孫婧 ，李家園，王海龍，劉宏波 ，劉暢

(1. 河北省土木工程診斷、改造與抗災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 張家口 075000；2. 河北建筑工程學(xué)院 土木工程學(xué)院，河北 張家口 075000；3. 石家莊鐵道大學(xué) 交通運(yùn)輸學(xué)院，河北 石家莊 050043)

新建地方鐵路魚(yú)卡(紅柳)至一里坪位于青海省海西州大柴旦行委，線路總長(zhǎng)為98 km，線路所經(jīng)早期湖積盆地和雅丹地貌區(qū)長(zhǎng)度為52 km，總體為開(kāi)闊的平原地貌(圖1)。氣象特征是冬長(zhǎng)夏短、降雨量微小、風(fēng)速大，極易發(fā)育風(fēng)沙流。風(fēng)沙暴來(lái)臨時(shí)對(duì)鐵路的安全運(yùn)營(yíng)造成嚴(yán)重威脅，其中水鴨子墩火車站附近風(fēng)沙災(zāi)害較為嚴(yán)重(圖2)，因此，必須在該鐵路段沿線設(shè)置行之有效的防風(fēng)固沙措施。風(fēng)沙災(zāi)害治理方法很多，比較成熟的方式有化學(xué)固沙、生物固沙和機(jī)械固沙，其中生物固沙效果最佳，但由于紅一線鐵路沿線地表土壤含鹽量高，植物種植受到約束，故生物固沙不易采用；化學(xué)固沙易造成環(huán)境污染且面積大不易實(shí)施，因此，采用機(jī)械固沙工程措施是該線路首選。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)多種結(jié)構(gòu)形式的機(jī)械沙障及其防風(fēng)固沙效果進(jìn)行了大量數(shù)值模擬、風(fēng)洞試驗(yàn)及野外試驗(yàn)研究，剖析了風(fēng)沙災(zāi)害防治機(jī)理[1-3]。例如，BO等[4]利用風(fēng)洞研究得出風(fēng)速和沙粒粒徑對(duì)沙粒下落速度分布規(guī)律無(wú)明顯影響；KIM等[5]考慮風(fēng)速和防風(fēng)柵欄高度、安裝間隔和層數(shù)等設(shè)計(jì)特性建立了CFD模型，定量評(píng)估了防風(fēng)柵欄降低風(fēng)速效果；席成等[6]通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)分析了高立式尼龍網(wǎng)周圍風(fēng)沙流特征，得出障后風(fēng)沙遮蔽效果與沙障高度、鋪設(shè)排數(shù)及鋪設(shè)間距之間的關(guān)系；程建軍等[7-9]通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和風(fēng)洞試驗(yàn)，對(duì)箱體式活動(dòng)沙障、導(dǎo)風(fēng)板、HDPE網(wǎng)板機(jī)械沙障周圍輸沙率、風(fēng)速廓線以及積沙效果等進(jìn)行了觀測(cè)。