沙漠腹地公路高立式沙障防風阻沙性能研究

楊偉超 ，岳歡，鄧鍔

(1. 中南大學 土木工程學院，湖南 長沙 410075；2. 中南大學 高速鐵路建造技術國家工程研究中心，湖南 長沙 410075；3. 香港理工大學 國家軌道交通電氣化與自動化工程技術研究中心香港分中心，中國 香港 999077；4. 香港理工大學 土木與環境工程系，中國 香港 999077)

沙漠腹地地形起伏大，風沙運動活躍，年風沙天數多達200 d，最大風力11級，風沙危害嚴重。風沙危害產生于風沙運動的整個過程中，沙粒脫離地表過程中形成風蝕危害，移動過程中形成風沙流危害，沙粒再堆積形成沙埋危害。隨著西北公路建設的快速發展，更多的公路將橫穿沙漠腹地，車輛的運行安全將受到風沙流的威脅。高速公路的設計時速往往高達100 km/h，其不允許路面出現沙粒堆積，這對高速公路防護設施的防沙性能提出了極高的要求。高立式沙障的工作原理是增加沙漠地表粗糙度、人為改變風速廓線，達到減弱地表風速、減小風力的作用。實驗表明：采用高立式沙障進行防風固沙的區域，其地表粗糙度最高可達到其他區域的200倍以上，風沙流動率最小甚至可達到其他區域的1%及以下。因此，高立式沙障在沙漠腹地公路沿線逐漸被廣泛應用。國內外學者對風沙流運動和風沙防治展開了大量的研究，現場實測主要集中在風沙流的輸移特征及其結構等方面[1-9]；數值計算主要采用風沙兩相流和顆粒流2種計算方法。部分研究者采用數值模擬研究了風沙流在涵洞、軌道、路堤和路塹的運動規律[10-14]。張軍平等[15]運用Fluent軟件，采用風沙兩相流計算方法對蘭新鐵路路基周圍風沙流特征進行數值分析。結果表明，迎風側坡腳、路基表面附近和背風側坡腳產生積沙，迎風側路肩上方產生風蝕沙害；且迎風側坡腳的積沙多于背風側坡腳。韓峰等[16-18]模擬了風沙流對擋沙墻的響應規律并對擋沙墻的設計參數進行優化。基于氣固兩相流模擬，李馳等[19]通過Fluent運用k-ε湍流模型，對風沙環境下沙漠路基的風蝕破壞規律進行數值模擬研究，總結出路基坡面特征點的風速變化規律，對路基合理高度給出了建議。王連等[20]通過Fluent數值模擬的多孔介質條件沙障的計算結果與全斷面PE網風洞試驗數據對比；證明通過參數的合理控制，多孔介質方法適用于尼龍網沙障的數值模擬。SARAFRAZI等[21]研究者基于雷諾時均湍流模型和密集離散相法研究了沙塵暴期間鐵路線旁擋風墻的擋沙性能。結果表明：沙子顆粒直徑越大，擋風墻后的有效遮掩距離越小，而增大風速又會增大該距離。最終確定了擋風墻與軌道之間的最佳距離。現有研究多數針對風沙在沙漠公路和鐵路的運動規律進行分析，高立式沙障及其參數對風沙流運動規律影響的研究鮮有報導。本文基于沙漠腹地風場測試和Fluent歐拉兩相流數值模擬，研究高立式沙障和沙漠腹地公路周圍的風沙流結構，得出高立式沙障及參數變化對風沙流運動和沙粒沉積特征的影響規律，以期為沙漠腹地公路的風沙流災害防治提供參考。

1 風沙兩相流數值模型

1.1 幾何建模及網格劃分

高立式沙障示意圖如圖1所示，采用ICEM CFD軟件建立二維簡化模型(圖2)，計算域的長度為196 m，高度為30 m，計算域入口距第1排沙障25 m，計算域的出口距路基75 m，路基頂面寬度為26 m(雙向4車道)，邊坡坡率為1:4，沙障高度分別為1.5，1.7和2.0 m，沙障分別為2～5排。網格劃分采用CFD的六面體網格加依附于六面體網格的附加邊界層網格，對近地表區域和柵欄模型附近網格進行局部加密；最小網格尺寸約為1 mm，檢查網格質量合格。最終，柵欄模型網格總數約為180萬。

