祁延錄

南疆戈壁區(qū)機(jī)械防沙措施阻沙效益的風(fēng)洞測(cè)試研究

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(新疆鐵道勘察設(shè)計(jì)院有限公司，新疆 烏魯木齊市 830011)

為探討機(jī)械防沙措施對(duì)風(fēng)沙流的流場(chǎng)和風(fēng)速消減效果的影響規(guī)律，基于試驗(yàn)?zāi)M的方法，依托格庫(kù)鐵路風(fēng)沙防護(hù)工程，開(kāi)展針對(duì)不同的機(jī)械防沙屏障材料的風(fēng)洞模型試驗(yàn)。在此基礎(chǔ)上探討風(fēng)沙流在不同類型阻沙措施下的流場(chǎng)分布情況，分析防沙措施的流場(chǎng)消減效果和阻沙效果。研究結(jié)果表明：風(fēng)沙流經(jīng)過(guò)不同類型阻沙措施后，流場(chǎng)會(huì)在沙障前后出現(xiàn)明顯的差異，尤其是在障后0～15范圍內(nèi)，風(fēng)速值差異巨大。蘆葦束沙障和HDPE板沙障流場(chǎng)分布情況較為類似，其風(fēng)速消減幅度最大；米字型板和HDPE網(wǎng)沙障風(fēng)速消減效果居中；棋盤式沙障風(fēng)力消減效果相對(duì)最小。沙障的阻沙效果是多因素綜合作用下的結(jié)果，風(fēng)速的大小和沙障的阻沙效果呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)變化，風(fēng)速越高，阻沙效率越差。研究結(jié)果可為格庫(kù)鐵路新疆段沙害防治提供科學(xué)依據(jù)。

戈壁區(qū)；機(jī)械防沙；風(fēng)洞模型試驗(yàn)；防護(hù)效益

20世紀(jì)50年代以來(lái)，隨著沙漠地區(qū)開(kāi)發(fā)建設(shè)，我國(guó)鐵路交通得到了迅速發(fā)展。風(fēng)沙危害一直是風(fēng)沙區(qū)鐵路運(yùn)營(yíng)的主要危害。人類在防沙治沙的工程實(shí)踐中，形成了四大工程技術(shù)措施：固沙措施、阻沙措施、輸沙措施和導(dǎo)沙措施，總結(jié)出干旱、半干旱地區(qū)以固為主，固阻結(jié)合的工程和植物防沙相結(jié)合的鐵路綜合防沙治沙體系[1]。其中，機(jī)械防沙措施自身具有的價(jià)格低廉，施工速度快，見(jiàn)效快的優(yōu)點(diǎn)，在多年的沙漠化治理的生產(chǎn)實(shí)踐表明，機(jī)械沙障的鋪設(shè)作為嚴(yán)重沙害區(qū)的主要防沙措施和固沙造林的先行措施不僅能夠控制流沙，并且對(duì)后續(xù)植被恢復(fù)具有積極作用[2]。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)機(jī)械防沙措施進(jìn)行了大量的研究，取得了許多研究成果[3?9]。早期傳統(tǒng)的機(jī)械沙障大多采用生物秸稈來(lái)建設(shè)，但是存在原材料有限，易腐爛，使用壽命短的缺點(diǎn)[10?12]。后期，治沙工作者開(kāi)始引用工業(yè)化生產(chǎn)材料，如纖維沙袋、尼龍網(wǎng)和塑料網(wǎng)等作為機(jī)械沙障材料，生產(chǎn)效率高，鋪設(shè)速度快[13]。近年來(lái)，在國(guó)內(nèi)外鐵路治沙防沙工作中廣泛使用的高密度聚乙烯(HDPE)材料主要針對(duì)現(xiàn)有防沙材料的不足，在抗老化和耐久性方面有了大幅度的提升[14?17]。格庫(kù)鐵路是出疆新的鐵路通道，也是南疆環(huán)線的重要組成部分，是完善路網(wǎng)結(jié)構(gòu)，新疆“四縱四橫”鐵路主骨架之一。格庫(kù)鐵路新疆段線路全長(zhǎng)708 km，該線段風(fēng)沙普遍，起沙風(fēng)速小，風(fēng)力強(qiáng)勁，最大風(fēng)速為41 m/s，風(fēng)沙對(duì)本線的運(yùn)營(yíng)會(huì)造成極大危害[18?19]。其中風(fēng)沙段累計(jì)401 km，占線路全長(zhǎng)的56.6%。鑒于此，本研究依托格庫(kù)鐵路風(fēng)沙防護(hù)工程，開(kāi)展針對(duì)不同的機(jī)械防沙屏障材料的風(fēng)洞模型試驗(yàn)，分析幾種典型的機(jī)械防沙措施的防護(hù)效果，從而為后期風(fēng)沙防護(hù)工程設(shè)計(jì)和施工提供借鑒和參考。

