格庫鐵路不同固沙措施的防護效益

梁柯鑫, 王起才,2, 崔曉寧, 張 凱,2, 張戎令,2, 楊志冬

(1.蘭州交通大學 土木工程學院, 甘肅 蘭州 730070; 2.道橋工程災(zāi)害防治技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實驗室,甘肅 蘭州 730070; 3.中國鐵路青藏集團有限公司格庫鐵路建設(shè)指揮部， 青海 格爾木 816000)

防沙工程，從其作用原理和功能來劃分，有固沙措施、阻沙措施和輸導措施。固沙措施是阻滯氣固兩相流在床面上相互作用，固定活動床面；阻沙措施是增大風沙流運動的阻力，阻滯和攔截過境風沙流；輸導措施是減少風沙流運動阻力，促進和加速風沙流順利通過保護區(qū)[1]。近半個世紀中國修建的沙漠鐵路，固沙措施成為鐵路風沙防護體系中不可或缺的方式。1956年蘇聯(lián)治沙專家彼得洛夫?qū)⒉莘礁裆痴弦M中國[2]，并成功應(yīng)用于包蘭鐵路防沙工程，開啟了草方格固沙的先河。之后經(jīng)過長期實踐，石方格、土方格等也成功應(yīng)用于鐵路固沙，取得了良好的防沙效益。近年來，隨著新材料的開發(fā)應(yīng)用，用HDPE材料制成的塑料沙障開始逐漸代替?zhèn)鹘y(tǒng)的草方格等沙障，固沙措施實踐應(yīng)用及其原理研究也逐漸走向成熟。

針對固沙措施，國外專家進行了大量的研究并且取得了豐富的成果[3-7]，國內(nèi)許多學者對于固沙方式及其機理研究同樣做出了許多貢獻。孫浩等[8]通過大渦模擬方法研究了不同孔隙度沙障嵌固端受力變化；馬瑞等[9]對布設(shè)于不同沙源供給條件下的草方格沙障、塑料網(wǎng)方格沙障和黏土行列式沙障的輸沙量、風沙流結(jié)構(gòu)、沙面形態(tài)變化進行了研究；李錦榮等[10]借助Fluent對不同規(guī)格沙袋沙障近地表氣流、風速廓線和防風效能進行了模擬分析；袁鑫鑫等[11]通過風洞試驗揭示了不同風速和間距對雙排尼龍阻沙網(wǎng)的影響；周娜等[12]利用野外風沙觀測和草方格風洞流場模擬，解析了草方格沙障內(nèi)部凹曲面形成的過程；劉世海等[13]對青藏鐵路格拉段高立式沙障的防風固沙效果進行了詳細研究；屈建軍等[14-17]、張克存等[18]研究了草方格、HDPE板方格合理防沙尺寸以及防沙機理。綜上所述，大部分學者研究主要集中在沙障防沙機理以及參數(shù)優(yōu)化等方面，在HDPE板和固化沙壟方格內(nèi)積沙動態(tài)變化方面研究不多。

由于風沙流特征具有明顯的地域特征，不同地區(qū)的風沙防治措施布設(shè)要結(jié)合現(xiàn)場實際，因地制宜地建立風沙防護體系。本文擬對新建格庫鐵路先行風沙防護試驗段組裝式多周期HDPE板固沙土工格和固化沙壟方格，開展數(shù)值模擬進行積沙機理以及積沙斷面動態(tài)形態(tài)研究，以期為鐵路沿線后期風沙防護措施大規(guī)模鋪設(shè)提供依據(jù)。

