新建格库铁路HDPE板高立式沙障防风效益数值模拟研究

张 凯， 王起才， 杨子江， 梁柯鑫， 赵 坤， 崔晓宁

(1. 兰州交通大学 土木工程学院， 甘肃 兰州 730070； 2. 兰州交通大学 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)

随着我国“一带一路”战略的不断深入，跨越荒漠地区的铁路、公路等线路越来越多，但同时会受到风沙灾害的困扰，因此风沙灾害的有效防治成为荒漠地区交通建设的重要保障[1]。风沙灾害防治体系可分为机械、生物和化学三大类，其中机械防沙体系已成为防沙体系的先行建设项目[2]。近些年来，国外学者对各类传统机械防沙措施在回流区长度、障后风速削弱长度、不同密度的阻力系数等方面展开了大量的室内风洞试验、数值模拟和现场试验[3-6]，国内以中国科学院、兰州交通大学等单位为首，对传统机械防沙体系中沙障对风沙的减弱机理及控住措施等方面已有大量报道[7-11]，主要以风沙流的结构特征及沙障的防沙阻沙效果为研究目的[12-15]。然而随着对传统防沙材料(麦草、芦苇等)的需求日益增多，导致传统材料供给短缺，一些新的人工材料应运而生，如塑料网和尼龙网等，其中HDPE板防沙网是新型防沙材料之一，具有良好的耐热性和耐寒性、抗紫外线性能强、化学稳定性好、耐老化等特点，且在施工过程中方便、快速。目前，高立式防沙沙障已广泛应用于风沙流侵害的防治中，刘世海等[16]通过对青藏铁路格拉段现场实验观测得出，高立式沙障在降低风速和风蚀量方面具有显著效果；李凯崇等[17-18]在风洞试验和现场试验对不同类型沙障前后流场的风速轮廓线、输沙率等进行观测，提出了多种风沙防治措施，并对其防沙效应和防沙机理进行了研究；庞营军等[19]采用高立式格状沙障对地表粗糙度进行研究，结果表明高立式格状沙障使地表粗糙度增大了44倍，大大提高了地表的粗糙度。目前对HDPE板高立式沙障的研究仅局限于室内风洞实验和现场观测，受实验仪器、客观环境、物理模型及周期较长等条件的制约，无法直接达到理想条件。

对此本文应用数值模拟分析手段，对HDPE板高立式沙障周围风沙流场进行研究，提出了不同条件下沙障的有效防护距离，对多道防沙沙障布置的间距问题进行了研究，提出了多排防沙沙障的合理间距，为铁路工程防沙体系的设计及完善提供了有力理论支撑，对铁路防沙工程具有重要意义。

1 研究方法

1.1 区域概况

新建格库铁路(青海段)风沙试验段，起迄里程DK326+000—DK329+000，总长度为3 000 m，位于柴达木盆地南缘西部茫崖湖一带，地形较平坦、开阔，年均大风(≥8级)日数43 d，最大瞬时风速29.2 m/s。流动沙地以风积粉细沙为主，沙质不均，含少量砾石、中粗沙粒及粉土，植被覆盖率小于10%，主导风向N50°W。该地冬春季风沙活动强烈，沙物质主要来自荒漠，对沿线铁路危害严重，见图1。

1.1.1 沙粒粒径分析

沿线地域沙粒主要为第四系全新统风积细沙，上更新统洪积细沙。以现场典型风沙病害地段的现场沙粒为研究对象，采用马尔文激光粒度分析仪对其粒径进行分析。沙粒的粒径分布及正态累计曲线见图2、图3。

从图2可以看出，现场试验段自然沙粒的粒径分布近似于正态分布，粒径主要范围为80～315 μm，颗粒分级属细沙、中沙，含少量粗沙。图3为正态概率累积曲线，概率累计曲线从侧面反映粒度分布并揭示搬运方式(蠕移、跃移和悬移)及其相对比重，整个样品的粒度分布为4条直线，其中：蠕移组分代表粗颗粒，约占总沙量的19.8%，跃移组分a、b代表中颗粒，约占总沙量的76.7%，悬移组代表细颗粒，约占总沙量的3.5%。通过以上对颗粒的统计分析，可以更好的了解现场沙粒的分布特征，并客观指导有限元模型的参数选取。

