新建格庫(kù)鐵路HDPE板高立式沙障防風(fēng)效益數(shù)值模擬研究

張 凱， 王起才， 楊子江， 梁柯鑫， 趙 坤， 崔曉寧

(1. 蘭州交通大學(xué) 土木工程學(xué)院， 甘肅 蘭州 730070； 2. 蘭州交通大學(xué) 道橋工程災(zāi)害防治技術(shù)國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室， 甘肅 蘭州 730070)

隨著我國(guó)“一帶一路”戰(zhàn)略的不斷深入，跨越荒漠地區(qū)的鐵路、公路等線路越來(lái)越多，但同時(shí)會(huì)受到風(fēng)沙災(zāi)害的困擾，因此風(fēng)沙災(zāi)害的有效防治成為荒漠地區(qū)交通建設(shè)的重要保障[1]。風(fēng)沙災(zāi)害防治體系可分為機(jī)械、生物和化學(xué)三大類，其中機(jī)械防沙體系已成為防沙體系的先行建設(shè)項(xiàng)目[2]。近些年來(lái)，國(guó)外學(xué)者對(duì)各類傳統(tǒng)機(jī)械防沙措施在回流區(qū)長(zhǎng)度、障后風(fēng)速削弱長(zhǎng)度、不同密度的阻力系數(shù)等方面展開(kāi)了大量的室內(nèi)風(fēng)洞試驗(yàn)、數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)[3-6]，國(guó)內(nèi)以中國(guó)科學(xué)院、蘭州交通大學(xué)等單位為首，對(duì)傳統(tǒng)機(jī)械防沙體系中沙障對(duì)風(fēng)沙的減弱機(jī)理及控住措施等方面已有大量報(bào)道[7-11]，主要以風(fēng)沙流的結(jié)構(gòu)特征及沙障的防沙阻沙效果為研究目的[12-15]。然而隨著對(duì)傳統(tǒng)防沙材料(麥草、蘆葦?shù)?的需求日益增多，導(dǎo)致傳統(tǒng)材料供給短缺，一些新的人工材料應(yīng)運(yùn)而生，如塑料網(wǎng)和尼龍網(wǎng)等，其中HDPE板防沙網(wǎng)是新型防沙材料之一，具有良好的耐熱性和耐寒性、抗紫外線性能強(qiáng)、化學(xué)穩(wěn)定性好、耐老化等特點(diǎn)，且在施工過(guò)程中方便、快速。目前，高立式防沙沙障已廣泛應(yīng)用于風(fēng)沙流侵害的防治中，劉世海等[16]通過(guò)對(duì)青藏鐵路格拉段現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)觀測(cè)得出，高立式沙障在降低風(fēng)速和風(fēng)蝕量方面具有顯著效果；李凱崇等[17-18]在風(fēng)洞試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)對(duì)不同類型沙障前后流場(chǎng)的風(fēng)速輪廓線、輸沙率等進(jìn)行觀測(cè)，提出了多種風(fēng)沙防治措施，并對(duì)其防沙效應(yīng)和防沙機(jī)理進(jìn)行了研究；龐營(yíng)軍等[19]采用高立式格狀沙障對(duì)地表粗糙度進(jìn)行研究，結(jié)果表明高立式格狀沙障使地表粗糙度增大了44倍，大大提高了地表的粗糙度。目前對(duì)HDPE板高立式沙障的研究?jī)H局限于室內(nèi)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)，受實(shí)驗(yàn)儀器、客觀環(huán)境、物理模型及周期較長(zhǎng)等條件的制約，無(wú)法直接達(dá)到理想條件。

對(duì)此本文應(yīng)用數(shù)值模擬分析手段，對(duì)HDPE板高立式沙障周圍風(fēng)沙流場(chǎng)進(jìn)行研究，提出了不同條件下沙障的有效防護(hù)距離，對(duì)多道防沙沙障布置的間距問(wèn)題進(jìn)行了研究，提出了多排防沙沙障的合理間距，為鐵路工程防沙體系的設(shè)計(jì)及完善提供了有力理論支撐，對(duì)鐵路防沙工程具有重要意義。

