孫 婧, 王 君, 王海龍,3, 洪俊哲, 張少云

(1.河北建筑工程學(xué)院 土木工程學(xué)院,河北 張家口 075000;2.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;3.石家莊鐵道大學(xué) 交通運(yùn)輸學(xué)院,石家莊 050043)

沙漠化是全球面臨的一個(gè)重大生態(tài)環(huán)境問(wèn)題,風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)是沙漠化發(fā)展的主要表現(xiàn)形式[1]。風(fēng)沙對(duì)鐵路的危害為風(fēng)蝕、沙埋。近年來(lái),隨著國(guó)家“一帶一路”戰(zhàn)略的實(shí)施、西部交通干線建設(shè)大規(guī)模開(kāi)展[2],工程治沙已成為鐵路風(fēng)沙危害防治的重要技術(shù)手段,工程治沙措施包括機(jī)械沙障、引水拉沙、瀝青固沙、導(dǎo)風(fēng)板等。其中,機(jī)械沙障主要是通過(guò)改變下墊面的性質(zhì),達(dá)到增加地表粗糙程度來(lái)實(shí)現(xiàn)降低風(fēng)速、減小風(fēng)沙對(duì)鐵路侵蝕的目的。

常用的機(jī)械沙障種類主要有塑料網(wǎng)格、麥草、黏土、尼龍網(wǎng)和土工布等。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)機(jī)械沙障的研究主要集中在新型沙障材料、沙障形式等方面。在沙障材料方面,屈建軍等[3]發(fā)現(xiàn)聚乳酸(polylactic acid,PLA)網(wǎng)格沙障這一新型沙障耐輻射、耐老化,防沙效果好;Rosenbrand等[4-5]表明粗砂沙障強(qiáng)度高,是一種有前景的新防沙措施;Wang等[6]研究發(fā)現(xiàn)模擬灌木這一新型沙障內(nèi)沙粒沉積量與風(fēng)速呈正相關(guān)。在沙障形式方面,基于數(shù)值模擬和風(fēng)洞試驗(yàn),學(xué)者們對(duì)不同形式機(jī)械沙障進(jìn)行了結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)、風(fēng)沙流場(chǎng)特性及固沙機(jī)理等研究,目前沙障形式主要有高立式和低立式兩大類,高立式沙障類型有多孔柵欄、PE網(wǎng)等,比如Wang等[7]研究發(fā)現(xiàn)多孔柵欄可有效降低風(fēng)速,設(shè)置雙排柵欄會(huì)提高攔沙率;沈國(guó)輝等[8]對(duì)高度較高的蝶形防風(fēng)網(wǎng)進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)體型和角度對(duì)風(fēng)場(chǎng)有較大影響。低立式沙障主要有麥草、礫石、沙袋、土工布等形式[9],孫浩等[10]通過(guò)野外試驗(yàn)研究得到多邊形草沙障的防風(fēng)固沙效能高;高天笑等[11]研究發(fā)現(xiàn)20 cm高的低覆蓋度羽翼袋沙障防風(fēng)積沙效應(yīng)更顯著;Vivek等[12]研究了土工布包裹沙障受沙粒粒徑影響,粒徑越小,衰減系數(shù)越小;Wang等[13]在風(fēng)洞中比較草棋盤屏障(straw checkerboard barrier,SCB)和巖石棋盤屏障(rocky checkerboard barrier,RCB)的風(fēng)沙流場(chǎng),表明SCB適合弱風(fēng)區(qū)、RCB適合強(qiáng)風(fēng)區(qū)。

綜上所述,不同沙障材料及形式的選擇主要基于風(fēng)沙防護(hù)工程所在區(qū)域的自然條件、施工條件、運(yùn)輸條件和成本控制等,需根據(jù)實(shí)際情況及風(fēng)沙防護(hù)效果進(jìn)行選擇。本文依托魚(yú)卡(紅柳)至一里坪線新建地方鐵路工程,該線位于青海省海西州大柴旦行委,總體為開(kāi)闊的平原地貌,常年寒冷干燥,主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)槲鞅憋L(fēng),多風(fēng)沙,持續(xù)性風(fēng)沙對(duì)鐵路的安全運(yùn)營(yíng)造成嚴(yán)重威脅。由于紅一線沿線所經(jīng)區(qū)域不同,風(fēng)沙發(fā)育特點(diǎn)也不一樣,針對(duì)風(fēng)速較小(6～11 m/s)、但出現(xiàn)頻次較高的區(qū)段,本文設(shè)計(jì)了近地表多孔方格狀結(jié)構(gòu)的機(jī)械沙障作為固沙措施。本文沙障由單塊多孔固沙磚塊鋪設(shè)而成,考慮到本線災(zāi)害區(qū)段,風(fēng)積沙分布廣泛,為節(jié)省遠(yuǎn)距離運(yùn)輸成本、以沙治沙,制備磚塊的沙障原材料選用的是風(fēng)積沙,利用固化劑將其固化制備成多孔固沙磚。吳溢文等[14]提出制備多孔固沙磚來(lái)輔助化學(xué)固沙的構(gòu)想,但目前只停留在制備階段,未對(duì)其進(jìn)行風(fēng)沙防護(hù)方面的試驗(yàn)及應(yīng)用研究。王海龍等[15]通過(guò)前期試驗(yàn)和數(shù)值模擬研究,確定單塊多孔長(zhǎng)方體固沙磚結(jié)構(gòu)參數(shù)是40 cm×11.5 cm×20 cm(長(zhǎng)×寬×高),開(kāi)孔半徑3.6 cm,孔隙率為10%;多孔固沙磚組成的機(jī)械沙障結(jié)構(gòu)形式為上下兩層、規(guī)格為1 m×1 m的方格;這種多孔對(duì)稱方格結(jié)構(gòu),沿線鋪設(shè),規(guī)模較大,不同于傳統(tǒng)的低立式沙障,結(jié)構(gòu)規(guī)律性很強(qiáng)。

