風速對草方格沙障防沙效果的影響研究

王佳斌，崔言晨，張慶宇，李天宇，侯 寧，董 笛

(山東交通學院 交通土建工程學院，山東 濟南 250357)

土地荒漠化的加劇對沙漠地區及沙漠邊緣地區的農田和基礎設施造成了嚴重的危害[1]，沙漠地區公路工程長久以來面臨著沙埋和風蝕的難題[2-3]。在防沙治沙斗爭中，人們探索出了一批成效顯著的防沙固沙措施，主要包括工程防沙、化學固沙、植物固沙等。

在上述的三種防沙固沙措施中，以草方格沙障為代表的工程防沙措施見效快，對環境污染小。草方格沙障的工作原理是通過改變沙床粗糙程度、削弱風流場的能量來實現防風固沙[4]，因其施工快捷、工藝簡單、效果顯著，故被作為一種普遍高效的沙漠公路防沙固沙措施[5]。鄭曉靜等[6]通過單排理想渦列模型模擬風沙流場，分析出障間距離與出露草頭高度之間的對應關系；劉紹中等[7]采用數值分析的方法計算了近地面湍流邊界層的速度分布和躍移軌跡，得到了躍移的運動要素；劉賢萬[8]基于顆粒運動分析了初始沙粒起跳問題。然而由于草方格內風沙流場的復雜性，現場草方格規格的選取大多采用經驗法[9]，因此勢必造成材料的浪費和阻沙效果的不確定性。

為此，本研究擬通過數值仿真模擬分析風速對草方格沙障防沙效果的影響，研究風速對不同規格(草方格高度、間距)草方格沙障風沙躍遷率的影響關系，以期為沙漠地區草方格沙障的設計與施工提供參考依據。

1 數值仿真模型

1.1 模型參數

沙粒在床面受重力和摩阻力作用，風可以給沙粒帶來拖曳力[10]，當拖曳力大于沙粒所受的重力和摩阻力時，即風速大于沙粒本身的起動風速時，沙粒受表面拖曳力作用進入空中。在空中風會對沙粒進行加速，使沙粒以一定的速度下落到床面，對床面上其他沙粒產生擊濺作用[11]，床面上的沙粒受擊濺作用進入空中，而產生擊濺的沙粒也會發生反彈進入空中，進而從單沙粒運動轉變為多沙粒運動，形成風沙流。當流場和床面發生變化時，沙粒會進行相應的調整并與流場產生相互反饋，導致流場與躍遷率之間產生復雜演化。

通過對多種兩相流數理模型的分析，選擇采用軌道顆粒模型[12]來模擬風沙流運動，流體相在歐拉坐標系內選取大渦模擬[13]，采用離散單元法追蹤單顆顆粒[14]。

1.2 模型建立

在開始計算時，需要定義初始狀態，在模型內隨機給定風沙流啟動的誘發粒子，這些誘發粒子的角度和速度具有隨機性，當這些誘發粒子碰撞床面會擊濺起其他粒子并且其本身將會反彈，擊濺和反彈的粒子將會重新進入空中，直到整個風沙流場形成飽和穩定的風沙流。

在模型中改變風速、草方格高度、草方格間距等相關參數，整個風沙流場將發生相應的變化。為了更好地表達不同規格和不同風速下的草方格阻沙效率和風沙流場的情況，從左向右水平方向等距離設置觀測點(距風口距離分別為1～9 m，各觀測點間隔為1 m)，可以記錄經過觀測點的沙粒數目。為了描述方便，定義風沙躍遷率w(%)為風沙流場達到穩定飽和狀態時單位時間內通過某一觀測點的沙粒數目占風沙流場中運動沙粒總數目的比例，表達式為

(1)

式中：M0表示風沙流場中運動沙粒總數目；Mi表示通過第i觀測點的沙粒數目。

2 數值模擬結果與分析

2.1 不同觀測點的躍遷率變化

建立高度為15 cm、間距為75 cm的草方格模型，當風沙流場趨于穩定時提取各個觀測點處的躍遷率。不同風速下草方格沙障的風沙躍遷率結果見圖1。

圖1 不同風速下草方格沙障的風沙躍遷率隨觀測點的變化

由圖1可以看出，隨距風口距離的增大，不同風速下躍遷率均不斷減小，且下降速率逐漸趨于平緩。同時，風速對躍遷率影響顯著，同一觀測點下風速越大躍遷率越大。風速為2 m/s時，躍遷率在第1個觀測點前下降近90%，在第1觀測點后趨于平緩；風速為4～10 m/s時，躍遷率變化曲線的趨勢較一致，均在第5觀測點前下降速率較快，之后開始趨于穩定；當風速達12、14 m/s時躍遷率下降較小，躍遷率均在65%以上。故認為風速達到12 m/s以上時，該規格草方格沙障已失去防沙效果。

2.2 不同模型躍遷率與風速的關系

前文分析了單一模型不同風速下躍遷率隨觀測點的變化規律。為探究不同草方格沙障模型躍遷率與風速的關系，合理設計草方格沙障規格，需要對多種不同規格的草方格進行模擬分析。

編輯修改模型的風速、草方格規格，選取工程中常用的草方格高度和草方格間距，將兩種變量進行排列組合，得到表1中的9種組合。

表1 不同模型參數

從圖1可知，在第6觀測點處不同風速(不大于10 m/s)的躍遷率變化開始趨于平緩，且該觀測點能較好地反映防沙效果，故對以上9種模型均在第6觀測點處進行躍遷率-風速的統計分析，結果見圖2，擬合方程見表2。

圖2 不同模型下草方格沙障躍遷率-風速變化

表2 不同模型下草方格沙障躍遷率-風速擬合方程

圖2為9種模型草方格沙障風沙躍遷率隨風速的變化圖。由圖2可以看出，躍遷率隨風速的增大而增大,而在同一風速下躍遷率越小草方格沙障阻沙效果越好。不同規格草方格沙障躍遷率-風速變化曲線的形狀差異較大，但是9種模型的變化曲線均符合三次函數關系y=ax3+bx2+cx+d(式中：y為躍遷率；x為風速；a、b、c、d均為系數)，且判定系數R2均大于0.98。由于不同規格草方格沙障的防沙效果不同，因此在工程實際中需綜合考慮當地氣候條件、工程造價及施工周期，同時參考圖2和表2相關結果來選取符合工程需要的草方格沙障規格。

3 結 論

為使草方格沙障在沙漠地區公路工程中更有效地廣泛應用，我們采用數值仿真模型研究了風速對草方格沙障防沙效果的影響規律，得到以下主要研究結論：

(1)風速對躍遷率的影響顯著，同一觀測點下風速越大，躍遷率越大。

(2)躍遷率隨風速的增大而增大，躍遷率-風速變化曲線符合三次函數關系，且判定系數R2均大于0.98，擬合度良好。

(3)為優化草方格沙障防沙工程的設計與施工，建立了不同規格下草方格沙障躍遷率-風速擬合模型，相關專業人員可參考躍遷率-風速擬合模型選取符合實際工程需要的草方格沙障規格。