1 試驗(yàn)設(shè)備與方案

1.1 風(fēng)洞

依據(jù)試驗(yàn)內(nèi)容的不同，選用了3個(gè)不同地點(diǎn)的風(fēng)洞進(jìn)行試驗(yàn)，依次為：1) 中國(guó)科學(xué)院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所敦煌戈壁荒漠研究站野外風(fēng)沙環(huán)境風(fēng)洞(圖1, 2)，本風(fēng)洞為直流閉口吹氣式風(fēng)洞，風(fēng)洞洞體長(zhǎng)11.4 m，試驗(yàn)段長(zhǎng)6 m，截面積0.6 m×0.6 m，風(fēng)速范圍0～16 m/s，洞體對(duì)進(jìn)出的氣流無(wú)阻滯，且不易受外界的干擾，風(fēng)洞電動(dòng)控制系統(tǒng)具有自動(dòng)穩(wěn)速壓、無(wú)級(jí)調(diào)速的性能，整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程基本實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化操作。2) 中國(guó)科學(xué)院沙漠與沙漠化重點(diǎn)試驗(yàn)室風(fēng)洞，本風(fēng)洞為直流閉口吹氣式風(fēng)洞，試驗(yàn)段長(zhǎng)16.23 m，截面積0.6 m×1.0 m，由動(dòng)力段、整流段、試驗(yàn)段和擴(kuò)散段4部分組成，風(fēng)速范圍0～40 m/s，試驗(yàn)段邊界層厚度可達(dá)15 cm，洞體對(duì)進(jìn)出的氣流無(wú)阻滯，且不受外界的干擾，風(fēng)洞電動(dòng)控制系統(tǒng)具有自動(dòng)穩(wěn)速壓、無(wú)級(jí)調(diào)速和計(jì)算機(jī)統(tǒng)一監(jiān)控性能，整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程基本實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化操作。3) 中南大學(xué)高速列車中心環(huán)境風(fēng)洞，洞體尺度為1 m×0.8 m，試驗(yàn)段長(zhǎng)度為3.4 m，采用直流下吹模式，風(fēng)速5～ 50 m/s。

圖1 野外風(fēng)洞流場(chǎng)試驗(yàn)儀器

圖2 野外風(fēng)洞輸沙率測(cè)定現(xiàn)場(chǎng)

1.2 測(cè)試儀器

在測(cè)試手段方面，主要采用了風(fēng)速廓線儀和臺(tái)階式集沙儀來(lái)分別測(cè)定流場(chǎng)和風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)特征。流場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)采用計(jì)算機(jī)自動(dòng)采集、存貯和處理；集沙儀收集的沙粒采用人工取樣稱量的方法來(lái)測(cè)定，電子天平精度為0.01。