因此,基于風(fēng)洞試驗(yàn),本文重點(diǎn)研究了這種新型多孔固沙磚方格沙障結(jié)構(gòu)的風(fēng)壓分布及防風(fēng)固沙效果;通過(guò)凈風(fēng)條件下改變多孔固沙磚機(jī)械沙障與主導(dǎo)風(fēng)向之間的角度,研究了不同鋪設(shè)角度下,沙障結(jié)構(gòu)表面風(fēng)壓特性和分布規(guī)律,進(jìn)而在風(fēng)沙條件下分析了沙障周圍沙粒分布規(guī)律和障后風(fēng)速衰減情況,為這一新型沙障在鐵路風(fēng)沙防護(hù)上的應(yīng)用提供技術(shù)參數(shù)。

1 風(fēng)洞試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)概況

風(fēng)洞試驗(yàn)在北京延慶區(qū)中科院電工所進(jìn)行。該風(fēng)洞為直流式風(fēng)沙型風(fēng)洞。風(fēng)洞試驗(yàn)段長(zhǎng)度為20 m,寬度3 m,高度2.5 m,試驗(yàn)段風(fēng)速在0～30 m/s范圍內(nèi)可調(diào)。風(fēng)洞試驗(yàn)段速度場(chǎng)的不均勻性小于1.0%,方向場(chǎng)的不均勻性均小于1.0°,軸向靜壓梯度小于0.003 m-1[16]。在風(fēng)洞中可進(jìn)行凈風(fēng)條件下的測(cè)壓試驗(yàn),風(fēng)洞測(cè)壓裝置采用美國(guó)PSI掃描閥公司的DTCnet電子式壓力掃描閥系統(tǒng),風(fēng)壓采樣頻率330 Hz。通過(guò)試驗(yàn)段頂部的漏沙裝置還可進(jìn)行風(fēng)沙條件下的試驗(yàn),本文風(fēng)沙試驗(yàn)中風(fēng)速測(cè)量?jī)x采用的是中國(guó)科學(xué)院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所開(kāi)發(fā)的防沙風(fēng)速廓線儀,內(nèi)部主要由傳感器和變送器組成,外部由1根轉(zhuǎn)接線與電腦連接。該測(cè)試儀共設(shè)10個(gè)皮托管探針,采樣頻率均為2 Hz,在試驗(yàn)之前,采用標(biāo)準(zhǔn)皮托管對(duì)風(fēng)速廓線儀的所有皮托管進(jìn)行校準(zhǔn),使得各探頭的測(cè)量誤差均小于0.15%[17]。沙粒采集使用的是梯度集沙測(cè)量?jī)x,通過(guò)記錄集沙盒內(nèi)沙粒質(zhì)量(精度至0.001 g),得到不同高度處的沙濃度分布,試驗(yàn)設(shè)備如圖1(a)所示。

(a) 風(fēng)沙試驗(yàn)設(shè)備

(b) 風(fēng)積沙顆粒形貌

(c) 沙粒篩分析曲線

(d) 現(xiàn)場(chǎng)風(fēng)玫瑰圖圖1 試驗(yàn)概況圖Fig.1 Test overview chart

根據(jù)紅一線風(fēng)沙災(zāi)害路段沿線采樣結(jié)果,如圖1(b)所示,風(fēng)積沙顆粒呈近圓球形。經(jīng)篩分析試驗(yàn)得沙粒篩分析曲線如圖1(c),粒徑范圍在0.08～0.4 mm的沙粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)在89%左右。楊具瑞等[18]研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)沙粒平均粒徑在0.141～0.314 mm范圍時(shí),沙粒對(duì)應(yīng)的啟動(dòng)風(fēng)速在5.3～7.8 m/s,當(dāng)風(fēng)速>7.8 m/s時(shí),風(fēng)沙流開(kāi)始發(fā)育,現(xiàn)場(chǎng)10月—次年5月風(fēng)速值在6～11 m/s的頻次多,現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)風(fēng)玫瑰圖如圖1(d)所示,因此本文風(fēng)洞試驗(yàn)風(fēng)速采用10 m/s。