1 研究區(qū)域及防沙工程概況

1.1 研究區(qū)概況

格庫鐵路(青海段)風沙防護試驗段(2017年3月建成)位于柴達木盆地南緣西部，起屹里程：DK326+000.00—DK329+000.00,長3 000 m，分6個區(qū)段，每個區(qū)段500 m。工程區(qū)位于茫崖湖洪積平原，地形較平坦、開闊，局部地形有起伏，地勢北高南低，地面高程3 104～3 239 m；流動沙地呈波浪狀，以風積粉細沙為主；年平均氣溫2.9 ℃，極端最高32 ℃，極端最低-34.3 ℃；年降雨量44 mm，蒸發(fā)量2 739.3 mm；年均大風(17.2～20.4 m/s)日數(shù)43 d，最大瞬時風速29.2 m/s，起沙風速7～10 m/s，年均風沙日數(shù)36 d。用馬爾文激光粒度分析儀測得現(xiàn)場自然沙粒徑分布主要集中分布在150～500 μm范圍，砂質(zhì)不均，有少量礫石。通過計算得到沙粒正態(tài)概率曲線，整個樣品的粒度分布為4條直線，沉積自然沙蠕移組分占19.8%，躍移組分占76.7%，懸移組分占3.5%。試驗段地表裸露，植被覆蓋率小于10%，主導風向北偏西50°。沒有防護措施時，經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)查，主導風向下風沙流對鐵路路基主要產(chǎn)生沙埋(舌狀沙埋、片狀沙埋)，另外沙粒沉積在道砟孔隙中，對線路和行車安全危害嚴重。

1.2 防沙試驗工程

選取試驗段固化沙壟方格(位于DK327+000.00—DK327+500.00)和組裝式多周期HDPE板(位于DK328+000.00—DK328+500.00)兩種固沙措施進行分析。HDPE板由1.0 m×1.0 m×0.3 m的HDPE板小單元組裝而成每,HDPE板孔隙形狀為方孔(0.5 cm×1.5 cm)，孔隙率50%，10 m×10 m為一個大單元格，大單元格邊采用鍍鋅矩管立柱(總長1 m)固定，打入或埋入地面以下0.5 m,露出地面0.5 m。后期可以根據(jù)積沙情況調(diào)整高度，以確保積沙效果。沿鐵路方向布設(shè)總長度500 m，垂直鐵路迎風側(cè)方向布設(shè)225 m，背風側(cè)方向布設(shè)105 m，中間設(shè)置空留帶，總布設(shè)面積161 000 m2。

固化沙壟方格(以下簡稱沙壟方格)尺寸為1.0 m×1.0 m×0.3 m(高)，坡率為1∶0.75，方格沙壟采用就地取土填筑，填土需夯實，方格沙壟筑完成后盡快噴灑化學固化劑，沙壟方格的邊與主導風向垂直。沿鐵路方向布設(shè)總長度500 m,垂直鐵路迎風側(cè)方向布設(shè)225 m，背風側(cè)方向布設(shè)105 m，中間設(shè)置空留帶，總布設(shè)面積161 000 m2。

2 數(shù)值計算模型及計算參數(shù)

2.1 幾何建模

由于在風場作用下沙粒重力、拖曳力、阻力一般作用在同一平面內(nèi)，另外考慮到計算機性能要求，建立二維簡化模型。計算流域3 m×50 m，HDPE板和沙壟方格距離入口10 m,將其簡化為無厚度壁面，采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，對HDPE板和沙壟方格0.5 m高度范圍內(nèi)進行局部加密。

2.2 邊界條件

模型左側(cè)入口為速度入口(velocity_inlet),右側(cè)出口為出流條件(out_flow)，HDPE板、沙壟方格以及模型下壁面采用壁面條件(wall)，上壁面采用對稱邊界條件(symmetry)。

2.3 計算參數(shù)

