拉日鐵路風沙防護設施風洞及現場試驗研究

張 炯

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司地質路基設計處，陜西西安 710043)

青藏鐵路延伸線——拉日鐵路是我國第一條純西藏區運營的鐵路，東起青藏鐵路的終點拉薩，沿拉薩河南下，經堆龍德慶、曲水縣境，而后溯雅魯藏布江而上，經尼木、仁布抵達日喀則，全長253 km。拉日鐵路東端拉薩一帶地面高程3 650 m，西端日喀則一帶地面高程3 840 m，中間曲水縣一帶最低，海拔高程3 590 m。由于藏南谷地海拔高、氣候干旱、沙源豐富、植物生長季節短等原因，原地表植被覆蓋度較小，土地沙漠化嚴重，沿線分布大面積流動沙丘和半固定沙丘，以及半固定沙地，在風力的作用下，風蝕、沙丘移動、揚沙揚塵活動頻繁，路基受沙埋和風蝕危害嚴重。依據拉日鐵路沿線風沙與植被等現場調查結果，2011—2012年對拉日鐵路風沙防護措施進行了風洞試驗和現場試驗，并對固沙效果進行了觀測，用以驗證完善設計、指導大規模的施工。

1 鍍鋁鋅合金板阻沙柵欄

1.1 風洞試驗

1.1.1 試驗設計及模型選取

試驗在中國科學院寒區旱區環境與工程研究所沙漠與沙漠化重點實驗室室內環境風洞中完成。試驗布置見圖1。

圖1 試驗布置

試驗材料材質為S320GD+AZ150，阻沙柵欄有開孔率為40%的防風網(以下簡稱為“大孔徑”)和開孔率為30%的抑塵網(以下簡稱為“小孔徑”)兩種。其中，大孔徑阻沙柵欄高26 cm，小孔徑阻沙柵欄高30 cm。試驗風洞指示風速設定為6，10和15 m/s，風速廓線采用畢托管測定，測定高度分別為0.3，0.6，1.2，2.4，4，8，12，16，20 和 25 cm。在試驗過程中，阻沙柵欄上風向和下風向觀測點分布見表1，其中H代表阻沙柵欄的高度，負值代表上風向，正值代表下風向。風流場圖使用Sufer8.0進行繪制，并繪制其加速度等值線圖。

表1 觀測點距離分布

1.1.2 大孔徑風流場

設定風速為6，10和15 m/s 3種風速，3種風速下的風流場圖見圖2。

圖2 3種風速下的風流場

由圖2可知:風流場存在相似性。在阻沙柵欄放置0～3 cm高度處，由于底部存在繞流，且孔徑加速氣流流速，產生加速區域。在柵欄中部3～8 cm高度下風向處，氣流受阻沙柵欄阻擋，在下風向形成減速區域。9～17 cm高度處，風速衰減，但流場均勻。18～22 cm高度處再次形成閉合減速區，22～25 cm高度處則形成加速區域。

3組風速下風流場不同之處:在阻沙柵欄底部0～3 cm高度處，風速越大，底部最大風速值越大。6 m/s風速下，最大速度值為9.5 m/s;10 m/s風速下，最大速度值為15 m/s;15 m/s風速下，最大速度值為23 m/s。隨著風速的增大，底部繞流加速現象增強。在柵欄中部3～8 cm下風向形成的閉合減速區域在不同風速下范圍也不同。6 m/s風速下，3 m/s速度等值線閉合區域范圍約為7.5H;10 m/s風速下，3.6 m/s速度等值線閉合區域范圍約為2.5H;15 m/s風速下，4 m/s速度等值線閉合區域范圍約為1.5H。隨著風速的增加，其閉合區域范圍減小。

在阻沙柵欄中部9～11 cm高度處，隨著風速的增大逐漸形成一個小的加速區域。6 m/s風速下，5 m/s速度等值線在9～11 cm出現彎曲;10 m/s風速下，8.2 m/s的速度等值線明顯閉合;15 m/s風速下，閉合區域范圍明顯增大。在阻沙柵欄中部12～18 cm高度處，隨著風速的增大，流場逐漸出現閉合減速區域，但范圍和減速程度較弱。而阻沙柵欄頂部19～25 cm高度處，其流場和底部0～9 cm高度處相似。

