孔隙率對蘆葦沙障風(fēng)沙防護(hù)效果影響分析

李凱崇，譚立海，石 龍，魏永杰

(1.中鐵西北科學(xué)研究院有限公司， 甘肅 蘭州 730000；2.中國科學(xué)院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所， 甘肅 蘭州 730000；3.西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院， 四川 成都 610031；4.新疆鐵道勘察設(shè)計(jì)院有限公司， 新疆 烏魯木齊 830011)

格庫鐵路從庫爾勒出發(fā)，沿塔里木河行進(jìn)，途經(jīng)依吞布拉克站后，進(jìn)入青海省，沿線地形平坦，地勢開闊略有起伏，風(fēng)沙地貌廣布[1-3]。線路在新疆境內(nèi)全長708 km，其中，沙害段落累計(jì)長401 km，約占全長的56.6%，沙害十分嚴(yán)重。工程防沙措施作為一種臨時(shí)性防護(hù)措施，具有種類多樣、適用性強(qiáng)、見效快等特點(diǎn)，常用于鐵路風(fēng)沙防護(hù)工程的先導(dǎo)位置[4-5]。

新疆南疆地區(qū)地材豐富，區(qū)內(nèi)不僅有全國四大葦區(qū)之一的博斯騰湖，境內(nèi)的塔里木河、車爾臣河、孔雀河、和田河及葉爾羌河等也存在大面積的蘆葦沼澤[6]，蘆葦材料十分充沛，可用于大范圍的風(fēng)沙防護(hù)工程。國內(nèi)外學(xué)者關(guān)于蘆葦沙障開展了一系列研究，大多集中在農(nóng)田常規(guī)防護(hù)和低立式格狀沙障防護(hù)效益監(jiān)測等方面。韓致文等[7]通過風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)M研究了不同規(guī)格高立式蘆葦方格沙障前后的流場分布情況，并給出了各自的適用條件。王文彪等[8]研究了蘆葦及其他農(nóng)作物秸稈沙障的防風(fēng)效能，提出上述沙障在10 cm高度處具有明顯的效能，但隨著高度的增大，效果逐漸減小。在高立式蘆葦沙障方面，丁錄勝等[9]通過數(shù)值模擬得出，蘆葦高立式沙障對障前3.5H(H為沙障高度)和障后17H范圍有較好遮蔽效果，控沙能力優(yōu)良。目前相關(guān)研究大多集中于評價(jià)防護(hù)效果和防護(hù)范圍等，對沙障風(fēng)沙防護(hù)機(jī)理和結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化則涉獵較少，尤其是對高立式蘆葦沙障的研究，鮮有報(bào)道。針對上述問題，本文基于格庫鐵路風(fēng)沙防護(hù)工程應(yīng)用，開展孔隙率對蘆葦沙障風(fēng)沙防護(hù)效果的影響分析，完善鐵路風(fēng)沙防護(hù)理論，為后期風(fēng)沙防護(hù)工程實(shí)施提供一定技術(shù)支撐。

1 研究方法

1.1 數(shù)值仿真模擬

依據(jù)格庫鐵路風(fēng)沙防護(hù)工程建立相關(guān)仿真模型，分析不同孔隙率沙障前后流場分布特征，評價(jià)沙障對風(fēng)沙流的消能效果。模擬計(jì)算區(qū)域設(shè)定為100 m×20 m，沙障高為2.0 m，模型距來流邊界為40 m，蘆葦束直徑為5 cm，相鄰束間距分別為1、2、3、4、5 cm，對應(yīng)的孔隙率依次為16.7%、28.6%、37.5%、44.4%、50.0%。來流風(fēng)速設(shè)定為20 m/s；沙粒平均粒徑取0.1 mm，沙粒密度為2 600 kg/m3，初始沙粒相體積分?jǐn)?shù)取0.001，空氣密度為1.225 kg/m3，空氣動(dòng)力黏度取1.789 4×10-5Pa·s。

入口處風(fēng)速廓線分布特征為

V(y)=(V*/k)ln(y/y0)

(1)

式中：V(y)為風(fēng)速；V*為摩阻風(fēng)速；y為長度；y0為粗糙長度；k為馮卡門常數(shù)，通常取0.4。

計(jì)算網(wǎng)格劃分類型為Quad,劃分方法為Pave。模型左側(cè)邊界為速度入口,右側(cè)邊界定義為壓力出口，壁面邊界定義為無滑移邊界，介質(zhì)類型為Fluid。求解模型采用歐拉雙流體非定常模型，并附加k-ε湍流模型與多相流模型，流場迭代方法采用Simplec法。

