沙漠腹地公路高立式沙障防風(fēng)阻沙性能研究

楊偉超 ，岳歡，鄧鍔

(1. 中南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長沙 410075；2. 中南大學(xué) 高速鐵路建造技術(shù)國家工程研究中心，湖南 長沙 410075；3. 香港理工大學(xué) 國家軌道交通電氣化與自動化工程技術(shù)研究中心香港分中心，中國 香港 999077；4. 香港理工大學(xué) 土木與環(huán)境工程系，中國 香港 999077)

沙漠腹地地形起伏大，風(fēng)沙運動活躍，年風(fēng)沙天數(shù)多達200 d，最大風(fēng)力11級，風(fēng)沙危害嚴(yán)重。風(fēng)沙危害產(chǎn)生于風(fēng)沙運動的整個過程中，沙粒脫離地表過程中形成風(fēng)蝕危害，移動過程中形成風(fēng)沙流危害，沙粒再堆積形成沙埋危害。隨著西北公路建設(shè)的快速發(fā)展，更多的公路將橫穿沙漠腹地，車輛的運行安全將受到風(fēng)沙流的威脅。高速公路的設(shè)計時速往往高達100 km/h，其不允許路面出現(xiàn)沙粒堆積，這對高速公路防護設(shè)施的防沙性能提出了極高的要求。高立式沙障的工作原理是增加沙漠地表粗糙度、人為改變風(fēng)速廓線，達到減弱地表風(fēng)速、減小風(fēng)力的作用。實驗表明：采用高立式沙障進行防風(fēng)固沙的區(qū)域，其地表粗糙度最高可達到其他區(qū)域的200倍以上，風(fēng)沙流動率最小甚至可達到其他區(qū)域的1%及以下。因此，高立式沙障在沙漠腹地公路沿線逐漸被廣泛應(yīng)用。國內(nèi)外學(xué)者對風(fēng)沙流運動和風(fēng)沙防治展開了大量的研究，現(xiàn)場實測主要集中在風(fēng)沙流的輸移特征及其結(jié)構(gòu)等方面[1-9]；數(shù)值計算主要采用風(fēng)沙兩相流和顆粒流2種計算方法。部分研究者采用數(shù)值模擬研究了風(fēng)沙流在涵洞、軌道、路堤和路塹的運動規(guī)律[10-14]。張軍平等[15]運用Fluent軟件，采用風(fēng)沙兩相流計算方法對蘭新鐵路路基周圍風(fēng)沙流特征進行數(shù)值分析。結(jié)果表明，迎風(fēng)側(cè)坡腳、路基表面附近和背風(fēng)側(cè)坡腳產(chǎn)生積沙，迎風(fēng)側(cè)路肩上方產(chǎn)生風(fēng)蝕沙害；且迎風(fēng)側(cè)坡腳的積沙多于背風(fēng)側(cè)坡腳。韓峰等[16-18]模擬了風(fēng)沙流對擋沙墻的響應(yīng)規(guī)律并對擋沙墻的設(shè)計參數(shù)進行優(yōu)化?；跉夤虄上嗔髂M，李馳等[19]通過Fluent運用k-ε湍流模型，對風(fēng)沙環(huán)境下沙漠路基的風(fēng)蝕破壞規(guī)律進行數(shù)值模擬研究，總結(jié)出路基坡面特征點的風(fēng)速變化規(guī)律，對路基合理高度給出了建議。王連等[20]通過Fluent數(shù)值模擬的多孔介質(zhì)條件沙障的計算結(jié)果與全斷面PE網(wǎng)風(fēng)洞試驗數(shù)據(jù)對比；證明通過參數(shù)的合理控制，多孔介質(zhì)方法適用于尼龍網(wǎng)沙障的數(shù)值模擬。SARAFRAZI等[21]研究者基于雷諾時均湍流模型和密集離散相法研究了沙塵暴期間鐵路線旁擋風(fēng)墻的擋沙性能。結(jié)果表明：沙子顆粒直徑越大，擋風(fēng)墻后的有效遮掩距離越小，而增大風(fēng)速又會增大該距離。最終確定了擋風(fēng)墻與軌道之間的最佳距離。現(xiàn)有研究多數(shù)針對風(fēng)沙在沙漠公路和鐵路的運動規(guī)律進行分析，高立式沙障及其參數(shù)對風(fēng)沙流運動規(guī)律影響的研究鮮有報導(dǎo)。本文基于沙漠腹地風(fēng)場測試和Fluent歐拉兩相流數(shù)值模擬，研究高立式沙障和沙漠腹地公路周圍的風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)，得出高立式沙障及參數(shù)變化對風(fēng)沙流運動和沙粒沉積特征的影響規(guī)律，以期為沙漠腹地公路的風(fēng)沙流災(zāi)害防治提供參考。