1.1.3 大孔徑加速度等值線圖(圖3)

圖3 3種風速下的加速度等值線

進一步比較3組風速下的加速度等值線圖可知，與速度等值線圖分析結果保持一致。在阻沙柵欄上風向，由于阻擋效應形成加速區域，而在下風向形成減速區，在阻沙柵欄底部0～3 cm高度處，由于繞流現象形成加速區域，但3組風速下的最大加速度值逐漸減小，分別為2.8，2.6和2.4 m/s2，隨著風速的增大，最大速度增大，但最大加速度值減小。

在柵欄中部3～8 cm高度下風向處形成明顯的閉合減速區域，且隨著風速的增大，閉合區域范圍減小。6 m/s風速下，0.8 m/s2加速度等值線閉合區域范圍約為12H;10 m/s風速下，0.5 m/s2加速度等值線閉合區域范圍約為3H;15 m/s風速下，0.3 m/s2加速度等值線閉合區域范圍約為1.5H。

在阻沙柵欄中部9～11 cm高度處，隨著風速的增加形成加速區域，而12～18 cm高度處，隨著風速的增大，出現減速程度較弱的閉合減速區域。頂部19～28 cm高度處，其加速度等值線和0～9 cm處相似，但其最大加速度值較小，減速程度較弱。

1.1.4 小孔徑風流場(圖4)

圖4 10 m/s風速下的風流場

分析3組風速下的速度等值線圖可知三者流場結構相似。在阻沙柵欄上風向，速度等值線稀疏且平緩。在下風向，由于阻沙柵欄的阻擋形成低速風影區。

在阻沙柵欄底部0～2 cm高度處，由于底部繞流現象形成加速區域，而2～22 cm高度處速度等值線較密，速度變化較為劇烈，形成風速迅速衰減的趨勢，且風速最小值存在于阻沙柵欄2～8 cm高度下風向處。

3組風速下風流場的不同之處:在阻沙柵欄底部0～2 cm高度處，風速越大，底部最大風速值越大。6 m/s風速下，最大速度值為10 m/s;10 m/s風速下，最大速度值為15 m/s;15 m/s風速下，最大速度值為20 m/s。隨著風速的增大，底部繞流加速現象增強，與大孔徑阻沙柵欄結論相同。

在阻沙柵欄2～8 cm高度處下風向風影區內，閉合區域范圍隨風速增大略有增大。以2 m/s風速等值線為例，6 m/s風速下，閉合區域范圍約為4H;10 m/s風速下，閉合區域范圍約為6.5H;15 m/s風速下，閉合區域范圍約為7H。可見，風速增大，閉合區域范圍有增大趨勢，但增大幅度較小。

在阻沙柵欄9～10 cm高度處，隨著風速的增大，出現一個逐漸閉合的加速區域。其中，6 m/s風速下，4.5 m/s速度等值線彎曲程度較小;10 m/s風速下，7.5 m/s速度等值線彎曲幅度變大，且逐漸閉合;15 m/s風速下，12 m/s速度等值線明顯閉合，形成加速閉合區域。

1.1.5 小孔徑加速度等值線圖(圖5)

圖5 10 m/s風速下的加速度等值線

通過比較3組風速下的加速度等值線圖可知:在阻沙柵欄上風向，由于阻沙柵欄的阻擋效應形成加速區域;在下風向，形成低速風影區。在阻沙柵欄底部0～2 cm高度處，由于繞流現象形成加速區域。但是3組風速下的加速度等值線圖略有差別。在上風向，不同風速下的加速度值有所差別。6 m/s風速下，上風向最大加速度值為1.4 m/s2;10 m/s風速下，最大加速度值為1.1 m/s2;15 m/s風速下，最大加速度值為1.0 m/s2。可見風速越大，最大加速度值越小。

阻沙柵欄底部最大加速度值隨風速增大無明顯變化規律，分別為2.8，2.6和2.7 m/s2。而阻沙柵欄2～8 cm高度處下風向最大加速度值隨風速的增大明顯減小，3組風速下分別為0.4，0.2 m/s2和0。

