紅一線新建地方鐵路聯(lián)合沙障結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化研究

孫婧 ，李家園，王海龍，劉宏波 ，劉暢

(1. 河北省土木工程診斷、改造與抗災重點實驗室，河北 張家口 075000；2. 河北建筑工程學院 土木工程學院，河北 張家口 075000；3. 石家莊鐵道大學 交通運輸學院，河北 石家莊 050043)

新建地方鐵路魚卡(紅柳)至一里坪位于青海省海西州大柴旦行委，線路總長為98 km，線路所經(jīng)早期湖積盆地和雅丹地貌區(qū)長度為52 km，總體為開闊的平原地貌(圖1)。氣象特征是冬長夏短、降雨量微小、風速大，極易發(fā)育風沙流。風沙暴來臨時對鐵路的安全運營造成嚴重威脅，其中水鴨子墩火車站附近風沙災害較為嚴重(圖2)，因此，必須在該鐵路段沿線設置行之有效的防風固沙措施。風沙災害治理方法很多，比較成熟的方式有化學固沙、生物固沙和機械固沙，其中生物固沙效果最佳，但由于紅一線鐵路沿線地表土壤含鹽量高，植物種植受到約束，故生物固沙不易采用；化學固沙易造成環(huán)境污染且面積大不易實施，因此，采用機械固沙工程措施是該線路首選。目前，國內(nèi)外對多種結(jié)構(gòu)形式的機械沙障及其防風固沙效果進行了大量數(shù)值模擬、風洞試驗及野外試驗研究，剖析了風沙災害防治機理[1-3]。例如，BO等[4]利用風洞研究得出風速和沙粒粒徑對沙粒下落速度分布規(guī)律無明顯影響；KIM等[5]考慮風速和防風柵欄高度、安裝間隔和層數(shù)等設計特性建立了CFD模型，定量評估了防風柵欄降低風速效果；席成等[6]通過風洞試驗分析了高立式尼龍網(wǎng)周圍風沙流特征，得出障后風沙遮蔽效果與沙障高度、鋪設排數(shù)及鋪設間距之間的關系；程建軍等[7-9]通過現(xiàn)場試驗和風洞試驗，對箱體式活動沙障、導風板、HDPE網(wǎng)板機械沙障周圍輸沙率、風速廓線以及積沙效果等進行了觀測。另外許多學者在多種形式沙障的聯(lián)合使用方面也進行了研究，例如，富寶峰等[10-11]通過數(shù)值模擬研究了擋沙堤周圍的沙粒沉積特性規(guī)律，主要起到攔截大粒徑沙粒作用，在堤后增設截沙溝，來阻擋小粒徑沙粒向前輸運，大幅度提高了沙粒攔截效率；張凱等[12]根據(jù)研究區(qū)域現(xiàn)場勘察結(jié)果，提出使用多道高立式沙障作為防沙手段，并利用數(shù)值模擬和現(xiàn)場實測分析了沙障周圍風沙流的運動變化規(guī)律，確定使用三道高立式沙障作為防風阻沙措施；張圓等[13]通過現(xiàn)場實測直立式-平鋪式組合沙障對土壤含水量、溫度的影響，得出此聯(lián)合沙障有較好蓄水保水作用。綜上所述，機械沙障的防風固沙效果與其結(jié)構(gòu)形式、結(jié)構(gòu)參數(shù)密切相關；聯(lián)合機械沙障防風固沙效果更好，治理效益較高，也是目前風沙災害治理的一種發(fā)展趨勢。紅一線部分路段目前采取的風沙防治措施主要是PE網(wǎng)沙障，PE網(wǎng)對遏制風沙災害蔓延起到了不可或缺的作用。但由于沙漠生態(tài)條件脆弱，紫外線直射強烈，PE網(wǎng)易老化，部分斷裂后被掩埋在沙土中不易回收(見圖3)，造成了環(huán)境污染，也降低了防風沙效果。因此，本文擬采用耐久性優(yōu)良鋼制薄壁防風沙網(wǎng)板[10]替代PE網(wǎng)用作高立式沙障在紅一線使用。但是由于研究區(qū)域風沙發(fā)育頻繁，沙粒躍移高立式沙障后還會向前推進[11-12]，固沙效率不高，因此設計在網(wǎng)板后再增設一道機械沙障?？紤]到研究地區(qū)積沙資源豐富，在前期研究基礎上，以當?shù)仫L積沙為原料制備固沙磚，鋪設成方格形式作為低立式機械沙障[14]，與防風沙網(wǎng)板組成聯(lián)合沙障，起到降低地表輸沙量、穩(wěn)定流沙表面作用。因此，本文在現(xiàn)場調(diào)研基礎上進行數(shù)值模擬，對不同孔隙率防風沙網(wǎng)板周圍風沙流場進行分析，結(jié)合沙粒起動風速，得到最佳孔隙率、確定防風沙網(wǎng)板與固沙磚沙障鋪設間距；通過風洞試驗驗證數(shù)值模擬結(jié)果準確性，進一步通過試驗確定板障之間最優(yōu)鋪設間距以及固沙磚排數(shù)；最終確定防風沙網(wǎng)板-固沙磚方格聯(lián)合沙障結(jié)構(gòu)的參數(shù)，以期為新建地方鐵路防風沙工程的設計提供理論支撐。