設(shè)定風沙流攜沙粒徑ds=0.1 mm,沙粒密度ρs=2 650 kg/m3；由于地表的風沙流中沙物質(zhì)顆粒所占容積率都在5%以下，按照多相流理論為稀相，故初始沙粒相體積分數(shù)取為1%，在此條件下，單一的顆粒球模型是一個很好的近似；空氣密度ρ=1.225 kg/m3，黏度μ=1.789 4×10-5Pa/s；因現(xiàn)場一年中17.2～20.4 m/s風速天數(shù)達到43 d，所以取其均值，對兩種固沙措施進行對比，初始風速與沙粒速度為均勻風速18 m/s；計算模型采用歐拉雙流體模型附加k-ε方程，湍流強度I=3.22%；湍流長度尺度L=0.127 m；求解過程加入Syamlal-O’Brien拖曳力(參照ANSYS15.0 HELP 中fluid-solid exchange cofficient部分)。

3 模擬結(jié)果與分析

3.1 速度流場變化

圖1為HDPE板與沙壟方格周圍速速度變化云圖，圖2為氣流經(jīng)過HDPE板與沙壟方格時的速度流線圖。

圖1 格庫鐵路不同固沙措施速度云圖

當下方氣流經(jīng)過HDPE板和沙壟方格時受到阻礙，在其迎風側(cè)的下方形成了低速區(qū)A。氣流則沿著HDPE板和沙壟方格向上爬升，形成遇阻抬升區(qū)B(圖1)。抬升過程中氣流不斷匯聚加速，在HDPE板和沙壟方格上方形成集流加速區(qū)C。由于HDPE板有孔隙，對氣流的抬升匯聚作用效果小于沙壟方格，導致沙壟方格上方加速區(qū)規(guī)模大于HDPE板上方加速區(qū)。HDPE板和沙壟方格對氣流匯聚作用使得其上方形成高速區(qū)即高壓區(qū)，而在其后方形成第一減速區(qū)D，也即低壓區(qū)，壓差作用下HDPE板和沙壟方格中央形成渦流(圖2)，渦流區(qū)流速度降低導致沙粒在此沉降。第一減速區(qū)的氣流繼續(xù)前行，同樣沿著HDPE板和沙壟方格抬升，匯聚加速形成更大的高壓區(qū)。同樣的原理在第二塊HDPE板和沙壟方格后方形成第二減速區(qū)E，再次形成渦流。因為HDPE板的孔隙作用，其中央的旋渦與后方渦流連接到一起，因沙壟方格是密實的，兩個渦流是分開的。氣流繼續(xù)前行，通過HDPE板和沙壟方格之后失去阻礙作用，集流加速區(qū)與第二減速區(qū)氣流速度逐漸恢復(fù)，形成消散恢復(fù)區(qū)F。

3.2 HDPE板與固化沙壟方格防沙效益

3.2.1 HDPE板與固化沙壟方格防護距離 圖3a為水平方向不同高度HDPE板周圍的速度變化，圖3b為水平方向不同高度沙壟方格周圍速度變化。對于HDPE板和沙壟方格，降風效應(yīng)是評價其防護效果的直觀指標之一，按照風速恢復(fù)到來流風速的80%的位置到HDPE板和沙壟方格的距離作為有效防護距離。

水平方向速度變化體現(xiàn)了HDPE板和沙壟方格控制氣流減速的效果。由圖3a可以看出，對于HDPE板，在0.3 m高度處有效防護距離為2.6 m，在0.4 m高度處有效防護距離為1.85 m，在0.5 m處對應(yīng)第一塊HDPE板的位置速度發(fā)生突變，從速度云圖(圖1)不難發(fā)現(xiàn)其處于集流加速區(qū)，在此高度HDPE板已經(jīng)失去防護效果。0.3 m高度處速度最低值位置出現(xiàn)在10.1 m處，0.4 m高度處速度最低點位置出現(xiàn)在10.95 m處。HDPE板后風速最低值并不是出現(xiàn)在板后的零距離處，而是有一定的滯后距離，隨著高度增加滯后距離增大。