1.2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

本試驗(yàn)上下兩層多孔固沙磚沙障原型的高度為40 cm,為滿足相似性理論中幾何相似條件,保證試驗(yàn)?zāi)Ｐ团c試驗(yàn)原型幾何相似[19],同時(shí)充分考慮流場(chǎng)的穩(wěn)定性,確定模型縮尺比為1∶3。單塊固沙磚試驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D2(a)所示,具體尺寸為長(zhǎng)13.33 cm,寬3.83 cm,高6.67 cm,孔半徑為1.2 cm,孔隙率為10%。機(jī)械沙障試驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D2(b)所示,是由單塊多孔固沙磚堆砌成上下兩層的方格陣列形式。由于沙障為對(duì)稱規(guī)律結(jié)構(gòu),因此,截取沙障的一部分重復(fù)單元做研究對(duì)象,同時(shí)考慮測(cè)試模型與風(fēng)洞邊壁的最短距離不應(yīng)小于試驗(yàn)段寬度的15%[20],設(shè)計(jì)擺放3排2層多孔方格固沙磚機(jī)械沙障,橫向總長(zhǎng)為134.31 cm,縱向總高度是13.33 cm。

(a) 單塊固沙磚模型尺寸

(b) 多孔固沙磚機(jī)械沙障模型尺寸圖2 固沙磚機(jī)械沙障模型圖Fig.2 Sand barrier model of sand-fixing brick machinery

根據(jù)課題組對(duì)多孔固沙磚機(jī)械沙障的數(shù)值模擬研究,前2排固沙磚受風(fēng)壓影響較大[21],因此重點(diǎn)研究了沙障迎風(fēng)側(cè)前2排固沙磚的風(fēng)壓情況。試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷臏y(cè)點(diǎn)布置,如圖3所示。單塊橫向固沙磚,即圖3(a)中A～P磚塊,迎風(fēng)面和背風(fēng)面各設(shè)置7個(gè)測(cè)點(diǎn),測(cè)點(diǎn)編號(hào)規(guī)則為字母編號(hào)+排數(shù)編號(hào)+數(shù)字編號(hào),其中,英文字母為橫向磚塊編號(hào),按A～P依次排序,大寫(xiě)字母代表迎風(fēng)面,小寫(xiě)字母代表背風(fēng)面,見(jiàn)圖3(b)中A磚塊例子所示,其余橫向磚塊以此類推。每排測(cè)點(diǎn)共224個(gè),2排共計(jì)448個(gè)測(cè)點(diǎn)?？v向固沙磚與橫向磚塊彼此緊靠,受到風(fēng)壓作用的面積小,且為排除密集測(cè)點(diǎn)對(duì)固沙磚風(fēng)壓影響作用,故縱向磚塊不再布置測(cè)點(diǎn)。

(a) 試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜏y(cè)點(diǎn)布置圖

(b) A磚塊測(cè)點(diǎn)編號(hào)圖圖3 沙障模型風(fēng)壓測(cè)點(diǎn)布置圖Fig.3 Layout of wind pressure measuring points in sand barrier model

1.3 試驗(yàn)工況設(shè)計(jì)

本文試驗(yàn)分別在凈風(fēng)和風(fēng)沙條件下進(jìn)行,通過(guò)凈風(fēng)條件下的測(cè)壓試驗(yàn)得到最優(yōu)角度工況,進(jìn)一步在風(fēng)沙條件下利用測(cè)速試驗(yàn)和沙粒沉積規(guī)律來(lái)驗(yàn)證沙障在最優(yōu)鋪設(shè)角度時(shí)的防風(fēng)固沙效果。

1.3.1 凈風(fēng)條件下的試驗(yàn)

為分析凈風(fēng)條件(風(fēng)速10 m/s)、不同鋪設(shè)角度下多孔固沙磚沙障結(jié)構(gòu)表面的風(fēng)壓特性和分布情況,設(shè)計(jì)的角度工況如圖4所示,其中鋪設(shè)角度α是沙障與主導(dǎo)風(fēng)向(西北風(fēng))之間的角度。鋪設(shè)角度由0°開(kāi)始,每增加15°測(cè)試1次,直至90°,共計(jì)7個(gè)角度、7種工況。由圖4可知,模型在風(fēng)洞試驗(yàn)段擺放位置,通過(guò)模型下方轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)控制角度變化。