圖1 高立式沙障示意圖Fig. 1 Schematic diagram of high vertical sand barrier

圖2 沙障和路基的幾何模型Fig. 2 Geometric model of sand barrier and roadbed

1.2 計算參數和邊界條件

沙障和路基的網格和邊界條件如圖3所示。速度入口風沙流的速度取20 m/s，采用式(1)生成風速輪廓線；風沙流中沙粒粒徑取0.1 mm；采用開口率為50%的沙障，多孔介質的透風率為50%。左側采用速度入口(Velocity-inlet)，右側采用出口(outlet)；頂部采用對稱邊界(Symmetry)，地面及路基采用無滑移wall (No-slip Wall)，粗糙高度為0.02 m[11]。在沙障前方設置0.15 m高，20 m長的區域沙床。

圖3 沙障和路基網格和邊界條件Fig. 3 Sand barrier and subgrade mesh and boundary conditions

式中：ν*為摩阻風速；k為粗糙長度；k為馮卡門常數，通常取0.4；z0為粗糙高度。

1.3 FLUENT求解模型

求解模型采用歐拉雙流體非定常模型。假設湍流完全發展，采用k-ε湍流模型與多相流模型，湍流強度I=0.05。流場求解算法采用SIMPLEC算法。

2 數值模型驗證

2.1 網格獨立性驗證

為驗證數值模型的網格獨立性，通過調整沙障和路基邊界層的網格尺寸參數分別建立了低、中、高3種分辨率級別的網格模型。3個模型的總網格單元數分別為100萬(低分辨率)、180萬(中分辨率)和300萬(高分辨率)，在垂直沙障方向施加恒定風速為20 m/s的來流風。在速度入口后5 m以風速輪廓線為監測指標，圖4給出了3個模型監測指標的對比情況。結果表明，網格單元數量為180萬的模型與單元數量為300萬的模型計算結果吻合較好，相對誤差僅相差約3%。因此，采用具有180萬網格單元數量的模型是合理的。

圖4 不同網格分辨率條件下風速輪廓線對比Fig. 4 Comparison of wind speed profiles under different grid resolutions

2.2 數值模擬與沙漠腹地實測驗證

2.2.1 高立式沙障的防風阻沙性能現場測試

為驗證歐拉雙流體和多孔介質模型的合理性，在寧夏中衛沙漠公路實驗基地對高立式沙障的防風阻沙性能進行測試并與數值模擬結果進行對比論證。如圖5所示，共布置2臺Gill Wind Master Pro型三維超聲風速儀，第1臺風速儀在第1排沙障迎風側前方1 m，距離地面高度1 m處，第2臺風速儀布置在第4排沙障背風側后1 m，距離地面高度1 m高度處。風速儀分辨率為0.01 m/s，精度可達1.5%RMS@12 m/s，采樣和輸出頻率均為32 Hz。數據采集系統由Campbell CR6型數據采集器、儲存卡以及接頭轉換器組裝而成，通過USB數據線將采集的數據導入計算機終端進行處理，采樣時間從2022年3月7號12:00時至3月12號12:00時。

圖5 沙漠公路實驗基地沙障測試圖Fig. 5 Sand barrier in the desert highway experimental base

圖6為3月10號捕捉到大風天的風速時程數據，經測定沙粒的啟動風速大于5.2 m/s，所以選取風速大于5.2 m/s的風速數據進行分析得到如圖7所示的風向玫瑰圖，主流風向基本垂直于沙障，范圍在350°～5°內。經計算大于5.2 m/s的風速數據的平均風速為7.86 m/s，湍流強度為0.05，數值模擬取該湍流強度較為合理。高立式沙障周圍沙塵沉積情況如圖8所示，沙塵在第1排沙障迎風側沉積，沙塵成分大多為草木等碎屑以及大顆粒沙粒(顆粒直徑大于0.125 mm)，沙塵沉積厚度最高為11 cm，極細小沙塵(0.063～0.125 mm)穿過第1排沙障在沙障內部沉積或繼續運動，因此有必要設置多層沙障以阻擋小顆粒沙塵運動。

圖6 大風期風速時程圖Fig. 6 Wind speed time history during strong wind period

圖7 風向玫瑰圖Fig. 7 Wind rose diagram

圖8 沙障迎風面沙塵Fig. 8 Sand and dust of sand barrier windward side

2.2.2 實測風速與數值模擬風速驗證

通過編制UDF程序將沙漠腹地15 s實測風速加載至Velocity-inlet邊界，在數值模型布置2個風速測點與實測風速值進行對比；在第1排沙障迎風側前方1 m，距離地面高度1 m布置風速監測點1號，第2排沙障背風側后方1 m，距離地面高度1 m布置風速監測點2號。由圖9可知，模型中的風速監測值與沙漠腹地實測值基本吻合，證明多孔介質和歐拉雙流體非定常模型可以比較精確地模擬風沙流對高立式沙障的響應規律。