1 風(fēng)沙兩相流數(shù)值模型

1.1 幾何建模及網(wǎng)格劃分

高立式沙障示意圖如圖1所示，采用ICEM CFD軟件建立二維簡化模型(圖2)，計算域的長度為196 m，高度為30 m，計算域入口距第1排沙障25 m，計算域的出口距路基75 m，路基頂面寬度為26 m(雙向4車道)，邊坡坡率為1:4，沙障高度分別為1.5，1.7和2.0 m，沙障分別為2～5排。網(wǎng)格劃分采用CFD的六面體網(wǎng)格加依附于六面體網(wǎng)格的附加邊界層網(wǎng)格，對近地表區(qū)域和柵欄模型附近網(wǎng)格進行局部加密；最小網(wǎng)格尺寸約為1 mm，檢查網(wǎng)格質(zhì)量合格。最終，柵欄模型網(wǎng)格總數(shù)約為180萬。

圖1 高立式沙障示意圖Fig. 1 Schematic diagram of high vertical sand barrier

圖2 沙障和路基的幾何模型Fig. 2 Geometric model of sand barrier and roadbed

1.2 計算參數(shù)和邊界條件

沙障和路基的網(wǎng)格和邊界條件如圖3所示。速度入口風(fēng)沙流的速度取20 m/s，采用式(1)生成風(fēng)速輪廓線；風(fēng)沙流中沙粒粒徑取0.1 mm；采用開口率為50%的沙障，多孔介質(zhì)的透風(fēng)率為50%。左側(cè)采用速度入口(Velocity-inlet)，右側(cè)采用出口(outlet)；頂部采用對稱邊界(Symmetry)，地面及路基采用無滑移wall (No-slip Wall)，粗糙高度為0.02 m[11]。在沙障前方設(shè)置0.15 m高，20 m長的區(qū)域沙床。

圖3 沙障和路基網(wǎng)格和邊界條件Fig. 3 Sand barrier and subgrade mesh and boundary conditions

式中：ν*為摩阻風(fēng)速；k為粗糙長度；k為馮卡門常數(shù)，通常取0.4；z0為粗糙高度。

1.3 FLUENT求解模型

求解模型采用歐拉雙流體非定常模型。假設(shè)湍流完全發(fā)展，采用k-ε湍流模型與多相流模型，湍流強度I=0.05。流場求解算法采用SIMPLEC算法。

2 數(shù)值模型驗證

2.1 網(wǎng)格獨立性驗證

為驗證數(shù)值模型的網(wǎng)格獨立性，通過調(diào)整沙障和路基邊界層的網(wǎng)格尺寸參數(shù)分別建立了低、中、高3種分辨率級別的網(wǎng)格模型。3個模型的總網(wǎng)格單元數(shù)分別為100萬(低分辨率)、180萬(中分辨率)和300萬(高分辨率)，在垂直沙障方向施加恒定風(fēng)速為20 m/s的來流風(fēng)。在速度入口后5 m以風(fēng)速輪廓線為監(jiān)測指標(biāo)，圖4給出了3個模型監(jiān)測指標(biāo)的對比情況。結(jié)果表明，網(wǎng)格單元數(shù)量為180萬的模型與單元數(shù)量為300萬的模型計算結(jié)果吻合較好，相對誤差僅相差約3%。因此，采用具有180萬網(wǎng)格單元數(shù)量的模型是合理的。

