南疆戈壁区机械防沙措施阻沙效益的风洞测试研究

祁延录

南疆戈壁区机械防沙措施阻沙效益的风洞测试研究

祁延录

(新疆铁道勘察设计院有限公司，新疆 乌鲁木齐市 830011)

为探讨机械防沙措施对风沙流的流场和风速消减效果的影响规律，基于试验模拟的方法，依托格库铁路风沙防护工程，开展针对不同的机械防沙屏障材料的风洞模型试验。在此基础上探讨风沙流在不同类型阻沙措施下的流场分布情况，分析防沙措施的流场消减效果和阻沙效果。研究结果表明：风沙流经过不同类型阻沙措施后，流场会在沙障前后出现明显的差异，尤其是在障后0～15范围内，风速值差异巨大。芦苇束沙障和HDPE板沙障流场分布情况较为类似，其风速消减幅度最大；米字型板和HDPE网沙障风速消减效果居中；棋盘式沙障风力消减效果相对最小。沙障的阻沙效果是多因素综合作用下的结果，风速的大小和沙障的阻沙效果呈现负相关变化，风速越高，阻沙效率越差。研究结果可为格库铁路新疆段沙害防治提供科学依据。

戈壁区；机械防沙；风洞模型试验；防护效益

20世纪50年代以来，随着沙漠地区开发建设，我国铁路交通得到了迅速发展。风沙危害一直是风沙区铁路运营的主要危害。人类在防沙治沙的工程实践中，形成了四大工程技术措施：固沙措施、阻沙措施、输沙措施和导沙措施，总结出干旱、半干旱地区以固为主，固阻结合的工程和植物防沙相结合的铁路综合防沙治沙体系[1]。其中，机械防沙措施自身具有的价格低廉，施工速度快，见效快的优点，在多年的沙漠化治理的生产实践表明，机械沙障的铺设作为严重沙害区的主要防沙措施和固沙造林的先行措施不仅能够控制流沙，并且对后续植被恢复具有积极作用[2]。近年来，国内外学者对机械防沙措施进行了大量的研究，取得了许多研究成果[3−9]。早期传统的机械沙障大多采用生物秸秆来建设，但是存在原材料有限，易腐烂，使用寿命短的缺点[10−12]。后期，治沙工作者开始引用工业化生产材料，如纤维沙袋、尼龙网和塑料网等作为机械沙障材料，生产效率高，铺设速度快[13]。近年来，在国内外铁路治沙防沙工作中广泛使用的高密度聚乙烯(HDPE)材料主要针对现有防沙材料的不足，在抗老化和耐久性方面有了大幅度的提升[14−17]。格库铁路是出疆新的铁路通道，也是南疆环线的重要组成部分，是完善路网结构，新疆“四纵四横”铁路主骨架之一。格库铁路新疆段线路全长708 km，该线段风沙普遍，起沙风速小，风力强劲，最大风速为41 m/s，风沙对本线的运营会造成极大危害[18−19]。其中风沙段累计401 km，占线路全长的56.6%。鉴于此，本研究依托格库铁路风沙防护工程，开展针对不同的机械防沙屏障材料的风洞模型试验，分析几种典型的机械防沙措施的防护效果，从而为后期风沙防护工程设计和施工提供借鉴和参考。

1 试验设备与方案

1.1 风洞

依据试验内容的不同，选用了3个不同地点的风洞进行试验，依次为：1) 中国科学院寒区旱区环境与工程研究所敦煌戈壁荒漠研究站野外风沙环境风洞(图1, 2)，本风洞为直流闭口吹气式风洞，风洞洞体长11.4 m，试验段长6 m，截面积0.6 m×0.6 m，风速范围0～16 m/s，洞体对进出的气流无阻滞，且不易受外界的干扰，风洞电动控制系统具有自动稳速压、无级调速的性能，整个试验过程基本实现自动化操作。2) 中国科学院沙漠与沙漠化重点试验室风洞，本风洞为直流闭口吹气式风洞，试验段长16.23 m，截面积0.6 m×1.0 m，由动力段、整流段、试验段和扩散段4部分组成，风速范围0～40 m/s，试验段边界层厚度可达15 cm，洞体对进出的气流无阻滞，且不受外界的干扰，风洞电动控制系统具有自动稳速压、无级调速和计算机统一监控性能，整个试验过程基本实现自动化操作。3) 中南大学高速列车中心环境风洞，洞体尺度为1 m×0.8 m，试验段长度为3.4 m，采用直流下吹模式，风速5～ 50 m/s。