1 研究方法

1.1 區(qū)域概況

新建格庫(kù)鐵路(青海段)風(fēng)沙試驗(yàn)段，起迄里程DK326+000—DK329+000，總長(zhǎng)度為3 000 m，位于柴達(dá)木盆地南緣西部茫崖湖一帶，地形較平坦、開(kāi)闊，年均大風(fēng)(≥8級(jí))日數(shù)43 d，最大瞬時(shí)風(fēng)速29.2 m/s。流動(dòng)沙地以風(fēng)積粉細(xì)沙為主，沙質(zhì)不均，含少量礫石、中粗沙粒及粉土，植被覆蓋率小于10%，主導(dǎo)風(fēng)向N50°W。該地冬春季風(fēng)沙活動(dòng)強(qiáng)烈，沙物質(zhì)主要來(lái)自荒漠，對(duì)沿線鐵路危害嚴(yán)重，見(jiàn)圖1。

1.1.1 沙粒粒徑分析

沿線地域沙粒主要為第四系全新統(tǒng)風(fēng)積細(xì)沙，上更新統(tǒng)洪積細(xì)沙。以現(xiàn)場(chǎng)典型風(fēng)沙病害地段的現(xiàn)場(chǎng)沙粒為研究對(duì)象，采用馬爾文激光粒度分析儀對(duì)其粒徑進(jìn)行分析。沙粒的粒徑分布及正態(tài)累計(jì)曲線見(jiàn)圖2、圖3。

從圖2可以看出，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)段自然沙粒的粒徑分布近似于正態(tài)分布，粒徑主要范圍為80～315 μm，顆粒分級(jí)屬細(xì)沙、中沙，含少量粗沙。圖3為正態(tài)概率累積曲線，概率累計(jì)曲線從側(cè)面反映粒度分布并揭示搬運(yùn)方式(蠕移、躍移和懸移)及其相對(duì)比重，整個(gè)樣品的粒度分布為4條直線，其中：蠕移組分代表粗顆粒，約占總沙量的19.8%，躍移組分a、b代表中顆粒，約占總沙量的76.7%，懸移組代表細(xì)顆粒，約占總沙量的3.5%。通過(guò)以上對(duì)顆粒的統(tǒng)計(jì)分析，可以更好的了解現(xiàn)場(chǎng)沙粒的分布特征，并客觀指導(dǎo)有限元模型的參數(shù)選取。

1.1.2 實(shí)驗(yàn)布置

HDPE板高立式阻沙沙障高度為1.5 m，長(zhǎng)度為3 m，設(shè)計(jì)示意見(jiàn)圖4。在試驗(yàn)場(chǎng)地布設(shè)三道連續(xù)HDPE板高立式阻沙沙障，由于HDPE板孔隙率、間距未知，因此通過(guò)數(shù)值模擬確定單排HDPE板的孔隙率以及有效防護(hù)距離，提出HDPE板間橫向合理間距，應(yīng)用于實(shí)際試驗(yàn)段中，見(jiàn)圖5。

1.2 數(shù)值分析模型

1.2.1 幾何建模

在風(fēng)場(chǎng)作用下沙粒重力、拖曳力等一般作用在同一平面內(nèi)，建立二維簡(jiǎn)化模型，計(jì)算流域?yàn)?20 m×15 m，HDPE板高立式沙障高度為1.5 m，將其簡(jiǎn)化為無(wú)厚度壁面，距離入口20 m，采用結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格劃分，由于風(fēng)沙流受邊界層的影響較大[20]，對(duì)HDPE板高立式沙障0.5 m范圍內(nèi)進(jìn)行局部加密。

1.2.2 邊界條件

模型介質(zhì)類型為fluid，左側(cè)入口為速度入口，右側(cè)出口為出流條件，上壁面采用對(duì)稱邊界條件，HDPE板與模型下壁面采用壁面條件。

1.2.3 計(jì)算參數(shù)

