南疆戈壁區(qū)HDPE板沙障風沙防護機理及效果評價

李凱崇，周 沁，丁錄勝，魏永杰，孔令偉

(1.中鐵西北科學研究院有限公司 技術中心，甘肅 蘭州 730000；2.中國鐵路烏魯木齊局集團有限公司 格庫鐵路新疆建設指揮部，新疆 庫爾勒 841000；3.新疆鐵道勘察設計院有限公司 地路處，新疆 烏魯木齊 830011)

新疆地處亞歐腹地，是我國內陸干旱區(qū)的典型代表。特殊的氣候環(huán)境和地理特征，使得新疆成為我國風沙地貌分布面積最廣、沙丘類型最為復雜多變的省份之一[1-2]。格庫鐵路西起新疆南疆重鎮(zhèn)庫爾勒市，沿塔里木盆地南下，經若羌、翻越阿爾金山脈至柴達木盆地南緣進入昆侖山麓至青海格爾木市，全長1 214.6 km。格庫鐵路新疆段線路全長708 km，其中風沙段累計401 km，占線路全長的56.6%。風沙段整體地形平坦、地勢開闊略有起伏，沿線風沙地貌主要為戈壁荒漠、流動沙丘、固定半固定沙丘、風蝕殘丘等，風沙災害十分嚴重[3-4]。

鐵路風沙災害防護措施按性質差異可分為生物治沙和工程治沙兩類，其中工程措施作為風沙防護體系的先導工程，為后期永久性生物防護或鐵路的短期安全運營提供了技術保障[5]。目前常用的工程阻沙措施主要有高立式沙障、擋沙堤、截沙溝等，其中以透風式高立式沙障的阻沙效果最優(yōu)[6]。根據(jù)沙障材料的差異，阻沙措施又可分為混凝土擋沙墻、植物枝條(秸稈)沙障、化工合成材料沙障等?；炷翐跎硥哂性牧蠌V泛、耐久性強等優(yōu)點；但其缺點是造價過高，且為剛性結構，風沙防護效果略差。植物枝條(秸稈)沙障具有造價低廉、取材環(huán)保等優(yōu)點；但缺點是原材料較為匱乏，受當?shù)剞r業(yè)條件限制較大?；ず铣刹牧仙痴献鳛橐环N新的人工材料，具有耐熱(寒)性強、化學穩(wěn)定性好、施工便捷等優(yōu)點，被廣泛地應用于各種大型工程中；但其抗老化性和耐久性一直是制約其推廣的關鍵因素。HDPE板作為一種新型化工合成防沙材料，主要針對現(xiàn)有防沙材料的不足，在抗老化性和耐久性等方面有了大幅度提升。

本文依托格庫鐵路風沙防護工程，對HDPE板沙障風沙防護機理及效果開展研究。

1 風洞試驗

試驗是在中國科學院寒旱所敦煌戈壁荒漠研究站野外環(huán)境風洞中完成的。風洞全長11 m，由動力段、過渡段、整流段、收縮段和試驗段組成，風洞橫斷面為0.6 m×0.6 m,試驗風速為0～16 m·s-1。風洞中的梯度風速采用比托管測定，測定高度為0.4，0.6，1.2，2，4，8，12，16和20 cm；積沙采用臺階式積沙儀測定，儀器高20 cm，連續(xù)分布有10個2 cm×2 cm的進沙口，下部為積沙管。

試驗模型為鐵路防沙新材料HDPE板沙障，按照1∶10的比例制備，孔隙率為46%，墻體高度20 cm。流場試驗中，選取8，12和16 m·s-1共3組來流風速，分別測定沙障前1H，3H，5H，10H，障后0.5H，1H，3H，5H，7.5H，10H，15H，20H，25H(H為沙障模型的高度)處的流速，采集周期為1 s，采集時間為30 s。阻沙率測定試驗中，來流風速選擇12和16 m·s-1，沙源為敦煌鳴沙山的沙粒，積沙儀布設在沙障前9H(雙排時4H)和障后7.5H處，測試時間分別為3和1 min。