圖4 不同網(wǎng)格分辨率條件下風(fēng)速輪廓線對比Fig. 4 Comparison of wind speed profiles under different grid resolutions

2.2 數(shù)值模擬與沙漠腹地實測驗證

2.2.1 高立式沙障的防風(fēng)阻沙性能現(xiàn)場測試

為驗證歐拉雙流體和多孔介質(zhì)模型的合理性，在寧夏中衛(wèi)沙漠公路實驗基地對高立式沙障的防風(fēng)阻沙性能進行測試并與數(shù)值模擬結(jié)果進行對比論證。如圖5所示，共布置2臺Gill Wind Master Pro型三維超聲風(fēng)速儀，第1臺風(fēng)速儀在第1排沙障迎風(fēng)側(cè)前方1 m，距離地面高度1 m處，第2臺風(fēng)速儀布置在第4排沙障背風(fēng)側(cè)后1 m，距離地面高度1 m高度處。風(fēng)速儀分辨率為0.01 m/s，精度可達1.5%RMS@12 m/s，采樣和輸出頻率均為32 Hz。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由Campbell CR6型數(shù)據(jù)采集器、儲存卡以及接頭轉(zhuǎn)換器組裝而成，通過USB數(shù)據(jù)線將采集的數(shù)據(jù)導(dǎo)入計算機終端進行處理，采樣時間從2022年3月7號12:00時至3月12號12:00時。

圖5 沙漠公路實驗基地沙障測試圖Fig. 5 Sand barrier in the desert highway experimental base

圖6為3月10號捕捉到大風(fēng)天的風(fēng)速時程數(shù)據(jù)，經(jīng)測定沙粒的啟動風(fēng)速大于5.2 m/s，所以選取風(fēng)速大于5.2 m/s的風(fēng)速數(shù)據(jù)進行分析得到如圖7所示的風(fēng)向玫瑰圖，主流風(fēng)向基本垂直于沙障，范圍在350°～5°內(nèi)。經(jīng)計算大于5.2 m/s的風(fēng)速數(shù)據(jù)的平均風(fēng)速為7.86 m/s，湍流強度為0.05，數(shù)值模擬取該湍流強度較為合理。高立式沙障周圍沙塵沉積情況如圖8所示，沙塵在第1排沙障迎風(fēng)側(cè)沉積，沙塵成分大多為草木等碎屑以及大顆粒沙粒(顆粒直徑大于0.125 mm)，沙塵沉積厚度最高為11 cm，極細小沙塵(0.063～0.125 mm)穿過第1排沙障在沙障內(nèi)部沉積或繼續(xù)運動，因此有必要設(shè)置多層沙障以阻擋小顆粒沙塵運動。

圖6 大風(fēng)期風(fēng)速時程圖Fig. 6 Wind speed time history during strong wind period

圖7 風(fēng)向玫瑰圖Fig. 7 Wind rose diagram

圖8 沙障迎風(fēng)面沙塵Fig. 8 Sand and dust of sand barrier windward side

2.2.2 實測風(fēng)速與數(shù)值模擬風(fēng)速驗證

通過編制UDF程序?qū)⑸衬沟?5 s實測風(fēng)速加載至Velocity-inlet邊界，在數(shù)值模型布置2個風(fēng)速測點與實測風(fēng)速值進行對比；在第1排沙障迎風(fēng)側(cè)前方1 m，距離地面高度1 m布置風(fēng)速監(jiān)測點1號，第2排沙障背風(fēng)側(cè)后方1 m，距離地面高度1 m布置風(fēng)速監(jiān)測點2號。由圖9可知，模型中的風(fēng)速監(jiān)測值與沙漠腹地實測值基本吻合，證明多孔介質(zhì)和歐拉雙流體非定常模型可以比較精確地模擬風(fēng)沙流對高立式沙障的響應(yīng)規(guī)律。