1.2.1 風(fēng)速廓線儀

風(fēng)速廓線儀是風(fēng)洞試驗(yàn)專用的一種測(cè)量垂直分布?xì)饬魉俣鹊膬x器(圖3)。它是由10個(gè)探頭、橢球頭、橫豎總壓管及靜壓管組成?？倝汗芘c靜壓管形成2個(gè)同心圓管，并固接在接口處?？倝汗苡L(fēng)面有開(kāi)口，靜壓管距它水平末端若干距離處有一些孔穿過(guò)它的管壁，兩管間的環(huán)形空隙在面向風(fēng)的前端是封閉的，數(shù)個(gè)探頭各有不同的高度，并與總壓管、靜壓管按序排列裝入保護(hù)箱中。風(fēng)洞試驗(yàn)時(shí)通過(guò)測(cè)量總壓管內(nèi)的壓力值與靜壓管中的壓力值之差，利用微壓差計(jì)測(cè)量風(fēng)速流場(chǎng)壓差大小，最后通過(guò)數(shù)據(jù)采集計(jì)算機(jī)可以得出垂直高度分別為0.4，0.6，1.2，2.0，4.0，8.0，12.0，16.0，20.0和24.0 cm的速度值。風(fēng)速廓線儀呈扁平式，不會(huì)對(duì)流場(chǎng)數(shù)據(jù)造成影響。

圖3 風(fēng)速廓線儀

1.2.2 臺(tái)階式集沙儀

臺(tái)階式集沙儀是風(fēng)洞專用測(cè)量輸沙率的儀器(如圖4)。集沙儀有10個(gè)尺寸為2 cm×2 cm的入口，從地面到20 cm高呈臺(tái)階式垂直分布。集沙儀內(nèi)置10個(gè)集沙筒分別連接10個(gè)入口。為了保證測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，在風(fēng)速調(diào)節(jié)未達(dá)到試驗(yàn)風(fēng)速前，集沙儀入口需要被擋上，達(dá)到試驗(yàn)風(fēng)速開(kāi)始計(jì)時(shí)，挪開(kāi)擋板，計(jì)時(shí)結(jié)束時(shí)再次擋上集沙儀。最后，用0.01高精度天平稱量不同高度的集沙量從而得出風(fēng)沙流的輸沙情況。

圖4 臺(tái)階式集沙儀

1.3 試驗(yàn)方案

本文對(duì)不同機(jī)械防沙材料如蘆葦束、HDPE板、米字型板和鐵絲網(wǎng)等開(kāi)展防護(hù)效益風(fēng)洞試驗(yàn)。根據(jù)防護(hù)材料實(shí)際尺寸和結(jié)構(gòu)，進(jìn)行等比例縮尺，建立風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)Ｐ?。其中，蘆葦束直徑為5 cm，通過(guò)調(diào)節(jié)束間距來(lái)控制透隙率；HDPE板厚度3 mm，長(zhǎng)方形孔，通過(guò)沖孔密度控制孔隙度，兼具柔性和抗風(fēng)性，現(xiàn)場(chǎng)安裝簡(jiǎn)易，便于施工；米字型板為三角形沖孔，同樣可通過(guò)沖孔控制透隙率，兼具柔性和抗風(fēng)性，現(xiàn)場(chǎng)安裝簡(jiǎn)易，便于施工；鐵絲網(wǎng)為鍍鋅鋼絲，具有抗腐蝕性能，可通過(guò)不同網(wǎng)孔控制孔隙度。

在凈風(fēng)和供沙條件下，測(cè)試不同防沙材料的防風(fēng)阻沙效應(yīng)，界定最優(yōu)孔隙度、間距等防護(hù)參數(shù)。其中，預(yù)設(shè)模型高度為15 cm，間距為10，15和20(為沙障模型高度)，試驗(yàn)風(fēng)速為8，12和16 m/s。凈風(fēng)條件下，利用風(fēng)速廓線儀測(cè)量不同測(cè)點(diǎn)風(fēng)速廓線，通過(guò)移動(dòng)模型或風(fēng)速廓線儀實(shí)現(xiàn)不同測(cè)點(diǎn)風(fēng)速廓線測(cè)量，供沙條件下，利用集沙儀，在障后10處收集風(fēng)沙流輸沙量，與對(duì)照組進(jìn)行對(duì)比，評(píng)價(jià)不同機(jī)械防沙材料的阻沙效率，其中供沙沙床為人工混合石英砂。通過(guò)對(duì)比不同材料的防護(hù)效益的對(duì)比分析，界定不同材料的防護(hù)效益的優(yōu)劣，篩選最優(yōu)機(jī)械防護(hù)材料，并確定最優(yōu)防護(hù)參數(shù)。圖5為風(fēng)洞試驗(yàn)布置圖。