圖2 格庫鐵路不同固沙措施速度流線

由圖3可見，沙壟方格在0.3 m處有效防護距離為6.4 m，在0.5 m高度處有效防護距離為5.45 m。0.3 m高度處速度最低值出現(xiàn)在10.8 m處，0.4 m高度處速度最低值出現(xiàn)在10.95 m處，0.5 m高度處速度最低值出現(xiàn)在11.05 m處。與HDPE板一樣，不同高度速度最低值也是有一定滯后距離。

在同一風速下，可以明顯看出沙壟方格的有效防護距離大于HDPE板的有效防護距離。0.5 m高度處HDPE板方格已經(jīng)處于集流加速區(qū)，沙壟方格仍有防護作用，防護高度大于HDPE板的防護高度。

a 水平方向不同高度HDPE板周圍速度變化 b 水平方向不同高度沙壟方格周圍速度變化

圖3格庫鐵路不同固沙措施周圍速度變化

3.2.2 HDPE板與沙壟方格固沙效果 HDPE板方格和沙壟方格的阻沙原理，主要是風沙流經(jīng)過HDPE板和沙壟方格時，在阻滯作用下形成沙梗，并在其中心部位產(chǎn)生沙面侵蝕，在沙粒分選作用下形成光滑穩(wěn)定的凹曲面[2]。本文通過ansys fluent有限元軟件模擬HDPE板和沙壟方格在風沙流作用下積沙斷面形態(tài)變化的過程。

圖4為HDPE板方格沙障在不同時刻的沙粒體積分數(shù)云圖，圖中顏色越深表示積沙越多，紅色表示積沙已經(jīng)穩(wěn)定堆積，其余顏色指沙粒已經(jīng)沉降于地表但還未形成穩(wěn)定積沙。

由圖4可見，t=10 s時在HDPE板中間以及第二塊HDPE板背風側(cè)有少量積沙，沒有形成凹曲面。隨著風沙流繼續(xù)發(fā)展，t=25 s時HDPE板方格沙障中間已經(jīng)開始初步形成凹曲面，凹曲面最低點積沙厚度約為4.2 cm，右側(cè)沙梗最高為14 cm，凹曲面風蝕深度(沙梗最高點與凹曲面最低點之差)和邊長呈現(xiàn)出1∶10.2的關(guān)系，且第二塊HDPE板背風側(cè)積沙增多。t=70 s時HDPE板沙障內(nèi)凹曲面形態(tài)更加明顯，最低點積沙厚度為7 cm，右側(cè)沙梗最高為17.8 cm，凹曲面風蝕深度和邊長呈現(xiàn)出1∶9.26的關(guān)系。事實上，t=70 s之后隨著風沙流繼續(xù)發(fā)展，HDPE板方格沙障內(nèi)積沙形態(tài)不再發(fā)生變化，固沙作用失效。

圖4 格庫鐵路HDPE板沙粒體積分數(shù)云圖

圖5為沙壟方格在不同時刻的沙粒體積分數(shù)云圖。如圖5所示，在庫格鐵路研究區(qū)域內(nèi)，隨著風沙流的發(fā)展，當t=10 s時，在第一個沙壟迎風側(cè)形成少量積沙，沙壟方格中間積沙量非常少。在t=25 s時，第一個沙壟迎風側(cè)積沙沒有明顯增多，沙壟方格中間積沙開始增多，積沙平均厚度約為2 cm，但是沒有形成凹曲面。在t=70 s時，沙壟方格中間積沙比較明顯，左側(cè)沙梗高度為5 cm，右側(cè)沙梗高度為12 cm。此后，沙壟方格內(nèi)積沙量不再變化，沙壟方格固沙作用失效。