上文對(duì)試驗(yàn)段表面沙粒進(jìn)行樣本分析，主要分布區(qū)間為0.08～0.315 mm，設(shè)定風(fēng)沙流中沙粒ds=0.1 mm，沙粒密度ρs=2 650 kg/m3，由于地表中沙物質(zhì)顆粒所占體積率小于5%，且多相流理論為稀相，取下墊面初始沙粒相體積分?jǐn)?shù)為1%，在此條件下，單一的顆粒球模型是一個(gè)很好的近似[21]；空氣密度ρ=1.225 kg/m3，黏度μ=1.789 4×10-5Pa·s；風(fēng)沙流入口速度為12、18、24、30 m/s。

計(jì)算模型采用歐拉雙流體模型附加k-ε方程，忽略源項(xiàng)對(duì)湍流方程的影響、氣體的可壓縮性，建立標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型運(yùn)輸方程。

氣相湍動(dòng)k方程為

( 1 )

氣相湍動(dòng)ε方程為

( 2 )

湍流強(qiáng)度I和湍流尺度L計(jì)算公式分別為

( 3 )

( 4 )

式中：Re為雷諾數(shù)；Cμ是一個(gè)模型常量，在標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型中取值0.9；k與ε分別為湍流動(dòng)能和湍動(dòng)能耗散率，其值按式( 1 )與式( 2 )計(jì)算。

2 單排HDPE板沙障數(shù)值模擬及分析

2.1 不同孔隙率HDPE板周圍速度云圖

試驗(yàn)段最大瞬時(shí)風(fēng)速29.2 m/s，選取v=30 m/s模擬HDPE板高立式沙障周圍速度云圖，見(jiàn)圖6。

由圖6(a)可知：孔隙率為10%時(shí)，氣流經(jīng)過(guò)HDPE板沙障，孔隙率較小，速度遇到障礙發(fā)生顯著變化，在迎風(fēng)側(cè)下方形成氣流減速區(qū)A，大部分氣流遇阻向上形成氣流加速區(qū)B，在抬升過(guò)程中氣流不斷匯聚加速，在HDPE板上方形成氣流高速區(qū)C，小部分氣流直接通過(guò)孔隙在HDPE板后方形成氣流低速區(qū)，由于上下層氣流產(chǎn)生速度差，導(dǎo)致氣流發(fā)生分流，此時(shí)會(huì)產(chǎn)生逆壓梯度，阻礙空氣向前運(yùn)動(dòng)，出現(xiàn)回流，形成低速回流區(qū)D，受渦旋流中下沉氣流的影響，產(chǎn)生速度突增區(qū)E，氣流繼續(xù)前行，氣流速度逐漸恢復(fù)，形成消散恢復(fù)區(qū)F，但穩(wěn)定后的速度比入口速度有降低，說(shuō)明風(fēng)沙流經(jīng)過(guò)HDPE板沙障后有部分能量損失?？紫堵?5%與孔隙率10%云圖相同，在此不進(jìn)行分析。分析圖6(b)可以發(fā)現(xiàn)：孔隙率為40%時(shí)，與孔隙率為10%條件下氣流分區(qū)類似，存在氣流減速區(qū)、加速區(qū)、高速區(qū)和回流區(qū)，不同之處在于：氣流經(jīng)過(guò)HDPE板沙障，通過(guò)孔隙的氣流大于10%孔隙率的HDPE板沙障，氣流減速區(qū)、加速區(qū)以及高速區(qū)域范圍減小，HDPE板后方上下層氣流產(chǎn)生速度差減小，導(dǎo)致回流區(qū)范圍減小，且不存在速度突增區(qū)。分析圖6(c)可知：當(dāng)孔隙率增大到50%時(shí)，大部分氣流直接穿過(guò)HDPE板沙障，導(dǎo)致氣流減速區(qū)、加速區(qū)以及高速區(qū)域范圍減小，不存在回流區(qū)及速度突增區(qū)。