由于研究區(qū)風(fēng)速基本都在50 m/s以下，此時(shí)速度對空氣密度的影響可忽略不計(jì)，故計(jì)算過程按不可壓縮流體考慮，密度可視為常數(shù)。流體在流動(dòng)過程中遵守質(zhì)量方程和動(dòng)量方程。

質(zhì)量方程：

(2)

動(dòng)量方程：

(3)

(4)

(5)

式中，ux、uy、uz分別為速度在x、y、z軸向上的分量;ρ為空氣密度;p為微元體上的壓強(qiáng);τxx、τyx、τzx為微元體表面黏性應(yīng)力τ在x、y、z軸的不同分量；g為重力加速度。

1.2 風(fēng)洞試驗(yàn)

風(fēng)洞試驗(yàn)主要是通過測定沙障阻沙率變化，直觀評價(jià)阻沙措施的風(fēng)沙防護(hù)效果。試驗(yàn)設(shè)備采用中科院敦煌戈壁荒漠研究站野外環(huán)境風(fēng)洞，洞體長11 m，橫斷面為0.6 m×0.6 m；流場測定采用比托管，積沙測定采用20 cm高臺階式積沙儀。試驗(yàn)測試模型高度比為1∶10，沙障孔隙率分別為16.7%、28.6%、37.5%、44.4%、50.0%，來流風(fēng)速分別為12、16 m/s，沙源為敦煌鳴沙山的沙粒，粒徑分布區(qū)間主要集中在0.1～0.25 mm。積沙儀分別布設(shè)在測試模型前9H，后7.5H處，測試時(shí)間為1 min。

1.3 現(xiàn)場試驗(yàn)

在格庫鐵路風(fēng)沙防護(hù)工程的對照點(diǎn)、阻沙帶、固沙方格帶等關(guān)鍵位置布設(shè)積沙儀等監(jiān)測設(shè)備，通過對單場沙塵天氣下防沙工程沿程輸沙率的觀測，計(jì)算阻沙率等關(guān)鍵參數(shù)，以此來評價(jià)蘆葦沙障的風(fēng)沙防護(hù)效果。積沙儀布設(shè)在第一道蘆葦沙障前20H處(原始對照點(diǎn))、障后14H處、第二道沙障障后12H處及蘆葦大方格沙障外緣處，具體布設(shè)位置見圖1。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 不同孔隙率沙障周邊水平風(fēng)速分布情況

風(fēng)沙流是一種近地表的風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)，氣流運(yùn)動(dòng)特征決定了沙物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)形式，因此，開展沙障周邊流場分布特征研究對掌握沙障風(fēng)沙防護(hù)機(jī)理具有十分重要的意義[10-11]。在數(shù)值仿真模擬條件下，不同孔隙率蘆葦沙障水平速度沿程分布見圖2。圖2中，沙障在0 m處，負(fù)值表示障前，正值表示障后。由圖2可見，過境氣流受沙障影響，平滑風(fēng)流線出現(xiàn)了明顯波動(dòng)。在沙障高度范圍以下，流線近似呈“馬鞍”形分布，風(fēng)速出現(xiàn)了多個(gè)分區(qū)，形成局部減速區(qū)、局部紊流區(qū)及氣流恢復(fù)區(qū)等；且隨著孔隙率的增大，曲線整體往正方向靠攏，風(fēng)速逐漸趨于正值，說明當(dāng)沙障孔隙率增大時(shí)，背風(fēng)側(cè)渦旋區(qū)分布范圍呈現(xiàn)降低趨勢，氣流擾動(dòng)逐漸減弱，流線趨于平滑，理論風(fēng)力消減效果變差，風(fēng)沙防護(hù)效果降低。對比床面不同高度處的流線數(shù)值還可以看出，隨著測點(diǎn)高度的增大，沙障背風(fēng)側(cè)低速渦旋區(qū)分布范圍呈縮減趨勢；且隨著風(fēng)速逐漸增大，阻沙效果變差，表明高立式蘆葦沙障主要作用對象為近地表風(fēng)場，對上層氣流的影響力十分微弱。

