多孔固沙磚機械沙障防風固沙效果的風洞試驗研究

孫 婧, 王 君, 王海龍,3, 洪俊哲, 張少云

(1.河北建筑工程學院 土木工程學院,河北 張家口 075000;2.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;3.石家莊鐵道大學 交通運輸學院,石家莊 050043)

沙漠化是全球面臨的一個重大生態(tài)環(huán)境問題,風沙運動是沙漠化發(fā)展的主要表現(xiàn)形式[1]。風沙對鐵路的危害為風蝕、沙埋。近年來,隨著國家“一帶一路”戰(zhàn)略的實施、西部交通干線建設大規(guī)模開展[2],工程治沙已成為鐵路風沙危害防治的重要技術手段,工程治沙措施包括機械沙障、引水拉沙、瀝青固沙、導風板等。其中,機械沙障主要是通過改變下墊面的性質,達到增加地表粗糙程度來實現(xiàn)降低風速、減小風沙對鐵路侵蝕的目的。

常用的機械沙障種類主要有塑料網(wǎng)格、麥草、黏土、尼龍網(wǎng)和土工布等。目前國內外對機械沙障的研究主要集中在新型沙障材料、沙障形式等方面。在沙障材料方面,屈建軍等[3]發(fā)現(xiàn)聚乳酸(polylactic acid,PLA)網(wǎng)格沙障這一新型沙障耐輻射、耐老化,防沙效果好;Rosenbrand等[4-5]表明粗砂沙障強度高,是一種有前景的新防沙措施;Wang等[6]研究發(fā)現(xiàn)模擬灌木這一新型沙障內沙粒沉積量與風速呈正相關。在沙障形式方面,基于數(shù)值模擬和風洞試驗,學者們對不同形式機械沙障進行了結構參數(shù)優(yōu)化設計、風沙流場特性及固沙機理等研究,目前沙障形式主要有高立式和低立式兩大類,高立式沙障類型有多孔柵欄、PE網(wǎng)等,比如Wang等[7]研究發(fā)現(xiàn)多孔柵欄可有效降低風速,設置雙排柵欄會提高攔沙率;沈國輝等[8]對高度較高的蝶形防風網(wǎng)進行風洞試驗,發(fā)現(xiàn)體型和角度對風場有較大影響。低立式沙障主要有麥草、礫石、沙袋、土工布等形式[9],孫浩等[10]通過野外試驗研究得到多邊形草沙障的防風固沙效能高;高天笑等[11]研究發(fā)現(xiàn)20 cm高的低覆蓋度羽翼袋沙障防風積沙效應更顯著;Vivek等[12]研究了土工布包裹沙障受沙粒粒徑影響,粒徑越小,衰減系數(shù)越小;Wang等[13]在風洞中比較草棋盤屏障(straw checkerboard barrier,SCB)和巖石棋盤屏障(rocky checkerboard barrier,RCB)的風沙流場,表明SCB適合弱風區(qū)、RCB適合強風區(qū)。

綜上所述,不同沙障材料及形式的選擇主要基于風沙防護工程所在區(qū)域的自然條件、施工條件、運輸條件和成本控制等,需根據(jù)實際情況及風沙防護效果進行選擇。本文依托魚卡(紅柳)至一里坪線新建地方鐵路工程,該線位于青海省海西州大柴旦行委,總體為開闊的平原地貌,常年寒冷干燥,主導風向為西北風,多風沙,持續(xù)性風沙對鐵路的安全運營造成嚴重威脅。由于紅一線沿線所經(jīng)區(qū)域不同,風沙發(fā)育特點也不一樣,針對風速較小(6～11 m/s)、但出現(xiàn)頻次較高的區(qū)段,本文設計了近地表多孔方格狀結構的機械沙障作為固沙措施。本文沙障由單塊多孔固沙磚塊鋪設而成,考慮到本線災害區(qū)段,風積沙分布廣泛,為節(jié)省遠距離運輸成本、以沙治沙,制備磚塊的沙障原材料選用的是風積沙,利用固化劑將其固化制備成多孔固沙磚。吳溢文等[14]提出制備多孔固沙磚來輔助化學固沙的構想,但目前只停留在制備階段,未對其進行風沙防護方面的試驗及應用研究。王海龍等[15]通過前期試驗和數(shù)值模擬研究,確定單塊多孔長方體固沙磚結構參數(shù)是40 cm×11.5 cm×20 cm(長×寬×高),開孔半徑3.6 cm,孔隙率為10%;多孔固沙磚組成的機械沙障結構形式為上下兩層、規(guī)格為1 m×1 m的方格;這種多孔對稱方格結構,沿線鋪設,規(guī)模較大,不同于傳統(tǒng)的低立式沙障,結構規(guī)律性很強。

