格庫鐵路蘆葦把阻沙柵欄風(fēng)沙防護參數(shù)優(yōu)化設(shè)計

摘 要：風(fēng)沙危害防治是格庫鐵路安全運營亟須解決的關(guān)鍵問題。南疆地區(qū)盛產(chǎn)蘆葦，是區(qū)域廉價、環(huán)保的防沙材料。本研究對蘆葦把阻沙柵欄的最佳孔隙度、抗風(fēng)性能和排間距等防護參數(shù)進行了風(fēng)洞實驗研究，并對其阻沙效益進行了實地監(jiān)測，旨在為蘆葦把阻沙柵欄優(yōu)化設(shè)計提供科學(xué)依據(jù)。風(fēng)洞實驗結(jié)果表明，當(dāng)蘆葦把直徑為5 cm、把間距為3 cm（孔隙度為37.5%）時，柵欄防護效果較好，阻沙效率在90%以上，且具有較強的抗風(fēng)性能；當(dāng)多排蘆葦把阻沙柵欄排間距設(shè)置為10～15 H時，風(fēng)沙防護效果較好。實地監(jiān)測結(jié)果得出，2道37.5%孔隙度蘆葦把阻沙柵欄阻沙效率達98.9%，障后14 H處仍具有阻沙作用，驗證了風(fēng)洞實驗結(jié)果10～15 H排間距的正確性。蘆葦把阻沙阻沙柵欄適宜在格庫鐵路風(fēng)沙防治中推廣應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：蘆葦把；阻沙柵欄；孔隙度；排間距；風(fēng)沙防治；格庫鐵路

中圖分類號：U216.41

格庫鐵路東起青海省格爾木市西至新疆庫爾勒市，是新疆第3條出疆鐵路，全長1 214 km，開辟了新疆中部到青海中部的軌道交通，完善了中國西部鐵路網(wǎng)，對推動區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展、促進民族團結(jié)以及“一帶一路”建設(shè)具有重要意義。格庫鐵路特別是新疆段，沿途風(fēng)沙地貌類型復(fù)雜，依次穿越了阿爾金山山前戈壁、臺特瑪湖干湖盆，以及塔河下游沙漠化區(qū)，沙源極為豐富，且穿過塔里木盆地東部開口，天山東段山脈埡口的氣流向西南擴散以及蒙古國高壓控制的氣流沿河西走廊倒灌形成東北風(fēng)，風(fēng)大且頻率高，風(fēng)沙危害極為嚴(yán)重，沿線遭受風(fēng)沙危害路段約占線路全長的60%以上。風(fēng)沙危害防治是該條鐵路亟須解決的關(guān)鍵問題。

蘆葦是一種重要的防沙材料，具有價格低廉、環(huán)保、耐老化等優(yōu)點，多用于制作半隱蔽式固沙沙障。自1965年以來，麥草沙障由治沙專家彼得洛夫院士引入中國，并在騰格里沙漠包蘭鐵路沙坡頭路段試用，取得了顯著成效[1]。隨后的幾十年來，蘆葦、麥草半隱蔽式固沙障繼而在中國廣大沙區(qū)廣泛運用[2]。在塔克拉瑪干沙漠公路中，蘆葦材料在防沙工程中得到了廣泛應(yīng)用；蘆葦排柵欄和半隱蔽式蘆葦沙障是防沙工程中的重要組成部分，取得了較好的防沙效益[3-5]。南疆是蘆葦?shù)闹匾a(chǎn)區(qū)，如博斯騰湖，在防沙材料選擇中具有區(qū)位優(yōu)勢，且價格低廉。為增強蘆葦?shù)目癸L(fēng)性能，在格庫鐵路新疆段防沙工程試驗段中，將蘆葦捆扎成束狀，制作成蘆葦把阻沙柵欄，應(yīng)用于沿線風(fēng)沙危害防治工程中。每把蘆葦直徑為5 cm，把間空隙3～5 cm，孔隙度介于 37.5%～50%。柵欄孔隙度是影響其防護效益的重要因素，大量學(xué)者圍繞柵欄的最優(yōu)孔隙度問題開展了研究[6-8]，如Li和Sherman[9]總結(jié)以往研究成果得出，防風(fēng)柵欄最優(yōu)孔隙度介于30%～40%，而防沙柵欄最優(yōu)孔隙度為50%。同時，多排柵欄間距也是防沙工程設(shè)置的重要參數(shù)，但是目前阻沙柵欄間距多定性設(shè)置，缺乏系統(tǒng)的量化研究。為更好的將蘆葦把阻沙柵欄應(yīng)用于格庫鐵路沿線風(fēng)沙防治，亟須對蘆葦把阻沙柵欄孔隙度、排間距等風(fēng)沙防護參數(shù)進行優(yōu)化，從而為格庫鐵路風(fēng)沙防治提供科學(xué)的設(shè)計依據(jù)。

