孔隙率對蘆葦沙障風沙防護效果影響分析

李凱崇，譚立海，石 龍，魏永杰

(1.中鐵西北科學研究院有限公司， 甘肅 蘭州 730000；2.中國科學院寒區旱區環境與工程研究所， 甘肅 蘭州 730000；3.西南交通大學 土木工程學院， 四川 成都 610031；4.新疆鐵道勘察設計院有限公司， 新疆 烏魯木齊 830011)

格庫鐵路從庫爾勒出發，沿塔里木河行進，途經依吞布拉克站后，進入青海省，沿線地形平坦，地勢開闊略有起伏，風沙地貌廣布[1-3]。線路在新疆境內全長708 km，其中，沙害段落累計長401 km，約占全長的56.6%，沙害十分嚴重。工程防沙措施作為一種臨時性防護措施，具有種類多樣、適用性強、見效快等特點，常用于鐵路風沙防護工程的先導位置[4-5]。

新疆南疆地區地材豐富，區內不僅有全國四大葦區之一的博斯騰湖，境內的塔里木河、車爾臣河、孔雀河、和田河及葉爾羌河等也存在大面積的蘆葦沼澤[6]，蘆葦材料十分充沛，可用于大范圍的風沙防護工程。國內外學者關于蘆葦沙障開展了一系列研究，大多集中在農田常規防護和低立式格狀沙障防護效益監測等方面。韓致文等[7]通過風洞試驗模擬研究了不同規格高立式蘆葦方格沙障前后的流場分布情況，并給出了各自的適用條件。王文彪等[8]研究了蘆葦及其他農作物秸稈沙障的防風效能，提出上述沙障在10 cm高度處具有明顯的效能，但隨著高度的增大，效果逐漸減小。在高立式蘆葦沙障方面，丁錄勝等[9]通過數值模擬得出，蘆葦高立式沙障對障前3.5H(H為沙障高度)和障后17H范圍有較好遮蔽效果，控沙能力優良。目前相關研究大多集中于評價防護效果和防護范圍等，對沙障風沙防護機理和結構參數優化則涉獵較少，尤其是對高立式蘆葦沙障的研究，鮮有報道。針對上述問題，本文基于格庫鐵路風沙防護工程應用，開展孔隙率對蘆葦沙障風沙防護效果的影響分析，完善鐵路風沙防護理論，為后期風沙防護工程實施提供一定技術支撐。

1 研究方法

1.1 數值仿真模擬

依據格庫鐵路風沙防護工程建立相關仿真模型，分析不同孔隙率沙障前后流場分布特征，評價沙障對風沙流的消能效果。模擬計算區域設定為100 m×20 m，沙障高為2.0 m，模型距來流邊界為40 m，蘆葦束直徑為5 cm，相鄰束間距分別為1、2、3、4、5 cm，對應的孔隙率依次為16.7%、28.6%、37.5%、44.4%、50.0%。來流風速設定為20 m/s；沙粒平均粒徑取0.1 mm，沙粒密度為2 600 kg/m3，初始沙粒相體積分數取0.001，空氣密度為1.225 kg/m3，空氣動力黏度取1.789 4×10-5Pa·s。

入口處風速廓線分布特征為

V(y)=(V*/k)ln(y/y0)

(1)

式中：V(y)為風速；V*為摩阻風速；y為長度；y0為粗糙長度；k為馮卡門常數，通常取0.4。

計算網格劃分類型為Quad,劃分方法為Pave。模型左側邊界為速度入口,右側邊界定義為壓力出口，壁面邊界定義為無滑移邊界，介質類型為Fluid。求解模型采用歐拉雙流體非定常模型，并附加k-ε湍流模型與多相流模型，流場迭代方法采用Simplec法。

由于研究區風速基本都在50 m/s以下，此時速度對空氣密度的影響可忽略不計，故計算過程按不可壓縮流體考慮，密度可視為常數。流體在流動過程中遵守質量方程和動量方程。

質量方程：

(2)

動量方程：

(3)

(4)

(5)

式中，ux、uy、uz分別為速度在x、y、z軸向上的分量;ρ為空氣密度;p為微元體上的壓強;τxx、τyx、τzx為微元體表面黏性應力τ在x、y、z軸的不同分量；g為重力加速度。