因此,基于風洞試驗,本文重點研究了這種新型多孔固沙磚方格沙障結構的風壓分布及防風固沙效果;通過凈風條件下改變多孔固沙磚機械沙障與主導風向之間的角度,研究了不同鋪設角度下,沙障結構表面風壓特性和分布規(guī)律,進而在風沙條件下分析了沙障周圍沙粒分布規(guī)律和障后風速衰減情況,為這一新型沙障在鐵路風沙防護上的應用提供技術參數(shù)。

1 風洞試驗

1.1 試驗概況

風洞試驗在北京延慶區(qū)中科院電工所進行。該風洞為直流式風沙型風洞。風洞試驗段長度為20 m,寬度3 m,高度2.5 m,試驗段風速在0～30 m/s范圍內可調。風洞試驗段速度場的不均勻性小于1.0%,方向場的不均勻性均小于1.0°,軸向靜壓梯度小于0.003 m-1[16]。在風洞中可進行凈風條件下的測壓試驗,風洞測壓裝置采用美國PSI掃描閥公司的DTCnet電子式壓力掃描閥系統(tǒng),風壓采樣頻率330 Hz。通過試驗段頂部的漏沙裝置還可進行風沙條件下的試驗,本文風沙試驗中風速測量儀采用的是中國科學院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所開發(fā)的防沙風速廓線儀,內部主要由傳感器和變送器組成,外部由1根轉接線與電腦連接。該測試儀共設10個皮托管探針,采樣頻率均為2 Hz,在試驗之前,采用標準皮托管對風速廓線儀的所有皮托管進行校準,使得各探頭的測量誤差均小于0.15%[17]。沙粒采集使用的是梯度集沙測量儀,通過記錄集沙盒內沙粒質量(精度至0.001 g),得到不同高度處的沙濃度分布,試驗設備如圖1(a)所示。

(a) 風沙試驗設備

(b) 風積沙顆粒形貌

(c) 沙粒篩分析曲線

(d) 現(xiàn)場風玫瑰圖圖1 試驗概況圖Fig.1 Test overview chart

根據(jù)紅一線風沙災害路段沿線采樣結果,如圖1(b)所示,風積沙顆粒呈近圓球形。經(jīng)篩分析試驗得沙粒篩分析曲線如圖1(c),粒徑范圍在0.08～0.4 mm的沙粒質量分數(shù)在89%左右。楊具瑞等[18]研究發(fā)現(xiàn)當沙粒平均粒徑在0.141～0.314 mm范圍時,沙粒對應的啟動風速在5.3～7.8 m/s,當風速>7.8 m/s時,風沙流開始發(fā)育,現(xiàn)場10月—次年5月風速值在6～11 m/s的頻次多,現(xiàn)場實測風玫瑰圖如圖1(d)所示,因此本文風洞試驗風速采用10 m/s。

