風(fēng)速，從而減小沙障的遮蔽距離。因此，在沙障的幾何設(shè)計、高度、長度、厚度、開口尺寸以及幾何形狀等其他條件相同的情況下，存在1個最優(yōu)孔隙率，在降低風(fēng)速與遮蔽距離之間起到1個平衡作用。近些年來，國內(nèi)外學(xué)者對高立式沙障的孔隙率已有大量研究[5-11]，研究結(jié)果表明，柵欄的最優(yōu)孔隙率范圍為20%～50%。凌裕泉等[12]通過在騰格里沙漠進(jìn)行現(xiàn)場試驗，發(fā)現(xiàn)孔隙率為30%～40%的柵欄能最有效地防止沙粒在其迎風(fēng)面上的堆積；Lee等[13]發(fā)現(xiàn)當(dāng)柵欄的孔隙率為30%～50%時，對降低柵欄后氣流的速度和表面壓力最為有效；Dong[14]在室內(nèi)風(fēng)洞試驗中使用粒子圖像測速儀對柵欄的平均速度場進(jìn)行了研究，認(rèn)為最優(yōu)孔隙率是氣流動力特性存在強(qiáng)烈差異時的臨界孔隙率，其值為20%或30%。Tsukahara等[15]使用激光可視化技術(shù)測量沙丘周圍的流場和沙丘的侵蝕，發(fā)現(xiàn)當(dāng)孔隙率為30%時，最能抑制風(fēng)蝕的發(fā)展。目前研究大多集中在高立式沙障室內(nèi)風(fēng)洞試驗和現(xiàn)場觀測的防風(fēng)效應(yīng)，受試驗儀器和客觀環(huán)境等因素的影響，具有較大的局限性，隨著計算機(jī)的發(fā)展，數(shù)值仿真逐步成為模擬現(xiàn)場試驗的必備工具。

圖1 格庫鐵路路基邊坡積沙

圖2 格庫鐵路道床遭受風(fēng)沙災(zāi)害

本文對不同孔隙率HDPE板沙障進(jìn)行數(shù)值模擬，得出了不同初始風(fēng)速下HDPE板沙障有效防護(hù)距離與孔隙率的關(guān)系曲線，并根據(jù)曲線特點，提出了有效防護(hù)距離的估算公式并通過現(xiàn)場試驗驗證該公式的合理性，為鐵路工程防沙體系的設(shè)計及完善提供參考。

1 模型建立

運用ANSYS FLUENT軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，具體數(shù)值模擬步驟為：采用二維模型進(jìn)行簡化計算，計算流域設(shè)定為120 m×20 m，HDPE板沙障距離風(fēng)速入口20 m，高度為1.5 m，選用Gambit前處理軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格類型選用Map，網(wǎng)格形式選用Quad。入口邊界條件定義為Velocity-inlet，出口邊界條件定義為Outflow，上邊界條件定義為Symmetry，下邊界條件定義為Wall，介質(zhì)類型定義為fluid。沙粒粒徑為0.1 mm，沙粒密度為2 650 kg·m-3，沙粒相體積分?jǐn)?shù)為1%，空氣密度為1.225 kg·m-3，黏度為1.789 4×10-5Pa·s，計算模型采用歐拉雙流體非定常模型，求解算法采用simplec算法，計算模型如圖3所示。入口速度分別為6，12，18，24，30和36 m·s-1。

