格库铁路不同固沙措施的防护效益

梁柯鑫, 王起才,2, 崔晓宁, 张 凯,2, 张戎令,2, 杨志冬

(1.兰州交通大学 土木工程学院, 甘肃 兰州 730070; 2.道桥工程灾害防治技术国家地方联合工程实验室,甘肃 兰州 730070; 3.中国铁路青藏集团有限公司格库铁路建设指挥部， 青海 格尔木 816000)

防沙工程，从其作用原理和功能来划分，有固沙措施、阻沙措施和输导措施。固沙措施是阻滞气固两相流在床面上相互作用，固定活动床面；阻沙措施是增大风沙流运动的阻力，阻滞和拦截过境风沙流；输导措施是减少风沙流运动阻力，促进和加速风沙流顺利通过保护区[1]。近半个世纪中国修建的沙漠铁路，固沙措施成为铁路风沙防护体系中不可或缺的方式。1956年苏联治沙专家彼得洛夫将草方格沙障引进中国[2]，并成功应用于包兰铁路防沙工程，开启了草方格固沙的先河。之后经过长期实践，石方格、土方格等也成功应用于铁路固沙，取得了良好的防沙效益。近年来，随着新材料的开发应用，用HDPE材料制成的塑料沙障开始逐渐代替传统的草方格等沙障，固沙措施实践应用及其原理研究也逐渐走向成熟。

针对固沙措施，国外专家进行了大量的研究并且取得了丰富的成果[3-7]，国内许多学者对于固沙方式及其机理研究同样做出了许多贡献。孙浩等[8]通过大涡模拟方法研究了不同孔隙度沙障嵌固端受力变化；马瑞等[9]对布设于不同沙源供给条件下的草方格沙障、塑料网方格沙障和黏土行列式沙障的输沙量、风沙流结构、沙面形态变化进行了研究；李锦荣等[10]借助Fluent对不同规格沙袋沙障近地表气流、风速廓线和防风效能进行了模拟分析；袁鑫鑫等[11]通过风洞试验揭示了不同风速和间距对双排尼龙阻沙网的影响；周娜等[12]利用野外风沙观测和草方格风洞流场模拟，解析了草方格沙障内部凹曲面形成的过程；刘世海等[13]对青藏铁路格拉段高立式沙障的防风固沙效果进行了详细研究；屈建军等[14-17]、张克存等[18]研究了草方格、HDPE板方格合理防沙尺寸以及防沙机理。综上所述，大部分学者研究主要集中在沙障防沙机理以及参数优化等方面，在HDPE板和固化沙垄方格内积沙动态变化方面研究不多。

由于风沙流特征具有明显的地域特征，不同地区的风沙防治措施布设要结合现场实际，因地制宜地建立风沙防护体系。本文拟对新建格库铁路先行风沙防护试验段组装式多周期HDPE板固沙土工格和固化沙垄方格，开展数值模拟进行积沙机理以及积沙断面动态形态研究，以期为铁路沿线后期风沙防护措施大规模铺设提供依据。

1 研究区域及防沙工程概况

1.1 研究区概况

格库铁路(青海段)风沙防护试验段(2017年3月建成)位于柴达木盆地南缘西部，起屹里程：DK326+000.00—DK329+000.00,长3 000 m，分6个区段，每个区段500 m。工程区位于茫崖湖洪积平原，地形较平坦、开阔，局部地形有起伏，地势北高南低，地面高程3 104～3 239 m；流动沙地呈波浪状，以风积粉细沙为主；年平均气温2.9 ℃，极端最高32 ℃，极端最低-34.3 ℃；年降雨量44 mm，蒸发量2 739.3 mm；年均大风(17.2～20.4 m/s)日数43 d，最大瞬时风速29.2 m/s，起沙风速7～10 m/s，年均风沙日数36 d。用马尔文激光粒度分析仪测得现场自然沙粒径分布主要集中分布在150～500 μm范围，砂质不均，有少量砾石。通过计算得到沙粒正态概率曲线，整个样品的粒度分布为4条直线，沉积自然沙蠕移组分占19.8%，跃移组分占76.7%，悬移组分占3.5%。试验段地表裸露，植被覆盖率小于10%，主导风向北偏西50°。没有防护措施时，经过现场调查，主导风向下风沙流对铁路路基主要产生沙埋(舌状沙埋、片状沙埋)，另外沙粒沉积在道砟孔隙中，对线路和行车安全危害严重。