圖9 數(shù)值模擬風(fēng)速值與實測值對比Fig. 9 Comparison of numerical simulation wind speed value and measured value

3 數(shù)值結(jié)果分析

3.1 沙障周圍風(fēng)沙流速度分布特征

以初始風(fēng)速20 m/s為例，模擬風(fēng)沙流在沙障和路基的運動規(guī)律，得到路基高度2.5 m，坡度1:4；4排1.7 m高沙障周圍風(fēng)沙流流線圖如圖10所示，主導(dǎo)風(fēng)向從左到右。

圖10 4排高度1.7 m沙障的風(fēng)沙流流線圖Fig. 10 Streamline figure of wind and sand flow of 4 rows of sand barriers with a height of 1.7 m

由圖10分析可知：沙障使氣流擾動，沙障周圍氣流出現(xiàn)分區(qū)。沙障對氣流的阻擋，在第1排沙障前面形成減速區(qū)(A區(qū))，風(fēng)速降至6 m/s以下；氣流在沙障上部被抬升，在第1排沙障的上方形成紊流區(qū)(B區(qū))，風(fēng)速在6～20 m/s快速變化。在兩排沙障中間形成了渦旋低速區(qū)(C區(qū))，風(fēng)速在0～4 m/s之間；第1排沙障和第2排沙障之間往往形成回流，第2排沙障的上升氣流越過沙障匯入第1排的下沉氣流，再次進入渦旋并隨其運動。之后由于沙障對氣流的擾動逐漸減小，風(fēng)速逐漸恢復(fù)到主流區(qū)的風(fēng)速形成層流穩(wěn)定區(qū)(D區(qū))。

3.2 沙障周圍風(fēng)沙流壓力分布特征

以初始速度20 m/s為例，模擬沙障和路基共同作用下風(fēng)沙流運動規(guī)律，得到路基高度2.5 m，坡度1:4；4排1.7 m高沙障周圍壓力云圖如圖11所示，主導(dǎo)風(fēng)向從左到右。

由圖11分析可知：由于沙障對氣流的阻擋，氣流在沙障的迎風(fēng)側(cè)被壓縮，則高于標(biāo)準(zhǔn)大氣壓形成高正壓區(qū)(A區(qū))，正壓達90 Pa；氣流速度在沙障的背風(fēng)側(cè)快速降低，風(fēng)沙流在沙障的背風(fēng)側(cè)形成渦旋流，同時氣流的壓力低于標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，在前兩排沙障中處于高低負(fù)壓區(qū)(C區(qū))，低壓可達-90 Pa；在沙障上方，氣流速度的快速變化造成沙障上方形成湍流區(qū)，氣壓由正壓快速降至負(fù)壓，此區(qū)域稱為壓力過渡區(qū)(B區(qū))。氣流經(jīng)過沙障后壓力會恢復(fù)到標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，此區(qū)域稱為壓力恢復(fù)區(qū)(D區(qū))。

圖11 4排高度1.7 m沙障的風(fēng)沙流壓力圖Fig. 11 Wind-sand flow pressure figure of 4 rows of sand barriers with a height of 1.7 m

3.3 沙障排數(shù)對風(fēng)沙流運動特性的影響

隨著沙障排數(shù)的增加，風(fēng)沙流的運動規(guī)律將發(fā)生極大的改變，為了更好地研究多排沙障周圍風(fēng)沙流運動，提取距地面0.5 m高度處的水平和豎直風(fēng)速沿程分布圖如圖12所示，0.5 m高度不同排數(shù)沙障下坡腳、路肩速度變化表如表1所示。