另外許多學(xué)者在多種形式沙障的聯(lián)合使用方面也進(jìn)行了研究，例如，富寶峰等[10-11]通過(guò)數(shù)值模擬研究了擋沙堤周圍的沙粒沉積特性規(guī)律，主要起到攔截大粒徑沙粒作用，在堤后增設(shè)截沙溝，來(lái)阻擋小粒徑沙粒向前輸運(yùn)，大幅度提高了沙粒攔截效率；張凱等[12]根據(jù)研究區(qū)域現(xiàn)場(chǎng)勘察結(jié)果，提出使用多道高立式沙障作為防沙手段，并利用數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)分析了沙障周圍風(fēng)沙流的運(yùn)動(dòng)變化規(guī)律，確定使用三道高立式沙障作為防風(fēng)阻沙措施；張圓等[13]通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)直立式-平鋪式組合沙障對(duì)土壤含水量、溫度的影響，得出此聯(lián)合沙障有較好蓄水保水作用。綜上所述，機(jī)械沙障的防風(fēng)固沙效果與其結(jié)構(gòu)形式、結(jié)構(gòu)參數(shù)密切相關(guān)；聯(lián)合機(jī)械沙障防風(fēng)固沙效果更好，治理效益較高，也是目前風(fēng)沙災(zāi)害治理的一種發(fā)展趨勢(shì)。紅一線部分路段目前采取的風(fēng)沙防治措施主要是PE網(wǎng)沙障，PE網(wǎng)對(duì)遏制風(fēng)沙災(zāi)害蔓延起到了不可或缺的作用。但由于沙漠生態(tài)條件脆弱，紫外線直射強(qiáng)烈，PE網(wǎng)易老化，部分?jǐn)嗔押蟊谎诼裨谏惩林胁灰谆厥?見(jiàn)圖3)，造成了環(huán)境污染，也降低了防風(fēng)沙效果。因此，本文擬采用耐久性優(yōu)良鋼制薄壁防風(fēng)沙網(wǎng)板[10]替代PE網(wǎng)用作高立式沙障在紅一線使用。但是由于研究區(qū)域風(fēng)沙發(fā)育頻繁，沙粒躍移高立式沙障后還會(huì)向前推進(jìn)[11-12]，固沙效率不高，因此設(shè)計(jì)在網(wǎng)板后再增設(shè)一道機(jī)械沙障。考慮到研究地區(qū)積沙資源豐富，在前期研究基礎(chǔ)上，以當(dāng)?shù)仫L(fēng)積沙為原料制備固沙磚，鋪設(shè)成方格形式作為低立式機(jī)械沙障[14]，與防風(fēng)沙網(wǎng)板組成聯(lián)合沙障，起到降低地表輸沙量、穩(wěn)定流沙表面作用。因此，本文在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研基礎(chǔ)上進(jìn)行數(shù)值模擬，對(duì)不同孔隙率防風(fēng)沙網(wǎng)板周圍風(fēng)沙流場(chǎng)進(jìn)行分析，結(jié)合沙粒起動(dòng)風(fēng)速，得到最佳孔隙率、確定防風(fēng)沙網(wǎng)板與固沙磚沙障鋪設(shè)間距；通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)驗(yàn)證數(shù)值模擬結(jié)果準(zhǔn)確性，進(jìn)一步通過(guò)試驗(yàn)確定板障之間最優(yōu)鋪設(shè)間距以及固沙磚排數(shù)；最終確定防風(fēng)沙網(wǎng)板-固沙磚方格聯(lián)合沙障結(jié)構(gòu)的參數(shù)，以期為新建地方鐵路防風(fēng)沙工程的設(shè)計(jì)提供理論支撐。