1.1.2 实验布置

HDPE板高立式阻沙沙障高度为1.5 m，长度为3 m，设计示意见图4。在试验场地布设三道连续HDPE板高立式阻沙沙障，由于HDPE板孔隙率、间距未知，因此通过数值模拟确定单排HDPE板的孔隙率以及有效防护距离，提出HDPE板间横向合理间距，应用于实际试验段中，见图5。

1.2 数值分析模型

1.2.1 几何建模

在风场作用下沙粒重力、拖曳力等一般作用在同一平面内，建立二维简化模型，计算流域为120 m×15 m，HDPE板高立式沙障高度为1.5 m，将其简化为无厚度壁面，距离入口20 m，采用结构性网格进行网格划分，由于风沙流受边界层的影响较大[20]，对HDPE板高立式沙障0.5 m范围内进行局部加密。

1.2.2 边界条件

模型介质类型为fluid，左侧入口为速度入口，右侧出口为出流条件，上壁面采用对称边界条件，HDPE板与模型下壁面采用壁面条件。

1.2.3 计算参数

上文对试验段表面沙粒进行样本分析，主要分布区间为0.08～0.315 mm，设定风沙流中沙粒ds=0.1 mm，沙粒密度ρs=2 650 kg/m3，由于地表中沙物质颗粒所占体积率小于5%，且多相流理论为稀相，取下垫面初始沙粒相体积分数为1%，在此条件下，单一的颗粒球模型是一个很好的近似[21]；空气密度ρ=1.225 kg/m3，黏度μ=1.789 4×10-5Pa·s；风沙流入口速度为12、18、24、30 m/s。

计算模型采用欧拉双流体模型附加k-ε方程，忽略源项对湍流方程的影响、气体的可压缩性，建立标准k-ε模型运输方程。

气相湍动k方程为

( 1 )

气相湍动ε方程为

( 2 )

湍流强度I和湍流尺度L计算公式分别为

( 3 )

( 4 )

式中：Re为雷诺数；Cμ是一个模型常量，在标准k-ε模型中取值0.9；k与ε分别为湍流动能和湍动能耗散率，其值按式( 1 )与式( 2 )计算。

2 单排HDPE板沙障数值模拟及分析

2.1 不同孔隙率HDPE板周围速度云图

试验段最大瞬时风速29.2 m/s，选取v=30 m/s模拟HDPE板高立式沙障周围速度云图，见图6。

由图6(a)可知：孔隙率为10%时，气流经过HDPE板沙障，孔隙率较小，速度遇到障碍发生显著变化，在迎风侧下方形成气流减速区A，大部分气流遇阻向上形成气流加速区B，在抬升过程中气流不断汇聚加速，在HDPE板上方形成气流高速区C，小部分气流直接通过孔隙在HDPE板后方形成气流低速区，由于上下层气流产生速度差，导致气流发生分流，此时会产生逆压梯度，阻碍空气向前运动，出现回流，形成低速回流区D，受涡旋流中下沉气流的影响，产生速度突增区E，气流继续前行，气流速度逐渐恢复，形成消散恢复区F，但稳定后的速度比入口速度有降低，说明风沙流经过HDPE板沙障后有部分能量损失。孔隙率25%与孔隙率10%云图相同，在此不进行分析。分析图6(b)可以发现：孔隙率为40%时，与孔隙率为10%条件下气流分区类似，存在气流减速区、加速区、高速区和回流区，不同之处在于：气流经过HDPE板沙障，通过孔隙的气流大于10%孔隙率的HDPE板沙障，气流减速区、加速区以及高速区域范围减小，HDPE板后方上下层气流产生速度差减小，导致回流区范围减小，且不存在速度突增区。分析图6(c)可知：当孔隙率增大到50%时，大部分气流直接穿过HDPE板沙障，导致气流减速区、加速区以及高速区域范围减小，不存在回流区及速度突增区。

2.2 不同孔隙率HDPE板周围风沙流运动特性

风沙流在沙漠中一般贴近于地表运动，近地表风速对沙粒运动影响显著，研究近地面HDPE板周围气流变化趋势对阻沙形成机理具有指导意义[22]。HDPE板控制气流减速的效果主要靠水平方向速度变化来体现，选取入口速度为24 m/s时不同孔隙率及不同高度下HDPE板周围水平速度分布图，见图7。