圖3 計算模型示意圖

2 不同孔隙率HDPE板沙障流場

2.1 HDPE板周圍氣流分布特征

圖4為入口風(fēng)速為30 m·s-1(試驗段最大瞬時風(fēng)速為29.2 m·s-1)，孔隙率分別為10%，25%，40%和60%時，HDPE板高立式沙障周圍氣流分布云圖。當(dāng)氣流經(jīng)過HDPE板沙障周圍時，在沙障的阻礙作用下，首先在沙障迎風(fēng)側(cè)氣流減速形成氣流減速區(qū)A，之后氣流繼續(xù)前行，一部分氣流沿著HDPE板沙障爬升，形成氣流加速區(qū)B，氣流繼續(xù)不斷爬升及聚集，在HDPE板沙障后上方形成氣流高速區(qū)C，另外一部分氣流穿過HDPE板沙障孔隙，相對HDPE板沙障上方氣流速度較小，受高低壓差的作用，在HDPE板沙障背風(fēng)側(cè)形成氣流回流區(qū)D，在氣流回流區(qū)范圍內(nèi)還存在氣流速度突增區(qū)E，隨著氣流遠(yuǎn)離HDPE板沙障，沙障對氣流的阻礙影響作用逐漸減小，逐漸形成氣流消散恢復(fù)區(qū)F，如圖4(a)和(b)所示。圖4(a)和(b)不同點是，圖4(b)中HDPE板沙障的孔隙率大于圖4(a)，后者直接穿過沙障孔隙的氣流比前者更多，所形成的區(qū)域面積均會變小。由圖4(c)和(d)可以看出：孔隙率增大為40%時，氣流高速區(qū)面積和最大速度值仍在減小，孔隙率增大為60%時，速度突增區(qū)和回流區(qū)逐漸消失。

2.2 HDPE板周圍氣流水平速度變化特征

不同高度下HDPE板沙障周圍氣流水平速度分布圖如圖5所示。從圖5可以看出：隨著孔隙率的增大，氣流水平速度曲線整體上移。以離地面0.1 m處曲線為例，孔隙率分別為10%，25%，40%和60%時，最小速度分別為-9，-5.9，-1.3和8.9 m·s-1，說明最小速度隨著孔隙率的增大而增大，當(dāng)孔隙率在60%時，不會出現(xiàn)氣流回流區(qū)，主要原因是孔隙率較大，大部分氣流穿過沙障孔隙，小部分氣流遇阻向上，兩者形成的壓差較小，不足以產(chǎn)生回流區(qū)。

圖4 不同孔隙率HDPE板周圍氣流速度分布云圖

圖5 入口速度24 m·s-1時不同孔隙率下HDPE板周圍氣流水平速度分布

3 HDPE板沙障孔隙率與有效防護(hù)距離的關(guān)系

文獻(xiàn)[16]定義沙障對風(fēng)速的有效防護(hù)距離為沙障至沙障高度以下恢復(fù)到0.8倍入口風(fēng)速的距離，圖5中的虛線為入口風(fēng)速的0.8倍，通過風(fēng)速變化曲線可以得出，HDPE板沙障的有效防護(hù)距離與孔隙率、入口風(fēng)速密切相關(guān)，繪制不同入口風(fēng)速(6，12，18，24，30和36 m·s-1)下HDPE板沙障孔隙率分別為0，10%，25%，40%，50%，60%，70%，80%，90%和95%時有效防護(hù)距離與孔隙率的關(guān)系曲線，如圖6所示。

由圖6可見：不同風(fēng)速下，有效防護(hù)距離與孔隙率呈現(xiàn)的規(guī)律相類似，當(dāng)孔隙率小于50%時，有效防護(hù)距離與孔隙率呈一元二次函數(shù)分布，孔隙率大于50%時，有效防護(hù)距離與孔隙率呈指數(shù)函數(shù)分布，模型如圖7所示。利用最小二乘法對不同入口風(fēng)速下有效防護(hù)距離與孔隙率的關(guān)系進(jìn)行擬合，可用下式表示為

圖6 HDPE板有效防護(hù)距離與孔隙率的關(guān)系分布圖

(1)

式中：L為HDPE板沙障有效防護(hù)距離；α為HDPE板沙障的孔隙率，%；a，b，c，A，B，C為擬合系數(shù)。

圖7 HDPE板有效防護(hù)距離L與孔隙率α的關(guān)系模型圖

參數(shù)a，b，c，A，B，C的數(shù)值對于擬合式(1)是關(guān)鍵的一步，在擬合圖6中的各個點之間的關(guān)系時，發(fā)現(xiàn)6個參數(shù)隨著入口速度v的變化而不同，如圖8所示。圖8為各系數(shù)的擬合曲線與實驗數(shù)據(jù)的關(guān)系比較圖，從圖8可以看出，各系數(shù)隨著入口風(fēng)速的變化而變化，根據(jù)圖8的模擬試驗數(shù)據(jù)，可得出：

a=35.487-0.376 7v

b=17.933e-0.027v

c=12.17v0.322 9

(2)