1.2 試驗模型

本試驗上下兩層多孔固沙磚沙障原型的高度為40 cm,為滿足相似性理論中幾何相似條件,保證試驗模型與試驗原型幾何相似[19],同時充分考慮流場的穩(wěn)定性,確定模型縮尺比為1∶3。單塊固沙磚試驗模型如圖2(a)所示,具體尺寸為長13.33 cm,寬3.83 cm,高6.67 cm,孔半徑為1.2 cm,孔隙率為10%。機械沙障試驗模型如圖2(b)所示,是由單塊多孔固沙磚堆砌成上下兩層的方格陣列形式。由于沙障為對稱規(guī)律結構,因此,截取沙障的一部分重復單元做研究對象,同時考慮測試模型與風洞邊壁的最短距離不應小于試驗段寬度的15%[20],設計擺放3排2層多孔方格固沙磚機械沙障,橫向總長為134.31 cm,縱向總高度是13.33 cm。

(a) 單塊固沙磚模型尺寸

(b) 多孔固沙磚機械沙障模型尺寸圖2 固沙磚機械沙障模型圖Fig.2 Sand barrier model of sand-fixing brick machinery

根據(jù)課題組對多孔固沙磚機械沙障的數(shù)值模擬研究,前2排固沙磚受風壓影響較大[21],因此重點研究了沙障迎風側前2排固沙磚的風壓情況。試驗模型的測點布置,如圖3所示。單塊橫向固沙磚,即圖3(a)中A～P磚塊,迎風面和背風面各設置7個測點,測點編號規(guī)則為字母編號+排數(shù)編號+數(shù)字編號,其中,英文字母為橫向磚塊編號,按A～P依次排序,大寫字母代表迎風面,小寫字母代表背風面,見圖3(b)中A磚塊例子所示,其余橫向磚塊以此類推。每排測點共224個,2排共計448個測點。縱向固沙磚與橫向磚塊彼此緊靠,受到風壓作用的面積小,且為排除密集測點對固沙磚風壓影響作用,故縱向磚塊不再布置測點。

(a) 試驗模型測點布置圖

(b) A磚塊測點編號圖圖3 沙障模型風壓測點布置圖Fig.3 Layout of wind pressure measuring points in sand barrier model

1.3 試驗工況設計

本文試驗分別在凈風和風沙條件下進行,通過凈風條件下的測壓試驗得到最優(yōu)角度工況,進一步在風沙條件下利用測速試驗和沙粒沉積規(guī)律來驗證沙障在最優(yōu)鋪設角度時的防風固沙效果。

1.3.1 凈風條件下的試驗

為分析凈風條件(風速10 m/s)、不同鋪設角度下多孔固沙磚沙障結構表面的風壓特性和分布情況,設計的角度工況如圖4所示,其中鋪設角度α是沙障與主導風向(西北風)之間的角度。鋪設角度由0°開始,每增加15°測試1次,直至90°,共計7個角度、7種工況。由圖4可知,模型在風洞試驗段擺放位置,通過模型下方轉盤轉動來控制角度變化。

圖4 角度工況圖Fig.4 Angle working condition diagram

1.3.2 風沙條件下的試驗

凈風試驗后得到最優(yōu)工況,在最優(yōu)角度條件下,對多孔固沙磚機械沙障進行風沙試驗。在沙障后側20 cm處布置風速廓線儀,共計10個風速測點,分別采集5 mm、10 mm、15 mm、50 mm、100 mm、250 mm、500 mm、750 mm、1 000 mm、1 250 mm高度位置處風速。

風沙試驗結束后收集障后不同位置處積沙,通過計算一定沙濃度條件下的沙粒沉積率[22],來研究機械沙障的固沙效果。其中,沙粒沉積率計算如式(1)所示

(1)

式中:λ為多孔固沙磚沙障單個方格內的沙粒沉積率,g/(m2·s);m為單個固沙磚方格內沙粒總沉積質量,g;t為落沙時間,s;s為方格面積,本文中是0.11 m2。

1.4 數(shù)據(jù)處理

凈風條件試驗中,使用Matlab和Surfer軟件對風壓時程數(shù)據(jù)進行處理分析,通過計算平均風壓系數(shù)來研究鋪設角度對多孔固沙磚機械沙障所受風壓的影響。為防止測壓管道彎曲和擠壓造成壓力信號不準確,在測壓管輸出風壓時程數(shù)據(jù)時進行數(shù)學畸變修正后[23],平均風壓系數(shù)和風速計算如式(2)所示