圖1 新建地方鐵路區(qū)域地貌Fig. 1 Landform of new local railway area

圖2 新建地方鐵路部分路段積沙Fig. 2 Sand accumulation in some sections of new local railway

圖3 部分鋪設(shè)PE網(wǎng)的路段Fig. 3 Sections partially paved with PE mesh

1 研究方法

1.1 現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研

在紅一線水鴨子墩火車站附近進(jìn)行沙粒取樣，通過(guò)手持式電子顯微鏡(Digital-Microscope)對(duì)沙粒形狀以及粒徑大小進(jìn)行分析。如圖4所示，該地區(qū)沙粒形狀主要呈現(xiàn)出橢圓形、圓形，還有部分半透明氯鹽顆粒。經(jīng)過(guò)篩分析試驗(yàn)得出(如圖5)，粒徑范圍在0.08～0.4 mm的沙粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)在89%左右，根據(jù)文獻(xiàn)[15]得出，此粒徑范圍沙粒對(duì)應(yīng)的最小起動(dòng)風(fēng)速為6.1 m/s。

圖4 沙粒細(xì)觀圖Fig. 4 Meso view of sand

圖5 沙粒篩分析曲線Fig. 5 Sand sieve analysis curve

在沙粒取樣區(qū)域，采用全自動(dòng)風(fēng)速風(fēng)向儀進(jìn)行風(fēng)速測(cè)試。風(fēng)速＞6.1 m/s時(shí)，風(fēng)沙流開(kāi)始發(fā)育；風(fēng)速達(dá)到10.9～17.0 m/s時(shí)，風(fēng)力較為強(qiáng)勁，風(fēng)吹沙粒迅速移動(dòng)；風(fēng)速＞17.1 m/s時(shí)，發(fā)生頻次較低，但風(fēng)力強(qiáng)勁，風(fēng)沙流對(duì)鐵路路基沙埋較為嚴(yán)重。2020年7月到2021年6月間，不同時(shí)間段風(fēng)速值的發(fā)生頻率如圖6所示，其中10月～次年5月份風(fēng)速值大于10.9 m/s的頻次較多，也是風(fēng)沙暴多發(fā)季節(jié)；年平均風(fēng)速為3.6 m/s，年大風(fēng)日(≥8級(jí)風(fēng)，即17.2～20.7 m/s)45 d；主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)槲鞅憋L(fēng)。

圖6 不同風(fēng)速值頻次統(tǒng)計(jì)Fig. 6 Frequency statistics of different wind speed values

1.2 數(shù)值模擬

運(yùn)用ANSYS-CFD建立二維平面模型。根據(jù)前期研究，鋼制防風(fēng)沙網(wǎng)板高度取1.8 m[16]；厚度取2 mm，剛度足用。計(jì)算域設(shè)置為50×20 m。為使氣流在計(jì)算域內(nèi)充分發(fā)展，將網(wǎng)板布置在距離風(fēng)速入口5 m的位置。對(duì)計(jì)算區(qū)域進(jìn)行非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，對(duì)防風(fēng)沙網(wǎng)板周圍以及壁面附近進(jìn)行網(wǎng)格局部加密，網(wǎng)格尺寸控制在0.01 m[12]。計(jì)算區(qū)域介質(zhì)類型為Fluid，風(fēng)沙流為不可壓縮流體，故左側(cè)邊界風(fēng)速入口設(shè)置為Velocity-inlet；模型中流體能夠自由發(fā)展，右側(cè)邊界風(fēng)速出口設(shè)置為Out-flow，上壁面設(shè)置為Symmetry，防風(fēng)沙網(wǎng)板與下壁面均設(shè)置為Wall，粗糙度yo為0.2(取沙粒平均直徑0.2 mm的數(shù)值)[17]。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)風(fēng)沙流發(fā)育情況，設(shè)定計(jì)算域內(nèi)入口風(fēng)速的速度梯度為12，15，18和20 m/s?？諝怵ざ葹棣?1.789×10-5Pa·s，空氣密度為ρ=1.225 kg/m3。計(jì)算域采用Reynolds-averaged Navier-Stokes，附加k-ε湍流方程，不考慮溫度、氣體可壓縮性及湍流方程對(duì)模型中計(jì)算域的影響，采用Simplec計(jì)算方法，步長(zhǎng)設(shè)為0.05 s，殘差控制在1.0×10-6，來(lái)保證結(jié)果收斂的正確性。

1.3 風(fēng)洞試驗(yàn)

1.3.1 風(fēng)沙風(fēng)洞試驗(yàn)室介紹

試驗(yàn)研究在中科院電工所直流式邊界層風(fēng)洞中進(jìn)行。試驗(yàn)段長(zhǎng)20 m，寬度3 m，高度2.5 m，試驗(yàn)段可調(diào)風(fēng)速值范圍為2～30 m/s。沙粒通過(guò)頂端漏沙裝置的漏沙孔在風(fēng)洞內(nèi)擴(kuò)散，調(diào)整試驗(yàn)中漏沙孔數(shù)量和孔面積，得到可控的風(fēng)沙濃度。風(fēng)速測(cè)量采用的是防沙風(fēng)速測(cè)量?jī)x，為了增加風(fēng)速儀在風(fēng)場(chǎng)中的穩(wěn)定性，在風(fēng)速儀底端加設(shè)墊片，在1.25 m測(cè)試范圍內(nèi)共設(shè)置了10個(gè)皮托管來(lái)測(cè)試風(fēng)速，采樣頻率為2 Hz。使用梯度集沙測(cè)量?jī)x采集沙粒，總高度1 m，沿豎直高度上每隔2 cm布置一個(gè)通道，共50個(gè)通道，試驗(yàn)后稱取集沙盒內(nèi)沙粒質(zhì)量(精度至0.001g)，獲得不同高度處的沙濃度分布。