1.2 風洞試驗

風洞試驗主要是通過測定沙障阻沙率變化，直觀評價阻沙措施的風沙防護效果。試驗設備采用中科院敦煌戈壁荒漠研究站野外環境風洞，洞體長11 m，橫斷面為0.6 m×0.6 m；流場測定采用比托管，積沙測定采用20 cm高臺階式積沙儀。試驗測試模型高度比為1∶10，沙障孔隙率分別為16.7%、28.6%、37.5%、44.4%、50.0%，來流風速分別為12、16 m/s，沙源為敦煌鳴沙山的沙粒，粒徑分布區間主要集中在0.1～0.25 mm。積沙儀分別布設在測試模型前9H，后7.5H處，測試時間為1 min。

1.3 現場試驗

在格庫鐵路風沙防護工程的對照點、阻沙帶、固沙方格帶等關鍵位置布設積沙儀等監測設備，通過對單場沙塵天氣下防沙工程沿程輸沙率的觀測，計算阻沙率等關鍵參數，以此來評價蘆葦沙障的風沙防護效果。積沙儀布設在第一道蘆葦沙障前20H處(原始對照點)、障后14H處、第二道沙障障后12H處及蘆葦大方格沙障外緣處，具體布設位置見圖1。

2 試驗結果分析

2.1 不同孔隙率沙障周邊水平風速分布情況

風沙流是一種近地表的風沙運動，氣流運動特征決定了沙物質的運動形式，因此，開展沙障周邊流場分布特征研究對掌握沙障風沙防護機理具有十分重要的意義[10-11]。在數值仿真模擬條件下，不同孔隙率蘆葦沙障水平速度沿程分布見圖2。圖2中，沙障在0 m處，負值表示障前，正值表示障后。由圖2可見，過境氣流受沙障影響，平滑風流線出現了明顯波動。在沙障高度范圍以下，流線近似呈“馬鞍”形分布，風速出現了多個分區，形成局部減速區、局部紊流區及氣流恢復區等；且隨著孔隙率的增大，曲線整體往正方向靠攏，風速逐漸趨于正值，說明當沙障孔隙率增大時，背風側渦旋區分布范圍呈現降低趨勢，氣流擾動逐漸減弱，流線趨于平滑，理論風力消減效果變差，風沙防護效果降低。對比床面不同高度處的流線數值還可以看出，隨著測點高度的增大，沙障背風側低速渦旋區分布范圍呈縮減趨勢；且隨著風速逐漸增大，阻沙效果變差，表明高立式蘆葦沙障主要作用對象為近地表風場，對上層氣流的影響力十分微弱。

圖2 不同孔隙率蘆葦沙障氣流水平分速度沿程分布

2.2 不同孔隙率沙障周邊垂直風速分布情況

在數值仿真模擬下，不同孔隙率蘆葦沙障氣流垂向分速度沿程分布見圖3。由圖3可見，在障前區域，受沙障抬升作用影響，越靠近沙障風速越大，并在沙障正上方達到峰值。當氣流越過沙障后，速度逐漸減小，在背風側一定范圍內呈現正負值波動，方向復雜多變，且逐漸趨于谷值；之后隨著距離的增大，沙障對氣流的擾動進一步降低，風速逐漸恢復至主流區速度。分析圖3中數據發現，當孔隙率為16.7%時，背風側渦旋區氣流上下分速度波動較小，水平分布范圍最大，風力消減效果最優；而當孔隙率為28.6%～50.0%時，隨著間距的增大，渦旋區負方向速度分量呈現縮減的趨勢，說明隨著間距的增大，渦旋區動力呈現降低趨勢，氣流擾動減弱，沙粒可移動性有所增強。

分析同一床面不同高度處的流線數值可得：在沙障自身高度范圍內，背風側渦旋區垂直分速度值與高度呈現一定的正相關變化，高度越高，速度垂向分量越大；但當高度超過沙障后，其變化趨勢趨于雜亂，說明此時沙障對氣流的影響程度減弱，風速變化無明顯的規律性。對比圖中數據，還可以看出，孔隙率大小與沙障位置處(0 m處)的垂向分速度成反比，孔隙率越大，氣流的垂向速度值越小；說明同一情況下，隨著孔隙率的增大，沙障對氣流的阻礙呈現下降的趨勢，上浮力的減少使得沙粒翻越沙障的機率降低，沙物質堆積區會逐漸由障后向障前過渡。

圖3 不同孔隙率蘆葦沙障垂向分速度沿程分布

2.3 不同孔隙率沙障阻沙效果評價

兩種攜沙氣流作用下蘆葦沙障阻沙率風洞測試見圖4。由圖4可見，高立式蘆葦沙障防沙效果較優，可以較好地起到風沙流凈化效果[9]。與數值仿真結果類似，隨著孔隙率的增大，阻沙率呈現先緩后急的下降趨勢。在16.7%～37.5%的孔隙率范圍內，阻沙率下降趨勢較為緩慢；但隨著孔隙率的進一步增大，阻沙率急劇下降。