1.1.6 大小孔徑阻沙柵欄差別

選取10 m/s風速下大孔徑和小孔徑阻沙柵欄的加速度等值線圖(圖3(b)和圖5)進行比較分析。大孔徑加速度等值線圖結構較小孔徑加速度等值線圖復雜。在阻沙柵欄放置處，大孔徑阻沙柵欄0～3 cm高度范圍內形成加速區;3～8 cm高度范圍內形成減速區;9～11 cm高度處加速度等值線形成加速區，但加速度值較小;12～18 cm高度范圍內再次形成減速區;19～25 cm高度處則形成加速區。

小孔徑加速度等值線圖結構較簡單。在阻沙柵欄放置處，0～2 cm高度范圍內形成加速區域;2～9 cm高度范圍內形成減速區域;9～10 cm高度處形成范圍較小的加速區域;11～22 cm高度范圍內加速度等值線平直無彎曲;而22～25 cm高度范圍內則形成減速區域，與大孔徑減速區19～25 cm高度不同。

在下風向，兩者的影響范圍存在不同。以加速度等值線0.4 m/s2為例，大孔徑其閉合區域范圍約為2H;而小孔徑閉合區域范圍約為11H，其影響范圍遠較大孔徑阻沙柵欄大。

1.2 鍍鋁鋅合金板野外現場試驗

高度1.9 m;材質為DC51+AZ，靜電粉末噴涂防腐;孔隙率為30%，40%;立柱為H型鋼(Q235)。阻沙柵欄外貌如圖6所示。

圖6 阻沙柵欄(DK219處)

現場試驗表明，鍍鋁鋅合金板鋼質柵欄強度高、使用年限長、安裝簡單且很美觀，孔隙率為30%的小孔徑鍍鋁鋅合金板鋼質柵欄對防治風沙效果更加明顯。

1.3 試驗結果

通過以上風洞試驗及野外現場試驗，兩組鋼質柵欄都對風的加速度起到了顯著的作用。①兩組鋼質柵欄極大地削減了風的能量，以加速度等值線0.7為例，在15H處都沒有閉合。由于風的能量與風速的平方為正比例關系，因此在15H距離內風的能量被明顯降低了50%以上。②風速越高，兩組鋼制柵欄對風的能量限制的比例越大。通過加速度曲線可以明顯看到，風速越大，網后加速度等值曲面閉合越遠。因此對于自然界15 m/s以上風速，這兩組鋼質柵欄能起到的作用將會更大。③小孔徑鋼質柵欄的影響要好于大孔徑鋼質柵欄。

2 天然環保新材料

2.1 植物纖維固沙障風洞試驗

試驗在中國科學院寒區旱區環境與工程研究所室內風洞實驗室內完成。試驗指示風速分別為6，10和15 m/s 3組。試驗材料為兩種新型固沙網，分別為椰子殼纖維無紡織網和麻纖維編織網(表2)，測定其在3組風速下的流場圖。

表2 植物纖維固沙障材質

測量位置分別為固沙障上風向－10H，－5H，－2H和 －1H，固沙障下風向 0.5H，1H，2H，4H，8H，12H 和16H。

風流場分析選用兩種固沙障10 m/s風速下的風流場進行對比。分析表明:在固沙障上風向，固沙障對氣流產生擾動減速作用，風速減小，在沙障后形成低速風影區，達到了和草方格相似的流場。

2.2 現場試驗

植物纖維固沙障規格:高20 cm，1 m ×1 m，立柱為開槽帶帽的專用立柱。外貌見圖7。

圖7 JGSHF200-3025A麻纖維固沙障(DK220處)

經過實地觀測，JGSCF200和JGSCF200A兩種植物椰子殼固沙障的抗日曬、雨淋能力較差，壽命較短;而JGSHF200-3025A麻纖維網，強度高，在日曬雨淋條件下，依然完好，適合做防沙材料。

3 結語

從實驗室試驗及野外試驗結果來看，鍍鋁鋅合金板鋼質柵欄在防風治沙上有明顯的效果，且具有強度高、使用年限長、輕便、安裝簡單和美觀的效果，宜選用孔隙率為30%的小孔徑抑塵網;天然環保新材料中麻纖維固沙障固沙效果顯著，抗老化強，宜全線使用。

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