1.2 防沙试验工程

选取试验段固化沙垄方格(位于DK327+000.00—DK327+500.00)和组装式多周期HDPE板(位于DK328+000.00—DK328+500.00)两种固沙措施进行分析。HDPE板由1.0 m×1.0 m×0.3 m的HDPE板小单元组装而成每,HDPE板孔隙形状为方孔(0.5 cm×1.5 cm)，孔隙率50%，10 m×10 m为一个大单元格，大单元格边采用镀锌矩管立柱(总长1 m)固定，打入或埋入地面以下0.5 m,露出地面0.5 m。后期可以根据积沙情况调整高度，以确保积沙效果。沿铁路方向布设总长度500 m，垂直铁路迎风侧方向布设225 m，背风侧方向布设105 m，中间设置空留带，总布设面积161 000 m2。

固化沙垄方格(以下简称沙垄方格)尺寸为1.0 m×1.0 m×0.3 m(高)，坡率为1∶0.75，方格沙垄采用就地取土填筑，填土需夯实，方格沙垄筑完成后尽快喷洒化学固化剂，沙垄方格的边与主导风向垂直。沿铁路方向布设总长度500 m,垂直铁路迎风侧方向布设225 m，背风侧方向布设105 m，中间设置空留带，总布设面积161 000 m2。

2 数值计算模型及计算参数

2.1 几何建模

由于在风场作用下沙粒重力、拖曳力、阻力一般作用在同一平面内，另外考虑到计算机性能要求，建立二维简化模型。计算流域3 m×50 m，HDPE板和沙垄方格距离入口10 m,将其简化为无厚度壁面，采用结构化网格，对HDPE板和沙垄方格0.5 m高度范围内进行局部加密。

2.2 边界条件

模型左侧入口为速度入口(velocity_inlet),右侧出口为出流条件(out_flow)，HDPE板、沙垄方格以及模型下壁面采用壁面条件(wall)，上壁面采用对称边界条件(symmetry)。

2.3 计算参数

设定风沙流携沙粒径ds=0.1 mm,沙粒密度ρs=2 650 kg/m3；由于地表的风沙流中沙物质颗粒所占容积率都在5%以下，按照多相流理论为稀相，故初始沙粒相体积分数取为1%，在此条件下，单一的颗粒球模型是一个很好的近似；空气密度ρ=1.225 kg/m3，黏度μ=1.789 4×10-5Pa/s；因现场一年中17.2～20.4 m/s风速天数达到43 d，所以取其均值，对两种固沙措施进行对比，初始风速与沙粒速度为均匀风速18 m/s；计算模型采用欧拉双流体模型附加k-ε方程，湍流强度I=3.22%；湍流长度尺度L=0.127 m；求解过程加入Syamlal-O’Brien拖曳力(参照ANSYS15.0 HELP 中fluid-solid exchange cofficient部分)。