(a) 凈風(fēng)風(fēng)洞試驗(yàn)布置圖；(b) 供沙風(fēng)洞試驗(yàn)布置圖

1.3.1 不同類型沙障前后流場(chǎng)分布情況測(cè)試

在3種來(lái)流風(fēng)速下，測(cè)定不同類型阻沙措施(米字形阻沙板、浸塑鐵絲網(wǎng)、蘆葦束式沙障、門簾式沙障、HDPE板沙障、棋盤式沙障)在3種來(lái)流風(fēng)速條件下，沙障前后不同位置處風(fēng)流場(chǎng)的梯度分布 情況。

流場(chǎng)的測(cè)試斷面位置為：沙障模型前，3，5；模型后：0.5，1，3，5，7.5，10，15，20和25(為沙障模型的高度)。

1.3.2 不同類型沙障的阻沙效果分析

按照試驗(yàn)段的設(shè)計(jì)，測(cè)定在12 m/s和16 m/s來(lái)流風(fēng)速條件下，不同類型阻沙措施(米字形阻沙板、蘆葦束式沙障、HDPE板沙障、棋盤式沙障)前后大風(fēng)攜沙量的梯度變化情況和積沙形態(tài)特征。

流場(chǎng)的測(cè)試點(diǎn)位為：?jiǎn)闻派痴希荷痴锨?，沙障后7.5；雙排沙障：前沿沙障前4，第2道沙障后7.5。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)Ｐ统醪娇紤]按實(shí)際比例的1:10制作，沙障高度為20 cm(棋盤式沙障為15 cm)，流場(chǎng)測(cè)試風(fēng)速為8，12和16 m/s，斷面流場(chǎng)測(cè)試高度依次為0.4，0.6，1.2，2，4，8，12，16和20 cm。

2.1 沙障風(fēng)沙防護(hù)效果分析

本次風(fēng)洞試驗(yàn)共測(cè)試了米字形阻沙板、蘆葦束式沙障、HDPE板沙障、HDPE網(wǎng)沙障、棋盤式沙障5種機(jī)械沙障的風(fēng)沙防護(hù)性能，本文限于篇幅，只給出HDPE板沙障、米字形阻沙板、蘆葦束式沙障下的流場(chǎng)消減效果和阻沙效果分析。

2.1.1 HDPE板沙障風(fēng)沙防護(hù)效果分析

1) 流場(chǎng)消減效果分析

圖6為3種不同來(lái)流風(fēng)速下的HDPE板沙障前后流場(chǎng)分布情況，圖中水平坐標(biāo)0 dm 處為沙障所在位置，負(fù)值表示沙障前，正值表示沙障后，風(fēng)向?yàn)閺淖笙蛴摇膱D6可以看出，受到沙障的影響，氣流速度在沙障前后出現(xiàn)明顯波動(dòng)。分析圖中不同水平位置風(fēng)速的變化情況可得，當(dāng)氣流靠近沙障時(shí)，在障前隨著過(guò)境氣流與沙障水平距離的減小，風(fēng)速顯現(xiàn)出了緩慢變化的趨勢(shì)，風(fēng)速一直到沙障附近時(shí)，才出現(xiàn)明顯的降低，且降低幅度也沒(méi)有背風(fēng)側(cè)顯著，說(shuō)明障前氣流受沙障自身影響較小，氣流在靠近沙障過(guò)程中，速度降低的幅度較為平緩，風(fēng)速在障前1處才呈現(xiàn)明顯的降低；而在障后低速區(qū)的范圍則為0～20，風(fēng)速明顯降低。