分析图7可知：(1)当孔隙率为10%时，障碍物1.5 m高度以下，来流风速遇到障碍物后迅速减小，障后出现回流，约6.5 m处产生速度(负值)的谷值(最小值)为9 m/s。障碍物高度以上，由于风速的集流效应，风速迅速增大到峰值(最大值)为29.2 m/s，此时压差导致上方速度下降，远离障碍物后速度逐渐恢复。当孔隙率为25%时，障后9.6 m处产生速度(负值)的谷值为5.9 m/s，峰值为29 m/s，孔隙率为40%时，障后8.2 m处产生速度(负值)的谷值为1.3 m/s，峰值为26.8 m/s，孔隙率为50%时，障后10 m处产生速度的谷值为4.8 m/s，峰值为26.5 m/s。孔隙率逐渐增大，当低于1.5 m时，谷值逐渐增大，高于1.5 m时，峰值逐渐减小。当流场气流经过HDPE板沙障后，沙障高度以下范围，气流水平速度整体呈V形分布，沙障高度以上范围，气流水平速度整体呈双V形分布。

(2) 文献[2]定义阻沙沙障对风速的有效防护距离为沙障高度以下恢复到自然风速的80%的距离。从图中可以看出，不同高度(0.1、0.3、1、1.5 m)处沙障的有效防护距离变化不大，因此可取四个高度处HDPE板的有效防护距离平均值最为最终的有效防护距离。孔隙率为10%、25%、40%、50%时，有效防护距离分别为29.9、31.7、33.6、39.6 m，在一定范围内(孔隙率为50%以下时)，HDPE板孔隙率越大，其有效防护距离越大，其原因是HDPE板孔隙率越小，障后高速区流速与回流区流速之差越大，形成的压差越大，导致回流区流速恢复到原始速度越快。因此HDPE板沙障50%孔隙率为几种孔隙率下的最优孔隙率。

2.3 不同风速下HDPE板周围风沙流运动特性

孔隙率为50%，不同风速下0.1、1 m高度处HDPE板周围水平速度分布见图8。

分析图8可知：不同风速下，HDPE板周围水平速度变化规律基本一致，说明在不同风速下HDPE板周围速度云图变化规律差别不大，初始风速为12、18、24、30 m/s在0.1 m位置处的速度谷值分别为0.5、2.5、5.1、9 m/s，在1 m位置处的速度谷值分别为1.9、5.2、8.3、13.3 m/s，入口初始风速越大，速度的谷值越大。按照前文对于有效距离的定义，随着入口初始风速的增大，有效防护距离在不断减小，初始风速为12、18、24、30 m/s时，在0.1 m位置处，障后有效防护距离分别为48.5、45.1、42.6、40.7 m，在1 m位置处，障后有效防护距离分别为42.6、39.3、36.2、33.8 m，这是因为初始风速越大，具有的动能越大，障后高压区与低压区的压差越大，逐渐恢复到80%的自然风速相对较容易，且由于能量的损失，恢复后的稳定速度比入口初始速度稍有降低。联系2.2节，不同高度(0.1、0.3、1、1.5 m)处沙障的有效防护距离变化不大，选取栅栏高度内的有效防护距离平均值最为最终的有效防护距离，因此50%孔隙率的HDPE板沙障有效防护距离大于30 m，因此取HDPE板沙障间的距离为30 m。

3 三道HDPE板数值模拟及分析

上文中分析到HDPE板沙障为50%孔隙率，沙障后30 m范围内，可充分发挥沙障的效果。将试验段中此布设原则进行数值模拟，三道(横向间距30 m)HDPE板周围气流速度分布见图9，不同高度下三道连续HDPE板周围水平速度分布见图10。