圖4 角度工況圖Fig.4 Angle working condition diagram

1.3.2 風(fēng)沙條件下的試驗(yàn)

凈風(fēng)試驗(yàn)后得到最優(yōu)工況,在最優(yōu)角度條件下,對(duì)多孔固沙磚機(jī)械沙障進(jìn)行風(fēng)沙試驗(yàn)。在沙障后側(cè)20 cm處布置風(fēng)速廓線儀,共計(jì)10個(gè)風(fēng)速測(cè)點(diǎn),分別采集5 mm、10 mm、15 mm、50 mm、100 mm、250 mm、500 mm、750 mm、1 000 mm、1 250 mm高度位置處風(fēng)速。

風(fēng)沙試驗(yàn)結(jié)束后收集障后不同位置處積沙,通過(guò)計(jì)算一定沙濃度條件下的沙粒沉積率[22],來(lái)研究機(jī)械沙障的固沙效果。其中,沙粒沉積率計(jì)算如式(1)所示

(1)

式中:λ為多孔固沙磚沙障單個(gè)方格內(nèi)的沙粒沉積率,g/(m2·s);m為單個(gè)固沙磚方格內(nèi)沙?？偝练e質(zhì)量,g;t為落沙時(shí)間,s;s為方格面積,本文中是0.11 m2。

1.4 數(shù)據(jù)處理

凈風(fēng)條件試驗(yàn)中,使用Matlab和Surfer軟件對(duì)風(fēng)壓時(shí)程數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析,通過(guò)計(jì)算平均風(fēng)壓系數(shù)來(lái)研究鋪設(shè)角度對(duì)多孔固沙磚機(jī)械沙障所受風(fēng)壓的影響。為防止測(cè)壓管道彎曲和擠壓造成壓力信號(hào)不準(zhǔn)確,在測(cè)壓管輸出風(fēng)壓時(shí)程數(shù)據(jù)時(shí)進(jìn)行數(shù)學(xué)畸變修正后[23],平均風(fēng)壓系數(shù)和風(fēng)速計(jì)算如式(2)所示

(2)

式中:Cp,mean為平均風(fēng)壓系數(shù);pref中為相對(duì)參考靜壓,即在風(fēng)洞試驗(yàn)中連通外界大氣壓作為參考靜壓;為采樣周期內(nèi)得到的平均風(fēng)壓;ρ為試驗(yàn)時(shí)的空氣密度,1.225 kg/m3;Uref為來(lái)流風(fēng)向在參考高度處的平均風(fēng)速;本文風(fēng)洞試驗(yàn)參考高度為0.4 m,模型周邊風(fēng)場(chǎng)干擾小。本文規(guī)定平均風(fēng)壓系數(shù)為正時(shí),試驗(yàn)?zāi)Ｐ褪艿搅藖?lái)流風(fēng)的壓力;平均風(fēng)壓系數(shù)為負(fù)時(shí)為風(fēng)吸力,正負(fù)只代表方向,不代表大小。

2 凈風(fēng)條件下風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果分析

在凈風(fēng)條件、風(fēng)速10 m/s的情況下,分析前2排多孔固沙磚在0°鋪設(shè)角度下所有測(cè)點(diǎn)的風(fēng)壓特性,確定沙障風(fēng)壓分布和變化原因,得到關(guān)鍵性測(cè)點(diǎn)位置;其次,在相同試驗(yàn)條件、0°～90°不同鋪設(shè)角度范圍內(nèi),進(jìn)行關(guān)鍵性測(cè)點(diǎn)的風(fēng)壓分布及其變化規(guī)律,以確定最優(yōu)角度工況。

2.1 0°鋪設(shè)角度下多孔固沙磚沙障表面風(fēng)壓分布規(guī)律分析

0°鋪設(shè)角度下,采集如圖3(a)中所示所有測(cè)點(diǎn)的風(fēng)壓時(shí)程進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,繪制如圖5所示的平均風(fēng)壓等值線圖,其中,橫向方向是與來(lái)流風(fēng)向垂直的迎風(fēng)面,鋪設(shè)總長(zhǎng)約為134.31 cm;縱向?yàn)楣躺炒u高度增加的方向,2層固沙磚高度為13.33 cm;排向?yàn)樯痴吓艛?shù)增加的方向。

(a) 第1排迎風(fēng)面平均風(fēng)壓等值線圖

(b) 第1排背風(fēng)面平均風(fēng)壓等值線圖

(c) 第2排迎風(fēng)面平均風(fēng)壓等值線圖

(d) 第2排背風(fēng)面平均風(fēng)壓等值線圖圖5 沙障不同位置處平均風(fēng)壓等值線對(duì)比圖Fig.5 Comparison of isolines of average wind pressure at different locations of sand barrier