圖1 新建地方鐵路區(qū)域地貌Fig. 1 Landform of new local railway area

圖2 新建地方鐵路部分路段積沙Fig. 2 Sand accumulation in some sections of new local railway

圖3 部分鋪設PE網(wǎng)的路段Fig. 3 Sections partially paved with PE mesh

1 研究方法

1.1 現(xiàn)場調(diào)研

在紅一線水鴨子墩火車站附近進行沙粒取樣，通過手持式電子顯微鏡(Digital-Microscope)對沙粒形狀以及粒徑大小進行分析。如圖4所示，該地區(qū)沙粒形狀主要呈現(xiàn)出橢圓形、圓形，還有部分半透明氯鹽顆粒。經(jīng)過篩分析試驗得出(如圖5)，粒徑范圍在0.08～0.4 mm的沙粒質(zhì)量分數(shù)在89%左右，根據(jù)文獻[15]得出，此粒徑范圍沙粒對應的最小起動風速為6.1 m/s。

圖4 沙粒細觀圖Fig. 4 Meso view of sand

圖5 沙粒篩分析曲線Fig. 5 Sand sieve analysis curve

在沙粒取樣區(qū)域，采用全自動風速風向儀進行風速測試。風速＞6.1 m/s時，風沙流開始發(fā)育；風速達到10.9～17.0 m/s時，風力較為強勁，風吹沙粒迅速移動；風速＞17.1 m/s時，發(fā)生頻次較低，但風力強勁，風沙流對鐵路路基沙埋較為嚴重。2020年7月到2021年6月間，不同時間段風速值的發(fā)生頻率如圖6所示，其中10月～次年5月份風速值大于10.9 m/s的頻次較多，也是風沙暴多發(fā)季節(jié)；年平均風速為3.6 m/s，年大風日(≥8級風，即17.2～20.7 m/s)45 d；主導風向為西北風。

圖6 不同風速值頻次統(tǒng)計Fig. 6 Frequency statistics of different wind speed values

1.2 數(shù)值模擬

運用ANSYS-CFD建立二維平面模型。根據(jù)前期研究，鋼制防風沙網(wǎng)板高度取1.8 m[16]；厚度取2 mm，剛度足用。計算域設置為50×20 m。為使氣流在計算域內(nèi)充分發(fā)展，將網(wǎng)板布置在距離風速入口5 m的位置。對計算區(qū)域進行非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，對防風沙網(wǎng)板周圍以及壁面附近進行網(wǎng)格局部加密，網(wǎng)格尺寸控制在0.01 m[12]。計算區(qū)域介質(zhì)類型為Fluid，風沙流為不可壓縮流體，故左側(cè)邊界風速入口設置為Velocity-inlet；模型中流體能夠自由發(fā)展，右側(cè)邊界風速出口設置為Out-flow，上壁面設置為Symmetry，防風沙網(wǎng)板與下壁面均設置為Wall，粗糙度yo為0.2(取沙粒平均直徑0.2 mm的數(shù)值)[17]。