圖2 不同孔隙率蘆葦沙障氣流水平分速度沿程分布

2.2 不同孔隙率沙障周邊垂直風(fēng)速分布情況

在數(shù)值仿真模擬下，不同孔隙率蘆葦沙障氣流垂向分速度沿程分布見圖3。由圖3可見，在障前區(qū)域，受沙障抬升作用影響，越靠近沙障風(fēng)速越大，并在沙障正上方達(dá)到峰值。當(dāng)氣流越過沙障后，速度逐漸減小，在背風(fēng)側(cè)一定范圍內(nèi)呈現(xiàn)正負(fù)值波動(dòng)，方向復(fù)雜多變，且逐漸趨于谷值；之后隨著距離的增大，沙障對氣流的擾動(dòng)進(jìn)一步降低，風(fēng)速逐漸恢復(fù)至主流區(qū)速度。分析圖3中數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)孔隙率為16.7%時(shí)，背風(fēng)側(cè)渦旋區(qū)氣流上下分速度波動(dòng)較小，水平分布范圍最大，風(fēng)力消減效果最優(yōu)；而當(dāng)孔隙率為28.6%～50.0%時(shí)，隨著間距的增大，渦旋區(qū)負(fù)方向速度分量呈現(xiàn)縮減的趨勢，說明隨著間距的增大，渦旋區(qū)動(dòng)力呈現(xiàn)降低趨勢，氣流擾動(dòng)減弱，沙?？梢苿?dòng)性有所增強(qiáng)。

分析同一床面不同高度處的流線數(shù)值可得：在沙障自身高度范圍內(nèi)，背風(fēng)側(cè)渦旋區(qū)垂直分速度值與高度呈現(xiàn)一定的正相關(guān)變化，高度越高，速度垂向分量越大；但當(dāng)高度超過沙障后，其變化趨勢趨于雜亂，說明此時(shí)沙障對氣流的影響程度減弱，風(fēng)速變化無明顯的規(guī)律性。對比圖中數(shù)據(jù)，還可以看出，孔隙率大小與沙障位置處(0 m處)的垂向分速度成反比，孔隙率越大，氣流的垂向速度值越??；說明同一情況下，隨著孔隙率的增大，沙障對氣流的阻礙呈現(xiàn)下降的趨勢，上浮力的減少使得沙粒翻越沙障的機(jī)率降低，沙物質(zhì)堆積區(qū)會(huì)逐漸由障后向障前過渡。

圖3 不同孔隙率蘆葦沙障垂向分速度沿程分布

2.3 不同孔隙率沙障阻沙效果評價(jià)

兩種攜沙氣流作用下蘆葦沙障阻沙率風(fēng)洞測試見圖4。由圖4可見，高立式蘆葦沙障防沙效果較優(yōu)，可以較好地起到風(fēng)沙流凈化效果[9]。與數(shù)值仿真結(jié)果類似，隨著孔隙率的增大，阻沙率呈現(xiàn)先緩后急的下降趨勢。在16.7%～37.5%的孔隙率范圍內(nèi)，阻沙率下降趨勢較為緩慢；但隨著孔隙率的進(jìn)一步增大，阻沙率急劇下降。

圖4 不同孔隙率高立式蘆葦沙障阻沙率分布

當(dāng)沙源恒定時(shí)，在12 m/s來流風(fēng)速下，孔隙率為37.5%的蘆葦沙障累計(jì)阻沙率可達(dá)74.43%；但當(dāng)孔隙率增加至44.4%時(shí)，阻沙率下降至53.5%，降低趨勢十分明顯。說明隨著孔隙率的增大，障后風(fēng)沙流的擾動(dòng)強(qiáng)度逐漸減弱，流場趨于平滑，風(fēng)力值逐漸變大，風(fēng)沙流中沙物質(zhì)的上浮力和運(yùn)動(dòng)能力明顯提升，阻沙效率降低。當(dāng)來流風(fēng)速增加至16 m/s時(shí)，沙障阻沙率的整體變化趨勢與12 m/s時(shí)類似，阻沙率和孔隙率也呈負(fù)相關(guān)變化，但其阻沙率明顯偏小。說明隨著風(fēng)速的增加，阻沙率呈現(xiàn)下降的變化趨勢；尤其是當(dāng)孔隙率增加至50.0%時(shí)，12、16 m/s風(fēng)速下的沙障對應(yīng)的阻沙率幾乎差別不大，進(jìn)一步說明孔隙率是影響沙障阻沙效果的重要參數(shù)之一。