圖12 不同沙障排數(shù)下距離地面0.5 m高度風(fēng)速分布圖Fig. 12 Distribution of wind speed at 0.5 m height above the ground under different numbers of sand barriers

表1 0.5 m高度不同排數(shù)沙障下坡腳、路肩速度變化Table 1 Variation table of the downhill foot and road shoulder speed of different rows of sand barriers at a height of 0.5 m

3.3.1 水平風(fēng)速

水平風(fēng)速大體呈現(xiàn)“V”型趨勢，氣流在第1排沙障的前方被快速阻擋，水平風(fēng)速降至0 m/s左右與李凱崇等[22]的HDPE網(wǎng)沙障的設(shè)置角度對風(fēng)沙流影響的實驗結(jié)果大致相同。氣流速度遠離沙障后逐漸恢復(fù)，但未能恢復(fù)到無防護時相應(yīng)的風(fēng)速。在路面高度0.5 m處，5排沙障的防護下，路基的迎風(fēng)側(cè)坡腳和路肩的水平風(fēng)速分別從11.05 m/s，20.22 m/s下降至5.37 m/s，14.59 m/s，速度的降低率達54.13%，27.83%；路基的背風(fēng)側(cè)路肩的水平風(fēng)速分別從22.31 m/s，9.44 m/s下降至15.63 m/s，7.50 m/s左右，速度的降低率達29.92%，21.84%?？梢?，隨著沙障排數(shù)的增加，高立式沙障周圍風(fēng)速驟減，沙塵的運動速率在沙障內(nèi)部逐步降低；同時路基沿程的水平風(fēng)速也逐步降低，減小路基的風(fēng)蝕危害。

3.3.2 豎直風(fēng)速

沙障對氣流的抬升作用，越靠近沙障氣流豎直風(fēng)速越大，并在第1排沙障的正上方達到峰值4 m/s；氣流穿越沙障后下沉，風(fēng)速逐漸減小，負(fù)峰值出現(xiàn)在第1排和第2排沙障中間處達到-3 m/s。第1排和第2排沙障對氣流的豎直風(fēng)速影響最大，隨著沙障排數(shù)的增加，豎直風(fēng)速同樣呈現(xiàn)正負(fù)值波動，方向復(fù)雜多變，進一步驗證了渦旋流的存在。在路肩的迎風(fēng)側(cè)，豎直風(fēng)速由無防護的4.2 m/s降低至2.7 m/s左右，豎直風(fēng)速小于沙粒的最小啟動速度(5.2 m/s)，沙粒難以再次躍移，說明沙障達到了理想的防沙效果。

3.3.3 沙障周圍風(fēng)沙流的運動特征

圖13為不同沙障排數(shù)下沙粒體積分?jǐn)?shù)云圖，風(fēng)向從左到右，不同顏色代表不同的體積分?jǐn)?shù)(藍色為最小，紅色為最大)。紅色區(qū)域代表沙?；疽殉练e在此處，其他顏色代表沙粒在以蠕移、躍移、懸移的方式運動。

圖13 沙障高度為1.7 m，不同排數(shù)沙障的沙粒體積分?jǐn)?shù)云圖Fig. 13 Cloud figure of sand volume fraction with different row numbers of sand barriers with a height of 1.7 m

由圖13分析可知：隨著沙障排數(shù)的增大，沉積在沙障周圍的總積沙量與積沙高度均發(fā)生明顯變化。當(dāng)只有2排沙障時，大顆粒沙塵在沙障迎風(fēng)側(cè)部分沉積，小顆粒沙塵沙粒穿過2排沙障隨著氣流運動到路基的迎風(fēng)坡。布置3排沙障時，僅有少量沙粒運動至路基。當(dāng)布置4到5排沙障時，可以發(fā)現(xiàn)沙粒大量沉積在第1排和第2排沙障的中間，后兩排沙障攔截少量躍移過前排沙障的沙粒。由此可見，沙障至少設(shè)置3排及以上。