2.2 不同孔隙率HDPE板周圍風(fēng)沙流運(yùn)動(dòng)特性

風(fēng)沙流在沙漠中一般貼近于地表運(yùn)動(dòng)，近地表風(fēng)速對(duì)沙粒運(yùn)動(dòng)影響顯著，研究近地面HDPE板周圍氣流變化趨勢(shì)對(duì)阻沙形成機(jī)理具有指導(dǎo)意義[22]。HDPE板控制氣流減速的效果主要靠水平方向速度變化來(lái)體現(xiàn)，選取入口速度為24 m/s時(shí)不同孔隙率及不同高度下HDPE板周圍水平速度分布圖，見(jiàn)圖7。

分析圖7可知：(1)當(dāng)孔隙率為10%時(shí)，障礙物1.5 m高度以下，來(lái)流風(fēng)速遇到障礙物后迅速減小，障后出現(xiàn)回流，約6.5 m處產(chǎn)生速度(負(fù)值)的谷值(最小值)為9 m/s。障礙物高度以上，由于風(fēng)速的集流效應(yīng)，風(fēng)速迅速增大到峰值(最大值)為29.2 m/s，此時(shí)壓差導(dǎo)致上方速度下降，遠(yuǎn)離障礙物后速度逐漸恢復(fù)。當(dāng)孔隙率為25%時(shí)，障后9.6 m處產(chǎn)生速度(負(fù)值)的谷值為5.9 m/s，峰值為29 m/s，孔隙率為40%時(shí)，障后8.2 m處產(chǎn)生速度(負(fù)值)的谷值為1.3 m/s，峰值為26.8 m/s，孔隙率為50%時(shí)，障后10 m處產(chǎn)生速度的谷值為4.8 m/s，峰值為26.5 m/s。孔隙率逐漸增大，當(dāng)?shù)陀?.5 m時(shí)，谷值逐漸增大，高于1.5 m時(shí)，峰值逐漸減小。當(dāng)流場(chǎng)氣流經(jīng)過(guò)HDPE板沙障后，沙障高度以下范圍，氣流水平速度整體呈V形分布，沙障高度以上范圍，氣流水平速度整體呈雙V形分布。

(2) 文獻(xiàn)[2]定義阻沙沙障對(duì)風(fēng)速的有效防護(hù)距離為沙障高度以下恢復(fù)到自然風(fēng)速的80%的距離。從圖中可以看出，不同高度(0.1、0.3、1、1.5 m)處沙障的有效防護(hù)距離變化不大，因此可取四個(gè)高度處HDPE板的有效防護(hù)距離平均值最為最終的有效防護(hù)距離?？紫堵蕿?0%、25%、40%、50%時(shí)，有效防護(hù)距離分別為29.9、31.7、33.6、39.6 m，在一定范圍內(nèi)(孔隙率為50%以下時(shí))，HDPE板孔隙率越大，其有效防護(hù)距離越大，其原因是HDPE板孔隙率越小，障后高速區(qū)流速與回流區(qū)流速之差越大，形成的壓差越大，導(dǎo)致回流區(qū)流速恢復(fù)到原始速度越快。因此HDPE板沙障50%孔隙率為幾種孔隙率下的最優(yōu)孔隙率。

2.3 不同風(fēng)速下HDPE板周圍風(fēng)沙流運(yùn)動(dòng)特性

孔隙率為50%，不同風(fēng)速下0.1、1 m高度處HDPE板周圍水平速度分布見(jiàn)圖8。

分析圖8可知：不同風(fēng)速下，HDPE板周圍水平速度變化規(guī)律基本一致，說(shuō)明在不同風(fēng)速下HDPE板周圍速度云圖變化規(guī)律差別不大，初始風(fēng)速為12、18、24、30 m/s在0.1 m位置處的速度谷值分別為0.5、2.5、5.1、9 m/s，在1 m位置處的速度谷值分別為1.9、5.2、8.3、13.3 m/s，入口初始風(fēng)速越大，速度的谷值越大。按照前文對(duì)于有效距離的定義，隨著入口初始風(fēng)速的增大，有效防護(hù)距離在不斷減小，初始風(fēng)速為12、18、24、30 m/s時(shí)，在0.1 m位置處，障后有效防護(hù)距離分別為48.5、45.1、42.6、40.7 m，在1 m位置處，障后有效防護(hù)距離分別為42.6、39.3、36.2、33.8 m，這是因?yàn)槌跏硷L(fēng)速越大，具有的動(dòng)能越大，障后高壓區(qū)與低壓區(qū)的壓差越大，逐漸恢復(fù)到80%的自然風(fēng)速相對(duì)較容易，且由于能量的損失，恢復(fù)后的穩(wěn)定速度比入口初始速度稍有降低。聯(lián)系2.2節(jié)，不同高度(0.1、0.3、1、1.5 m)處沙障的有效防護(hù)距離變化不大，選取柵欄高度內(nèi)的有效防護(hù)距離平均值最為最終的有效防護(hù)距離，因此50%孔隙率的HDPE板沙障有效防護(hù)距離大于30 m，因此取HDPE板沙障間的距離為30 m。