圖4 不同孔隙率高立式蘆葦沙障阻沙率分布

當沙源恒定時，在12 m/s來流風速下，孔隙率為37.5%的蘆葦沙障累計阻沙率可達74.43%；但當孔隙率增加至44.4%時，阻沙率下降至53.5%，降低趨勢十分明顯。說明隨著孔隙率的增大，障后風沙流的擾動強度逐漸減弱，流場趨于平滑，風力值逐漸變大，風沙流中沙物質的上浮力和運動能力明顯提升，阻沙效率降低。當來流風速增加至16 m/s時，沙障阻沙率的整體變化趨勢與12 m/s時類似，阻沙率和孔隙率也呈負相關變化，但其阻沙率明顯偏小。說明隨著風速的增加，阻沙率呈現下降的變化趨勢；尤其是當孔隙率增加至50.0%時，12、16 m/s風速下的沙障對應的阻沙率幾乎差別不大，進一步說明孔隙率是影響沙障阻沙效果的重要參數之一。

工程應用中要綜合考慮工程造價和防護效果，當孔隙率在16.7%～37.5%時，各沙障的整體阻沙效果較好，且相互之間差異較小。此時選擇大的孔隙率，既可滿足防護效果又可有效降低工程造價。因此建議高立式蘆葦沙障的適宜孔隙率為28.6%～37.5%，可根據風沙環境的差異進行適當的調整。

2.4 現場效果驗證

南疆米蘭地區地表荒蕪，地勢平坦開闊，為塔里木盆地山前沖、洪積傾斜平原區。氣候干旱少雨，冬季寒冷，夏季炎熱，年蒸發量約為降水量的103倍，極端最大風速≥40 m/s，為暖溫帶大陸性荒漠干旱氣候。

格庫鐵路DK734+494—DK734+787位于米蘭戈壁荒漠區，地表荒蕪，植被覆蓋度幾乎為零。經勘查，區內戈壁礫石覆蓋度介于40%～50%，地表以下50 cm范圍內含有大量0.1～0.25 mm的細沙，極易被風蝕，形成戈壁風沙流，影響行車安全。為保證風沙區鐵路正常運營，降低風沙流對線路的侵蝕，采用2道2.0 m蘆葦高立式沙障(孔隙率都為37.5%)和40 m寬蘆葦大方格沙障的復合風沙防護工程。DK734+494—DK734+787防沙工程防護效果分析見圖5，由圖5可見，在風沙流逐漸向鐵路路基逼近的過程中，輸沙率呈現明顯下降趨勢，尤其是經過前沿第一道阻沙措施后，氣流中的含沙量下降趨勢十分顯著；之后受風沙流中沙物質含量的影響，凈化難度加大，使得輸沙率降低趨勢減弱。分析阻沙率的工程防護體系斷面變化可得，高立式蘆葦沙障起到了很好地防沙效果，攜沙氣流經過第一道沙障后，輸沙率從3.37 g·m2/s降低至0.207 g·m2/s，阻沙率高達93.86%；之后經過第二道高立式蘆葦沙障和大方格阻固結合帶逐級凈化后，到達路基本體的輸沙率僅為0.029 g·m2/s，整體阻沙率為99.14%，風沙防護效果優良。

圖5 DK734+494—DK734+787防沙體系防護效果分析

3 結論

(1)蘆葦沙障孔隙率分布特征對其防風效益影響較大，孔隙率大小與背風側渦旋區分布范圍呈負相關變化。孔隙率越小，背風側低速區水平分布范圍越大，風力消減效果越顯著。

(2)在沙障高度范圍內，背風側氣流垂向分速度隨著高度的增加呈上升趨勢；當高度固定時，沙障孔隙率越大，障后垂向下風力值越小，沙粒沉降能力越弱，易出現積沙運移現象。

(3)在不同來流風速下，隨著沙障孔隙率的增大，阻沙率呈現先緩后急的下降趨勢，且隨著風速的增大，阻沙率之間的差異降低；從工程應用出發，建議蘆葦高立式沙障的最優孔隙率取值區間為28.6%～37.5%。

(4)在格庫鐵路戈壁風沙流地段，孔隙率為37.5%的高立式蘆葦沙障起到了很好的防沙效果，經單道前沿沙障凈化后，輸沙率可從3.37 g·m2/s降低至0.207 g·m2/s，阻沙率為93.86%。