對(duì)比3種不同風(fēng)速下的流場(chǎng)變化情況，還可以看出，隨著來(lái)流風(fēng)速的增大，障后絕對(duì)低速區(qū)的范圍呈現(xiàn)縮小的變化趨勢(shì)，說(shuō)明沙障的消減風(fēng)能效果具有一定的限值，在小風(fēng)速情況下，效果較優(yōu)，防護(hù)范圍也較廣；隨著風(fēng)速的加大，防護(hù)效果呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)。

2) 阻沙效果分析

圖7為野外風(fēng)洞中不同來(lái)流風(fēng)速下HDPE板沙障的阻沙率分布圖。從圖7可以看出，HDPE板沙障起到了較好的風(fēng)沙流凈化效果。12 m/s攜沙風(fēng)速下，沙障高度范圍內(nèi)的總阻沙率可達(dá)到71.13%；在16 m/s攜沙風(fēng)速下，總阻沙率依然可達(dá)70.31%。分析不同高度處阻沙率的分布情況可以看出，在沙障高度范圍內(nèi)，阻沙率呈現(xiàn)一定的正態(tài)分布，阻沙率在8～10 cm范圍內(nèi)達(dá)到了最大值，阻沙率在地表和沙障頂部則明顯變小。說(shuō)明在風(fēng)洞中，受試驗(yàn)條件和邊界效應(yīng)影響，風(fēng)沙流中的沙物質(zhì)在試驗(yàn)區(qū)大多都以躍移形式運(yùn)動(dòng)，在8～10 cm高度區(qū)間內(nèi)呈現(xiàn)集中分布區(qū)，致使阻沙率隨高度呈現(xiàn)一定的正態(tài)分布；而在18～20 cm處，由于受沙障壓縮氣流影響，在沙障頂部出現(xiàn)一個(gè)明顯的加速區(qū)，致使此處障后的風(fēng)速有所增大，風(fēng)沙流中攜帶的沙物質(zhì)出現(xiàn)調(diào)整，呈現(xiàn)了少量的增加，故而出現(xiàn)障后沙物質(zhì)多于障前沙物質(zhì)的現(xiàn)象。

(a) 來(lái)流風(fēng)速8.0 m/s；(b) 來(lái)流風(fēng)速12.0 m/s；(c) 來(lái)流風(fēng)速16.0 m/s

圖7 HDPE板沙障不同高度的阻沙率

2.1.2 米字型板沙障風(fēng)沙防護(hù)效果分析

1) 流場(chǎng)消減效果分析

圖8為3種不同來(lái)流風(fēng)速下的米字型板沙障前后流場(chǎng)分布情況。從圖8可以看出，氣流在前進(jìn)過(guò)程中受米字型板沙障影響，會(huì)在沙障前后出現(xiàn)明顯的速度突變；尤其是在沙障后，出現(xiàn)明顯的低速擾動(dòng)區(qū)，氣流運(yùn)動(dòng)速度明顯低于來(lái)流風(fēng)速。分析圖中不同水平位置風(fēng)速的變化情況可得，與HDPE板沙障相比，米字型沙障風(fēng)速的集中變化擾動(dòng)區(qū)有所后移，低速區(qū)主要集中在障后0.5～20范圍內(nèi)。對(duì)比同風(fēng)速下的HDPE板沙障，發(fā)現(xiàn)米字型板沙障的風(fēng)力消減效果要弱于HDPE板沙障，其絕對(duì)低速區(qū)主要分布在沙障10處，說(shuō)明米字型沙障對(duì)氣流的擾動(dòng)效果很強(qiáng)烈，氣流經(jīng)過(guò)米字型沙障后，流線會(huì)出現(xiàn)交叉疊加，故而絕對(duì)低速區(qū)有所偏移。

(a) 來(lái)流風(fēng)速8.0 m/s；(b) 來(lái)流風(fēng)速12.0 m/s；(c) 來(lái)流風(fēng)速16.0 m/s

