草方格沙障高度與間距對防沙固沙效果的影響研究

柳軍 肖玉濮 于曙華 周孟坤

摘要：為有效解決沙漠公路風(fēng)沙防護(hù)難題，文章依托新疆烏尉沙漠公路建設(shè)項(xiàng)目，采用Fluent有限元軟件建立了草方格沙障數(shù)值模型，研究不同蘆葦高度、不同草方格間距對草方格沙障防沙固沙效果的影響。研究結(jié)果表明：風(fēng)沙躍遷率與蘆葦高度成正相關(guān)，而與草方格間距成負(fù)相關(guān);考慮防沙固沙效果與工程經(jīng)濟(jì)效益，推薦了適用于南疆沙漠地區(qū)草方格沙障的最優(yōu)規(guī)格：蘆葦高度為20 cm，草方格尺寸為1 m×1 m。

關(guān)鍵詞：草方格沙障;數(shù)值模型;防沙固沙效果;風(fēng)沙躍遷率;最優(yōu)規(guī)格

0 引言

土地沙漠化是人類面臨的一個(gè)重大的生態(tài)環(huán)境問題，我國土地沙漠化發(fā)展迅猛，形勢異常嚴(yán)峻。新疆烏尉公路項(xiàng)目處于新疆沙漠地區(qū)，風(fēng)沙對公路沿線有很大危害，主要造成沙埋和風(fēng)蝕等問題。目前對沙漠公路風(fēng)沙防護(hù)的措施有工程防沙[1-2]、化學(xué)固沙[3-4]、植物固沙[5]等，其中對植物固沙研究較多。20世紀(jì)初期我國就開始進(jìn)行植被恢復(fù)，并研制新植物防護(hù)技術(shù)。吳啟東[6]采用蘆葦?shù)炔牧现谱髁瞬莘礁裆痴?，在沙區(qū)扎成方格狀屏障用于防沙固沙，研究證明該技術(shù)是一種經(jīng)濟(jì)實(shí)用、效果顯著的技術(shù)措施。凌裕泉[7]通過理論模型得出草方格沙障內(nèi)最大風(fēng)蝕深度和草方格間距的解析關(guān)系式，進(jìn)而分析了草方格沙障的防護(hù)效益。王振亭和鄭曉靜[8]利用單排理想渦列模型模擬風(fēng)沙流場，并給出了草方格沙障的建議間距。劉賢萬[9]對草方格沙障進(jìn)行了風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)，將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論模型進(jìn)行了對比分析。然而由于草方格沙障內(nèi)風(fēng)沙流場的復(fù)雜性與不確定性，單從理論解析、試驗(yàn)研究方面難以進(jìn)行動(dòng)態(tài)準(zhǔn)確分析。

因此，本文采用數(shù)值模型方法分析了不同蘆葦高度、不同草方格間距對草方格沙障風(fēng)沙躍遷率的影響規(guī)律，進(jìn)而綜合考慮防沙固沙效果與工程經(jīng)濟(jì)效益，給出了新疆烏尉沙漠公路草方格沙障高度與間距的最佳組合。

1 工程概況與模型建立

1.1 工程概況

新疆烏尉公路包PPP項(xiàng)目YSTJ-02標(biāo)段起訖里程為K37+000～K127+000，全長90 km。項(xiàng)目位于新疆巴音郭楞蒙古自治州第二師境內(nèi)，線路位于塔里木盆地東北邊緣，塔克拉瑪干沙漠東北角。線路展布于孔雀河及塔里木河沖積區(qū)，局部穿越風(fēng)積沙漠區(qū)。當(dāng)?shù)卮杭径囡L(fēng)，夏季炎熱，干旱、沙塵等災(zāi)害性天氣較多，對道路施工與服役質(zhì)量影響較[=XHB（]草方格沙障高度與間距對防沙固沙效果的影響研究/柳 軍，肖玉濮，于曙華，周孟坤[=JP2]大。為此，該項(xiàng)目風(fēng)沙地區(qū)公路邊坡擬采用蘆葦草方格沙障進(jìn)行防沙固沙處治。

該研究的沙樣采自新疆南疆地區(qū)東、西部的5個(gè)不同區(qū)域，每個(gè)沙樣取表層0～10 cm的沙物質(zhì)，且每個(gè)采樣點(diǎn)重復(fù)取樣3次，以減小試驗(yàn)誤差。將野外采集的沙樣在實(shí)驗(yàn)室陰干，過篩剔除雜物，然后按照四分法對每個(gè)土樣進(jìn)行篩選，最后對每粒級篩余的沙樣稱重并計(jì)算百分含量。篩分結(jié)果發(fā)現(xiàn)施工路段的沙樣中細(xì)沙含量最高，均值達(dá)89.5%，所以在數(shù)值模擬中顆粒相選取細(xì)沙，這樣更具代表性。沙漠中的沙粒由于長時(shí)間相互摩擦，以至于表面相當(dāng)光滑，可將沙粒簡化為球形。

1.2 草方格沙障數(shù)值模型

風(fēng)場相大渦模擬方程根據(jù)Shao Y.P和Li A[10]提出的紊流運(yùn)動(dòng)控制方程結(jié)合Smagorinsky基本亞格子應(yīng)力封閉模型得到;顆粒相控制方程采用黃寧[11]提出的拖曳力表達(dá)式;顆粒擊濺函數(shù)采用Andersion[12]提出的簡單擊濺函數(shù);結(jié)合南疆地區(qū)施工經(jīng)驗(yàn)與氣候特點(diǎn)，采用Fluent有限元軟件建立數(shù)值模型（如圖1所示）。模型中風(fēng)速采用7 m/s。