根據(jù)現(xiàn)場風沙流發(fā)育情況，設定計算域內(nèi)入口風速的速度梯度為12，15，18和20 m/s。空氣黏度為μ=1.789×10-5Pa·s，空氣密度為ρ=1.225 kg/m3。計算域采用Reynolds-averaged Navier-Stokes，附加k-ε湍流方程，不考慮溫度、氣體可壓縮性及湍流方程對模型中計算域的影響，采用Simplec計算方法，步長設為0.05 s，殘差控制在1.0×10-6，來保證結(jié)果收斂的正確性。

1.3 風洞試驗

1.3.1 風沙風洞試驗室介紹

試驗研究在中科院電工所直流式邊界層風洞中進行。試驗段長20 m，寬度3 m，高度2.5 m，試驗段可調(diào)風速值范圍為2～30 m/s。沙粒通過頂端漏沙裝置的漏沙孔在風洞內(nèi)擴散，調(diào)整試驗中漏沙孔數(shù)量和孔面積，得到可控的風沙濃度。風速測量采用的是防沙風速測量儀，為了增加風速儀在風場中的穩(wěn)定性，在風速儀底端加設墊片，在1.25 m測試范圍內(nèi)共設置了10個皮托管來測試風速，采樣頻率為2 Hz。使用梯度集沙測量儀采集沙粒，總高度1 m，沿豎直高度上每隔2 cm布置一個通道，共50個通道，試驗后稱取集沙盒內(nèi)沙粒質(zhì)量(精度至0.001g)，獲得不同高度處的沙濃度分布。

1.3.2 風洞試驗概況

風洞試驗過程重點考慮模型的幾何相似、凈風場的運動相似及動力相似[18]。根據(jù)風洞實驗段的截面尺寸、固沙防風網(wǎng)板的高度和固沙磚的開孔尺寸，試驗模型按實物尺寸的1:3比例進行縮尺。其中，鋼制薄壁防風沙網(wǎng)板面上分布圓形沖孔孔洞，通過孔徑大小、位置來調(diào)整孔隙率；防風沙網(wǎng)板模型高0.6 m，長1 m，厚2 mm(單板)，3板1排，板與板間以螺釘連接、三角鋼板支撐，如圖7(a)所示。固沙磚縮尺模型采用ABS樹脂制作，尺寸為133.3×66.67×38.33 mm，開孔半徑12 mm，孔隙率為10%，上下兩層布置成方格形式[14]，如圖7(b)所示。

圖7 風洞試驗模型Fig. 7 Wind tunnel test model

縮尺模型在試驗段的布置如圖8，在來流風向上依次布設防風沙網(wǎng)板和固沙磚方格。風沙條件下，選擇最優(yōu)孔隙率防風沙網(wǎng)板，固定在距風速入口1.67 m處，板后水平方向4H，6H，7H，9H，10H，11H，12H和13H(H為防風沙網(wǎng)板模型高度)上布設風速廓線儀測試風速。同時，調(diào)整固沙磚方格模型與防風沙網(wǎng)板間距以及固沙磚排數(shù)，根據(jù)文獻[18-19]判斷沙障積沙效果的方法，采集方格內(nèi)積沙進行稱重，并通過式(1)來計算沙粒沉積率，分析固沙磚方格的阻沙效果，從而確定最優(yōu)聯(lián)合沙障的結(jié)構(gòu)參數(shù)。

圖8 風洞實驗布設及測點位置示意Fig. 8 Layout of wind tunnel test and location of measuring points

式中：λ是不同方格內(nèi)的沙粒沉積率，g/(m2·s)；m是不同方格內(nèi)的沙?？偝练e量，g；t是落沙時間，s；s為方格面積(0.11 m2)。

2 結(jié)果與分析

2.1 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

2.1.1 防風沙網(wǎng)板孔隙率對流場的影響

考慮現(xiàn)場風速＞17.1 m/s時，風沙災害較為嚴重，模擬中選取入口風速ν=20 m/s，不同孔隙率防風沙網(wǎng)板后水平方向上、不同高度處的速度分布如圖9所示。