图1 野外风洞流场试验仪器

图2 野外风洞输沙率测定现场

1.2 测试仪器

在测试手段方面，主要采用了风速廓线仪和台阶式集沙仪来分别测定流场和风沙流结构特征。流场测试数据采用计算机自动采集、存贮和处理；集沙仪收集的沙粒采用人工取样称量的方法来测定，电子天平精度为0.01。

1.2.1 风速廓线仪

风速廓线仪是风洞试验专用的一种测量垂直分布气流速度的仪器(图3)。它是由10个探头、椭球头、横竖总压管及静压管组成。总压管与静压管形成2个同心圆管，并固接在接口处。总压管迎风面有开口，静压管距它水平末端若干距离处有一些孔穿过它的管壁，两管间的环形空隙在面向风的前端是封闭的，数个探头各有不同的高度，并与总压管、静压管按序排列装入保护箱中。风洞试验时通过测量总压管内的压力值与静压管中的压力值之差，利用微压差计测量风速流场压差大小，最后通过数据采集计算机可以得出垂直高度分别为0.4，0.6，1.2，2.0，4.0，8.0，12.0，16.0，20.0和24.0 cm的速度值。风速廓线仪呈扁平式，不会对流场数据造成影响。

图3 风速廓线仪

1.2.2 台阶式集沙仪

台阶式集沙仪是风洞专用测量输沙率的仪器(如图4)。集沙仪有10个尺寸为2 cm×2 cm的入口，从地面到20 cm高呈台阶式垂直分布。集沙仪内置10个集沙筒分别连接10个入口。为了保证测量数据的准确性，在风速调节未达到试验风速前，集沙仪入口需要被挡上，达到试验风速开始计时，挪开挡板，计时结束时再次挡上集沙仪。最后，用0.01高精度天平称量不同高度的集沙量从而得出风沙流的输沙情况。

图4 台阶式集沙仪

1.3 试验方案

本文对不同机械防沙材料如芦苇束、HDPE板、米字型板和铁丝网等开展防护效益风洞试验。根据防护材料实际尺寸和结构，进行等比例缩尺，建立风洞试验模型。其中，芦苇束直径为5 cm，通过调节束间距来控制透隙率；HDPE板厚度3 mm，长方形孔，通过冲孔密度控制孔隙度，兼具柔性和抗风性，现场安装简易，便于施工；米字型板为三角形冲孔，同样可通过冲孔控制透隙率，兼具柔性和抗风性，现场安装简易，便于施工；铁丝网为镀锌钢丝，具有抗腐蚀性能，可通过不同网孔控制孔隙度。

在净风和供沙条件下，测试不同防沙材料的防风阻沙效应，界定最优孔隙度、间距等防护参数。其中，预设模型高度为15 cm，间距为10，15和20(为沙障模型高度)，试验风速为8，12和16 m/s。净风条件下，利用风速廓线仪测量不同测点风速廓线，通过移动模型或风速廓线仪实现不同测点风速廓线测量，供沙条件下，利用集沙仪，在障后10处收集风沙流输沙量，与对照组进行对比，评价不同机械防沙材料的阻沙效率，其中供沙沙床为人工混合石英砂。通过对比不同材料的防护效益的对比分析，界定不同材料的防护效益的优劣，筛选最优机械防护材料，并确定最优防护参数。图5为风洞试验布置图。

(a) 净风风洞试验布置图；(b) 供沙风洞试验布置图

1.3.1 不同类型沙障前后流场分布情况测试

在3种来流风速下，测定不同类型阻沙措施(米字形阻沙板、浸塑铁丝网、芦苇束式沙障、门帘式沙障、HDPE板沙障、棋盘式沙障)在3种来流风速条件下，沙障前后不同位置处风流场的梯度分布 情况。