1.3.2 風(fēng)洞試驗(yàn)概況

風(fēng)洞試驗(yàn)過(guò)程重點(diǎn)考慮模型的幾何相似、凈風(fēng)場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)相似及動(dòng)力相似[18]。根據(jù)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)段的截面尺寸、固沙防風(fēng)網(wǎng)板的高度和固沙磚的開(kāi)孔尺寸，試驗(yàn)?zāi)Ｐ桶磳?shí)物尺寸的1:3比例進(jìn)行縮尺。其中，鋼制薄壁防風(fēng)沙網(wǎng)板面上分布圓形沖孔孔洞，通過(guò)孔徑大小、位置來(lái)調(diào)整孔隙率；防風(fēng)沙網(wǎng)板模型高0.6 m，長(zhǎng)1 m，厚2 mm(單板)，3板1排，板與板間以螺釘連接、三角鋼板支撐，如圖7(a)所示。固沙磚縮尺模型采用ABS樹(shù)脂制作，尺寸為133.3×66.67×38.33 mm，開(kāi)孔半徑12 mm，孔隙率為10%，上下兩層布置成方格形式[14]，如圖7(b)所示。

圖7 風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)Ｐ虵ig. 7 Wind tunnel test model

縮尺模型在試驗(yàn)段的布置如圖8，在來(lái)流風(fēng)向上依次布設(shè)防風(fēng)沙網(wǎng)板和固沙磚方格。風(fēng)沙條件下，選擇最優(yōu)孔隙率防風(fēng)沙網(wǎng)板，固定在距風(fēng)速入口1.67 m處，板后水平方向4H，6H，7H，9H，10H，11H，12H和13H(H為防風(fēng)沙網(wǎng)板模型高度)上布設(shè)風(fēng)速廓線儀測(cè)試風(fēng)速。同時(shí)，調(diào)整固沙磚方格模型與防風(fēng)沙網(wǎng)板間距以及固沙磚排數(shù)，根據(jù)文獻(xiàn)[18-19]判斷沙障積沙效果的方法，采集方格內(nèi)積沙進(jìn)行稱重，并通過(guò)式(1)來(lái)計(jì)算沙粒沉積率，分析固沙磚方格的阻沙效果，從而確定最優(yōu)聯(lián)合沙障的結(jié)構(gòu)參數(shù)。

圖8 風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)布設(shè)及測(cè)點(diǎn)位置示意Fig. 8 Layout of wind tunnel test and location of measuring points

式中：λ是不同方格內(nèi)的沙粒沉積率，g/(m2·s)；m是不同方格內(nèi)的沙?？偝练e量，g；t是落沙時(shí)間，s；s為方格面積(0.11 m2)。

2 結(jié)果與分析

2.1 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

2.1.1 防風(fēng)沙網(wǎng)板孔隙率對(duì)流場(chǎng)的影響

考慮現(xiàn)場(chǎng)風(fēng)速＞17.1 m/s時(shí)，風(fēng)沙災(zāi)害較為嚴(yán)重，模擬中選取入口風(fēng)速ν=20 m/s，不同孔隙率防風(fēng)沙網(wǎng)板后水平方向上、不同高度處的速度分布如圖9所示。