(2)

式中:Cp,mean為平均風壓系數(shù);pref中為相對參考靜壓,即在風洞試驗中連通外界大氣壓作為參考靜壓;為采樣周期內得到的平均風壓;ρ為試驗時的空氣密度,1.225 kg/m3;Uref為來流風向在參考高度處的平均風速;本文風洞試驗參考高度為0.4 m,模型周邊風場干擾小。本文規(guī)定平均風壓系數(shù)為正時,試驗模型受到了來流風的壓力;平均風壓系數(shù)為負時為風吸力,正負只代表方向,不代表大小。

2 凈風條件下風洞試驗結果分析

在凈風條件、風速10 m/s的情況下,分析前2排多孔固沙磚在0°鋪設角度下所有測點的風壓特性,確定沙障風壓分布和變化原因,得到關鍵性測點位置;其次,在相同試驗條件、0°～90°不同鋪設角度范圍內,進行關鍵性測點的風壓分布及其變化規(guī)律,以確定最優(yōu)角度工況。

2.1 0°鋪設角度下多孔固沙磚沙障表面風壓分布規(guī)律分析

0°鋪設角度下,采集如圖3(a)中所示所有測點的風壓時程進行數(shù)據(jù)處理,繪制如圖5所示的平均風壓等值線圖,其中,橫向方向是與來流風向垂直的迎風面,鋪設總長約為134.31 cm;縱向為固沙磚高度增加的方向,2層固沙磚高度為13.33 cm;排向為沙障排數(shù)增加的方向。

(a) 第1排迎風面平均風壓等值線圖

(b) 第1排背風面平均風壓等值線圖

(c) 第2排迎風面平均風壓等值線圖

(d) 第2排背風面平均風壓等值線圖圖5 沙障不同位置處平均風壓等值線對比圖Fig.5 Comparison of isolines of average wind pressure at different locations of sand barrier

沙障第1排迎風面(圖5(a))平均風壓系為正值,其數(shù)值在0.02～0.16之間波動,此處風流基本沒有發(fā)生回流,但背風面(圖5(b))平均風壓系數(shù)值在0.9～1.1之間波動,且數(shù)值為負,說明風流經(jīng)過孔洞發(fā)生了分離,風向改變;同時,固沙磚帶有孔洞,風流穿過第1排孔洞到達第2排,部分風流來不及從第2排孔洞流失,受到固沙磚的阻擋,在第1排與第2排之間的方格內不斷循環(huán)回流,產(chǎn)生了小型渦旋[15],因此背風面受較大風吸力。

沙障第2排迎風面(圖5(c))處平均風壓系數(shù)均是負值,最大數(shù)值為1.05,與第1排背風面相比,二者平均風壓系數(shù)值近似,這是因為第1排背風面、第2排迎風面均是處于沙障同一方格壁面,此時風循環(huán)回流使得方格內壁整體受壓均勻穩(wěn)定,即穩(wěn)定渦旋。第2排背風面(圖5(d))處的平均風壓系數(shù)為負,且數(shù)值在0.1～0.85之間波動,因受到前排固沙磚遮擋作用,到達第2排背風面處風流較少,該面所受風壓比第1排背風面處要小。

由圖5可知,多孔固沙磚沙障結構對稱,風壓分布具有規(guī)律性,第1排迎風面受風壓力,方格內部的固沙磚壁面均受風吸力;隨著排數(shù)增加,受到前排固沙磚的遮擋作用,后排固沙磚風壓逐漸減小,整體沙障方格結構以此類推。沙障平均風壓系數(shù)呈對稱分布,風壓自地表隨沙障高度(縱向0～13.33 cm)增加而增大,受孔結構影響,在橫向0～134.31 cm鋪設方向上,沙障左右邊緣處風壓有波動但平均風壓系數(shù)值較中間位置處偏小,主要原因是風流穿過每排固沙磚孔洞時,沙障邊緣處部分風流通過固沙磚與風洞側壁形成的通道快速流失。