A=5.609-0.000 2v+0.000 2v2

B=2.202 1+0.035 5v

C=-0.014 3v+0.001v2-2e-5v3-2.05

對于擬合系數(shù)a，b，c，A，B，C，相關(guān)系數(shù)R2在區(qū)間[0.983 5 -0.995 7]內(nèi)。本次試驗數(shù)據(jù)與沙的許多特性有關(guān)，如沙粒的粒徑、沙粒相體積分?jǐn)?shù)等，因此a，b，c，A，B，C擬合公式中的常數(shù)與模擬采用的數(shù)據(jù)有直接關(guān)系。將各參數(shù)帶入式(1)中，可得到有效防護(hù)距離L隨著入口風(fēng)速v和孔隙率α變化的經(jīng)驗公式，即

(3)

圖8 各參數(shù)與入口速度的擬合關(guān)系分布圖

4 試驗數(shù)據(jù)驗證

現(xiàn)場試驗段起止里程為DK384+990.93—DK386+680.00，全長為1 689.07 m，工點位于茫崖行委大烏斯一帶，其中DK386+000—DK386+680布設(shè)1.5 m高和50%孔隙率的HDPE板高立式沙障，長度約為700 m。在HDPE板沙障迎風(fēng)側(cè)和背風(fēng)側(cè)分別布設(shè)梯度式風(fēng)速儀(圖9)，可根據(jù)需要調(diào)節(jié)風(fēng)速儀高度，在此處將高度設(shè)置距地面高度0.1，0.3，1.0和1.5 m，測試結(jié)果如圖10所示。

圖9 梯度式風(fēng)速儀

圖10 不同風(fēng)速下HDPE板擋沙障的有效防護(hù)距離

由圖10可以看出，公式的擬合值與現(xiàn)場實測值基本相同，由于現(xiàn)場試驗過程中風(fēng)速在不斷變化，導(dǎo)致結(jié)果存在一些差異，但最大偏差僅為4.5 m，兩者具有較好的一致性，證明本文計算方法具有一定的正確性。

5 結(jié) 論

(1)風(fēng)沙流遇到沙障后，氣流發(fā)生突變，孔隙率為10%時，在HDPE板沙障周圍氣流分別形成減速區(qū)、加速區(qū)、高速區(qū)、回流區(qū)、速度突增區(qū)和消散恢復(fù)區(qū)。隨著孔隙率的增大，氣流高速區(qū)，速度突增區(qū)和回流區(qū)逐漸消失。

(2)孔隙率在60%時，不會出現(xiàn)低速回流區(qū)，主要原因是孔隙率較大，大部分氣流穿過沙障孔隙，小部分氣流遇阻向上，兩者形成的壓差較小，不足以產(chǎn)生回流區(qū)。

(3)HDPE板有效防護(hù)距離與孔隙率的關(guān)系模型為：當(dāng)孔隙率小于50%時，有效防護(hù)距離與孔隙率呈一元二次函數(shù)分布，孔隙率大于50%時，有效防護(hù)距離與孔隙率呈指數(shù)函數(shù)分布。結(jié)合現(xiàn)場試驗與所提公式對比，證明了計算公式有一定的準(zhǔn)確性，當(dāng)然也存在一定偏差。本文主要以均勻風(fēng)速進(jìn)行數(shù)值模擬，而現(xiàn)場風(fēng)速廓線在監(jiān)測過程中并不完全遵循均勻風(fēng)，因此在后續(xù)的工作中數(shù)值模擬要結(jié)合現(xiàn)場實際風(fēng)速廓線進(jìn)行。