分析圖9可知：1) 孔隙率為20%時(shí)，防風(fēng)沙網(wǎng)板高度(1.8 m)以上，由于風(fēng)沙流疊加效應(yīng)，風(fēng)速值急劇上升到29.1 m/s；1.8 m以下，風(fēng)沙流遇到障礙物后速度值迅速衰減，網(wǎng)板后水平方向8.8～27.8 m范圍內(nèi)、不同高度處，風(fēng)速極小值為0.12 m/s，極大值為7.2 m/s，上下氣流的速度差較大，出現(xiàn)較大范圍的渦旋，不利于沙粒的停止。孔隙率為30%時(shí)，板后10～15 m范圍內(nèi)、1.2 m高度以下出現(xiàn)較小渦旋但風(fēng)速值波動(dòng)較小，極大、極小值差值最大為0.9 m/s，對(duì)沙粒運(yùn)動(dòng)影響較小。孔隙率≥40%時(shí)，板后不再產(chǎn)生現(xiàn)渦旋現(xiàn)象。2) 在圖9中標(biāo)記沙粒起動(dòng)風(fēng)速值(6.1 m/s)位置；標(biāo)記線以上區(qū)域，沙粒在風(fēng)力下持續(xù)運(yùn)動(dòng)，標(biāo)記線以下區(qū)域發(fā)生沉降。由于近地表0.2 m高度處風(fēng)速最小，為方便觀察，將此高度水平方向風(fēng)速廓線與起動(dòng)風(fēng)速標(biāo)記線的交點(diǎn)標(biāo)記為F?？紫堵蕿?0%時(shí)，風(fēng)速廓線與起動(dòng)風(fēng)速標(biāo)記線包圍面積最大，板后近地表0.2 m高度處恢復(fù)到起動(dòng)風(fēng)速的距離最遠(yuǎn)(37 m)；孔隙率增大，近地表恢復(fù)到起動(dòng)風(fēng)速的距離逐漸減小，孔隙率增加到50%時(shí)，0.2 m高度處僅在板后24 m時(shí)風(fēng)速減小為6.08 m/s，其余點(diǎn)均在6.1 m/s以上，防風(fēng)效果最差。綜上所述，孔隙率＜30%，高速區(qū)域與回流區(qū)域風(fēng)速差值較大，形成的渦旋區(qū)域范圍較大，不利于沙粒沉降；孔隙率＞30%，大量氣流匯集在板后，風(fēng)速值衰減有限，因此，孔隙率為30%的網(wǎng)板防風(fēng)沙效果最佳。

圖9 不同孔隙率防風(fēng)沙網(wǎng)板的風(fēng)速廓線圖Fig. 9 Wind speed profile of wind sand screen plate with different porosity

2.1.2 防風(fēng)沙網(wǎng)板周圍風(fēng)沙流運(yùn)動(dòng)特性

取最優(yōu)孔隙率30%，對(duì)防風(fēng)沙網(wǎng)板及其附近高度處(1.5，1.8 m)周圍流場(chǎng)變化特征進(jìn)行分析，結(jié)果如圖10所示。由圖10可知，入口風(fēng)速值分別為12，15，18和20 m/s時(shí)，1.5 m和1.8 m高度處防風(fēng)沙網(wǎng)板周圍流場(chǎng)變化規(guī)律大致相同；風(fēng)沙流的初始速度值越大，板后速度最小值越大。根據(jù)文獻(xiàn)研究[11]，有效防護(hù)距離可定義為沙障背風(fēng)側(cè)風(fēng)速恢復(fù)到沙粒起動(dòng)風(fēng)速(6.1 m/s)的位置與沙障的距離。圖10顯示，不同風(fēng)速下(12，15，18和20 m/s)，1.5 m高度處，板后對(duì)應(yīng)的有效防護(hù)距離分別為35.1，33.1，31.9和31 m；1.8 m高度處，有效防護(hù)距離分別為32.8，30.5，28.9和28.1 m，說(shuō)明隨著入口風(fēng)速增大，板后有效防護(hù)距離不斷減小，2個(gè)高度處的有效防護(hù)距離均在35 m內(nèi)。聯(lián)系前節(jié)圖9(b)，孔隙率30%網(wǎng)板后不同高度處(2.3，1.8，1.2，0.5和0.2 m)，風(fēng)速恢復(fù)到沙粒起動(dòng)風(fēng)速對(duì)應(yīng)的位置與網(wǎng)板距離分別為17.8，25，30.4，35和36.3 m，越接近地面，有效防護(hù)距離越大。因此，結(jié)合沙粒起動(dòng)風(fēng)速和有效防護(hù)距離分析，防風(fēng)沙網(wǎng)板與固沙磚沙障的間距應(yīng)布置在10H～19H(18～34.2 m)范圍內(nèi)。