2.2 不同鋪設角度對多孔固沙磚沙障風場特性的影響

2.2.1 關鍵性測點的選擇

基于2.1節(jié)分析結果可知沙障兩側邊緣處平均風壓系數(shù)波動大,因此選擇關鍵性測點進行風壓分析時,應重點監(jiān)測左右兩側固沙磚邊緣測點的風壓;又因為距地表不同高度處固沙磚所受風壓會有變化,所以需對縱向最低和最高測點進行風壓研究。同時,固沙磚沙障屬于對稱結構,且有開孔設計,磚塊中間測點的兩側均有孔洞。

因此,本文選取多孔固沙磚(迎風面A～D、M～P磚)最左和最右邊緣處測點,以及8塊單塊固沙磚(迎風面E～L磚)的中間測點做關鍵性測點,背風面也按照此原則選擇關鍵性測點。關鍵性測點標記如圖6所示。

圖6 多孔固沙磚上關鍵性測點布置圖Fig.6 Layout of key measuring points on porous sand-fixing bricks

2.2.2 不同鋪設角度下多孔固沙磚沙障風壓系數(shù)分析

試驗得到沙障前2排多孔固沙磚的關鍵性測點的風壓數(shù)據(jù),不同鋪設角度下沙障所受風壓的變化如圖7所示。根據(jù)關鍵性測點在沙障上分布的位置,將圖7中的風壓測點劃分為①、②、③三個區(qū)域。另外,由于沙障結構的對稱性,0°和90°的鋪設角度屬于同一個方格陣列,由0°的橫排方向轉成90°的側排方向,二者工況條件相同,所以90°鋪設角度的工況不予重復考慮。

(a) 第1排迎風面

(b) 第1排背風面

(c) 第2排迎風面

(d) 第2排背風面圖7 多孔固沙磚沙障在不同鋪設角度下風壓對比圖Fig.7 Comparison of wind pressure of porous sand-fixing brick sand barrier at different laying angles

由圖7(a)可知,在0°～15°,沙障第1排迎風面主要承受風壓力,風壓較小,整體平均風壓系數(shù)值變化穩(wěn)定;在15°～90°,沙障所受風壓由正值變負值,說明鋪設角度增大時,第1排固沙磚與來流風形成夾角,起到了分流作用,風流沿固沙磚表面行進過程中,部分通過固沙磚孔洞進入方格到達背風面,風流再次分離,風向發(fā)生改變。鋪設角度為15°時,沙障的平均風壓系數(shù)最小,風回旋最小,最小數(shù)值為0.02。

由圖7(b)可知,沙障第1排背風面在不同鋪設角度下平均風壓系數(shù)均為負值。鋪設角度為0°時,平均風壓系數(shù)變化穩(wěn)定,整體風壓波動范圍小;但隨著鋪設角度由0°不斷增加至90°,該面的平均風壓系數(shù)值逐漸降低,在0.31～0.94之間波動;鋪設角度增大時,孔洞不再垂直來流風向,進入孔洞的總風量變小,沙障第1排背風面受到的風壓不僅變小,風壓波動范圍也在變大,方格內風循環(huán)回流產(chǎn)生了不穩(wěn)定的渦旋。

由圖7(c)可知,沙障第2排迎風面在不同鋪設角度下平均風壓系數(shù)均為負值。0°鋪設角度時,平均風壓系數(shù)值波動非常小且趨于一條線;鋪設角度增大時,該面在0°～15°的風壓波動小,所受風壓逐漸減弱,而在15°～90°風壓波動劇烈。對比沙障第1排,在0°～90°,第2排迎風面所受風壓比第1排小,且平均風壓系數(shù)波動范圍也在縮小,主要因為第1排和側面的固沙磚對風流起遮蔽作用,導致到達第2排迎風面的風量更小,第2排迎風面所受風壓驟然減小,風壓波動范圍大,方格內仍是不穩(wěn)定的渦旋。