在以上模型中分別設(shè)置6個(gè)觀測面，各觀測面距風(fēng)沙流起始位置分別為0 m、1.5 m、3 m、4.5 m、6 m、7.5 m、9 m。為定量分析草方格沙障的防沙固沙效果，定義風(fēng)沙躍遷率W（%）為風(fēng)沙流場達(dá)到穩(wěn)定飽和狀態(tài)下單位時(shí)間內(nèi)通過某一觀測面的沙粒數(shù)目與運(yùn)動(dòng)沙?？倲?shù)目的比值。

W=Mi/M0（1）

式中：M0——風(fēng)沙流場中運(yùn)動(dòng)沙?？倲?shù)目;

Mi——通過第i觀測面的沙粒數(shù)目。

2 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

2.1 不同蘆葦高度草方格沙障模擬結(jié)果與分析

由表1、圖2可以發(fā)現(xiàn)：3種蘆葦高度下草方格沙障風(fēng)沙躍遷率的變化趨勢基本相同，均隨著起始距離的增加而逐漸降低;前4個(gè)觀測面的躍遷率下降較快，在第4個(gè)觀測面處3種蘆葦高度下的躍遷率均<10%，且躍遷率趨于平緩。同一觀測面下蘆葦越高其躍遷率越小，表明其阻沙效果越好。高20 cm、間距為0.75 m草方格沙障的風(fēng)沙躍遷率稍大于高25 cm、間距為0.75 m的草方格沙障，即兩者防沙效果差別很小。但是蘆葦越高勢必造成材料的浪費(fèi)和成本的增加，因此綜合考慮防沙效果與經(jīng)濟(jì)成本，可以確定蘆葦高度為20 cm時(shí)的草方格沙障更適于工程應(yīng)用。

由于有草方格沙障陣列的存在，在風(fēng)吹動(dòng)下沙粒起跳躍移或被草方格阻擋，從而使沙粒被固留在草方格內(nèi)而無法再躍移。同時(shí)，鋪設(shè)的草方格沙障大大增加了沙地表面的粗糙度，使風(fēng)沙流場的黏性作用明顯，且高出地表的草方格在風(fēng)的吹動(dòng)下不停搖擺，與風(fēng)場形成對流，減弱風(fēng)流場的能量，從而實(shí)現(xiàn)了草方格沙障的防沙固沙效果。

2.2 不同間距草方格沙障模擬結(jié)果與分析

由表2、圖3可知，草方格間距對草方格沙障阻沙能力影響較大，整體來說草方格間距越大，其阻沙能力越弱。間距為0.75 m的草方格沙障的防沙效果優(yōu)于間距為1 m和1.25 m的草方格沙障。間距為1.25 m的草方格沙障在第四、第五個(gè)觀測面處的躍遷率仍過高，勢必造成風(fēng)沙對新疆烏尉公路的過早沙埋、風(fēng)蝕等。而在實(shí)際施工應(yīng)用中，間距為0.75 m草方格沙障的相比于間距為1 m的草方格沙障將會(huì)大幅增加材料用量和人力成本，但是其阻沙能力并沒有大幅度提升。故相比之下，間距為1 m的草方格沙障的防沙固沙效率更高。

2.3 草方格沙障最優(yōu)規(guī)格分析

前文從單一因素分析可初步確定，蘆葦高度為20 cm、草方格間距為1 m是草方格沙障的最優(yōu)選擇，但是草方格沙障的阻沙效率是由蘆葦高度和草方格間距兩個(gè)變量共同控制的。為了驗(yàn)證草方格沙障高度和間距的相互影響，建立3種蘆葦高度（15 cm、20 cm、25 cm）、3種間距（0.75 m、1 m、1.25 m）組合下的草方格沙障模型，研究草方格沙障在雙重變量情況下的阻沙效果。前面分析發(fā)現(xiàn)第六觀測面的躍遷率能更直觀反映草方格沙障的阻沙效果，9個(gè)模型在第六觀測面的躍遷率見圖4。

圖4中的每一個(gè)點(diǎn)代表在不同高度和間距雙重作用下草方格沙障在第六觀測面處的躍遷率。從圖4可發(fā)現(xiàn)，草方格高度越高，間距越小，其阻沙能力越強(qiáng)。綜合來看，高度為20 cm和25 cm、間距為0.75 m和1.00 m的4組草方格沙障的風(fēng)沙躍遷率均不超過1%。為了節(jié)約工程成本和施工時(shí)間，同時(shí)保證良好的防沙效果，故優(yōu)選草方格沙障規(guī)格為：高度為20 cm，間距為1 m。

3 結(jié)語

根據(jù)新疆烏尉公路防沙固沙工程，對不同高度和間距的草方格沙障進(jìn)行數(shù)值模擬。通過對模擬結(jié)果進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)草方格沙障具有很好的防沙固沙作用，草方格高度和防沙能力成正相關(guān)，草方格間距和防沙能力成負(fù)相關(guān);考慮到工程成本、施工時(shí)間及防沙效果，確定高度為20 cm、尺寸為1 m×1 m的草方格沙障適用于新疆烏尉沙漠公路的防沙固沙工程。

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