圖10 不同風(fēng)速下防風(fēng)沙網(wǎng)板周圍流場(chǎng)變化Fig. 10 Variation of flow field around sand screen under different wind speeds

2.2 風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.2.1 風(fēng)沙流場(chǎng)的沙濃度

根據(jù)沙粒粒徑分布，篩分準(zhǔn)備出試驗(yàn)落沙。由于現(xiàn)場(chǎng)風(fēng)速＞10.9 m/s時(shí)出現(xiàn)風(fēng)沙暴，且頻次較高，因此設(shè)定風(fēng)洞試驗(yàn)入口風(fēng)速為12 m/s時(shí)，進(jìn)行1/2管(僅開(kāi)放1/2孔面積)、1管(開(kāi)放1孔面積)落沙試驗(yàn)，落沙量分別為0.236和0.472 kg/s。

圖11顯示，2種工況下，沙濃度隨著高度的降低逐漸增加，底部區(qū)域沙濃度最大；同一高度處，沙濃度隨著落沙量增加而變大。落沙在12 m/s風(fēng)速下，在20～100 cm高度范圍內(nèi)造成了比較均勻的沙濃度環(huán)境，以100 cm高度處為代表，1/2管、1管落沙下測(cè)得的沙濃度分別為9.62 g/m3和23.13 g/m3。經(jīng)研究區(qū)域調(diào)研，測(cè)得多發(fā)性風(fēng)沙暴的沙濃度在20～30 g/m3，因此1管落沙在風(fēng)洞試驗(yàn)室內(nèi)形成的風(fēng)沙環(huán)境較符合研究區(qū)域?qū)嶋H情況。

圖11 1/2管、1管落沙量的沙濃度變化Fig. 11 Variation of sediment concentration in 1/2 pipe and 1 pipe

2.2.2 風(fēng)洞試驗(yàn)

根據(jù)1.3.2節(jié)所述，在風(fēng)洞試驗(yàn)段布置防風(fēng)沙網(wǎng)板，入口風(fēng)速為12 m/s時(shí)，1管落沙條件下，測(cè)試孔隙率為30%的防風(fēng)沙網(wǎng)板后水平方向4H，6H，7H，9H，10H，11H，12H和13H處垂直高度上的速度分布，并將其與同條件下網(wǎng)板后風(fēng)速變化的數(shù)值模擬結(jié)果作對(duì)比。圖12顯示，入口風(fēng)速為12 m/s，防風(fēng)沙網(wǎng)板孔隙率為30%時(shí)，背風(fēng)側(cè)4H～13H范圍內(nèi)，不同高度處，數(shù)值模擬計(jì)算與風(fēng)洞試驗(yàn)測(cè)得的風(fēng)速值變化趨勢(shì)一致，說(shuō)明數(shù)值模擬結(jié)果可靠、與風(fēng)洞試驗(yàn)吻合度高。另外，風(fēng)洞試驗(yàn)與數(shù)值模擬結(jié)果比較風(fēng)速值相對(duì)偏小，每個(gè)測(cè)點(diǎn)風(fēng)速減小均值為0.29 m/s，原因是數(shù)值模擬中考慮沙粒對(duì)風(fēng)速的影響較小，而風(fēng)洞試驗(yàn)室內(nèi)沙粒受到了風(fēng)流給予的動(dòng)力形成一定的沙濃度環(huán)境，根據(jù)能量守恒定律，沙粒的動(dòng)能增加，空氣動(dòng)能會(huì)相應(yīng)的減小，因而所測(cè)風(fēng)速值偏小，表明沙粒對(duì)來(lái)流風(fēng)速有一定的衰減作用。