圖5 格庫鐵路沙壟方格沙粒體積分數(shù)云圖

HDPE板方格沙障和沙壟方格沙障內(nèi)的積沙形態(tài)隨時間呈動態(tài)變化過程，在同等條件下HDPE板內(nèi)積沙多于沙壟方格內(nèi)積沙，所反映的固沙效果HDPE板要好于沙壟方格。當HDPE板方格沙障內(nèi)積沙達到一定高度失去防沙作用時，可將HDPE板向上提升使其繼續(xù)發(fā)揮作用。對于沙壟方格來說，積沙達到一定量時需要人工清沙，但清沙過程會破壞沙壟方格，從這一點來說，HDPE板方格沙障實用性更好。

3.2.3 HDPE板與沙壟方格積沙量計算 定量描述HDPE板方格與沙壟方格沙障內(nèi)積沙量的變化，首先需要建立HDPE板方格和沙壟方格內(nèi)積沙曲面的方程式。但實際情況下積沙斷面是一個空間曲線，計算方程式的準確表達比較困難。本文將HDPE板方格和沙壟方格內(nèi)積沙斷面簡化為二維曲線，通過對其積分得到積沙量計算公式。使用得到的公式對現(xiàn)場方格內(nèi)積沙進行計算。

HDPE板方格和沙壟方格內(nèi)積沙斷面曲線L(x)可通過分段拋物函數(shù)相加得到。假設(shè)L(x)在空間沿著z(HDPE板的寬度)方向為常函數(shù)，則函數(shù)變成L(x,z)。另外設(shè)定沙子的密度為ρs=2 650 kg/m3，對L(x,z)進行積分則得到HDPE板內(nèi)積沙量。

在實際現(xiàn)場需要人工測得積沙斷面曲線上的控制點的相對坐標，現(xiàn)給出一般公式：

(1)

其中：

(2)

對其進行積分得到：

(3)

式中：S和T——HDPE板方格內(nèi)現(xiàn)場測得每段積沙斷面曲線的相對起始值與終點值；W——HDPE板方格寬度(m)；m——HDPE板方格內(nèi)積沙斷面曲線函數(shù)段數(shù)。

圖6為HDPE板固沙作用失效時板內(nèi)積沙斷面圖。

圖6 格庫鐵路HDPE板方格沙障內(nèi)積沙斷面

圖6中橫縱坐標代表HDPE板方格及積沙在整個模擬流場中的實際位置。在HDPE板方格內(nèi)積沙斷面曲線上取7個控制點(取小數(shù)點后兩位)，為方便計算，將A點坐標定為(0，0.13)，以此類推B(0.05,0.09)，C(0.1，0.(1)，D(0.6,0.12)，E(0.95,0.18)，F(xiàn)(0.99,0.16)，G(1,0.12)。整個斷面曲線可以由3條曲線構(gòu)成，A，B，C這3點構(gòu)成L1(x)，C，D，E這3點構(gòu)成L2(x),E，F(xiàn)，G這3點構(gòu)成L3(x),3條曲線相加得到積沙斷面曲線,代入公式得到：

(4)

模擬結(jié)果，HDPE板固沙作用失效時方格內(nèi)總積沙量為323.21 kg。

對于沙壟方格，還要知道沙壟最低點相對坐標，計算方法同上述一樣，對于沙壟方格進行積分時，需要減去多于積分面積(傾斜部分)，得到積沙量：

(5)

式中：S和T——在現(xiàn)場沙壟方格內(nèi)測得每段積沙斷面曲線的相對起始值與終點值；W——沙壟方格的寬度；m——沙壟方格內(nèi)積沙斷面曲線函數(shù)段數(shù)。U和V——沙壟方格內(nèi)積沙左右兩側(cè)最高點沙梗到沙壟最低點的水平距離(m)。

圖7為固化沙壟方格固沙作用失效時方格內(nèi)積沙斷面圖。

圖7 格庫鐵路固化沙壟方格內(nèi)積沙斷面

圖7中橫縱坐標代表沙壟方格以及積沙在整個模擬流場中的實際位置，在沙壟方格在整個斷面曲線上取7個點，將A點設(shè)為(0,0.07)，則B(0.1,0.09)，C(0.15,0.06)，D(0.45,0.13)，E(0.51,0.11)，F(xiàn)(0.58,0.16)，G(0.72,0.(3),另外計算得到A1(0.06,0)，G1(0.5,0)，將其帶入公式得到固沙作用失效時沙壟方格內(nèi)總積沙QS，結(jié)果為155.41 kg。