圖9 數值模擬風速值與實測值對比Fig. 9 Comparison of numerical simulation wind speed value and measured value

3 數值結果分析

3.1 沙障周圍風沙流速度分布特征

以初始風速20 m/s為例，模擬風沙流在沙障和路基的運動規律，得到路基高度2.5 m，坡度1:4；4排1.7 m高沙障周圍風沙流流線圖如圖10所示，主導風向從左到右。

圖10 4排高度1.7 m沙障的風沙流流線圖Fig. 10 Streamline figure of wind and sand flow of 4 rows of sand barriers with a height of 1.7 m

由圖10分析可知：沙障使氣流擾動，沙障周圍氣流出現分區。沙障對氣流的阻擋，在第1排沙障前面形成減速區(A區)，風速降至6 m/s以下；氣流在沙障上部被抬升，在第1排沙障的上方形成紊流區(B區)，風速在6～20 m/s快速變化。在兩排沙障中間形成了渦旋低速區(C區)，風速在0～4 m/s之間；第1排沙障和第2排沙障之間往往形成回流，第2排沙障的上升氣流越過沙障匯入第1排的下沉氣流，再次進入渦旋并隨其運動。之后由于沙障對氣流的擾動逐漸減小，風速逐漸恢復到主流區的風速形成層流穩定區(D區)。

3.2 沙障周圍風沙流壓力分布特征

以初始速度20 m/s為例，模擬沙障和路基共同作用下風沙流運動規律，得到路基高度2.5 m，坡度1:4；4排1.7 m高沙障周圍壓力云圖如圖11所示，主導風向從左到右。

由圖11分析可知：由于沙障對氣流的阻擋，氣流在沙障的迎風側被壓縮，則高于標準大氣壓形成高正壓區(A區)，正壓達90 Pa；氣流速度在沙障的背風側快速降低，風沙流在沙障的背風側形成渦旋流，同時氣流的壓力低于標準大氣壓，在前兩排沙障中處于高低負壓區(C區)，低壓可達-90 Pa；在沙障上方，氣流速度的快速變化造成沙障上方形成湍流區，氣壓由正壓快速降至負壓，此區域稱為壓力過渡區(B區)。氣流經過沙障后壓力會恢復到標準大氣壓，此區域稱為壓力恢復區(D區)。

圖11 4排高度1.7 m沙障的風沙流壓力圖Fig. 11 Wind-sand flow pressure figure of 4 rows of sand barriers with a height of 1.7 m

3.3 沙障排數對風沙流運動特性的影響

隨著沙障排數的增加，風沙流的運動規律將發生極大的改變，為了更好地研究多排沙障周圍風沙流運動，提取距地面0.5 m高度處的水平和豎直風速沿程分布圖如圖12所示，0.5 m高度不同排數沙障下坡腳、路肩速度變化表如表1所示。

圖12 不同沙障排數下距離地面0.5 m高度風速分布圖Fig. 12 Distribution of wind speed at 0.5 m height above the ground under different numbers of sand barriers

表1 0.5 m高度不同排數沙障下坡腳、路肩速度變化Table 1 Variation table of the downhill foot and road shoulder speed of different rows of sand barriers at a height of 0.5 m

3.3.1 水平風速

水平風速大體呈現“V”型趨勢，氣流在第1排沙障的前方被快速阻擋，水平風速降至0 m/s左右與李凱崇等[22]的HDPE網沙障的設置角度對風沙流影響的實驗結果大致相同。氣流速度遠離沙障后逐漸恢復，但未能恢復到無防護時相應的風速。在路面高度0.5 m處，5排沙障的防護下，路基的迎風側坡腳和路肩的水平風速分別從11.05 m/s，20.22 m/s下降至5.37 m/s，14.59 m/s，速度的降低率達54.13%，27.83%；路基的背風側路肩的水平風速分別從22.31 m/s，9.44 m/s下降至15.63 m/s，7.50 m/s左右，速度的降低率達29.92%，21.84%。可見，隨著沙障排數的增加，高立式沙障周圍風速驟減，沙塵的運動速率在沙障內部逐步降低；同時路基沿程的水平風速也逐步降低，減小路基的風蝕危害。

3.3.2 豎直風速

沙障對氣流的抬升作用，越靠近沙障氣流豎直風速越大，并在第1排沙障的正上方達到峰值4 m/s；氣流穿越沙障后下沉，風速逐漸減小，負峰值出現在第1排和第2排沙障中間處達到-3 m/s。第1排和第2排沙障對氣流的豎直風速影響最大，隨著沙障排數的增加，豎直風速同樣呈現正負值波動，方向復雜多變，進一步驗證了渦旋流的存在。在路肩的迎風側，豎直風速由無防護的4.2 m/s降低至2.7 m/s左右，豎直風速小于沙粒的最小啟動速度(5.2 m/s)，沙粒難以再次躍移，說明沙障達到了理想的防沙效果。