3 模拟结果与分析

3.1 速度流场变化

图1为HDPE板与沙垄方格周围速速度变化云图，图2为气流经过HDPE板与沙垄方格时的速度流线图。

图1 格库铁路不同固沙措施速度云图

当下方气流经过HDPE板和沙垄方格时受到阻碍，在其迎风侧的下方形成了低速区A。气流则沿着HDPE板和沙垄方格向上爬升，形成遇阻抬升区B(图1)。抬升过程中气流不断汇聚加速，在HDPE板和沙垄方格上方形成集流加速区C。由于HDPE板有孔隙，对气流的抬升汇聚作用效果小于沙垄方格，导致沙垄方格上方加速区规模大于HDPE板上方加速区。HDPE板和沙垄方格对气流汇聚作用使得其上方形成高速区即高压区，而在其后方形成第一减速区D，也即低压区，压差作用下HDPE板和沙垄方格中央形成涡流(图2)，涡流区流速度降低导致沙粒在此沉降。第一减速区的气流继续前行，同样沿着HDPE板和沙垄方格抬升，汇聚加速形成更大的高压区。同样的原理在第二块HDPE板和沙垄方格后方形成第二减速区E，再次形成涡流。因为HDPE板的孔隙作用，其中央的旋涡与后方涡流连接到一起，因沙垄方格是密实的，两个涡流是分开的。气流继续前行，通过HDPE板和沙垄方格之后失去阻碍作用，集流加速区与第二减速区气流速度逐渐恢复，形成消散恢复区F。

3.2 HDPE板与固化沙垄方格防沙效益

3.2.1 HDPE板与固化沙垄方格防护距离 图3a为水平方向不同高度HDPE板周围的速度变化，图3b为水平方向不同高度沙垄方格周围速度变化。对于HDPE板和沙垄方格，降风效应是评价其防护效果的直观指标之一，按照风速恢复到来流风速的80%的位置到HDPE板和沙垄方格的距离作为有效防护距离。

水平方向速度变化体现了HDPE板和沙垄方格控制气流减速的效果。由图3a可以看出，对于HDPE板，在0.3 m高度处有效防护距离为2.6 m，在0.4 m高度处有效防护距离为1.85 m，在0.5 m处对应第一块HDPE板的位置速度发生突变，从速度云图(图1)不难发现其处于集流加速区，在此高度HDPE板已经失去防护效果。0.3 m高度处速度最低值位置出现在10.1 m处，0.4 m高度处速度最低点位置出现在10.95 m处。HDPE板后风速最低值并不是出现在板后的零距离处，而是有一定的滞后距离，随着高度增加滞后距离增大。

图2 格库铁路不同固沙措施速度流线

由图3可见，沙垄方格在0.3 m处有效防护距离为6.4 m，在0.5 m高度处有效防护距离为5.45 m。0.3 m高度处速度最低值出现在10.8 m处，0.4 m高度处速度最低值出现在10.95 m处，0.5 m高度处速度最低值出现在11.05 m处。与HDPE板一样，不同高度速度最低值也是有一定滞后距离。

在同一风速下，可以明显看出沙垄方格的有效防护距离大于HDPE板的有效防护距离。0.5 m高度处HDPE板方格已经处于集流加速区，沙垄方格仍有防护作用，防护高度大于HDPE板的防护高度。

a 水平方向不同高度HDPE板周围速度变化 b 水平方向不同高度沙垄方格周围速度变化

图3格库铁路不同固沙措施周围速度变化

3.2.2 HDPE板与沙垄方格固沙效果 HDPE板方格和沙垄方格的阻沙原理，主要是风沙流经过HDPE板和沙垄方格时，在阻滞作用下形成沙梗，并在其中心部位产生沙面侵蚀，在沙粒分选作用下形成光滑稳定的凹曲面[2]。本文通过ansys fluent有限元软件模拟HDPE板和沙垄方格在风沙流作用下积沙断面形态变化的过程。

图4为HDPE板方格沙障在不同时刻的沙粒体积分数云图，图中颜色越深表示积沙越多，红色表示积沙已经稳定堆积，其余颜色指沙粒已经沉降于地表但还未形成稳定积沙。

由图4可见，t=10 s时在HDPE板中间以及第二块HDPE板背风侧有少量积沙，没有形成凹曲面。随着风沙流继续发展，t=25 s时HDPE板方格沙障中间已经开始初步形成凹曲面，凹曲面最低点积沙厚度约为4.2 cm，右侧沙梗最高为14 cm，凹曲面风蚀深度(沙梗最高点与凹曲面最低点之差)和边长呈现出1∶10.2的关系，且第二块HDPE板背风侧积沙增多。t=70 s时HDPE板沙障内凹曲面形态更加明显，最低点积沙厚度为7 cm，右侧沙梗最高为17.8 cm，凹曲面风蚀深度和边长呈现出1∶9.26的关系。事实上，t=70 s之后随着风沙流继续发展，HDPE板方格沙障内积沙形态不再发生变化，固沙作用失效。