从图9可以看出：当入口初始风速为24、30 m/s时，在第一道沙障和第二道沙障周围出现气流减速区、加速区以及高速区，不存在回流区，但在第三道沙障后出现回流区。分析图10可知：当入口初始风速为24 m/s时，在第一道沙障后，距离地面0.1～1.5 m范围内风速降为4.1～12.6 m/s，在第二道沙障后，距离地面0.1～1.5 m范围内风速降为1.3～10.4 m/s，在第三道沙障后，距离地面0.1～1.5 m范围内风速降为-1.9～7.3 m/s，降低幅度明显，初始风速在经过三道连续的沙障后，降低至起沙风速(7～10 m/s)[2]以下。第2节分析到风速越低，沙障的有效防护距离越大，可推断出初始风速小于24 m/s时，在第三道沙障后风速更易小于起沙风速。由于当地最大风速为29.2 m/s，可设置风速为30 m/s评判三道连续沙障后的风速，当入口初始风速为30 m/s时，在第一道沙障后，距离地面0.1～1.5 m范围内风速降为7～17.6 m/s，在第二道沙障后，距离地面0.1～1.5 m范围内风速降为3.2～13.5 m/s，在第三道沙障后，距离地面0.1～1.5 m范围内风速降为-1.6～9.7 m/s，达到三道连续沙障的性能要求。因此三道连续HDPE板高立式沙障为50%孔隙率，间距为30 m时，满足试验段中HDPE板作为沙障的减风性能要求。

4 现场试验

在新建格库铁路DK326+000—K329+000路基迎风侧布设：

(1) 单排HDPE板沙障，在HDPE板沙障前方30 m处布设自动梯度式风速监测仪，目的是监测原始风沙流中的风速，在HDPE板沙障后方距离HDPE板沙障5、10、15、20、30 m处分别布设自动梯度式风速监测仪，自动监测不同高度处(0.5、1、2 m)的风速，目的是监测布设单排HDPE板沙障的挡风效果。

(2) 三道连续HDPE板沙障，沙障横向间距为30 m，在第三道HDPE板沙障后方距离第三道HDPE板沙障5、10、15、20、30、35、40 m处分别布设自动梯度式风速监测仪，高度均为2 m，自动监测不同高度处(0.5、1、2 m)的风速，目的是监测布设连续三道HDPE板沙障后的挡风效果。

监测HDPE板沙障前后距离地面0.5 m处的风速，并与数值模拟数据进行对比，风沙流的原始风速分别为18.6、20.5、22.3、24.4 m/s，单排HDPE板沙障后不同距离(5、10、15、20、30 m)处的风速变化见图11，以第三道HDPE板沙障为原点，沙障后不同距离(5、10、15、20、30、35、40 m)处的风速变化,见图12。

从图11、图12中可以看出，对于单排HDPE板沙障，随着障后距离的增大，原始风速为18.6、20.5、22.3、24.4 m/s时，监测30 m处风速为10.5、11.9、14.2、16.7 m/s，分别为原始风速的0.56、0.53、0.64、0.68倍，均小于原始风速的0.8倍；对于三道连续HDPE板沙障，随着第三道HDPE板沙障后距离的增大，速度逐渐增大。原始风速为18.6、20.5、22.3、24.4 m/s时，监测30 m处风速为9.6、9.2、11.5、10.8 m/s，分别为原始风速的0.52、0.45、0.52、0.44倍，均小于原始风速的0.8倍，说明HDPE板沙障距离布设为30 m，是合理的。

5 结论

依据新建格库铁路(青海段)试验防护段，对不同孔隙率HDPE板沙障周围风沙流场进行数值模拟研究，给出了HDPE板的最优孔隙率及有效防护距离，分析了三道连续HDPE板沙障的合理间距问题，得出如下结论：

(1) 当风沙流经过HDPE沙障时，会形成速度分区，孔隙率为10%和25%时，速度分区分别为气流减速区、气流加速区、气流高速区、低速回流区、速度突增区及消散恢复区；孔隙率增大至40%时，速度突增区消失，孔隙率增大至50%时，低速回流区消失。

(2) 当流场气流经过HDPE板沙障后，沙障高度以下范围，气流水平速度整体呈V形分布，沙障高度以上范围，气流水平速度整体呈双V形分布。

(3) 风速为24 m/s时，孔隙率在一定范围内，HDPE板孔隙率越大，其有效防护距离越大，有效防护距离在29.9～39.6 m范围内，HDPE板沙障50%孔隙率最优孔隙率；孔隙率一定时，入口初始风速越大，HDPE板沙障有效防护距离越小，连续HDPE板沙障间的合理距离可布设为30 m。

(4) 多道连续HDPE板沙障的研究结果，可直接为新建格库铁路防沙体系提供支撑，也可为其他地区铁路、公路等线路的防护体系提供参考依据。