流场的测试断面位置为：沙障模型前，3，5；模型后：0.5，1，3，5，7.5，10，15，20和25(为沙障模型的高度)。

1.3.2 不同类型沙障的阻沙效果分析

按照试验段的设计，测定在12 m/s和16 m/s来流风速条件下，不同类型阻沙措施(米字形阻沙板、芦苇束式沙障、HDPE板沙障、棋盘式沙障)前后大风携沙量的梯度变化情况和积沙形态特征。

流场的测试点位为：单排沙障：沙障前9，沙障后7.5；双排沙障：前沿沙障前4，第2道沙障后7.5。

2 试验结果与分析

风洞试验模型初步考虑按实际比例的1:10制作，沙障高度为20 cm(棋盘式沙障为15 cm)，流场测试风速为8，12和16 m/s，断面流场测试高度依次为0.4，0.6，1.2，2，4，8，12，16和20 cm。

2.1 沙障风沙防护效果分析

本次风洞试验共测试了米字形阻沙板、芦苇束式沙障、HDPE板沙障、HDPE网沙障、棋盘式沙障5种机械沙障的风沙防护性能，本文限于篇幅，只给出HDPE板沙障、米字形阻沙板、芦苇束式沙障下的流场消减效果和阻沙效果分析。

2.1.1 HDPE板沙障风沙防护效果分析

1) 流场消减效果分析

图6为3种不同来流风速下的HDPE板沙障前后流场分布情况，图中水平坐标0 dm 处为沙障所在位置，负值表示沙障前，正值表示沙障后，风向为从左向右。从图6可以看出，受到沙障的影响，气流速度在沙障前后出现明显波动。分析图中不同水平位置风速的变化情况可得，当气流靠近沙障时，在障前随着过境气流与沙障水平距离的减小，风速显现出了缓慢变化的趋势，风速一直到沙障附近时，才出现明显的降低，且降低幅度也没有背风侧显著，说明障前气流受沙障自身影响较小，气流在靠近沙障过程中，速度降低的幅度较为平缓，风速在障前1处才呈现明显的降低；而在障后低速区的范围则为0～20，风速明显降低。

对比3种不同风速下的流场变化情况，还可以看出，随着来流风速的增大，障后绝对低速区的范围呈现缩小的变化趋势，说明沙障的消减风能效果具有一定的限值，在小风速情况下，效果较优，防护范围也较广；随着风速的加大，防护效果呈现降低的趋势。

2) 阻沙效果分析

图7为野外风洞中不同来流风速下HDPE板沙障的阻沙率分布图。从图7可以看出，HDPE板沙障起到了较好的风沙流净化效果。12 m/s携沙风速下，沙障高度范围内的总阻沙率可达到71.13%；在16 m/s携沙风速下，总阻沙率依然可达70.31%。分析不同高度处阻沙率的分布情况可以看出，在沙障高度范围内，阻沙率呈现一定的正态分布，阻沙率在8～10 cm范围内达到了最大值，阻沙率在地表和沙障顶部则明显变小。说明在风洞中，受试验条件和边界效应影响，风沙流中的沙物质在试验区大多都以跃移形式运动，在8～10 cm高度区间内呈现集中分布区，致使阻沙率随高度呈现一定的正态分布；而在18～20 cm处，由于受沙障压缩气流影响，在沙障顶部出现一个明显的加速区，致使此处障后的风速有所增大，风沙流中携带的沙物质出现调整，呈现了少量的增加，故而出现障后沙物质多于障前沙物质的现象。