圖12 孔隙率為30%的防風(fēng)沙網(wǎng)板后速度變化Fig. 12 Velocity change at the back of windbreak sand screen plate with porosity of 30%

2.2.3 防風(fēng)沙網(wǎng)板與固沙磚方格沙障間距分析

在防風(fēng)沙網(wǎng)板后平行鋪設(shè)固沙磚方格模型(上下兩層布置成3排2行方格，每行4個(gè)方格)，根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，兩者之間的間距應(yīng)布置在10H～19H(18～34.2 m)范圍內(nèi)，因此，在將固沙磚沙障與防風(fēng)沙網(wǎng)板間距分別調(diào)整為10H，15H，16H，17H，18H和19H，在來(lái)流風(fēng)速值為12 m/s及1管落沙的情況下，落沙時(shí)間為60 s，收集不同鋪設(shè)間距固沙磚方格內(nèi)部積沙，稱取質(zhì)量(精確到0.01g)，計(jì)算不同方格內(nèi)的沉積率。

圖13中1-1代表固沙磚迎風(fēng)側(cè)自左向右第1行第1個(gè)方格，以此類推，由圖中數(shù)據(jù)可知，固沙磚方格與防風(fēng)沙網(wǎng)板的間距不同，方格內(nèi)部沙粒沉積率也不同，即固沙效果存在差異。固沙磚方格與防風(fēng)沙網(wǎng)板之間距離為10H時(shí)，第1行方格內(nèi)沉積率平均值為0.97 g/(m2·s)，第2行方格沉積率均值為1.23 g/(m2·s)，沉積率相對(duì)較低。隨著固沙磚與防風(fēng)沙網(wǎng)板間距的增加，方格內(nèi)沉積率逐漸增加，距離增加至18H時(shí)，第1行和第2行方格沉積率的均值分別為3.38和2.1 g/(m2·s)，與10H處相比，2行方格的總沉積率提高了149.09%，說(shuō)明10H處固沙磚方格與防風(fēng)沙網(wǎng)板距離較近，多數(shù)沙粒躍移過(guò)固沙磚，導(dǎo)致積沙效果不明顯。但在19H距離處第1行和第2行方格內(nèi)沉積率均值分別為2.87和1.96 g/(m2·s)，相對(duì)于18H處沙粒沉積率減小，說(shuō)明19H處風(fēng)速恢復(fù)程度較大，沙粒翻越固沙磚或穿過(guò)磚孔洞的量增加，沉積量減少。因此，當(dāng)防風(fēng)沙網(wǎng)板與固沙磚之間的距離為18H時(shí)，沉積率最大，固沙效果最佳。

圖13 不同間距固沙磚方格內(nèi)沉積率Fig. 13 Internal sedimentation rate of sand fixing brick

2.2.4 固沙磚排數(shù)分析

在確定防風(fēng)沙網(wǎng)板與固沙磚模型鋪設(shè)距離為18H的基礎(chǔ)上，增加固沙磚排數(shù)，考慮不同排數(shù)固沙磚對(duì)積沙效果的影響。在來(lái)流風(fēng)速12 m/s及1管落沙情況下，落沙時(shí)間60 s，分析對(duì)比不同排數(shù)固沙磚的沉積率，結(jié)果如圖14所示。固沙磚排數(shù)分別為3，4和5排時(shí)，形成的方格行數(shù)分別為2，3和4行(如圖15)。