在圖7(d)可知,在0°～90°,沙障第2排背風面的風壓系數(shù)值在0.40～0.79之間波動,且均為負值。0°鋪設角度下該面受壓穩(wěn)定,0°～15°鋪設角度下的風壓波動范圍比15°～90°的波動范圍小。對比圖7(c),第2排迎風面和背風面在各鋪設角度下的平均風壓數(shù)值相近,第2排整體受壓均勻,且受前排固沙磚遮蔽作用,第2排固沙磚要比第1排受壓更穩(wěn)定。

由圖7可知,在0°～15°鋪設角度下,沙障的①、②、③區(qū)域處均受壓穩(wěn)定,數(shù)值波動小;在15°～90°鋪設角度范圍內,②區(qū)域的風壓波動更加劇烈且受壓較小。綜合分析可知,鋪設角度變化時,沙障關鍵性測點的平均風壓系數(shù)隨角度發(fā)生明顯變化,說明沙障所受風壓對鋪設角度的變化非常敏感。但總體來看,在0°～15°鋪設角度下,多孔固沙磚沙障整體所受風壓波動變化穩(wěn)定,平均風壓系數(shù)值偏小,因此為最優(yōu)鋪設角度工況。

3 風沙條件下風洞試驗結果分析

3.1 風沙試驗

根據(jù)現(xiàn)場調研,紅一線風沙災害路段處沙粒粒徑范圍主要在0.08～0.4 mm,且現(xiàn)場風速值在6～11 m/s的頻次多,該區(qū)段極易形成沙塵暴天氣。郝贠洪等[24]對不同地區(qū)鐵路進行了風沙調研測試,發(fā)現(xiàn)沙塵暴條件下的沙塵濃度大約在5～10 g/m3。因此,本試驗通過風洞頂部漏沙裝置來調節(jié)漏沙量,落沙時間為60 s,利用梯度集沙儀測試沙濃度,得到如圖8所示的沙濃度分布,最終控制在10 m/s的風速條件下,風洞內15 cm高度處的平均沙質量濃度為5.152 5 g/m3,來模擬實際的風沙環(huán)境。

圖8 不同高度下的沙濃度Fig.8 Sand concentration at different heights

通過不同鋪設角度下多孔固沙磚沙障風場特性分析可知,在凈風、風速10 m/s的試驗條件下,沙障在0°鋪設角度下風壓穩(wěn)定,鋪設最方便,因此選擇在0°鋪設角度下進行多孔固沙磚沙障的風沙風洞試驗,來分析沙障的防風固沙效果。模型布置如圖9所示,圖中沙障方格編號從第1排左側開始依次為1-1～1-4,第2排左側開始依次為2-1～2-4。

圖9 多孔固沙磚沙障積沙情況Fig.9 Sand accumulation in porous sand-fixing brick barrier

3.2 積沙結果分析

風沙試驗結束后,收集方格內沉積沙粒,根據(jù)式(1)計算沙障每個方格內的沙粒沉積率。從表1中數(shù)據(jù)可知,沙障第1排固沙磚后方格內的平均沙粒沉積率為116.75 g/(m2·s),第2排后方格內的平均沙粒沉積率為13.35 g/(m2·s),第1排固沙磚后方格的平均沙粒沉積率是第2排磚后的8.7倍,第1排固沙磚后方格的積沙量占方格總積沙量的88%,說明當風沙流運動時,沙障的第1排固沙磚攔截沙粒的作用最強,固沙效果明顯,只有少量沙粒隨風流穿過孔洞或翻越磚塊,在第2排磚后的方格內沉降。從表1還可看出,1-2和1-3方格的沙粒沉積率大于1-1和1-4方格,2-2和2-3方格的沙粒沉積率大于2-1和2-4方格,說明沙障中間部分的方格固沙能力強,而在方格邊緣處,一部分沙粒通過固沙磚與風洞側壁形成的通道流失了,沙粒沉積率減小。風沙試驗后沙障的積沙情況,如圖9所示,近地表流動沙粒受到阻擋作用主要堆積在沙障第1排固沙磚前;部分穿越磚體孔洞,在小型渦旋作用下發(fā)生沉降,堆積在沙障第1和第2排固沙磚后的方格內;極少部分沙粒在沙障第1排固沙磚邊緣處通過風洞通道被風流帶到整個沙障后側沉積。