工程應(yīng)用中要綜合考慮工程造價(jià)和防護(hù)效果，當(dāng)孔隙率在16.7%～37.5%時(shí)，各沙障的整體阻沙效果較好，且相互之間差異較小。此時(shí)選擇大的孔隙率，既可滿足防護(hù)效果又可有效降低工程造價(jià)。因此建議高立式蘆葦沙障的適宜孔隙率為28.6%～37.5%，可根據(jù)風(fēng)沙環(huán)境的差異進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。

2.4 現(xiàn)場效果驗(yàn)證

南疆米蘭地區(qū)地表荒蕪，地勢平坦開闊，為塔里木盆地山前沖、洪積傾斜平原區(qū)。氣候干旱少雨，冬季寒冷，夏季炎熱，年蒸發(fā)量約為降水量的103倍，極端最大風(fēng)速≥40 m/s，為暖溫帶大陸性荒漠干旱氣候。

格庫鐵路DK734+494—DK734+787位于米蘭戈壁荒漠區(qū)，地表荒蕪，植被覆蓋度幾乎為零。經(jīng)勘查，區(qū)內(nèi)戈壁礫石覆蓋度介于40%～50%，地表以下50 cm范圍內(nèi)含有大量0.1～0.25 mm的細(xì)沙，極易被風(fēng)蝕，形成戈壁風(fēng)沙流，影響行車安全。為保證風(fēng)沙區(qū)鐵路正常運(yùn)營，降低風(fēng)沙流對線路的侵蝕，采用2道2.0 m蘆葦高立式沙障(孔隙率都為37.5%)和40 m寬蘆葦大方格沙障的復(fù)合風(fēng)沙防護(hù)工程。DK734+494—DK734+787防沙工程防護(hù)效果分析見圖5，由圖5可見，在風(fēng)沙流逐漸向鐵路路基逼近的過程中，輸沙率呈現(xiàn)明顯下降趨勢，尤其是經(jīng)過前沿第一道阻沙措施后，氣流中的含沙量下降趨勢十分顯著；之后受風(fēng)沙流中沙物質(zhì)含量的影響，凈化難度加大，使得輸沙率降低趨勢減弱。分析阻沙率的工程防護(hù)體系斷面變化可得，高立式蘆葦沙障起到了很好地防沙效果，攜沙氣流經(jīng)過第一道沙障后，輸沙率從3.37 g·m2/s降低至0.207 g·m2/s，阻沙率高達(dá)93.86%；之后經(jīng)過第二道高立式蘆葦沙障和大方格阻固結(jié)合帶逐級凈化后，到達(dá)路基本體的輸沙率僅為0.029 g·m2/s，整體阻沙率為99.14%，風(fēng)沙防護(hù)效果優(yōu)良。

圖5 DK734+494—DK734+787防沙體系防護(hù)效果分析

3 結(jié)論

(1)蘆葦沙障孔隙率分布特征對其防風(fēng)效益影響較大，孔隙率大小與背風(fēng)側(cè)渦旋區(qū)分布范圍呈負(fù)相關(guān)變化。孔隙率越小，背風(fēng)側(cè)低速區(qū)水平分布范圍越大，風(fēng)力消減效果越顯著。

(2)在沙障高度范圍內(nèi)，背風(fēng)側(cè)氣流垂向分速度隨著高度的增加呈上升趨勢；當(dāng)高度固定時(shí)，沙障孔隙率越大，障后垂向下風(fēng)力值越小，沙粒沉降能力越弱，易出現(xiàn)積沙運(yùn)移現(xiàn)象。

(3)在不同來流風(fēng)速下，隨著沙障孔隙率的增大，阻沙率呈現(xiàn)先緩后急的下降趨勢，且隨著風(fēng)速的增大，阻沙率之間的差異降低；從工程應(yīng)用出發(fā)，建議蘆葦高立式沙障的最優(yōu)孔隙率取值區(qū)間為28.6%～37.5%。

(4)在格庫鐵路戈壁風(fēng)沙流地段，孔隙率為37.5%的高立式蘆葦沙障起到了很好的防沙效果，經(jīng)單道前沿沙障凈化后，輸沙率可從3.37 g·m2/s降低至0.207 g·m2/s，阻沙率為93.86%。