本研究對蘆葦把阻沙柵欄孔隙度、柵欄排間距以及抗風(fēng)性能進行了風(fēng)洞實驗，并通過野外觀測，對防沙工程試驗段2道蘆葦把阻沙柵欄的阻沙性能進行了觀測評價，通過驗證風(fēng)洞實驗結(jié)果，最終為格庫鐵路防沙工程設(shè)計提供科學(xué)依據(jù)。

1 蘆葦把阻沙柵欄風(fēng)沙防護參數(shù)優(yōu)化風(fēng)洞實驗

不同孔隙度蘆葦把阻沙柵欄防護效益和抗風(fēng)性能風(fēng)洞實驗在中南大學(xué)環(huán)境風(fēng)洞高速試驗段中進行，洞體尺度為1 m×0.8 m，試驗段長度為3.4 m，采用直流下吹模式，風(fēng)速5～60 m/s，邊界層高度約為10 cm。不同排間距蘆葦把阻沙柵欄防護效益風(fēng)洞實驗在中國科學(xué)院沙漠與沙漠化重點實驗室風(fēng)洞中進行，本風(fēng)洞為直流閉口吹氣式風(fēng)洞，實驗段長16.23 m，截面積0.6 m×1.0 m，風(fēng)速范圍0～40 m/s，實驗段邊界層厚度可達15 cm。

不同孔隙度蘆葦把阻沙柵欄防護效益和抗風(fēng)性能風(fēng)洞實驗中，蘆葦把阻沙柵欄模型采用檸條枝捆扎木柱代替，直徑5 cm，高度10 cm（受風(fēng)洞邊界層高度限制）（圖1）。蘆葦把間距分別設(shè)置為2 cm、3 cm、4 cm和5 cm，對應(yīng)孔隙度分別為28.6%、37.5%、44.4%和50%。在20 m/s、30 m/s和40 m/s 3種來流風(fēng)速下，測試柵欄前后不同位置處風(fēng)流場的梯度分布情況。流場斷面的測試位置為：柵欄模型前1 H、3 H、5 H、10 H；模型后1 H、3 H、5 H、10 H、15 H、20 H、25 H（H為沙障模型的高度）。

不同排間距蘆葦把阻沙柵欄防護效益風(fēng)洞實驗中，蘆葦把風(fēng)洞實驗?zāi)Ｐ筒捎? cm直徑PVC管代替，模型高度10 cm，按防沙工程試驗段中設(shè)置，把間距3 cm，對應(yīng)孔隙度為37.5%。在16 m/s 和24 m/s來流風(fēng)速條件下，測定3種不同排間距蘆葦把阻沙柵欄前后流場變化情況（圖2）。流場的測試斷面位置為：10 H柵欄間距：第1道前5 H、1 H，第1道后1 H、5 H、9 H，第2道后 1 H、3 H、5 H、10 H、20 H、30 H；15 H柵欄間距：第1道前5 H、1 H，第1道后1 H、5 H、9 H、14 H，第2道后1 H、3 H、5 H、10 H、20 H、30 H；20 H柵欄間距：第2道前5 H、1 H、第1道后1 H、5 H、9 H、14 H、19 H，第2道后1 H、3 H、5 H、10 H、20 H、30 H。