2 現(xiàn)場測試

2.1 工點概況

本研究的現(xiàn)場試驗工點位于格庫鐵路新疆段的米蘭地區(qū)，為典型的戈壁風沙流地段。地貌為塔里木盆地山前沖、洪積傾斜平原區(qū)，相對高差1～10 m，地表植被稀疏，風沙流作用顯著。區(qū)內氣候分區(qū)屬暖溫帶大陸性荒漠干旱氣候，年平均溫度11.8 ℃，極端最高溫度43.6 ℃，年平均降水量28.5 mm，年平均蒸發(fā)量2 920.2 mm；年平均風速2.7 m·s-1，極端最大風速≥40 m·s-1。

2.2 試驗方法

通過在2 m高的HDPE板沙障周邊關鍵位置布設1 m高的集沙儀，動態(tài)記錄某一時間段內近地表位置風沙流中沙物質的質量，計算不同位置處的輸沙率和沙障的阻沙效果等。風沙監(jiān)測儀器布設如圖1所示。

圖1 沙障前后集沙儀布設示意圖

3 分析及討論

3.1 沙障周邊流場分布

風沙流是風力搬運沙物質的一種近地表運動，是風沙地貌形成和發(fā)展的主要動力[7]。掌握近地表的氣流運動形式，對于判斷沙質地表的蝕積變化狀態(tài)，評價沙障的防護效果具有十分重要的意義[8]。圖2為野外風洞中不同來流風速下HDPE板沙障前后的流場分布圖(注：0為阻沙措施所在位置，氣流運動方向為從左向右)，從圖2可以看出：氣流在前進過程中受沙障影響，在沙障前后出現(xiàn)了一定的波動，尤其是沙障后，出現(xiàn)了明顯的低速區(qū)，氣流運動速度明顯低于起沙風速，為過境風沙流的沙物質沉降堆積區(qū)。分析圖中不同水平位置風速的變化情況可得，在障前隨著過境氣流與沙障水平距離的減小，風速顯現(xiàn)出了緩慢降低的趨勢；在障后流場的分布情況與障前相比，也呈現(xiàn)了降低的趨勢，但是二者變化曲線存在明顯的差異。對比二者，發(fā)現(xiàn)障前氣流受沙障自身影響較小，氣流在靠近沙障過程中，速度降低的幅度較為平緩，風速在障前1H處才呈現(xiàn)明顯的降低；而在障后0.5H～10H范圍內，不同來流下的風速降低幅度都較大，8 cm高度處HDPE板沙障最大風力消減率可達94.4%，風力最小值出現(xiàn)在障后5H左右。說明障后的0.5H～10H范圍，基本為HDPE板沙障的絕對低速區(qū)，在此范圍內，風速通常都會低于起沙風速，是沙障的典型積沙區(qū)之一。

圖2 HDPE板沙障前后的流場分布(測試高度為8 cm)

3.2 沙障阻沙效果

阻沙率是指過境風沙流經沙障阻擋凈化后，氣流中被消減的沙質量占原始來流沙量質量的百分比，用η表示。它與沙障高度和風速有關，是評價阻沙措施風沙防護效果的關鍵指標之一。

(1)

式中：m0為障前來流中的攜沙量， g；m1為經過沙障后氣流中的攜沙量， g；η為擋沙墻的阻沙率，%。

圖3為野外風洞中不同來流風速下HDPE板沙障的阻沙率分布圖。從圖3可以看出，HDPE板沙障起到了較好的風沙流凈化效果；12 m·s-1來流風速下，沙障高度范圍內的總阻沙率可達到71.13%；在16 m·s-1來流風速下，總阻沙率依然可達70.31%。分析不同沙障高度處阻沙率的分布情況可以看出，在沙障高度范圍內，阻沙率呈現(xiàn)一定的正態(tài)分布，在8～10 cm范圍內，阻沙率達到了最大值，而在地表和沙障頂部阻沙率則明顯變小。說明在風洞中，受試驗條件和邊界效應影響，風沙流中的沙物質在試驗區(qū)大多都以躍移形式運動，在8～10 cm高度區(qū)間內呈現(xiàn)集中分布區(qū)，致使阻沙率隨高度呈現(xiàn)一定的正態(tài)分布；而在18～20 cm處，由于受沙障壓縮氣流影響，在沙障頂部出現(xiàn)一個明顯的加速區(qū)，致使此處障后的風速有所增大，風沙流中攜帶的沙物質出現(xiàn)調整，呈現(xiàn)了少量的增加，故而出現(xiàn)障后沙物質多于障前沙物質的現(xiàn)象。