3 三道HDPE板數(shù)值模擬及分析

上文中分析到HDPE板沙障為50%孔隙率，沙障后30 m范圍內(nèi)，可充分發(fā)揮沙障的效果。將試驗(yàn)段中此布設(shè)原則進(jìn)行數(shù)值模擬，三道(橫向間距30 m)HDPE板周圍氣流速度分布見(jiàn)圖9，不同高度下三道連續(xù)HDPE板周圍水平速度分布見(jiàn)圖10。

從圖9可以看出：當(dāng)入口初始風(fēng)速為24、30 m/s時(shí)，在第一道沙障和第二道沙障周圍出現(xiàn)氣流減速區(qū)、加速區(qū)以及高速區(qū)，不存在回流區(qū)，但在第三道沙障后出現(xiàn)回流區(qū)。分析圖10可知：當(dāng)入口初始風(fēng)速為24 m/s時(shí)，在第一道沙障后，距離地面0.1～1.5 m范圍內(nèi)風(fēng)速降為4.1～12.6 m/s，在第二道沙障后，距離地面0.1～1.5 m范圍內(nèi)風(fēng)速降為1.3～10.4 m/s，在第三道沙障后，距離地面0.1～1.5 m范圍內(nèi)風(fēng)速降為-1.9～7.3 m/s，降低幅度明顯，初始風(fēng)速在經(jīng)過(guò)三道連續(xù)的沙障后，降低至起沙風(fēng)速(7～10 m/s)[2]以下。第2節(jié)分析到風(fēng)速越低，沙障的有效防護(hù)距離越大，可推斷出初始風(fēng)速小于24 m/s時(shí)，在第三道沙障后風(fēng)速更易小于起沙風(fēng)速。由于當(dāng)?shù)刈畲箫L(fēng)速為29.2 m/s，可設(shè)置風(fēng)速為30 m/s評(píng)判三道連續(xù)沙障后的風(fēng)速，當(dāng)入口初始風(fēng)速為30 m/s時(shí)，在第一道沙障后，距離地面0.1～1.5 m范圍內(nèi)風(fēng)速降為7～17.6 m/s，在第二道沙障后，距離地面0.1～1.5 m范圍內(nèi)風(fēng)速降為3.2～13.5 m/s，在第三道沙障后，距離地面0.1～1.5 m范圍內(nèi)風(fēng)速降為-1.6～9.7 m/s，達(dá)到三道連續(xù)沙障的性能要求。因此三道連續(xù)HDPE板高立式沙障為50%孔隙率，間距為30 m時(shí)，滿足試驗(yàn)段中HDPE板作為沙障的減風(fēng)性能要求。

4 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

在新建格庫(kù)鐵路DK326+000—K329+000路基迎風(fēng)側(cè)布設(shè)：

(1) 單排HDPE板沙障，在HDPE板沙障前方30 m處布設(shè)自動(dòng)梯度式風(fēng)速監(jiān)測(cè)儀，目的是監(jiān)測(cè)原始風(fēng)沙流中的風(fēng)速，在HDPE板沙障后方距離HDPE板沙障5、10、15、20、30 m處分別布設(shè)自動(dòng)梯度式風(fēng)速監(jiān)測(cè)儀，自動(dòng)監(jiān)測(cè)不同高度處(0.5、1、2 m)的風(fēng)速，目的是監(jiān)測(cè)布設(shè)單排HDPE板沙障的擋風(fēng)效果。

