鐵路高立式蘆葦沙障防風(fēng)阻沙的現(xiàn)場測試與流場模擬計算

丁錄勝， 程建軍， 陳柏羽， 葛 云， 丁泊淞

(1.中鐵一院新疆鐵道勘察設(shè)計院有限公司， 新疆 烏魯木齊 830011； 2.石河子大學(xué)水利建筑工程學(xué)院，新疆 石河子832003； 3.石河子大學(xué) 機(jī)械電氣工程學(xué)院， 新疆 石河子832003)

風(fēng)沙災(zāi)害防治一直是中國西部戈壁、沙漠地區(qū)鐵路建設(shè)與運(yùn)營期所面對的棘手工程技術(shù)問題，鐵路沿線風(fēng)沙治理通常有機(jī)械防沙、植物防沙以及化學(xué)防沙3類形式。其中機(jī)械防沙是最有效，也是最快捷的方式。但機(jī)械防沙由于工程量巨大，且因防沙材料與種類的選擇，關(guān)系到其使用壽命問題[1]。目前在鐵路沿線所采用的機(jī)械防沙主要有混凝土式、PE網(wǎng)式以及其它形式的土工材料[2]。在鐵路沿線整個防沙工程體系中，位于最前沿的高立式阻沙沙障其作用最重要，目前在建庫格鐵路沿線高立式阻沙沙障采用蘆葦沙障為主要沙障形式之一。

蘆葦沙障因?yàn)榫哂性靸r低，來源廣泛、就地取材、施工便捷、后期更替修補(bǔ)方便等特點(diǎn)被列為庫格鐵路沿線高立式阻沙沙障所采用的主要防護(hù)形式之一，然而對于采用蘆葦沙障進(jìn)行風(fēng)沙防護(hù)的研究較少，韓致文等[3]對不同間距蘆葦方格進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，風(fēng)速最大值出現(xiàn)在蘆葦方格迎風(fēng)側(cè)第一格的上空，且方格內(nèi)積沙均勻。馬學(xué)喜等[4]通過野外實(shí)地觀測發(fā)現(xiàn)，在不同地形條件下蘆葦方格沙害類型均表現(xiàn)為半埋危害。這些研究僅針對低立式蘆葦方格進(jìn)行了初步研究，而針對高立式蘆葦沙障的防沙的文獻(xiàn)尚未見到報道，高立式蘆葦沙障設(shè)置高度為2 m，蘆葦采用質(zhì)地優(yōu)良水生干蘆葦，用鍍鋅鐵絲捆扎成直徑為8 cm的蘆葦束，蘆葦束間距為5 cm，每隔2 m設(shè)置圓木立柱，立柱直徑15 cm，根部埋入地基中不少于1m。為了調(diào)查高立式蘆葦沙障的防風(fēng)阻沙性能以及蘆葦沙障的流場分布特征，本文采用鐵路沿線的阻沙現(xiàn)場測試以及流體動力學(xué)數(shù)值計算手段對高立式蘆葦沙障阻沙防風(fēng)性能進(jìn)行研究，以期為風(fēng)沙災(zāi)害防治提供相關(guān)的科學(xué)依據(jù)。

1 高立式蘆葦沙障阻沙現(xiàn)場測試試驗(yàn)設(shè)計及數(shù)值模擬方法

1.1 阻沙現(xiàn)場測試試驗(yàn)

為了調(diào)查高立式蘆葦作為阻沙沙障的防風(fēng)阻沙性能，在庫格鐵路沿線進(jìn)行了蘆葦沙障的阻沙測試試驗(yàn)與防風(fēng)測試試驗(yàn)。試驗(yàn)在蘆葦沙障的迎風(fēng)側(cè)50 m范圍之外布設(shè)第一套風(fēng)沙采集系統(tǒng)，風(fēng)沙采集系統(tǒng)由1 m高的地表集沙儀與3 m高的梯度風(fēng)速儀組成。其中地表集沙儀采集高度范圍為1 m，50個高度層次，每2 cm為一個采集高度。當(dāng)有風(fēng)沙來流時，需要人工調(diào)整方向，使來流對準(zhǔn)采集口。梯度風(fēng)速儀為4檔高度，分別為0.2，0.8，2，3 m。此套風(fēng)沙采集系統(tǒng)所得數(shù)據(jù)為風(fēng)沙來流參照值。第2道風(fēng)沙采集系統(tǒng)布設(shè)在蘆葦沙障的背風(fēng)側(cè)沙障防風(fēng)影響范圍之外，通過2套采集系統(tǒng)的對照，能摸清蘆葦沙障截留的過境風(fēng)沙流，用阻沙率及大風(fēng)遮蔽效應(yīng)系數(shù)表示蘆葦沙障的防風(fēng)阻沙性能[5]。