實驗均采用風(fēng)速廓線儀進行不同高度梯度風(fēng)速觀測，10路畢托管高度梯度分別為0.4 cm、0.6 cm、1.2 cm、2.0 cm、4.0 cm、8.0 cm、12.0 cm、16.0 cm、20.0 cm和24.0 cm，等風(fēng)洞入口風(fēng)速穩(wěn)定后，進行數(shù)據(jù)采集，每秒鐘采集一個數(shù)據(jù)，每組實驗采集時長30 s。

每組實驗中，將采集的30個不同高度風(fēng)速數(shù)據(jù)進行平均，利用Surfer10軟件制作流場等值線圖。

1.1 不同孔隙度蘆葦把阻沙柵欄防護效益及抗風(fēng)性能

風(fēng)洞實驗結(jié)果表明，在20 m/s、30 m/s和40 m/s實驗風(fēng)速下，隨著蘆葦把阻沙柵欄孔隙度的增大，風(fēng)影區(qū)面積逐漸減小。以5 m/s等值線作為有效防護距離的參考依據(jù)，來說明不同孔隙度蘆葦把阻沙柵欄防護效益差異。

20 m/s實驗風(fēng)速條件下，當(dāng)孔隙度為28.6%時，防護距離可達9 H，且在0.5 H高度以下，障后0～2 H出現(xiàn)相對高速區(qū)，而37.5%孔隙度有效防護距離為8 H，44.4%孔隙度有效防護距離為6 H，到50%孔隙度間距有效防護距離變?yōu)?～5 H（圖3）。在30 m/s實驗風(fēng)速下，當(dāng)孔隙度為28.6%、37.5% 和44.4%時，有效防護距離分別為8 H、6 H和3 H，而到50%孔隙度，障后風(fēng)速均在6 m/s以上，防沙作用明顯減弱（圖4）。在40 m/s實驗風(fēng)速下，當(dāng)孔隙度為28.6%和37.5%時，有效防護距離分別為5 H和3 H；44.4%和50%孔隙度障后風(fēng)速分別在6 m/s和10 m/s以上，防沙作用明顯減弱（圖5）。

以上結(jié)果表明，蘆葦把沙障隨著孔隙度的增加，防護作用減弱，對于30 m/s以上的大風(fēng)，44.4%和50%孔隙度蘆葦把阻沙柵欄防沙作用明顯降低。28.6%和37.5%孔隙度蘆葦把阻沙柵欄防沙作用相差不是太大，出于經(jīng)濟成本考慮，建議采用37.5%孔隙度蘆葦把阻沙柵欄。

1.2 不同排間距蘆葦把阻沙柵欄防護效益

基于沙漠地區(qū)的起沙風(fēng)速，本實驗以5 m/s等值線的分布特征說明不同排間距蘆葦把阻沙柵欄防護效益差異。16 m/s實驗風(fēng)速下，在10 H間距時，5 m/s風(fēng)速等值線在兩排柵欄間完全閉合，高度接近0.5 H，5 m/s風(fēng)速等值線總長度為22 H（圖6a）；15 H間距下，5 m/s等值線最大高度約為0.3 H，在障后14 H處高度略微下降，5 m/s風(fēng)速等值線總長度為25H（圖6c），總體與10 H間距防護效益差異較??；20 H間距下，5 m/s等值線在柵欄之間不閉合，長度約為障后7 H，5 m/s風(fēng)速等值線總長度為20 H，且每個沙障個體單獨起防護作用，防護效益相對減弱（圖6e）。

24 m/s實驗風(fēng)速下，柵欄間風(fēng)速均在7 m/s之上，5 m/s等值線只出現(xiàn)在第2排柵欄后，且等值線高度隨排間距的增大而減小，見圖6（b、d、f）。因此，柵欄排間距對防護效果的影響主要體現(xiàn)在低風(fēng)速等值線分布高度，進而影響積沙高度，間距減小能使積沙高度增大，對防護距離的影響不是很大?；谝陨辖Y(jié)果，建議防沙工程中37.5%疏透度（5 cm把直徑、3 cm間距）蘆葦柵欄排間距設(shè)置為10～15 H，防護效果相對較好。