3.3.3 沙障周圍風沙流的運動特征

圖13為不同沙障排數下沙粒體積分數云圖，風向從左到右，不同顏色代表不同的體積分數(藍色為最小，紅色為最大)。紅色區域代表沙粒基本已沉積在此處，其他顏色代表沙粒在以蠕移、躍移、懸移的方式運動。

圖13 沙障高度為1.7 m，不同排數沙障的沙粒體積分數云圖Fig. 13 Cloud figure of sand volume fraction with different row numbers of sand barriers with a height of 1.7 m

由圖13分析可知：隨著沙障排數的增大，沉積在沙障周圍的總積沙量與積沙高度均發生明顯變化。當只有2排沙障時，大顆粒沙塵在沙障迎風側部分沉積，小顆粒沙塵沙粒穿過2排沙障隨著氣流運動到路基的迎風坡。布置3排沙障時，僅有少量沙粒運動至路基。當布置4到5排沙障時，可以發現沙粒大量沉積在第1排和第2排沙障的中間，后兩排沙障攔截少量躍移過前排沙障的沙粒。由此可見，沙障至少設置3排及以上。

3.4 沙障高度對風沙流運動特性的影響

初始風速速度20 m/s，風向從左到右，路塹高度2.5 m，坡度1:4，對沙障高度1.5 m和2.0 m，4排高立式沙障進行數值模擬。提取路面0.5 m的水平和豎直風速，分析沙障對氣流的減速效果，得到0.5 m高度風速沿程如圖14所示和0.5 m高度4排沙障下坡腳、路肩速度變化表如表2所示。1.5 m和2.0 m高度沙障排數下沙粒體積分數云圖如圖15所示。

圖15 沙障排數為4，不同沙障高度的沙粒體積分數云圖Fig. 15 Number of sand barriers is 4， and the cloud figure of sand volume fraction at different sand barrier heights

表2 0.5 m高度4排不同高度沙障下坡腳、路肩速度變化Table 2 Variation table of downhill foot and road shoulder speed of 4 rows of sand barriers with different heights at a height of 0.5 m

圖14 距離地面0.5 m高度風速分布圖Fig. 14 Distribution figure of wind speed at 0.5 m height above the ground

3.4.1 水平和豎直風速

在2.0 m沙障的防護下，路基的迎風坡路肩水平風速比1.5 m沙障的相應值低3～5 m/s，風速的降低率最高達61.79%；豎直風速也比1.5 m沙障的相應值低0.5 m/s。由此可見，風速值一定時，隨著沙障高度的增加，沙障背風側低速渦流區范圍逐漸增大，防沙效果得到顯著的提高，躍移穿過沙障的沙塵減少。

3.4.2 沙障周圍風沙流的運動特征

1.5 m高的沙障的積沙主要沉積在前3排沙障，在第1排和第2排沙障內部出現沙粒的堆積較多。可能是第1排沙障周圍風速較大導致更多沙粒越過第1排沙障而繼續運動。2.0 m高度的沙障，使風速快速的降低，第1排沙障前方有明顯的減速區；沙粒主要在第1排沙障迎風側前沉積，第1排和第2排沙粒堆積較少。

4 結論

1) 氣流在沙障迎風側前方區域減速，風速快速下降導致氣流攜沙能力減弱沙粒在沙障的周圍沉積，草木等碎屑以及大顆粒沙粒(顆粒直徑大于0.125 mm)在沙障迎風側沉積，極細小沙塵(0.063～0.125 mm)穿過第1排沙障在沙障內部沉積或繼續運動。

2) 隨著沙障排數的增加，路基沿程的水平風速逐步降低；3排及其以上沙障可以較好的阻擋風沙流的運動。在路面高度1.0 m，5排沙障的防護下，路基的迎風側坡腳水平風速從11.05 m/s下降至5.37 m/s，速度的降低率達54.13%。沙障排數的增加對氣流速度豎直分量影響較小。

3) 隨著沙障高度的增高，路基范圍內風速也得到降低。在2.0 m沙障的防護下，路基的迎風坡和背風坡的路肩氣流水平風速比1.5 m沙障的相應值低3～5 m/s，降低率最高達61.79%；豎直風速也比1.5 m沙障的相應值低0.5 m/s。