3.4 沙障高度對風(fēng)沙流運動特性的影響

初始風(fēng)速速度20 m/s，風(fēng)向從左到右，路塹高度2.5 m，坡度1:4，對沙障高度1.5 m和2.0 m，4排高立式沙障進行數(shù)值模擬。提取路面0.5 m的水平和豎直風(fēng)速，分析沙障對氣流的減速效果，得到0.5 m高度風(fēng)速沿程如圖14所示和0.5 m高度4排沙障下坡腳、路肩速度變化表如表2所示。1.5 m和2.0 m高度沙障排數(shù)下沙粒體積分?jǐn)?shù)云圖如圖15所示。

圖15 沙障排數(shù)為4，不同沙障高度的沙粒體積分?jǐn)?shù)云圖Fig. 15 Number of sand barriers is 4， and the cloud figure of sand volume fraction at different sand barrier heights

表2 0.5 m高度4排不同高度沙障下坡腳、路肩速度變化Table 2 Variation table of downhill foot and road shoulder speed of 4 rows of sand barriers with different heights at a height of 0.5 m

圖14 距離地面0.5 m高度風(fēng)速分布圖Fig. 14 Distribution figure of wind speed at 0.5 m height above the ground

3.4.1 水平和豎直風(fēng)速

在2.0 m沙障的防護下，路基的迎風(fēng)坡路肩水平風(fēng)速比1.5 m沙障的相應(yīng)值低3～5 m/s，風(fēng)速的降低率最高達61.79%；豎直風(fēng)速也比1.5 m沙障的相應(yīng)值低0.5 m/s。由此可見，風(fēng)速值一定時，隨著沙障高度的增加，沙障背風(fēng)側(cè)低速渦流區(qū)范圍逐漸增大，防沙效果得到顯著的提高，躍移穿過沙障的沙塵減少。

3.4.2 沙障周圍風(fēng)沙流的運動特征

1.5 m高的沙障的積沙主要沉積在前3排沙障，在第1排和第2排沙障內(nèi)部出現(xiàn)沙粒的堆積較多?？赡苁堑?排沙障周圍風(fēng)速較大導(dǎo)致更多沙粒越過第1排沙障而繼續(xù)運動。2.0 m高度的沙障，使風(fēng)速快速的降低，第1排沙障前方有明顯的減速區(qū)；沙粒主要在第1排沙障迎風(fēng)側(cè)前沉積，第1排和第2排沙粒堆積較少。

4 結(jié)論

1) 氣流在沙障迎風(fēng)側(cè)前方區(qū)域減速，風(fēng)速快速下降導(dǎo)致氣流攜沙能力減弱沙粒在沙障的周圍沉積，草木等碎屑以及大顆粒沙粒(顆粒直徑大于0.125 mm)在沙障迎風(fēng)側(cè)沉積，極細小沙塵(0.063～0.125 mm)穿過第1排沙障在沙障內(nèi)部沉積或繼續(xù)運動。

2) 隨著沙障排數(shù)的增加，路基沿程的水平風(fēng)速逐步降低；3排及其以上沙障可以較好的阻擋風(fēng)沙流的運動。在路面高度1.0 m，5排沙障的防護下，路基的迎風(fēng)側(cè)坡腳水平風(fēng)速從11.05 m/s下降至5.37 m/s，速度的降低率達54.13%。沙障排數(shù)的增加對氣流速度豎直分量影響較小。

3) 隨著沙障高度的增高，路基范圍內(nèi)風(fēng)速也得到降低。在2.0 m沙障的防護下，路基的迎風(fēng)坡和背風(fēng)坡的路肩氣流水平風(fēng)速比1.5 m沙障的相應(yīng)值低3～5 m/s，降低率最高達61.79%；豎直風(fēng)速也比1.5 m沙障的相應(yīng)值低0.5 m/s。