2) 阻沙效果分析

圖9為2種不同來(lái)流風(fēng)速下米字型板沙障的阻沙率分布圖。從圖9可以看出，米字型板沙障起到一定的風(fēng)沙流凈化效果。12 m/s攜沙風(fēng)速下，沙障高度范圍內(nèi)的總阻沙率約為38.4%；在16 m/s攜沙風(fēng)速下，總阻沙率可達(dá)30.5%。從不同高度處阻沙率的分布可以看出，阻沙率在沙障高度范圍內(nèi)呈現(xiàn)一定的正態(tài)分布，在12 m/s來(lái)流風(fēng)速作用下，阻沙率的最大值出現(xiàn)在12～14 cm范圍內(nèi)；在16 m/s來(lái)流風(fēng)速作用下，阻沙率的最大值出現(xiàn)在10～12 cm區(qū)間。對(duì)比2個(gè)風(fēng)速下的阻沙率，發(fā)現(xiàn)在低風(fēng)速條件下，阻沙率的梯度變化差異不大，在20 cm高度范圍內(nèi)，阻沙率基本都趨于一致；而在16 m/s的風(fēng)速作用下，阻沙率出現(xiàn)了明顯的波動(dòng)，尤其是在風(fēng)洞底部，背風(fēng)側(cè)近地表的沙物質(zhì)含量有所增大，出現(xiàn)了輸沙率的負(fù)值。

圖9 米字型板沙障不同高度的阻沙率

2.1.3 蘆葦束沙障風(fēng)沙防護(hù)效果分析

1) 流場(chǎng)消減效果分析

圖10為3種不同來(lái)流風(fēng)速下的蘆葦束沙障前后流場(chǎng)分布情況，從圖10可以看出，與其他類型沙障類似，氣流在經(jīng)過(guò)阻沙措施時(shí)，前后也出現(xiàn)了明顯的流場(chǎng)變化，尤其是在5～15 cm高的沙障處，出現(xiàn)了明顯的低速區(qū)。分析圖中的數(shù)據(jù)還可以看出，在蘆葦束沙障后0.5～10處，流場(chǎng)整體呈現(xiàn)低風(fēng)速的變化趨勢(shì)，不同來(lái)流下的風(fēng)速降低幅度都較大，尤其是在5～10區(qū)間，為絕對(duì)低速區(qū)。對(duì)比3種不同風(fēng)速下的流場(chǎng)變化圖，還可以看出：在沙障所在位置及沙障前后近距離范圍內(nèi)，流線擾動(dòng)十分劇烈；隨著水平距離的進(jìn)一步增大，流線分布趨于平穩(wěn)，呈現(xiàn)明顯的標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)速廓線特征。

(a) 來(lái)流風(fēng)速8.0 m/s；(b) 來(lái)流風(fēng)速12.0 m/s；(c)來(lái)流風(fēng)速16.0 m/s

2) 風(fēng)沙防護(hù)效益效果

圖11為2種不同來(lái)流風(fēng)速下蘆葦束沙障的阻沙率垂直分布圖，從圖11可以看出，蘆葦束沙障起到了較好的風(fēng)沙流凈化效果。12 m/s攜沙風(fēng)速下，沙障高度范圍內(nèi)的總阻沙率約為84%；在16 m/s攜沙風(fēng)速下，總阻沙率可達(dá)60.9%。在12 m/s來(lái)流風(fēng)速作用下，0～12 cm高度的阻沙率基本都超過(guò)80%以上，當(dāng)高度超過(guò)12 cm后，阻沙率逐漸降低，在15～20 cm處，低至38%左右。在16 m/s來(lái)流風(fēng)速作用下，阻沙率呈現(xiàn)明顯的中間大，兩邊小的變化趨勢(shì)，最大值出現(xiàn)在8～10 cm處，最小值出現(xiàn)在18～20 cm處。

圖11 蘆葦把沙障不同高度的阻沙率

2.2 工程阻沙措施風(fēng)力消減效果評(píng)價(jià)