沙障第1排迎風(fēng)面(圖5(a))平均風(fēng)壓系為正值,其數(shù)值在0.02～0.16之間波動(dòng),此處風(fēng)流基本沒(méi)有發(fā)生回流,但背風(fēng)面(圖5(b))平均風(fēng)壓系數(shù)值在0.9～1.1之間波動(dòng),且數(shù)值為負(fù),說(shuō)明風(fēng)流經(jīng)過(guò)孔洞發(fā)生了分離,風(fēng)向改變;同時(shí),固沙磚帶有孔洞,風(fēng)流穿過(guò)第1排孔洞到達(dá)第2排,部分風(fēng)流來(lái)不及從第2排孔洞流失,受到固沙磚的阻擋,在第1排與第2排之間的方格內(nèi)不斷循環(huán)回流,產(chǎn)生了小型渦旋[15],因此背風(fēng)面受較大風(fēng)吸力。

沙障第2排迎風(fēng)面(圖5(c))處平均風(fēng)壓系數(shù)均是負(fù)值,最大數(shù)值為1.05,與第1排背風(fēng)面相比,二者平均風(fēng)壓系數(shù)值近似,這是因?yàn)榈?排背風(fēng)面、第2排迎風(fēng)面均是處于沙障同一方格壁面,此時(shí)風(fēng)循環(huán)回流使得方格內(nèi)壁整體受壓均勻穩(wěn)定,即穩(wěn)定渦旋。第2排背風(fēng)面(圖5(d))處的平均風(fēng)壓系數(shù)為負(fù),且數(shù)值在0.1～0.85之間波動(dòng),因受到前排固沙磚遮擋作用,到達(dá)第2排背風(fēng)面處風(fēng)流較少,該面所受風(fēng)壓比第1排背風(fēng)面處要小。

由圖5可知,多孔固沙磚沙障結(jié)構(gòu)對(duì)稱,風(fēng)壓分布具有規(guī)律性,第1排迎風(fēng)面受風(fēng)壓力,方格內(nèi)部的固沙磚壁面均受風(fēng)吸力;隨著排數(shù)增加,受到前排固沙磚的遮擋作用,后排固沙磚風(fēng)壓逐漸減小,整體沙障方格結(jié)構(gòu)以此類推。沙障平均風(fēng)壓系數(shù)呈對(duì)稱分布,風(fēng)壓自地表隨沙障高度(縱向0～13.33 cm)增加而增大,受孔結(jié)構(gòu)影響,在橫向0～134.31 cm鋪設(shè)方向上,沙障左右邊緣處風(fēng)壓有波動(dòng)但平均風(fēng)壓系數(shù)值較中間位置處偏小,主要原因是風(fēng)流穿過(guò)每排固沙磚孔洞時(shí),沙障邊緣處部分風(fēng)流通過(guò)固沙磚與風(fēng)洞側(cè)壁形成的通道快速流失。

2.2 不同鋪設(shè)角度對(duì)多孔固沙磚沙障風(fēng)場(chǎng)特性的影響

2.2.1 關(guān)鍵性測(cè)點(diǎn)的選擇

基于2.1節(jié)分析結(jié)果可知沙障兩側(cè)邊緣處平均風(fēng)壓系數(shù)波動(dòng)大,因此選擇關(guān)鍵性測(cè)點(diǎn)進(jìn)行風(fēng)壓分析時(shí),應(yīng)重點(diǎn)監(jiān)測(cè)左右兩側(cè)固沙磚邊緣測(cè)點(diǎn)的風(fēng)壓;又因?yàn)榫嗟乇聿煌叨忍幑躺炒u所受風(fēng)壓會(huì)有變化,所以需對(duì)縱向最低和最高測(cè)點(diǎn)進(jìn)行風(fēng)壓研究。同時(shí),固沙磚沙障屬于對(duì)稱結(jié)構(gòu),且有開(kāi)孔設(shè)計(jì),磚塊中間測(cè)點(diǎn)的兩側(cè)均有孔洞。

因此,本文選取多孔固沙磚(迎風(fēng)面A～D、M～P磚)最左和最右邊緣處測(cè)點(diǎn),以及8塊單塊固沙磚(迎風(fēng)面E～L磚)的中間測(cè)點(diǎn)做關(guān)鍵性測(cè)點(diǎn),背風(fēng)面也按照此原則選擇關(guān)鍵性測(cè)點(diǎn)。關(guān)鍵性測(cè)點(diǎn)標(biāo)記如圖6所示。

圖6 多孔固沙磚上關(guān)鍵性測(cè)點(diǎn)布置圖Fig.6 Layout of key measuring points on porous sand-fixing bricks