图4 格库铁路HDPE板沙粒体积分数云图

图5为沙垄方格在不同时刻的沙粒体积分数云图。如图5所示，在库格铁路研究区域内，随着风沙流的发展，当t=10 s时，在第一个沙垄迎风侧形成少量积沙，沙垄方格中间积沙量非常少。在t=25 s时，第一个沙垄迎风侧积沙没有明显增多，沙垄方格中间积沙开始增多，积沙平均厚度约为2 cm，但是没有形成凹曲面。在t=70 s时，沙垄方格中间积沙比较明显，左侧沙梗高度为5 cm，右侧沙梗高度为12 cm。此后，沙垄方格内积沙量不再变化，沙垄方格固沙作用失效。

图5 格库铁路沙垄方格沙粒体积分数云图

HDPE板方格沙障和沙垄方格沙障内的积沙形态随时间呈动态变化过程，在同等条件下HDPE板内积沙多于沙垄方格内积沙，所反映的固沙效果HDPE板要好于沙垄方格。当HDPE板方格沙障内积沙达到一定高度失去防沙作用时，可将HDPE板向上提升使其继续发挥作用。对于沙垄方格来说，积沙达到一定量时需要人工清沙，但清沙过程会破坏沙垄方格，从这一点来说，HDPE板方格沙障实用性更好。

3.2.3 HDPE板与沙垄方格积沙量计算 定量描述HDPE板方格与沙垄方格沙障内积沙量的变化，首先需要建立HDPE板方格和沙垄方格内积沙曲面的方程式。但实际情况下积沙断面是一个空间曲线，计算方程式的准确表达比较困难。本文将HDPE板方格和沙垄方格内积沙断面简化为二维曲线，通过对其积分得到积沙量计算公式。使用得到的公式对现场方格内积沙进行计算。

HDPE板方格和沙垄方格内积沙断面曲线L(x)可通过分段抛物函数相加得到。假设L(x)在空间沿着z(HDPE板的宽度)方向为常函数，则函数变成L(x,z)。另外设定沙子的密度为ρs=2 650 kg/m3，对L(x,z)进行积分则得到HDPE板内积沙量。

在实际现场需要人工测得积沙断面曲线上的控制点的相对坐标，现给出一般公式：

(1)

其中：

(2)

对其进行积分得到：

(3)

式中：S和T——HDPE板方格内现场测得每段积沙断面曲线的相对起始值与终点值；W——HDPE板方格宽度(m)；m——HDPE板方格内积沙断面曲线函数段数。

图6为HDPE板固沙作用失效时板内积沙断面图。

图6 格库铁路HDPE板方格沙障内积沙断面

图6中横纵坐标代表HDPE板方格及积沙在整个模拟流场中的实际位置。在HDPE板方格内积沙断面曲线上取7个控制点(取小数点后两位)，为方便计算，将A点坐标定为(0，0.13)，以此类推B(0.05,0.09)，C(0.1，0.(1)，D(0.6,0.12)，E(0.95,0.18)，F(0.99,0.16)，G(1,0.12)。整个断面曲线可以由3条曲线构成，A，B，C这3点构成L1(x)，C，D，E这3点构成L2(x),E，F，G这3点构成L3(x),3条曲线相加得到积沙断面曲线,代入公式得到：

(4)

模拟结果，HDPE板固沙作用失效时方格内总积沙量为323.21 kg。

对于沙垄方格，还要知道沙垄最低点相对坐标，计算方法同上述一样，对于沙垄方格进行积分时，需要减去多于积分面积(倾斜部分)，得到积沙量：

(5)