1.2 風(fēng)沙流場數(shù)值模擬方法

1.2.1 幾何建模 利用AutoCAD建立計算區(qū)域模型。蘆葦沙障模型的計算域長80 m，寬6 m，高20 m，計算域尺寸的選取主要考慮計算對象阻塞率的要求，為使模型阻塞率小于6%，取計算域高度為10H(H為蘆葦沙障的高度，文中取H=200 cm)。蘆葦沙障每隔2 m設(shè)置一個直徑15 cm的立柱，研究對象取具有對稱性的3段蘆葦沙障，總長6 m，故計算域?qū)捜? m；為滿足氣流在蘆葦沙障附近充分發(fā)展的條件，將蘆葦沙障布設(shè)在距計算域入口10H位置處，沙障后保留30H的距離以分析氣流在其后的發(fā)展情況，故計算域長度取80 m。本文中以直徑為8 cm的圓柱體代替實(shí)際防風(fēng)沙工程中的蘆葦束，為考慮蘆葦沙障穩(wěn)定性設(shè)備如捆綁鐵絲等對氣流的影響，在蘆葦束高度方向上每隔30 cm設(shè)置一長6 m，直徑為0.2 cm的圓柱體。為盡可能真實(shí)的反映實(shí)際工程阻沙蘆葦沙障的阻沙效果，設(shè)置蘆葦束間距均為5 cm。

1.2.2 網(wǎng)格劃分 采用ANSYS ICEM CFD的Meshing模塊對建立的幾何模型和計算域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，采用非結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)格(TETRAHEDRONS)劃分方法并設(shè)定合適的網(wǎng)格尺寸，其中網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)(Nodes)176 435個、網(wǎng)格面(Faces)1 973 444個、網(wǎng)格單元(Cells)969 777個，計算域模型網(wǎng)格平均質(zhì)量為0.837，網(wǎng)格質(zhì)量優(yōu)良。

1.2.3 計算參數(shù)設(shè)置 為從沙粒的起動風(fēng)速方面考慮沙粒在蘆葦沙障附近的沉積分布，分別進(jìn)行流場和風(fēng)沙兩相流的數(shù)值計算。流場的數(shù)值計算過程較為簡便，主要涉及入口廓線風(fēng)速的設(shè)定，對于兩相流計算參數(shù)設(shè)定，為體現(xiàn)自然工況下沙源充分的情況，模擬中采用風(fēng)攜沙模型計算蘆葦沙障作用下積沙分布規(guī)律，即在考慮風(fēng)沙流自平衡機(jī)制下，在計算域入口處設(shè)置源源不斷的沙粒。設(shè)置求解器為能反映風(fēng)沙兩相流的瞬間變化的瞬態(tài)、基于壓力的求解方式，其中壓力—速度耦合方法選擇用于求解不可壓縮流場的相間壓力耦合方程的半隱方法(Phase Coupled SIMPLE)，湍流模型選擇對邊界層湍流方程進(jìn)行改進(jìn)的可實(shí)現(xiàn)k-ε模型(Realizablek-ε模型)。由于該部分涉及風(fēng)沙兩相流問題，定義沙顆粒密度和粘度分別為ρs=2 600 kg/m3，μ=0.004 7 kg/(m·s)，并在沙相屬性中選擇沙物質(zhì)形狀為顆粒狀，根據(jù)沙物質(zhì)不同粒徑下的運(yùn)移方式定義沙顆粒直徑ds=0.1 mm[6]；為保證計算結(jié)果能夠收斂，動量、各相體積分?jǐn)?shù)、湍動能以及湍流耗散率等的空間離散化方式均選擇一階迎風(fēng)格式，并保證殘差監(jiān)視的絕對收斂標(biāo)準(zhǔn)不大于10-3。