分析圖9可知：1) 孔隙率為20%時，防風沙網(wǎng)板高度(1.8 m)以上，由于風沙流疊加效應，風速值急劇上升到29.1 m/s；1.8 m以下，風沙流遇到障礙物后速度值迅速衰減，網(wǎng)板后水平方向8.8～27.8 m范圍內(nèi)、不同高度處，風速極小值為0.12 m/s，極大值為7.2 m/s，上下氣流的速度差較大，出現(xiàn)較大范圍的渦旋，不利于沙粒的停止?？紫堵蕿?0%時，板后10～15 m范圍內(nèi)、1.2 m高度以下出現(xiàn)較小渦旋但風速值波動較小，極大、極小值差值最大為0.9 m/s，對沙粒運動影響較小。孔隙率≥40%時，板后不再產(chǎn)生現(xiàn)渦旋現(xiàn)象。2) 在圖9中標記沙粒起動風速值(6.1 m/s)位置；標記線以上區(qū)域，沙粒在風力下持續(xù)運動，標記線以下區(qū)域發(fā)生沉降。由于近地表0.2 m高度處風速最小，為方便觀察，將此高度水平方向風速廓線與起動風速標記線的交點標記為F。孔隙率為30%時，風速廓線與起動風速標記線包圍面積最大，板后近地表0.2 m高度處恢復到起動風速的距離最遠(37 m)；孔隙率增大，近地表恢復到起動風速的距離逐漸減小，孔隙率增加到50%時，0.2 m高度處僅在板后24 m時風速減小為6.08 m/s，其余點均在6.1 m/s以上，防風效果最差。綜上所述，孔隙率＜30%，高速區(qū)域與回流區(qū)域風速差值較大，形成的渦旋區(qū)域范圍較大，不利于沙粒沉降；孔隙率＞30%，大量氣流匯集在板后，風速值衰減有限，因此，孔隙率為30%的網(wǎng)板防風沙效果最佳。

圖9 不同孔隙率防風沙網(wǎng)板的風速廓線圖Fig. 9 Wind speed profile of wind sand screen plate with different porosity

2.1.2 防風沙網(wǎng)板周圍風沙流運動特性

取最優(yōu)孔隙率30%，對防風沙網(wǎng)板及其附近高度處(1.5，1.8 m)周圍流場變化特征進行分析，結(jié)果如圖10所示。由圖10可知，入口風速值分別為12，15，18和20 m/s時，1.5 m和1.8 m高度處防風沙網(wǎng)板周圍流場變化規(guī)律大致相同；風沙流的初始速度值越大，板后速度最小值越大。根據(jù)文獻研究[11]，有效防護距離可定義為沙障背風側(cè)風速恢復到沙粒起動風速(6.1 m/s)的位置與沙障的距離。圖10顯示，不同風速下(12，15，18和20 m/s)，1.5 m高度處，板后對應的有效防護距離分別為35.1，33.1，31.9和31 m；1.8 m高度處，有效防護距離分別為32.8，30.5，28.9和28.1 m，說明隨著入口風速增大，板后有效防護距離不斷減小，2個高度處的有效防護距離均在35 m內(nèi)。聯(lián)系前節(jié)圖9(b)，孔隙率30%網(wǎng)板后不同高度處(2.3，1.8，1.2，0.5和0.2 m)，風速恢復到沙粒起動風速對應的位置與網(wǎng)板距離分別為17.8，25，30.4，35和36.3 m，越接近地面，有效防護距離越大。因此，結(jié)合沙粒起動風速和有效防護距離分析，防風沙網(wǎng)板與固沙磚沙障的間距應布置在10H～19H(18～34.2 m)范圍內(nèi)。

圖10 不同風速下防風沙網(wǎng)板周圍流場變化Fig. 10 Variation of flow field around sand screen under different wind speeds

2.2 風洞試驗結(jié)果與分析

2.2.1 風沙流場的沙濃度

根據(jù)沙粒粒徑分布，篩分準備出試驗落沙。由于現(xiàn)場風速＞10.9 m/s時出現(xiàn)風沙暴，且頻次較高，因此設定風洞試驗入口風速為12 m/s時，進行1/2管(僅開放1/2孔面積)、1管(開放1孔面積)落沙試驗，落沙量分別為0.236和0.472 kg/s。