2.2.2 不同鋪設(shè)角度下多孔固沙磚沙障風(fēng)壓系數(shù)分析

試驗(yàn)得到沙障前2排多孔固沙磚的關(guān)鍵性測(cè)點(diǎn)的風(fēng)壓數(shù)據(jù),不同鋪設(shè)角度下沙障所受風(fēng)壓的變化如圖7所示。根據(jù)關(guān)鍵性測(cè)點(diǎn)在沙障上分布的位置,將圖7中的風(fēng)壓測(cè)點(diǎn)劃分為①、②、③三個(gè)區(qū)域。另外,由于沙障結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性,0°和90°的鋪設(shè)角度屬于同一個(gè)方格陣列,由0°的橫排方向轉(zhuǎn)成90°的側(cè)排方向,二者工況條件相同,所以90°鋪設(shè)角度的工況不予重復(fù)考慮。

(a) 第1排迎風(fēng)面

(b) 第1排背風(fēng)面

(c) 第2排迎風(fēng)面

(d) 第2排背風(fēng)面圖7 多孔固沙磚沙障在不同鋪設(shè)角度下風(fēng)壓對(duì)比圖Fig.7 Comparison of wind pressure of porous sand-fixing brick sand barrier at different laying angles

由圖7(a)可知,在0°～15°,沙障第1排迎風(fēng)面主要承受風(fēng)壓力,風(fēng)壓較小,整體平均風(fēng)壓系數(shù)值變化穩(wěn)定;在15°～90°,沙障所受風(fēng)壓由正值變負(fù)值,說(shuō)明鋪設(shè)角度增大時(shí),第1排固沙磚與來(lái)流風(fēng)形成夾角,起到了分流作用,風(fēng)流沿固沙磚表面行進(jìn)過(guò)程中,部分通過(guò)固沙磚孔洞進(jìn)入方格到達(dá)背風(fēng)面,風(fēng)流再次分離,風(fēng)向發(fā)生改變。鋪設(shè)角度為15°時(shí),沙障的平均風(fēng)壓系數(shù)最小,風(fēng)回旋最小,最小數(shù)值為0.02。

由圖7(b)可知,沙障第1排背風(fēng)面在不同鋪設(shè)角度下平均風(fēng)壓系數(shù)均為負(fù)值。鋪設(shè)角度為0°時(shí),平均風(fēng)壓系數(shù)變化穩(wěn)定,整體風(fēng)壓波動(dòng)范圍小;但隨著鋪設(shè)角度由0°不斷增加至90°,該面的平均風(fēng)壓系數(shù)值逐漸降低,在0.31～0.94之間波動(dòng);鋪設(shè)角度增大時(shí),孔洞不再垂直來(lái)流風(fēng)向,進(jìn)入孔洞的總風(fēng)量變小,沙障第1排背風(fēng)面受到的風(fēng)壓不僅變小,風(fēng)壓波動(dòng)范圍也在變大,方格內(nèi)風(fēng)循環(huán)回流產(chǎn)生了不穩(wěn)定的渦旋。

由圖7(c)可知,沙障第2排迎風(fēng)面在不同鋪設(shè)角度下平均風(fēng)壓系數(shù)均為負(fù)值。0°鋪設(shè)角度時(shí),平均風(fēng)壓系數(shù)值波動(dòng)非常小且趨于一條線;鋪設(shè)角度增大時(shí),該面在0°～15°的風(fēng)壓波動(dòng)小,所受風(fēng)壓逐漸減弱,而在15°～90°風(fēng)壓波動(dòng)劇烈。對(duì)比沙障第1排,在0°～90°,第2排迎風(fēng)面所受風(fēng)壓比第1排小,且平均風(fēng)壓系數(shù)波動(dòng)范圍也在縮小,主要因?yàn)榈?排和側(cè)面的固沙磚對(duì)風(fēng)流起遮蔽作用,導(dǎo)致到達(dá)第2排迎風(fēng)面的風(fēng)量更小,第2排迎風(fēng)面所受風(fēng)壓驟然減小,風(fēng)壓波動(dòng)范圍大,方格內(nèi)仍是不穩(wěn)定的渦旋。

在圖7(d)可知,在0°～90°,沙障第2排背風(fēng)面的風(fēng)壓系數(shù)值在0.40～0.79之間波動(dòng),且均為負(fù)值。0°鋪設(shè)角度下該面受壓穩(wěn)定,0°～15°鋪設(shè)角度下的風(fēng)壓波動(dòng)范圍比15°～90°的波動(dòng)范圍小。對(duì)比圖7(c),第2排迎風(fēng)面和背風(fēng)面在各鋪設(shè)角度下的平均風(fēng)壓數(shù)值相近,第2排整體受壓均勻,且受前排固沙磚遮蔽作用,第2排固沙磚要比第1排受壓更穩(wěn)定。