設(shè)置模型入口為風(fēng)沙流的速度入口，分別設(shè)定為6，12，20，25 m/s，通過定義地表粗糙度來實(shí)現(xiàn)風(fēng)沙流速度在不同高度上的分布規(guī)律，由于采用風(fēng)攜沙模型，沙相的體積分?jǐn)?shù)設(shè)置考慮當(dāng)顆粒的容積份額小于5%時，顆粒的自由沉降就會受阻，并且自由沉降速度也不再遵循斯托克斯定律[6]。因此根據(jù)多次數(shù)值模擬結(jié)果，并考慮提供合適的沙源而設(shè)置入口沙相體積分?jǐn)?shù)為10%；計算域出口由于無法預(yù)測風(fēng)沙流的湍流發(fā)展情況，故采用壓力出口邊界條件，湍流具體表示方法選擇湍流強(qiáng)度和水力直徑來描述，并根據(jù)模型尺寸分別定義兩者為5%和4.6 m。計算域左右兩側(cè)采用對稱邊界條件，上邊界采用滑移壁面條件，地面采用無滑移壁面條件(Wall)[7]，根據(jù)實(shí)測梯度風(fēng)速數(shù)據(jù)根據(jù)公式(2)所得的地表粗糙度來進(jìn)行設(shè)定，模擬計算時間統(tǒng)一為30 s。

2 結(jié)果與分析

2.1 阻沙現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果

在高立式蘆葦沙障前后同時布設(shè)風(fēng)沙采集系統(tǒng)，一場大風(fēng)后，記錄分析布設(shè)在沙障前后的集沙儀集沙量。從圖1可見，庫格沿線沙漠邊緣風(fēng)沙來流的風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)特征表現(xiàn)為沙通量主要在1 m高度范圍以下，這與戈壁地表的風(fēng)沙流運(yùn)動規(guī)律有所不同[8]，且貼近地表輸沙量最大，在20 cm以下是輸沙量的主體部分，20 cm高度以上輸沙量呈規(guī)律性的逐漸遞減。由于沙障迎風(fēng)側(cè)的集沙儀采集的沙量是自然地表未經(jīng)擾動的過境風(fēng)沙流量，而沙障后的集沙儀采集的沙量是經(jīng)過了蘆葦沙障降速風(fēng)沙流卸載后的過境風(fēng)沙流。則沙障阻沙率的公式如下[5]：

(1)

式中：K——阻沙率(%)；Q1——不受沙障影響的來流總過境風(fēng)沙流量值(g/min)；Q2——經(jīng)過沙障過濾后不能被截留的過境風(fēng)沙流量值(g/min)；具體測試時，Q1的量值來自布設(shè)在蘆葦沙障迎風(fēng)側(cè)10H(H為蘆葦沙障高度)以外，考慮到透隙式沙障的控風(fēng)影響范圍在沙障背風(fēng)側(cè)的距離為10～20H左右，Q2的量值來自布設(shè)在沙障背風(fēng)側(cè)25H距離處的集沙儀。將本次測試的數(shù)值帶入(1)式得：