2 蘆葦把阻沙柵欄阻沙性能野外監(jiān)測

2.1 現(xiàn)場儀器布置

在格庫鐵路米蘭防沙工程試驗段，對防沙體系中2道蘆葦把阻沙柵欄的阻沙效益進行了實地觀測，柵欄高度2 m，5 cm把直徑，間距為3 cm，兩排柵欄間距為40 m（20 H）。風(fēng)沙觀測采用1 m高集沙儀，入口尺寸2 cm×2 cm，共50個集沙盒，分別在第1道柵欄上風(fēng)側(cè)無影響區(qū)（30 H），第1道柵欄后2 H和14 H，第二道柵欄后2 H和12 H架設(shè)集沙儀，監(jiān)測輸沙率變化。集沙儀為便攜式楔形集沙儀，高度為1 m，集沙口尺寸為2 cm×2 cm。

2.2 監(jiān)測結(jié)果

監(jiān)測結(jié)果表明，蘆葦把阻沙柵欄起到了很好的阻沙效果：經(jīng)第1道阻沙柵欄后，2 H處防沙效率達93.8%，14 H處防沙效率達97.5%，經(jīng)第2道阻沙柵欄后防沙效率達98.9%（圖7）。因此，風(fēng)沙流輸沙幾乎完全被2道蘆葦把阻沙柵欄阻截，起到了較好的阻沙效果。經(jīng)三維激光掃描儀監(jiān)測，2018年柵欄積沙量達4 m3/m（圖8），表明5 cm直徑蘆葦把阻沙柵欄在3 cm把間距時能夠取得較好的阻沙效果，驗證了風(fēng)洞實驗結(jié)果。同時，在第1道阻沙柵欄后14 H和第2道阻沙柵欄后12 H，輸沙率相比障后2 H輸沙率仍在降低，說明障后14 H和12 H處阻沙柵欄仍然起到防護作用，表明10～15 H蘆葦把阻沙柵欄間距是科學(xué)有效的。實地觀測結(jié)論證明了風(fēng)洞實驗結(jié)果的準(zhǔn)確性。

3 討論

孔隙度是決定阻沙柵欄防護效益的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)之一[10-11]。國內(nèi)外學(xué)者通過野外觀測、風(fēng)洞實驗和數(shù)值模擬等手段對柵欄孔隙度的有效范圍進行了大量研究。阻沙柵欄在障后一定距離范圍內(nèi)降低風(fēng)速，風(fēng)速減小量與孔隙度密切相關(guān)，孔隙度越小，風(fēng)速減少量越大。但是，孔隙度小的柵欄會產(chǎn)生較大的渦流，使得風(fēng)速在渦流后會很快恢復(fù)到原始風(fēng)速，從而減小柵欄的防護距離?？紫抖忍。瑬艡诳赡軙淖冿L(fēng)的方向，而孔隙度太大的柵欄幾乎沒有能力對氣流產(chǎn)生干擾，因而造成沙沉積量較小。因此，在柵欄的幾何設(shè)計、高度、長度、厚度、開口尺寸以及幾何形狀等條件相同的情況下，存在一個最優(yōu)孔隙度，使得防沙柵欄既能降低足夠大的風(fēng)速，也能提供最佳的遮蔽效果，也就是在降低風(fēng)速與遮蔽距離之間起到一個平衡作用。研究結(jié)果表明，柵欄的最優(yōu)孔隙度范圍為20%～40%，此時具有較好的防風(fēng)效應(yīng)，而40%～50%孔隙度柵欄具有較好的阻沙效應(yīng)[9]。本研究得出當(dāng)孔隙度為37.5%時，蘆葦把阻沙柵欄具有較好的防風(fēng)、阻沙效益，這與以往研究結(jié)果一致。