圖12為不同類型阻沙措施流場(chǎng)分布圖(注：0為阻沙措施所在位置，攜沙氣流從左向右，測(cè)試高度為8 cm)。從圖12可以看出，在擋沙墻前風(fēng)速變化幅度較小，氣流整體較為平穩(wěn)；當(dāng)氣流經(jīng)過(guò)擋沙墻后，在擋沙墻背風(fēng)側(cè)達(dá)到最小值，之后隨著氣流的進(jìn)一步前移，風(fēng)速逐漸恢復(fù)，最終達(dá)到來(lái)流風(fēng)速的大小。分析圖中的數(shù)據(jù)，可以看出：不同類型擋沙墻前后流場(chǎng)變化存在一定的差異，尤其是在障后0～15范圍內(nèi)，風(fēng)速變化差異較大。其中蘆葦束沙障和HDPE板沙障流場(chǎng)分布十分相似，其風(fēng)速下降幅度也是最大；米字板和HDPE網(wǎng)沙障流場(chǎng)分布也較為類似，其風(fēng)速下降幅度居中；棋盤式沙障風(fēng)力消減效果最差。以沙障所在中間位置風(fēng)速為例，比對(duì)5種不同類型沙障，發(fā)現(xiàn)在障后0～15范圍內(nèi)，HDPE板沙障的風(fēng)力衰減值為40%～100%，隨著水平距離的進(jìn)一步增加，15～25障后風(fēng)速逐漸開(kāi)始恢復(fù)，到25恢復(fù)至來(lái)流風(fēng)速的83%～86%；蘆葦束沙障的風(fēng)力衰減值為39.6%～100%，隨著水平距離的進(jìn)一步增加，15～25障后風(fēng)速逐漸開(kāi)始恢復(fù)，至25恢復(fù)至來(lái)流風(fēng)速的82%～87%；HDPE網(wǎng)沙障和米字型沙障的風(fēng)力衰減值則相對(duì)較弱，分別為28%～41%和37%～49%，其25處風(fēng)速的恢復(fù)能力與前述沙障類似，依次為來(lái)流風(fēng)速的75%～83%和75%～80%；棋盤式沙障的風(fēng)力衰減效果最弱，只有13%～30%，至25處可恢復(fù)至來(lái)流風(fēng)速的93%左右，風(fēng)力消減效果較差。對(duì)比3種不同來(lái)流風(fēng)速下的沙障風(fēng)力消減效果，發(fā)現(xiàn)在一定范圍內(nèi)，沙障對(duì)風(fēng)速的消減比例差異不大，受來(lái)流風(fēng)速的大小影響較小。總之，從流場(chǎng)分布來(lái)看，HDPE板和蘆葦束阻沙沙障具有較好的防護(hù)效應(yīng)，HDPE網(wǎng)和米字形阻沙沙障次之，棋盤式阻沙沙障防護(hù)效應(yīng)最差。

(a) 8 m/s來(lái)流風(fēng)速；(b) 12 m/s來(lái)流風(fēng)速；(c) 16 m/s來(lái)流風(fēng)速

2.3 工程阻沙措施阻沙效率評(píng)價(jià)

阻沙效率是指攜沙氣流經(jīng)過(guò)阻沙措施后，前后攜沙量的消減率，它能表征風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度和沙障阻沙效率的大小。表1為風(fēng)洞試驗(yàn)測(cè)定的不同類型阻沙措施的阻沙效率統(tǒng)計(jì)表，從中可以看出：風(fēng)速的大小和沙障的阻沙效果息息相關(guān)，二者整體呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)的變化；隨著風(fēng)速的增大，沙障的阻沙效果基本都呈現(xiàn)下降的變化趨勢(shì)，風(fēng)速越高，阻沙效率越低。對(duì)比不同類型高立式沙障的阻沙效率，發(fā)現(xiàn)阻沙效率與風(fēng)力消減效果基本一致，HDPE板沙障、蘆葦束沙障、沖孔網(wǎng)板和鍍鋅鐵絲網(wǎng)沙障的阻沙效果較好，整體都在60%以上。在12 m/s的風(fēng)速條件下，其沙障高度以內(nèi)的累計(jì)阻沙率可以達(dá)到71.13%，83.99%，70.1%和78.52%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他類型的沙障；當(dāng)來(lái)流風(fēng)速為16 m/s時(shí)，其沙障高度以內(nèi)的累計(jì)阻沙率依然可以達(dá)到70.31%，60.9%，81.45%和76.19%。米字型板沙障和門簾式擋沙墻的阻沙效率次之，其阻沙率分別為30.57%～38.33%和23.27%～29.75%；棋盤式沙障阻沙率最差，12 m/s來(lái)流風(fēng)速下的阻沙率為14.22%，16 m/s來(lái)流風(fēng)速下的阻沙率為31.9%。