即第一道高立式蘆葦沙障的阻沙率為93.85%。

注：集沙層每層厚度為2 cm。圖1 高立式蘆葦沙障沙障前后集沙量對比

圖2為梯度風(fēng)速儀實(shí)測的來流風(fēng)速廓線，通過在蘆葦沙障前后布設(shè)多套梯度風(fēng)速儀，在有風(fēng)時同時監(jiān)測，能夠采集大風(fēng)經(jīng)過沙障的流場風(fēng)速變化數(shù)據(jù)，但是由于沙障對流場的擾動，沙障背風(fēng)側(cè)風(fēng)速變化大，僅靠幾套梯度風(fēng)速儀難以捕捉到整個流場的風(fēng)速變化規(guī)律。但是沙障迎風(fēng)側(cè)布設(shè)的梯度風(fēng)速儀所采集的風(fēng)速數(shù)據(jù)仍然具有重要的作用。根據(jù)普朗特—馮·卡門的速度對數(shù)分布規(guī)律，可利用任何2層風(fēng)速量值來求取地表粗糙系數(shù)z0，地表粗糙系數(shù)是風(fēng)速為零的高度(m)，在后續(xù)的數(shù)值計算中是一個必須的參數(shù)。根據(jù)兩層風(fēng)速推求地表粗糙系數(shù)的公式如下：

(2)

式中：ux2，ux1——高度為z2與z1高度處的風(fēng)速值，未知數(shù)是Z0，因此該公式可以進(jìn)一步表示為：

(3)

將本次采用梯度風(fēng)速儀監(jiān)測所得同一時間的2個梯度風(fēng)速值代入(3)式，即可得到該地域的地表粗糙度，為后續(xù)計算提供依據(jù)。

圖2 沙障迎風(fēng)側(cè)風(fēng)速廓線

2.2 數(shù)值模擬結(jié)果

2.2.1 蘆葦沙障的流場分布及防風(fēng)效益 由于2種入口風(fēng)速下，蘆葦沙障附近流場分布相似，故該部分主要提取12 m/s入口風(fēng)速下的計算結(jié)果具體分析蘆葦沙障附近不同位置處的流場變化規(guī)律(如圖3所示)。

從圖3中可以看出，12 m/s的入口風(fēng)速下，蘆葦沙障周圍流場變化明顯，經(jīng)過蘆葦?shù)目v斷面上流場分布規(guī)律與經(jīng)過蘆葦間隙的縱斷面上流場的分布規(guī)律相似，主要是因?yàn)樘J葦沙障間隙相對于蘆葦沙障來說屬于次要因素，對氣流的干擾在宏觀上的體現(xiàn)微弱[9]。圖3a中，入口廓線風(fēng)速在經(jīng)過蘆葦沙障時，由于實(shí)體蘆葦對來流的阻礙，氣流在障前約3.97H范圍內(nèi)出現(xiàn)減速區(qū)；蘆葦沙障等間距布設(shè)存在的空隙，透隙率為36.5%，使得因蘆葦和其他氣流團(tuán)的擠壓而從蘆葦沙障頂部越過的氣流較少，故在蘆葦沙障頂部偏后方位出現(xiàn)的擠壓上揚(yáng)區(qū)范圍小，湍流強(qiáng)度弱；氣流在蘆葦沙障后形成的減速區(qū)較為均勻，且沒有渦流區(qū)的出現(xiàn)。圖3b的流場分布規(guī)律在整體上與圖3a的相似，局部區(qū)域的速度變化將在圖4中分析，而從z=30 cm高度上的速度分布云圖可以看出，氣流得到較大程度的削弱區(qū)間在障后1.8H～5.7H內(nèi)，其他區(qū)域的風(fēng)速值仍大于4 m/s，即沙粒仍具有一定的動能保持運(yùn)動狀態(tài)；從圖3c中還可以看出，蘆葦沙障對來流的干擾作用分布于蘆葦沙障的整個布設(shè)長度。

注：H為蘆葦沙障高度，H=200 cm，下同。圖3 蘆葦沙障不同斷面的流場分布云圖

從圖4中可以看出不同斷面上局部位置處流場分布的差異性。在圖4a中，由于蘆葦束的阻礙作用，氣流僅在每株蘆葦束后形成貼近蘆葦束的微小離散渦流單元，渦流區(qū)單元微小，氣流通過沙障后則不存在大的渦流區(qū)；圖4b中，由于所選取縱斷面經(jīng)過兩束蘆葦之間空隙，該部分氣流因受到兩側(cè)蘆葦束的擠壓而出現(xiàn)速度增加的紊流區(qū)，速度變化梯度較大；圖4c中可以明顯看出蘆葦束和蘆葦束之間氣流的交替變化，由于兩側(cè)立柱離最近的蘆葦束只有40 mm的距離，小于蘆葦束之間的間距50 mm，所以在兩側(cè)立柱附近出現(xiàn)與蘆葦沙障后不同的流場分布規(guī)律。