目前關(guān)于多排柵欄防護效益的研究較為薄弱。Fang等[12]利用CFD數(shù)值模擬，通過建立同時考慮風(fēng)速衰減和經(jīng)濟效益的評估參數(shù)，對多排柵欄防護效益進行了模擬研究，結(jié)果表明，當(dāng)柵欄排間距為12～15 H時，能夠取得較好的防護效益，且能降低經(jīng)濟成本。Gillies等[13]在美國加利福尼亞州國家海洋沙丘車載娛樂中心對多排不同間距柵欄（孔隙度56%）的防護效益進行了觀測研究，結(jié)果得出，間距為7 H的阻沙柵欄減少了78%的輸沙通量，距離第1排柵欄27 H的區(qū)域減少了86%；而對于間隔10 H的柵欄，整個區(qū)域的輸沙通量控制在40%，在93 H距離處，輸沙通量減少了56%。因此，通過將柵欄靠得更近，7 H柵欄間距比10 H控制流沙效果好。本研究得出10～15 H蘆葦把阻沙柵欄多排間距具有較好的防護效益與Fang等研究結(jié)果一致，同時受區(qū)域風(fēng)況和下墊面性質(zhì)差異，與Gillies等研究結(jié)果存在一定差異。

4 結(jié)論

通過對蘆葦把阻沙柵欄最佳孔隙度、抗風(fēng)性能和排間距的風(fēng)洞實驗以及風(fēng)沙防護效益實地監(jiān)測，得出以下研究結(jié)論：

（1）當(dāng)蘆葦把直徑為5 cm，把間距為3 cm，即孔隙度為37.5%時，蘆葦把阻柵欄能夠取得較好的阻沙效果，阻沙效率達90%以上，同時具有較強的抗風(fēng)性能，能夠抵抗40 m/s大風(fēng)。

（2）在設(shè)置多排柵欄時，建議蘆葦把阻沙柵欄排間距設(shè)置為10～15 H，其風(fēng)沙防護效果較好。

（3）野外觀測得出，2道37.5%孔隙度的蘆葦把阻沙柵欄阻沙效率達98.9%，具有較好的阻沙效果，可在格庫鐵路風(fēng)沙防治中推廣應(yīng)用。

參考文獻：

[1]" Qu J，Zu R，Zhang K，et al. Field observations on the protective effect of semi-buried checkerboard sand barriers [J]. Geomorphology，2007，88（1-2）：193-200.

[2]" 屈建軍，凌裕泉，劉寶軍，等. 我國風(fēng)沙防治工程研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J]. 地球科學(xué)進展，2019，34（3）：225-231.

[3]" 王訓(xùn)明，陳廣庭，韓致文，等. 塔里木沙漠公路沿線機械防沙體系效益分析[J]. 中國沙漠，1999，19（2）：25-32.

[4]" 徐新文，胡玉坤，潘伯榮. 塔里木沙漠公路防沙體系的防護效益[J]. 干旱區(qū)研究，1998（1）：21-26.

[5]" Dong Z B，Chen G T，He X D，et al. Controlling blown sand along the highway crossing the Taklimakan Desert[J]. Journal of Arid Environments，2004，57（3）：329-344.

[6]" Dong Z B，Luo W Y，Qian G Q，et al. A wind tunnel simulation of the mean velocity fields behind upright porous fences[J]. Agricultural amp; Forest Meteorology，2007，146（1-2）：82-93.

[7]" Lee S J，Kim H B. Laboratory measurements of velocity and turbulence field behind porous fences[J]. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics，1999，80（3）：311-326.

[8]" 陳凱，朱鳳榮，鈕珍南. 防風(fēng)網(wǎng)作用效果的風(fēng)洞實驗評估[J]. 北京大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2006（5）：636-640.

[9]" Li B，Sherman D J. Aerodynamics and morphodynamics of sand fences： A review[J]. Aeolian Research，2015，17：33-48.

[10] Bean A，Alperi R W，F(xiàn)ederer C A. A method for categorizing shelterbelt porosity[J]. Agricultural Meteorology，1974，14（1-2）：417-429.

[11] Cornelis W M，Gabriels D. Optimal windbreak design for wind-erosion control[J]. Journal of Arid Environment，2005，

61（2）：315-332.

[12] Fang H，Wu X X，Zou X Y，et al. An integrated simulation-assessment study for optimizing wind barrier design[J]. Agricultural and Forest Meteorology，2018，263：198-206.

[13] Gillies J A，Etyemezian V，Nikolich G，et al. Effectiveness of an array of porous fences to reduce sand flux：Oceano dunes，Oceano CA[J]. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics，2017，168：247-259.