圖14 不同排數(shù)固沙磚方格內(nèi)沉積率Fig. 14 Internal sedimentation rate of sand fixing

由圖14可知，沿著風(fēng)速來(lái)流方向，固沙磚排數(shù)為5排時(shí)對(duì)應(yīng)4行方格沉積率均值分別為3.41，2.06，1.02和0.2 g/(m2·s)。風(fēng)沙流在地表前進(jìn)過(guò)程中遇到固沙磚阻擋，先翻越第1排固沙磚或穿越其孔洞，氣流在固沙磚內(nèi)部產(chǎn)生紊流及渦流作用，內(nèi)部氣流風(fēng)速遠(yuǎn)小于沙粒的起動(dòng)風(fēng)速，使氣流攜帶的沙粒大量沉積[14]，在方格內(nèi)形成積沙；隨著風(fēng)沙流繼續(xù)向前推進(jìn)，沙粒依次穿過(guò)第2，3，4和5排固沙磚，在對(duì)應(yīng)方格內(nèi)形成積沙，固沙磚排數(shù)增加到5排時(shí)，最后1行方格內(nèi)沉積率均值僅有0.2 g/(m2·s)。圖15顯示，沙?；颈蛔钃踉诜里L(fēng)沙網(wǎng)板周圍、防風(fēng)沙網(wǎng)板與固沙磚沙障之間及固沙磚方格內(nèi)部，沙障后側(cè)基本無(wú)沙粒。由圖14中數(shù)據(jù)還可知，3，4和5排固沙磚方格的總沉積率分別為21.75，25.99和29.73 g/(m2·s)；因此隨著固沙磚排數(shù)及方格行數(shù)的增加，方格內(nèi)的總沉積率逐漸增大，阻沙效果越明顯，故距防風(fēng)沙網(wǎng)板18H處設(shè)置5排固沙磚?？紤]到現(xiàn)場(chǎng)多發(fā)性風(fēng)沙暴集中冬春兩季、時(shí)間跨度大，在風(fēng)沙流持續(xù)向路堤移動(dòng)作用下，沙障后側(cè)還是會(huì)有一定量積沙；因此，將固沙磚方格沙障與鐵路路堤間距設(shè)置為5 m，方便定期進(jìn)行人工或機(jī)械清沙，最大程度保證鐵路運(yùn)輸?shù)陌踩\(yùn)營(yíng)。

圖15 風(fēng)沙試驗(yàn)后的積沙情況Fig. 15 Sand accumulation after wind sand test

3 結(jié)論

1) 根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，設(shè)計(jì)采用鋼制薄壁防風(fēng)沙網(wǎng)板作為高立式沙障，固沙磚方格為低立式機(jī)械沙障，組成聯(lián)合機(jī)械沙障作為紅一線的防風(fēng)固沙措施。

2) 板高一定(1.8 m)、孔隙率＜30%時(shí)，通過(guò)防風(fēng)沙網(wǎng)板形成的渦旋區(qū)域范圍較大，不利于沙粒沉降；孔隙率＞30%時(shí)，大量氣流穿過(guò)防風(fēng)沙網(wǎng)板，風(fēng)速值衰減有限，孔隙率為30%的網(wǎng)板防風(fēng)效果最佳。

3) 風(fēng)積沙固化后制備帶孔固沙磚鋪設(shè)成方格沙障，不同入口風(fēng)速下，結(jié)合沙粒起動(dòng)風(fēng)速和網(wǎng)板有效防護(hù)距離，固沙磚沙障與防風(fēng)沙網(wǎng)板的間距應(yīng)布置在10H～19H(18～34.2 m)范圍內(nèi)。

4) 固沙磚方格與防風(fēng)沙網(wǎng)板的間距不同，方格內(nèi)沙粒沉積率有所差異。間距過(guò)小，多數(shù)沙粒躍移過(guò)固沙磚，沉積率較小；間距過(guò)大風(fēng)速恢復(fù)程度較大，沙粒流動(dòng)性增加，沉積量減少。間距為18H時(shí)，3排固沙磚方格內(nèi)沙粒沉積率最大為5.48 g/(m2·s)，固沙效果最佳。

5) 隨著固沙磚鋪設(shè)排數(shù)的增加，方格內(nèi)總沉積率逐漸增大，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)風(fēng)沙發(fā)育情況，確定設(shè)置5排固沙磚；固沙磚方格沙障與鐵路路堤間距設(shè)置為5 m，方便定期清理積沙。