采用風(fēng)速遮蔽效應(yīng)系數(shù)計算公式來計算蘆葦沙障的防風(fēng)效益：

η=(v0-vx)/v0

(4)

式中：η——風(fēng)速遮蔽效應(yīng)系數(shù)；v0——入口風(fēng)速(m/s)；vx——蘆葦沙障前后x位置處的風(fēng)速(m/s)。取z=0.3，1.0，2.0 m這3個特征高度處中心縱斷面上的速度值進(jìn)行數(shù)值分析，得到相應(yīng)的遮蔽效應(yīng)系數(shù)特征(如圖5所示)。

注：圖a和b為蘆葦沙障前0.5H至障后1H范圍內(nèi)1.2H高度內(nèi)的風(fēng)速云圖；圖c為蘆葦沙障前0.2H至障后0.8H范圍內(nèi)局部風(fēng)速云圖

圖4 蘆葦沙障周圍風(fēng)速特征云圖

圖5 不同風(fēng)速(V)時遮蔽效應(yīng)系數(shù)特征

從圖5中可以看出，不同高度處中心縱斷面上風(fēng)速的遮蔽效益系數(shù)隨水平距離的變化趨勢與入口風(fēng)速的大小無關(guān)[10]，即特定的防風(fēng)沙構(gòu)筑物對氣流的控制規(guī)律相同，不受風(fēng)速影響。圖5a中，由于風(fēng)沙兩相流中，沙顆粒主要在離地面30 cm范圍內(nèi)運(yùn)動，故該部分選擇Z=0.3 m高度處風(fēng)速值，分析其對沙粒運(yùn)動的影響。在該高度上，風(fēng)速的遮蔽效應(yīng)系數(shù)呈現(xiàn)先增大后減小而后穩(wěn)定的變化趨勢。在計算域入口至蘆葦沙障區(qū)間內(nèi)，由于受到蘆葦沙障的阻礙和因阻礙而湍動能降低的氣流團(tuán)的影響，氣流速度呈現(xiàn)先增加后減小的變化趨勢，即遮蔽效應(yīng)系數(shù)先減小后增大；隨著水平距離的增加，氣流在蘆葦沙障的作用下將不斷得到削弱，即遮蔽效應(yīng)系數(shù)從蘆葦沙障位置處向后逐漸增大并達(dá)到最值47.9%，該位置位于蘆葦沙障后6H附近；隨著水平距離的增加，蘆葦沙障的影響逐漸減小，障后氣流速度逐漸得到恢復(fù)，遮蔽效應(yīng)系數(shù)逐漸減小，在障后17H處，氣流已基本恢復(fù)至與入口相同的湍動能，而后將保持不變。其中在障前3.5H和障后17H的主要影響區(qū)間內(nèi)，蘆葦沙障對來流的平均削弱能力為29.7%。z=1.0 m高度上和z=2.0 m高度上風(fēng)速的遮蔽效應(yīng)系數(shù)變化趨勢相似，僅在蘆葦沙障后1～30 m范圍內(nèi)，z=2.0 m高度上風(fēng)速的遮蔽效應(yīng)系數(shù)比z=1.0 m高度上的整體上下降了29.1%。

2.2.2 蘆葦沙障的積沙分布與控沙特征 如圖6所示，隨著入口風(fēng)速的增加，沙粒在蘆葦沙障附近的沉積分布規(guī)律相似，均集中分布在蘆葦沙障前，障后沙粒的分布相對較少且較為均勻，只是不同的入口風(fēng)速下對應(yīng)的沙粒沉積分布區(qū)的沙相體積分?jǐn)?shù)有所不同。圖6a中，由于入口風(fēng)沙流速較小僅有6 m/s，比直徑為0.1 mm的沙粒對應(yīng)的的起動風(fēng)速4 m/s略大，加之蘆葦沙障對來流平均29.7%的削弱作用，使得風(fēng)沙流的湍動能得到一定程度的削減后其速度值接近并低于沙粒的起動風(fēng)速，所以沙粒在障前0.2H范圍內(nèi)出現(xiàn)大量的沉積，沙相體積分?jǐn)?shù)達(dá)最大值60%。障后，由于蘆葦沙障豎向均勻透隙存在，使得未經(jīng)削弱的風(fēng)沙流在障后不斷緩和湍動能偏小的風(fēng)沙流，從而導(dǎo)致沙粒的沉積量減小[11]。