式中：S和T——在现场沙垄方格内测得每段积沙断面曲线的相对起始值与终点值；W——沙垄方格的宽度；m——沙垄方格内积沙断面曲线函数段数。U和V——沙垄方格内积沙左右两侧最高点沙梗到沙垄最低点的水平距离(m)。

图7为固化沙垄方格固沙作用失效时方格内积沙断面图。

图7 格库铁路固化沙垄方格内积沙断面

图7中横纵坐标代表沙垄方格以及积沙在整个模拟流场中的实际位置，在沙垄方格在整个断面曲线上取7个点，将A点设为(0,0.07)，则B(0.1,0.09)，C(0.15,0.06)，D(0.45,0.13)，E(0.51,0.11)，F(0.58,0.16)，G(0.72,0.(3),另外计算得到A1(0.06,0)，G1(0.5,0)，将其带入公式得到固沙作用失效时沙垄方格内总积沙QS，结果为155.41 kg。

(6)

3.2.4 HDPE板与沙垄方格蚀积量变化 算出积沙量之后，通过下列公式可以计算HDPE板和沙垄方格内积沙的蚀积量：

Δ=QS1-QS2

(7)

在一定时间间隔内，如果Δ>0说明在这一段时间内发生了风积，如果Δ<0说明在这一段时间内发生了风积，如果Δ=0说明在这一段时间间隔方格内积沙处于动态平衡。

自2017年4月份开始，按照上文给出的公式，对该区域迎风侧选定的HDPE板方格和固化沙垄方格内的沙子重量进行计算记录，然后取平均值，记录间隔为2个月，持续时间1 a(表1)。

表1 格库铁路固沙方格内沙子蚀积量变化

由表1可以看出201704—201705，201708—201709，201712—201801，201802—201803这4个时间段内，在WNW主导风向下HDPE板积沙为27.8，3.56，3.67和18.79 kg，固化沙垄方格内积沙为15.35，2.69，2.25和12.82 kg，都发生了风积现象。在NW主导风向作用下，HDPE板和固化沙垄方格内同样发生了风积现象，对应时间段内HDPE板内积沙量明显多于固化沙垄方格内积沙。在SW主导风向作用下HDPE板内和固化沙垄方格内积沙分别为-2.03和-3.06 kg，固化沙垄方格风蚀严重。从2017年4月份到2018年3月份，HDPE板和固化沙垄方格内总的积沙分别为64.14和35.73 kg。上文通过数值模拟计算出HDPE板与固化沙垄方格防沙作用失效时方格内积沙分别为323.21和155.41 kg，以此推算HDPE板和固化沙垄方格的有效防护持续时间分别约为5 a和4 a。

4 结 论

(1) 当气流通过HDPE板和固化沙垄方格时，在其周围形成6个速度分区，分别为迎风侧低速区、遇阻抬升区、集流加速区、第1减速区、第2减速区和速度恢复区。

(2) 在同等风速条件下，同一高度处固化沙垄方格的有效防护距离大于HDPE板的有效防护距离；HDPE板和固化沙垄方格风速最低点并不是出现在HDPE板或固化沙垄方格后的零距离处，而是有一定的滞后距离，高程越大，滞后距离越大。

(3) HDPE板方格和固化沙垄方格沙障内的积沙断面形态随时间动态变化。固沙作用失效时，HDPE板方格内积沙量多于固化沙垄方格；在方格沙障防沙形式上，透风型HDPE板方格沙障以板内固沙为主，不透风型固化沙垄方格以沙垄前阻沙为主。

(4) 建立了计算HDPE板方格和固化沙垄方格沙障内积沙量定量计算公式，可定量计算HDPE板方格和固化沙垄方格沙障内的蚀积量。通过现场观测，计算出HDPE板和固化沙垄方格的有效工作时间分别为5 a和4 a。综合考虑，HDPE板方格的经济性实用性以及防沙效果更好。