表1 沙障不同位置方格內的沙粒沉積率Tab.1 Sand deposition rate in different locations of sand barrier

3.3 風沙條件下風速衰減情況分析

利用風速廓線儀對凈風條件和風沙條件下,障后不同高度位置的風速進行了測試和對比,得到圖10障后風速廓線圖。如圖10所示,風沙條件下,在沙障高度13.33 cm范圍內,障后最低風速為1.92 m/s,最高風速為2.99 m/s,障后平均風速衰減率為75.5%;沙障對10 m/s的初始風速起到了明顯的衰減作用,且將風速有效的降到了小于風沙流發(fā)育的范圍(風速<7.8 m/s),因此風流攜沙能力明顯減弱,沙粒沉積下來。

圖10 0°鋪設角度下障后風速廓線圖Fig.10 Wind speed profile behind the barrier at 0° laying angle

同時,對比凈風和風沙下的障后風速廓線圖可知,0°鋪設角度時,在沙障高度13.33 cm范圍內,風沙條件下的障后風速衰減很快,此時,風沙流在方格內形成渦旋,沙粒沉降消耗風能導致風速快速降低。而超過沙障高度后,風沙下的障后風速較凈風條件下要大,主要是因為能夠達到高速運動的只有處于高層處的少量細沙顆粒,小顆粒運動過程中與風的接觸面積小,風對沙粒的阻力減小,從而沙粒促進了風流加速。因此,盡管超過沙障高度處的風沙流速度較大,但由于距地表10 cm以上,氣流搬運的粒沙不到總量的10%[25],多孔固沙磚沙障在近地表處仍能夠有效地防風固沙。

4 結 論

本文以多孔固沙磚方格沙障為研究對象,在凈風條件下分析了0°～90°不同鋪設角度下沙障的風壓分布特點;并在最優(yōu)角度工況下進行風沙試驗,來驗證沙障的防風固沙效果,主要結論如下:

(1) 在0°鋪設角度下,沙障第1排固沙磚迎風面所受風壓為正,平均風壓系數(shù)在0.1～0.26波動;風流通過第1排孔洞進入方格內,風向發(fā)生改變,方格內部所受風壓變?yōu)樨撝?隨著排數(shù)增加,受到前排固沙磚的遮擋作用,后排固沙磚風壓逐漸減小。

(2) 0°鋪設角度時,沙障整體結構風壓呈對稱分布,中間位置處所受風壓較大,數(shù)值穩(wěn)定,而左右邊緣處則是風壓波動較大。

(3) 多孔固沙磚沙障所受風壓對鋪設角度變化敏感。角度從0°增大時,孔洞位置與來流風向形成夾角,進入孔洞的總風量減少,沙障所受風壓易產(chǎn)生突變且波動范圍逐漸變大;在0°～15°鋪設角度下,沙障整體受壓穩(wěn)定,風壓波動范圍小,屬于最優(yōu)鋪設角度范圍。

(4) 風沙試驗結果表明,0°最優(yōu)鋪設角度下,近地表流動沙粒主要被阻攔在沙障第1排固沙磚前和沉降在沙障方格內,第1排固沙磚后方格內的平均沙粒沉積率是第2排后的8.7倍,第1排方格固沙效果最明顯,通過增加固沙磚排數(shù)可有效提高沙障固沙效果。沙高度13.33 cm范圍內,障后風速平均衰減率為75.5%使得越過沙障的沙?？焖俪两?。