(2) 三道連續(xù)HDPE板沙障，沙障橫向間距為30 m，在第三道HDPE板沙障后方距離第三道HDPE板沙障5、10、15、20、30、35、40 m處分別布設(shè)自動(dòng)梯度式風(fēng)速監(jiān)測(cè)儀，高度均為2 m，自動(dòng)監(jiān)測(cè)不同高度處(0.5、1、2 m)的風(fēng)速，目的是監(jiān)測(cè)布設(shè)連續(xù)三道HDPE板沙障后的擋風(fēng)效果。

監(jiān)測(cè)HDPE板沙障前后距離地面0.5 m處的風(fēng)速，并與數(shù)值模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，風(fēng)沙流的原始風(fēng)速分別為18.6、20.5、22.3、24.4 m/s，單排HDPE板沙障后不同距離(5、10、15、20、30 m)處的風(fēng)速變化見(jiàn)圖11，以第三道HDPE板沙障為原點(diǎn)，沙障后不同距離(5、10、15、20、30、35、40 m)處的風(fēng)速變化,見(jiàn)圖12。

從圖11、圖12中可以看出，對(duì)于單排HDPE板沙障，隨著障后距離的增大，原始風(fēng)速為18.6、20.5、22.3、24.4 m/s時(shí)，監(jiān)測(cè)30 m處風(fēng)速為10.5、11.9、14.2、16.7 m/s，分別為原始風(fēng)速的0.56、0.53、0.64、0.68倍，均小于原始風(fēng)速的0.8倍；對(duì)于三道連續(xù)HDPE板沙障，隨著第三道HDPE板沙障后距離的增大，速度逐漸增大。原始風(fēng)速為18.6、20.5、22.3、24.4 m/s時(shí)，監(jiān)測(cè)30 m處風(fēng)速為9.6、9.2、11.5、10.8 m/s，分別為原始風(fēng)速的0.52、0.45、0.52、0.44倍，均小于原始風(fēng)速的0.8倍，說(shuō)明HDPE板沙障距離布設(shè)為30 m，是合理的。

5 結(jié)論

依據(jù)新建格庫(kù)鐵路(青海段)試驗(yàn)防護(hù)段，對(duì)不同孔隙率HDPE板沙障周圍風(fēng)沙流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬研究，給出了HDPE板的最優(yōu)孔隙率及有效防護(hù)距離，分析了三道連續(xù)HDPE板沙障的合理間距問(wèn)題，得出如下結(jié)論：

(1) 當(dāng)風(fēng)沙流經(jīng)過(guò)HDPE沙障時(shí)，會(huì)形成速度分區(qū)，孔隙率為10%和25%時(shí)，速度分區(qū)分別為氣流減速區(qū)、氣流加速區(qū)、氣流高速區(qū)、低速回流區(qū)、速度突增區(qū)及消散恢復(fù)區(qū)；孔隙率增大至40%時(shí)，速度突增區(qū)消失，孔隙率增大至50%時(shí)，低速回流區(qū)消失。

(2) 當(dāng)流場(chǎng)氣流經(jīng)過(guò)HDPE板沙障后，沙障高度以下范圍，氣流水平速度整體呈V形分布，沙障高度以上范圍，氣流水平速度整體呈雙V形分布。

(3) 風(fēng)速為24 m/s時(shí)，孔隙率在一定范圍內(nèi)，HDPE板孔隙率越大，其有效防護(hù)距離越大，有效防護(hù)距離在29.9～39.6 m范圍內(nèi)，HDPE板沙障50%孔隙率最優(yōu)孔隙率；孔隙率一定時(shí)，入口初始風(fēng)速越大，HDPE板沙障有效防護(hù)距離越小，連續(xù)HDPE板沙障間的合理距離可布設(shè)為30 m。

(4) 多道連續(xù)HDPE板沙障的研究結(jié)果，可直接為新建格庫(kù)鐵路防沙體系提供支撐，也可為其他地區(qū)鐵路、公路等線路的防護(hù)體系提供參考依據(jù)。