由圖7可知,在0°～15°鋪設(shè)角度下,沙障的①、②、③區(qū)域處均受壓穩(wěn)定,數(shù)值波動(dòng)小;在15°～90°鋪設(shè)角度范圍內(nèi),②區(qū)域的風(fēng)壓波動(dòng)更加劇烈且受壓較小。綜合分析可知,鋪設(shè)角度變化時(shí),沙障關(guān)鍵性測(cè)點(diǎn)的平均風(fēng)壓系數(shù)隨角度發(fā)生明顯變化,說(shuō)明沙障所受風(fēng)壓對(duì)鋪設(shè)角度的變化非常敏感。但總體來(lái)看,在0°～15°鋪設(shè)角度下,多孔固沙磚沙障整體所受風(fēng)壓波動(dòng)變化穩(wěn)定,平均風(fēng)壓系數(shù)值偏小,因此為最優(yōu)鋪設(shè)角度工況。

3 風(fēng)沙條件下風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 風(fēng)沙試驗(yàn)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研,紅一線風(fēng)沙災(zāi)害路段處沙粒粒徑范圍主要在0.08～0.4 mm,且現(xiàn)場(chǎng)風(fēng)速值在6～11 m/s的頻次多,該區(qū)段極易形成沙塵暴天氣。郝贠洪等[24]對(duì)不同地區(qū)鐵路進(jìn)行了風(fēng)沙調(diào)研測(cè)試,發(fā)現(xiàn)沙塵暴條件下的沙塵濃度大約在5～10 g/m3。因此,本試驗(yàn)通過(guò)風(fēng)洞頂部漏沙裝置來(lái)調(diào)節(jié)漏沙量,落沙時(shí)間為60 s,利用梯度集沙儀測(cè)試沙濃度,得到如圖8所示的沙濃度分布,最終控制在10 m/s的風(fēng)速條件下,風(fēng)洞內(nèi)15 cm高度處的平均沙質(zhì)量濃度為5.152 5 g/m3,來(lái)模擬實(shí)際的風(fēng)沙環(huán)境。

圖8 不同高度下的沙濃度Fig.8 Sand concentration at different heights

通過(guò)不同鋪設(shè)角度下多孔固沙磚沙障風(fēng)場(chǎng)特性分析可知,在凈風(fēng)、風(fēng)速10 m/s的試驗(yàn)條件下,沙障在0°鋪設(shè)角度下風(fēng)壓穩(wěn)定,鋪設(shè)最方便,因此選擇在0°鋪設(shè)角度下進(jìn)行多孔固沙磚沙障的風(fēng)沙風(fēng)洞試驗(yàn),來(lái)分析沙障的防風(fēng)固沙效果。模型布置如圖9所示,圖中沙障方格編號(hào)從第1排左側(cè)開(kāi)始依次為1-1～1-4,第2排左側(cè)開(kāi)始依次為2-1～2-4。

圖9 多孔固沙磚沙障積沙情況Fig.9 Sand accumulation in porous sand-fixing brick barrier

3.2 積沙結(jié)果分析

風(fēng)沙試驗(yàn)結(jié)束后,收集方格內(nèi)沉積沙粒,根據(jù)式(1)計(jì)算沙障每個(gè)方格內(nèi)的沙粒沉積率。從表1中數(shù)據(jù)可知,沙障第1排固沙磚后方格內(nèi)的平均沙粒沉積率為116.75 g/(m2·s),第2排后方格內(nèi)的平均沙粒沉積率為13.35 g/(m2·s),第1排固沙磚后方格的平均沙粒沉積率是第2排磚后的8.7倍,第1排固沙磚后方格的積沙量占方格總積沙量的88%,說(shuō)明當(dāng)風(fēng)沙流運(yùn)動(dòng)時(shí),沙障的第1排固沙磚攔截沙粒的作用最強(qiáng),固沙效果明顯,只有少量沙粒隨風(fēng)流穿過(guò)孔洞或翻越磚塊,在第2排磚后的方格內(nèi)沉降。從表1還可看出,1-2和1-3方格的沙粒沉積率大于1-1和1-4方格,2-2和2-3方格的沙粒沉積率大于2-1和2-4方格,說(shuō)明沙障中間部分的方格固沙能力強(qiáng),而在方格邊緣處,一部分沙粒通過(guò)固沙磚與風(fēng)洞側(cè)壁形成的通道流失了,沙粒沉積率減小。風(fēng)沙試驗(yàn)后沙障的積沙情況,如圖9所示,近地表流動(dòng)沙粒受到阻擋作用主要堆積在沙障第1排固沙磚前;部分穿越磚體孔洞,在小型渦旋作用下發(fā)生沉降,堆積在沙障第1和第2排固沙磚后的方格內(nèi);極少部分沙粒在沙障第1排固沙磚邊緣處通過(guò)風(fēng)洞通道被風(fēng)流帶到整個(gè)沙障后側(cè)沉積。