表1 不同類型風(fēng)沙防護(hù)措施阻沙率統(tǒng)計(jì)

3 結(jié)論

1) 風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果表明：風(fēng)沙流經(jīng)過(guò)不同類型阻沙措施后，流場(chǎng)會(huì)在沙障前后出現(xiàn)明顯的差異，尤其是在障后0～15范圍內(nèi)，風(fēng)速值差異巨大。蘆葦束沙障和HDPE板沙障流場(chǎng)分布情況較為類似，其風(fēng)速消減幅度最大；米字型板和HDPE網(wǎng)沙障風(fēng)速消減效果居中；棋盤式沙障風(fēng)力消減效果相對(duì)最小。

2) 沙障的阻沙效果是多因素綜合作用下的結(jié)果，風(fēng)速的大小和沙障的阻沙效果呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)變化，風(fēng)速越高，阻沙效率越差。

3) 在12 m/s的攜沙氣流作用下，HDPE板、蘆葦束、沖孔網(wǎng)板和鍍鋅鐵絲網(wǎng)沙障自身高度以內(nèi)的累計(jì)阻沙率分別為71.13%，83.99%，70.1%和78.52%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他類型的沙障；當(dāng)攜沙氣流風(fēng)速上升至16 m/s時(shí)，其沙障高度以內(nèi)的累計(jì)阻沙率依然可以達(dá)到70.31%，60.9%，81.45%和76.19%，阻沙效果較優(yōu)。

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Protection benefits of mechanical sand control measures in Gobi district, southern Xinjiang

QI Yanlu

(Xinjiang Railway Survey and Design Institute Co., Ltd., Urumqi 830011, China)

In order to explore the influence law of mechanical sand control measures on the flow field and wind speed reduction effect of wind sand flow, based on the method of test simulation and relying on the wind and sand protection project of Geku Railway, wind tunnel model tests for different mechanical sand control barrier materials were carried out. On this basis, the distribution of the flow field of the wind sand flow under different types of sand prevention measures was discussed, and the flow field reduction effect and sand prevention effect of the sand prevention measures were analyzed. The results show that after aeolian sand flow through different types of sand control measures, the flow field will have significant differences before and after the sand barrier, especially in the range of 0 to 15afterthe obstacle, the wind speed varies greatly. The reed sand barrier and HDPE board sand barrier flow field distribution is similar, the wind speed reduction is the largest; the m-shaped plate and HDPE net sand barrier wind speed reduction effect is centered; the checkerboard sand barrier wind reduction effect is relatively small. The sand blocking effect of the sand barrier is the result of a combination of multiple factors. The magnitude of the wind speed and the sand blocking effect of the sand barrier show a negative correlation. The higher the wind speed, the worse the sand blocking efficiency. The research results can provide a scientific basis for the prevention of sand damage in Xinjiang section of the Geku Railway.

Gobi area; mechanical sand prevention; wind tunnel model test; protection benefit

10.19713/j.cnki.43?1423/u.T20200517

TU431

A

1672 ? 7029(2021)04 ? 0892 ? 09

2020?06?10

中國(guó)鐵路烏魯木齊局集團(tuán)有限公司科技研究開(kāi)發(fā)計(jì)劃課題資助項(xiàng)目(WLMQ-KGHZGS-HRTL-GGB-2020-0032)

祁延錄(1976?)，男，青海樂(lè)都人，高級(jí)工程師，從事鐵路、公路路基設(shè)計(jì)及防護(hù)研究；E?mail：82588674@qq.com

(編輯 涂鵬)