(6)

3.2.4 HDPE板與沙壟方格蝕積量變化 算出積沙量之后，通過下列公式可以計算HDPE板和沙壟方格內(nèi)積沙的蝕積量：

Δ=QS1-QS2

(7)

在一定時間間隔內(nèi)，如果Δ>0說明在這一段時間內(nèi)發(fā)生了風積，如果Δ<0說明在這一段時間內(nèi)發(fā)生了風積，如果Δ=0說明在這一段時間間隔方格內(nèi)積沙處于動態(tài)平衡。

自2017年4月份開始，按照上文給出的公式，對該區(qū)域迎風側(cè)選定的HDPE板方格和固化沙壟方格內(nèi)的沙子重量進行計算記錄，然后取平均值，記錄間隔為2個月，持續(xù)時間1 a(表1)。

表1 格庫鐵路固沙方格內(nèi)沙子蝕積量變化

由表1可以看出201704—201705，201708—201709，201712—201801，201802—201803這4個時間段內(nèi)，在WNW主導風向下HDPE板積沙為27.8，3.56，3.67和18.79 kg，固化沙壟方格內(nèi)積沙為15.35，2.69，2.25和12.82 kg，都發(fā)生了風積現(xiàn)象。在NW主導風向作用下，HDPE板和固化沙壟方格內(nèi)同樣發(fā)生了風積現(xiàn)象，對應(yīng)時間段內(nèi)HDPE板內(nèi)積沙量明顯多于固化沙壟方格內(nèi)積沙。在SW主導風向作用下HDPE板內(nèi)和固化沙壟方格內(nèi)積沙分別為-2.03和-3.06 kg，固化沙壟方格風蝕嚴重。從2017年4月份到2018年3月份，HDPE板和固化沙壟方格內(nèi)總的積沙分別為64.14和35.73 kg。上文通過數(shù)值模擬計算出HDPE板與固化沙壟方格防沙作用失效時方格內(nèi)積沙分別為323.21和155.41 kg，以此推算HDPE板和固化沙壟方格的有效防護持續(xù)時間分別約為5 a和4 a。

4 結(jié) 論

(1) 當氣流通過HDPE板和固化沙壟方格時，在其周圍形成6個速度分區(qū)，分別為迎風側(cè)低速區(qū)、遇阻抬升區(qū)、集流加速區(qū)、第1減速區(qū)、第2減速區(qū)和速度恢復(fù)區(qū)。

(2) 在同等風速條件下，同一高度處固化沙壟方格的有效防護距離大于HDPE板的有效防護距離；HDPE板和固化沙壟方格風速最低點并不是出現(xiàn)在HDPE板或固化沙壟方格后的零距離處，而是有一定的滯后距離，高程越大，滯后距離越大。

(3) HDPE板方格和固化沙壟方格沙障內(nèi)的積沙斷面形態(tài)隨時間動態(tài)變化。固沙作用失效時，HDPE板方格內(nèi)積沙量多于固化沙壟方格；在方格沙障防沙形式上，透風型HDPE板方格沙障以板內(nèi)固沙為主，不透風型固化沙壟方格以沙壟前阻沙為主。

(4) 建立了計算HDPE板方格和固化沙壟方格沙障內(nèi)積沙量定量計算公式，可定量計算HDPE板方格和固化沙壟方格沙障內(nèi)的蝕積量。通過現(xiàn)場觀測，計算出HDPE板和固化沙壟方格的有效工作時間分別為5 a和4 a。綜合考慮，HDPE板方格的經(jīng)濟性實用性以及防沙效果更好。