表1 沙障不同位置方格內(nèi)的沙粒沉積率Tab.1 Sand deposition rate in different locations of sand barrier

3.3 風(fēng)沙條件下風(fēng)速衰減情況分析

利用風(fēng)速廓線儀對(duì)凈風(fēng)條件和風(fēng)沙條件下,障后不同高度位置的風(fēng)速進(jìn)行了測(cè)試和對(duì)比,得到圖10障后風(fēng)速廓線圖。如圖10所示,風(fēng)沙條件下,在沙障高度13.33 cm范圍內(nèi),障后最低風(fēng)速為1.92 m/s,最高風(fēng)速為2.99 m/s,障后平均風(fēng)速衰減率為75.5%;沙障對(duì)10 m/s的初始風(fēng)速起到了明顯的衰減作用,且將風(fēng)速有效的降到了小于風(fēng)沙流發(fā)育的范圍(風(fēng)速<7.8 m/s),因此風(fēng)流攜沙能力明顯減弱,沙粒沉積下來(lái)。

圖10 0°鋪設(shè)角度下障后風(fēng)速廓線圖Fig.10 Wind speed profile behind the barrier at 0° laying angle

同時(shí),對(duì)比凈風(fēng)和風(fēng)沙下的障后風(fēng)速廓線圖可知,0°鋪設(shè)角度時(shí),在沙障高度13.33 cm范圍內(nèi),風(fēng)沙條件下的障后風(fēng)速衰減很快,此時(shí),風(fēng)沙流在方格內(nèi)形成渦旋,沙粒沉降消耗風(fēng)能導(dǎo)致風(fēng)速快速降低。而超過(guò)沙障高度后,風(fēng)沙下的障后風(fēng)速較凈風(fēng)條件下要大,主要是因?yàn)槟軌蜻_(dá)到高速運(yùn)動(dòng)的只有處于高層處的少量細(xì)沙顆粒,小顆粒運(yùn)動(dòng)過(guò)程中與風(fēng)的接觸面積小,風(fēng)對(duì)沙粒的阻力減小,從而沙粒促進(jìn)了風(fēng)流加速。因此,盡管超過(guò)沙障高度處的風(fēng)沙流速度較大,但由于距地表10 cm以上,氣流搬運(yùn)的粒沙不到總量的10%[25],多孔固沙磚沙障在近地表處仍能夠有效地防風(fēng)固沙。

4 結(jié) 論

本文以多孔固沙磚方格沙障為研究對(duì)象,在凈風(fēng)條件下分析了0°～90°不同鋪設(shè)角度下沙障的風(fēng)壓分布特點(diǎn);并在最優(yōu)角度工況下進(jìn)行風(fēng)沙試驗(yàn),來(lái)驗(yàn)證沙障的防風(fēng)固沙效果,主要結(jié)論如下:

(1) 在0°鋪設(shè)角度下,沙障第1排固沙磚迎風(fēng)面所受風(fēng)壓為正,平均風(fēng)壓系數(shù)在0.1～0.26波動(dòng);風(fēng)流通過(guò)第1排孔洞進(jìn)入方格內(nèi),風(fēng)向發(fā)生改變,方格內(nèi)部所受風(fēng)壓變?yōu)樨?fù)值;隨著排數(shù)增加,受到前排固沙磚的遮擋作用,后排固沙磚風(fēng)壓逐漸減小。

(2) 0°鋪設(shè)角度時(shí),沙障整體結(jié)構(gòu)風(fēng)壓呈對(duì)稱分布,中間位置處所受風(fēng)壓較大,數(shù)值穩(wěn)定,而左右邊緣處則是風(fēng)壓波動(dòng)較大。

(3) 多孔固沙磚沙障所受風(fēng)壓對(duì)鋪設(shè)角度變化敏感。角度從0°增大時(shí),孔洞位置與來(lái)流風(fēng)向形成夾角,進(jìn)入孔洞的總風(fēng)量減少,沙障所受風(fēng)壓易產(chǎn)生突變且波動(dòng)范圍逐漸變大;在0°～15°鋪設(shè)角度下,沙障整體受壓穩(wěn)定,風(fēng)壓波動(dòng)范圍小,屬于最優(yōu)鋪設(shè)角度范圍。

(4) 風(fēng)沙試驗(yàn)結(jié)果表明,0°最優(yōu)鋪設(shè)角度下,近地表流動(dòng)沙粒主要被阻攔在沙障第1排固沙磚前和沉降在沙障方格內(nèi),第1排固沙磚后方格內(nèi)的平均沙粒沉積率是第2排后的8.7倍,第1排方格固沙效果最明顯,通過(guò)增加固沙磚排數(shù)可有效提高沙障固沙效果。沙高度13.33 cm范圍內(nèi),障后風(fēng)速平均衰減率為75.5%使得越過(guò)沙障的沙?？焖俪两?。