圖11顯示，2種工況下，沙濃度隨著高度的降低逐漸增加，底部區(qū)域沙濃度最大；同一高度處，沙濃度隨著落沙量增加而變大。落沙在12 m/s風速下，在20～100 cm高度范圍內(nèi)造成了比較均勻的沙濃度環(huán)境，以100 cm高度處為代表，1/2管、1管落沙下測得的沙濃度分別為9.62 g/m3和23.13 g/m3。經(jīng)研究區(qū)域調(diào)研，測得多發(fā)性風沙暴的沙濃度在20～30 g/m3，因此1管落沙在風洞試驗室內(nèi)形成的風沙環(huán)境較符合研究區(qū)域?qū)嶋H情況。

圖11 1/2管、1管落沙量的沙濃度變化Fig. 11 Variation of sediment concentration in 1/2 pipe and 1 pipe

2.2.2 風洞試驗

根據(jù)1.3.2節(jié)所述，在風洞試驗段布置防風沙網(wǎng)板，入口風速為12 m/s時，1管落沙條件下，測試孔隙率為30%的防風沙網(wǎng)板后水平方向4H，6H，7H，9H，10H，11H，12H和13H處垂直高度上的速度分布，并將其與同條件下網(wǎng)板后風速變化的數(shù)值模擬結(jié)果作對比。圖12顯示，入口風速為12 m/s，防風沙網(wǎng)板孔隙率為30%時，背風側(cè)4H～13H范圍內(nèi)，不同高度處，數(shù)值模擬計算與風洞試驗測得的風速值變化趨勢一致，說明數(shù)值模擬結(jié)果可靠、與風洞試驗吻合度高。另外，風洞試驗與數(shù)值模擬結(jié)果比較風速值相對偏小，每個測點風速減小均值為0.29 m/s，原因是數(shù)值模擬中考慮沙粒對風速的影響較小，而風洞試驗室內(nèi)沙粒受到了風流給予的動力形成一定的沙濃度環(huán)境，根據(jù)能量守恒定律，沙粒的動能增加，空氣動能會相應的減小，因而所測風速值偏小，表明沙粒對來流風速有一定的衰減作用。

圖12 孔隙率為30%的防風沙網(wǎng)板后速度變化Fig. 12 Velocity change at the back of windbreak sand screen plate with porosity of 30%

2.2.3 防風沙網(wǎng)板與固沙磚方格沙障間距分析

在防風沙網(wǎng)板后平行鋪設固沙磚方格模型(上下兩層布置成3排2行方格，每行4個方格)，根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，兩者之間的間距應布置在10H～19H(18～34.2 m)范圍內(nèi)，因此，在將固沙磚沙障與防風沙網(wǎng)板間距分別調(diào)整為10H，15H，16H，17H，18H和19H，在來流風速值為12 m/s及1管落沙的情況下，落沙時間為60 s，收集不同鋪設間距固沙磚方格內(nèi)部積沙，稱取質(zhì)量(精確到0.01g)，計算不同方格內(nèi)的沉積率。

圖13中1-1代表固沙磚迎風側(cè)自左向右第1行第1個方格，以此類推，由圖中數(shù)據(jù)可知，固沙磚方格與防風沙網(wǎng)板的間距不同，方格內(nèi)部沙粒沉積率也不同，即固沙效果存在差異。固沙磚方格與防風沙網(wǎng)板之間距離為10H時，第1行方格內(nèi)沉積率平均值為0.97 g/(m2·s)，第2行方格沉積率均值為1.23 g/(m2·s)，沉積率相對較低。隨著固沙磚與防風沙網(wǎng)板間距的增加，方格內(nèi)沉積率逐漸增加，距離增加至18H時，第1行和第2行方格沉積率的均值分別為3.38和2.1 g/(m2·s)，與10H處相比，2行方格的總沉積率提高了149.09%，說明10H處固沙磚方格與防風沙網(wǎng)板距離較近，多數(shù)沙粒躍移過固沙磚，導致積沙效果不明顯。但在19H距離處第1行和第2行方格內(nèi)沉積率均值分別為2.87和1.96 g/(m2·s)，相對于18H處沙粒沉積率減小，說明19H處風速恢復程度較大，沙粒翻越固沙磚或穿過磚孔洞的量增加，沉積量減少。因此，當防風沙網(wǎng)板與固沙磚之間的距離為18H時，沉積率最大，固沙效果最佳。

