高立式擋沙墻防護效益分析

摘要：隨著高速鐵路的快速發展，在西北地區，大量鐵路干線建設并投入使用。受西北地區獨特的環境影響，鐵路沿線設備遭受風沙的侵害愈加嚴重，風沙災害給鐵路運營造成了不可估量的損失。基于風沙兩相流理論，建立歐拉雙流體模型[wl1]"，對高立式擋沙墻進行數值模擬計算，探究了不同風速和不同高度對擋沙墻的防護效益的影響規律。結果可為鐵路防沙治沙工程提供一定的理論依據。

關鍵詞：數值模擬"" 高立式擋沙墻"" 防護效益"" 風沙侵害

Benefit Analysis of High Vertical Sand Barrier Wall Protection

ZHANG Zhan

Shaanxi College of Communication Technology， Xi'an， Shaanxi Province， 710000 China

Abstract： With the rapid development of high-speed railways， a large number of railway trunk lines have been constructed and put into use in the northwest region. Due to the unique environment impact inof the northwest region， equipment along the railway has been increasingly affected by sandstorms， which have caused incalculable losses to railway operations. Based on the theory of wind and sand two-phase flowEuler two fluid model， an Euler two fluid model was established to numerically simulate and calculate numerical simulation calculations were conducted on a high vertical sand barrier， to exploringe the impact of different wind speeds and heights on the protective effectiveness of the sand barrier. The results can provide a theoretical basis for railway sand prevention and control projects.

Key Wwords： Numerical simulation; High vertical sand barrier wall; Protective benefits; Wind and sand invasion

隨著全球氣候變化和沙漠化進程的加劇，風沙災害對交通基礎設施、生態環境和人類社會活動構成了嚴重威脅。高立式擋沙墻作為一種創新的防護設施，通過增加地表粗糙度、改變風速廓線等機制，實現了防風固沙的效果。國內學者對高立式擋沙墻的工作原理、結構設計、材料選擇等方面進行了深入研究。通過分析擋沙墻前后的氣流擾動、風速變化、沙粒沉積等現象，揭示了其防風固沙的機理。國內在鐵路、公路、建筑工地等領域廣泛應用了高立式擋沙墻，并積累了豐富的實踐經驗，這些實踐為進一步優化設計、提高防護效果提供了有力支持。鐵路風沙防治基本可以分為兩大類：一類是機械防治；另一類是生物防治^[1]。生物防治措施因西北地區環境惡劣而無法開展，相比之下，機械防治在西北地區顯得尤為重要。

1 數值模型建立

沙粒在空氣中運動時，起主要作用的力為拖曳力、馬格努力和重力，并且3個力作用在同一平面內^[2]。將模型簡化為二維模型，擋沙墻放置在距離計算域入口30 m處。

2 網格劃分

采用ICEM[wl4]"[5]"-CFD軟件對計算域進行網格離散，對擋沙墻周圍1 m進行網格加密。由于地表層對風沙流的影響較大^[3]，因此對壁面設置邊界層。網格加密區域最小尺寸為0.002 m，其他區域均為0.02 m的正四邊形網格，網格總體數量在20萬左右，網格質量為1。

3 擋沙墻周圍的流場特性分析

為探究直立式擋沙墻周圍的流場特性，選取來流風速為20 m/s、擋沙墻高度為2 m來進行數值模擬計算。

分析圖2分析，可知：當風沙流流經擋沙墻時，會形成明顯的速度分區、遇阻減速區A、擋沙墻正上方的加速區B、背風測的渦流區D與遠離擋沙墻的恢復區[wl8]"[9]"E。分析圖3，可知：在擋沙墻迎風側墻角處有大量積沙，沒有沉積的沙粒還在以蠕移、躍移、懸移等方式運動，可以看出：沙粒基本累積在直立式擋沙墻迎風側的墻角處，背風測幾乎沒有積沙。

4" 風速對直立式擋沙墻防護效益的影響規律

為探究來流風速對直立式擋沙墻速度和積沙的影響規律，選取擋沙墻的高度為2 m，以及風速分別為10、15、20、25 m/s來進行數值模擬計算^[4]。

由圖4可得：隨著風速的增大，加速區和渦流區變大，擋沙墻背風測的氣流變化更為劇烈，渦流區逐漸向背風測遠離墻體的方向轉移，加速區向擋沙墻正上方移動；[wl10]"[11]"風速越大時，帶動的沙粒越多，沉積的沙粒也越多^[4]。由圖5可看出，積沙云圖與實際情況相符。

5高度對直立式擋沙墻防護效益的影響規律

選取來流風速為20m/s，以及擋沙墻高度分別為1.5、2、3 m來進行數值模擬。

由圖6～圖7分析可得：速度分布云圖和積沙分布云圖有很好的對應性，隨著高度的增加，擋沙墻的有效遮蔽區域增大，防護效益就更好。分析積沙分布云圖可知：高度越高，擋沙墻的阻礙作用更強，有更多的沙粒會累積在擋沙墻迎風側墻角處。實際施工中，墻體越高，承載風壓越大^[5]。若在強風區使用，則應使用復合式擋沙措施，以避免增加擋沙墻高度^[6]。

6結語

高立式擋沙墻有良好的防風阻沙效果，高度為2 m的擋沙墻可以滿足日常的防沙要求。在風速等級較高的地區，可以適當增加高度或采用復合式沙障。累積在擋沙墻墻角處的積沙可以通過人工清沙，從而保證擋沙墻良好的防護性能和使用壽命。

參考文獻

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