圖3 HDPE板沙障不同高度的阻沙率

3.3 不同布設間距對阻沙效果的影響

阻沙措施能夠通過改變近地面流場來實現(xiàn)地表沙物質的堆積、搬運等現(xiàn)象，形成了不同的風沙地貌[9-10]。阻沙措施間的布設距離是影響風沙防護體系的一個重要因素，沙障排間距過大，防沙體系的整體防沙效果會削弱；間距過小，所布設的阻沙措施防沙能力又不能充分發(fā)揮，造成一定的浪費。

圖4為HDPE板沙障不同布設間距整體阻沙率對比。從圖4可以看出，隨著風速的增大，沙障的整體阻沙率呈現(xiàn)了一定的降低趨勢。在12 m·s-1的來流風速下，當沙障的布設間距在5H～10H區(qū)間段內時，體系的累計阻沙率差異不大；但當布設間距增大到15H后，累計阻沙率呈現(xiàn)了一定的下降趨勢，但整體變化趨勢不顯著。當風速為16 m·s-1時，其整體變化趨勢與12 m·s-1的變化情況類似，但是三者之間的差距明顯變?。徽f明在短時間內，沙障間距的變化對阻沙率影響不大，但是隨著距離的進一步增大，風沙流會在沙障中間的空留帶獲得沙源補給，致使整體阻沙效果變差，所以建議在戈壁荒漠地區(qū)HDPE板阻沙措施的布設間距以15H～20H為宜。

圖4 HDPE板沙障不同布設間距阻沙率對比

3.4 現(xiàn)場防護效果驗證

在新建格庫鐵路DK732+905—DK733+578戈壁風沙流地段，根據(jù)風沙流結構特征，現(xiàn)場采用了阻固結合的風沙防護模式。在主風向側，前沿阻沙措施采用了2道2 m高的HDPE板阻沙措施，布設間距為40 m；在阻沙措施和路基之間布設了40 m寬的4 m×4 m×0.8 m中立式蘆葦大方格固沙帶?，F(xiàn)場試驗監(jiān)測時的風向為NNE，與線路走向的夾角約為60°。通過現(xiàn)場定位監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，風沙流經過2道HDPE板阻沙措施后，氣流中的輸沙率由原始的0.65 g·m-2·s-1下降至0.005 8 g·m-2·s-1，下降幅度超過99%，說明過境風沙流中的沙物質基本都被阻沙措施所攔截，阻沙措施防護效果非常顯著。圖5為DK732+905—DK733+578試驗段累計阻沙率沿體系斷面變化。從圖5可以看出，HDPE板沙障起到了良好的風沙防護效果，雖然受監(jiān)測設備采集率影響，體系內不同位置的阻沙率存在一定的波動，但是阻沙措施的整體阻沙率都在93%以上，風沙防護效果良好。

圖5 DK732+905—DK733+578累計阻沙率沿體系斷面變化

4 結 論

(1)風沙流途經HDPE板沙障后，會在障后的0.5H～10H范圍內出現(xiàn)明顯的絕對低速區(qū)，使得過境沙物質大量沉積，風沙流被凈化；后期隨著水平距離的增加，風速逐漸恢復。HDPE板沙障1/2高度處最大風力消減率可達94.4%，風力最小值出現(xiàn)在障后5H左右。

(2)風洞試驗測定，在HDPE板沙障高度范圍內，阻沙率呈現(xiàn)一定的正態(tài)分布，最大阻沙率出現(xiàn)在障高的中間位置。風速和阻沙率呈現(xiàn)負相關變化，風速越高，阻沙率越??；在16 m·s-1以下風速范圍內，單道HDPE板沙障的總阻沙率可達70%以上。

(3)在5H～15H范圍內，沙障的布設間距與整體阻沙率呈現(xiàn)一定的負相關變化。在5H～10H區(qū)段時，體系間的累計阻沙率差異不大；但當距離增大到15H后，阻沙率之間的差異有所增加。

(4)現(xiàn)場監(jiān)測所取得的結論與風洞試驗類似，風沙流經過HDPE板阻沙體系處理后，大風輸沙率出現(xiàn)了急劇降低，HDPE板沙障的整體阻沙率都在93%以上，起到了良好的風沙防護效果。