圖6 不同風(fēng)速(V)時蘆葦沙障周圍的積沙分布特征

為分析蘆葦沙障對過境風(fēng)沙流的控制作用，尤其是在沙障障后減速區(qū)范圍內(nèi)沙顆粒物質(zhì)的沉積與運(yùn)動規(guī)律，參考流場分布特點(diǎn)，提取蘆葦沙障前3.5H至障后17H范圍內(nèi)的沙粒質(zhì)量流率以定量分析蘆葦沙障的控沙特點(diǎn)，其中沙相質(zhì)量流率為單位時間內(nèi)通過計算域目標(biāo)截面的沙粒質(zhì)量。結(jié)果如圖7所示。

從圖7中可以看出，在不同的入口風(fēng)沙流速下，蘆葦沙障前3.5H至障后17H范圍內(nèi)的沙粒質(zhì)量流率變化有一定的差異性，在水平距離X=14～19 m(X=20 m為蘆葦沙障的布設(shè)位置)范圍內(nèi)保持穩(wěn)定；越過蘆葦沙障后，沙通量急劇減小，在X=20～54 m范圍內(nèi)波動差異大，這種波動正是由于沙障對障后風(fēng)沙流場的擾動所造成的，但該區(qū)間內(nèi)沙粒質(zhì)量流率明顯小于蘆葦沙障前7 m范圍內(nèi)的沙通量，這種變化趨勢與沙粒的沉積分布情況是吻合的。

3 結(jié) 論

針對在建庫格鐵路沿線大量使用的高立式蘆葦沙障進(jìn)行了現(xiàn)場測試與數(shù)值計算分析，采用高立式蘆葦沙障作為阻沙沙障的系統(tǒng)研究尚未見文獻(xiàn)論述，本文基于現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)分析了蘆葦沙障的阻沙性能、控風(fēng)性能，流場分布以及整體控沙規(guī)律。通過研究發(fā)現(xiàn)在建庫格鐵路沿線采用的高立式蘆葦沙障的阻沙效果明顯，單道蘆葦沙障的阻沙率為93.85%，雖然當(dāng)風(fēng)級增大時，阻沙率會發(fā)生變化，但由于鐵路沿線通常設(shè)置多道阻沙沙障，可以推測風(fēng)沙流經(jīng)過多道阻沙沙障后，基本被凈化。

在單道蘆葦沙障的作用下，來流在其周圍的速度分布明顯，障后形成的減速區(qū)較為均勻且沒有渦流區(qū)的出現(xiàn)；蘆葦沙障的透隙率為36.5%，蘆葦沙障對來流的削弱影響區(qū)主要在分布障前3.5H和障后17H水平距離范圍內(nèi)，對來流的平均削弱程度為29.7%，最大值為48%，對蘆葦沙障風(fēng)沙兩相流的計算結(jié)果分析可知，當(dāng)風(fēng)速大于起沙風(fēng)速后，沙顆粒主要分布在蘆葦沙障前0.2H范圍內(nèi)，風(fēng)沙流經(jīng)過沙障后沙通量急劇降低。

圖7 不同風(fēng)速(V)時沙障前后減速區(qū)范圍內(nèi)沙粒質(zhì)量流率變化特征

以上研究結(jié)果表明，高立式蘆葦沙障對障前3.5H和障后17H范圍有較好遮蔽效果，可可為多道高立式蘆葦沙障的合理布置間距提供參考，此外，高立式蘆葦沙障具有類似網(wǎng)式沙障的優(yōu)良控沙特征，也可為該型沙障在庫格鐵路沿線的推廣使用提供理論依據(jù)。