圖13 不同間距固沙磚方格內(nèi)沉積率Fig. 13 Internal sedimentation rate of sand fixing brick

2.2.4 固沙磚排數(shù)分析

在確定防風沙網(wǎng)板與固沙磚模型鋪設距離為18H的基礎上，增加固沙磚排數(shù)，考慮不同排數(shù)固沙磚對積沙效果的影響。在來流風速12 m/s及1管落沙情況下，落沙時間60 s，分析對比不同排數(shù)固沙磚的沉積率，結(jié)果如圖14所示。固沙磚排數(shù)分別為3，4和5排時，形成的方格行數(shù)分別為2，3和4行(如圖15)。

圖14 不同排數(shù)固沙磚方格內(nèi)沉積率Fig. 14 Internal sedimentation rate of sand fixing

由圖14可知，沿著風速來流方向，固沙磚排數(shù)為5排時對應4行方格沉積率均值分別為3.41，2.06，1.02和0.2 g/(m2·s)。風沙流在地表前進過程中遇到固沙磚阻擋，先翻越第1排固沙磚或穿越其孔洞，氣流在固沙磚內(nèi)部產(chǎn)生紊流及渦流作用，內(nèi)部氣流風速遠小于沙粒的起動風速，使氣流攜帶的沙粒大量沉積[14]，在方格內(nèi)形成積沙；隨著風沙流繼續(xù)向前推進，沙粒依次穿過第2，3，4和5排固沙磚，在對應方格內(nèi)形成積沙，固沙磚排數(shù)增加到5排時，最后1行方格內(nèi)沉積率均值僅有0.2 g/(m2·s)。圖15顯示，沙?；颈蛔钃踉诜里L沙網(wǎng)板周圍、防風沙網(wǎng)板與固沙磚沙障之間及固沙磚方格內(nèi)部，沙障后側(cè)基本無沙粒。由圖14中數(shù)據(jù)還可知，3，4和5排固沙磚方格的總沉積率分別為21.75，25.99和29.73 g/(m2·s)；因此隨著固沙磚排數(shù)及方格行數(shù)的增加，方格內(nèi)的總沉積率逐漸增大，阻沙效果越明顯，故距防風沙網(wǎng)板18H處設置5排固沙磚?？紤]到現(xiàn)場多發(fā)性風沙暴集中冬春兩季、時間跨度大，在風沙流持續(xù)向路堤移動作用下，沙障后側(cè)還是會有一定量積沙；因此，將固沙磚方格沙障與鐵路路堤間距設置為5 m，方便定期進行人工或機械清沙，最大程度保證鐵路運輸?shù)陌踩\營。

圖15 風沙試驗后的積沙情況Fig. 15 Sand accumulation after wind sand test

3 結(jié)論

1) 根據(jù)現(xiàn)場調(diào)研，設計采用鋼制薄壁防風沙網(wǎng)板作為高立式沙障，固沙磚方格為低立式機械沙障，組成聯(lián)合機械沙障作為紅一線的防風固沙措施。

2) 板高一定(1.8 m)、孔隙率＜30%時，通過防風沙網(wǎng)板形成的渦旋區(qū)域范圍較大，不利于沙粒沉降；孔隙率＞30%時，大量氣流穿過防風沙網(wǎng)板，風速值衰減有限，孔隙率為30%的網(wǎng)板防風效果最佳。

3) 風積沙固化后制備帶孔固沙磚鋪設成方格沙障，不同入口風速下，結(jié)合沙粒起動風速和網(wǎng)板有效防護距離，固沙磚沙障與防風沙網(wǎng)板的間距應布置在10H～19H(18～34.2 m)范圍內(nèi)。

4) 固沙磚方格與防風沙網(wǎng)板的間距不同，方格內(nèi)沙粒沉積率有所差異。間距過小，多數(shù)沙粒躍移過固沙磚，沉積率較小；間距過大風速恢復程度較大，沙粒流動性增加，沉積量減少。間距為18H時，3排固沙磚方格內(nèi)沙粒沉積率最大為5.48 g/(m2·s)，固沙效果最佳。

5) 隨著固沙磚鋪設排數(shù)的增加，方格內(nèi)總沉積率逐漸增大，結(jié)合現(xiàn)場風沙發(fā)育情況，確定設置5排固沙磚；固沙磚方格沙障與鐵路路堤間距設置為5 m，方便定期清理積沙。