(a) 来流风速8.0 m/s；(b) 来流风速12.0 m/s；(c) 来流风速16.0 m/s

图7 HDPE板沙障不同高度的阻沙率

2.1.2 米字型板沙障风沙防护效果分析

1) 流场消减效果分析

图8为3种不同来流风速下的米字型板沙障前后流场分布情况。从图8可以看出，气流在前进过程中受米字型板沙障影响，会在沙障前后出现明显的速度突变；尤其是在沙障后，出现明显的低速扰动区，气流运动速度明显低于来流风速。分析图中不同水平位置风速的变化情况可得，与HDPE板沙障相比，米字型沙障风速的集中变化扰动区有所后移，低速区主要集中在障后0.5～20范围内。对比同风速下的HDPE板沙障，发现米字型板沙障的风力消减效果要弱于HDPE板沙障，其绝对低速区主要分布在沙障10处，说明米字型沙障对气流的扰动效果很强烈，气流经过米字型沙障后，流线会出现交叉叠加，故而绝对低速区有所偏移。

(a) 来流风速8.0 m/s；(b) 来流风速12.0 m/s；(c) 来流风速16.0 m/s

2) 阻沙效果分析

图9为2种不同来流风速下米字型板沙障的阻沙率分布图。从图9可以看出，米字型板沙障起到一定的风沙流净化效果。12 m/s携沙风速下，沙障高度范围内的总阻沙率约为38.4%；在16 m/s携沙风速下，总阻沙率可达30.5%。从不同高度处阻沙率的分布可以看出，阻沙率在沙障高度范围内呈现一定的正态分布，在12 m/s来流风速作用下，阻沙率的最大值出现在12～14 cm范围内；在16 m/s来流风速作用下，阻沙率的最大值出现在10～12 cm区间。对比2个风速下的阻沙率，发现在低风速条件下，阻沙率的梯度变化差异不大，在20 cm高度范围内，阻沙率基本都趋于一致；而在16 m/s的风速作用下，阻沙率出现了明显的波动，尤其是在风洞底部，背风侧近地表的沙物质含量有所增大，出现了输沙率的负值。

图9 米字型板沙障不同高度的阻沙率

2.1.3 芦苇束沙障风沙防护效果分析

1) 流场消减效果分析

图10为3种不同来流风速下的芦苇束沙障前后流场分布情况，从图10可以看出，与其他类型沙障类似，气流在经过阻沙措施时，前后也出现了明显的流场变化，尤其是在5～15 cm高的沙障处，出现了明显的低速区。分析图中的数据还可以看出，在芦苇束沙障后0.5～10处，流场整体呈现低风速的变化趋势，不同来流下的风速降低幅度都较大，尤其是在5～10区间，为绝对低速区。对比3种不同风速下的流场变化图，还可以看出：在沙障所在位置及沙障前后近距离范围内，流线扰动十分剧烈；随着水平距离的进一步增大，流线分布趋于平稳，呈现明显的标准风速廓线特征。

(a) 来流风速8.0 m/s；(b) 来流风速12.0 m/s；(c)来流风速16.0 m/s

2) 风沙防护效益效果

图11为2种不同来流风速下芦苇束沙障的阻沙率垂直分布图，从图11可以看出，芦苇束沙障起到了较好的风沙流净化效果。12 m/s携沙风速下，沙障高度范围内的总阻沙率约为84%；在16 m/s携沙风速下，总阻沙率可达60.9%。在12 m/s来流风速作用下，0～12 cm高度的阻沙率基本都超过80%以上，当高度超过12 cm后，阻沙率逐渐降低，在15～20 cm处，低至38%左右。在16 m/s来流风速作用下，阻沙率呈现明显的中间大，两边小的变化趋势，最大值出现在8～10 cm处，最小值出现在18～20 cm处。

图11 芦苇把沙障不同高度的阻沙率

2.2 工程阻沙措施风力消减效果评价

图12为不同类型阻沙措施流场分布图(注：0为阻沙措施所在位置，携沙气流从左向右，测试高度为8 cm)。从图12可以看出，在挡沙墙前风速变化幅度较小，气流整体较为平稳；当气流经过挡沙墙后，在挡沙墙背风侧达到最小值，之后随着气流的进一步前移，风速逐渐恢复，最终达到来流风速的大小。分析图中的数据，可以看出：不同类型挡沙墙前后流场变化存在一定的差异，尤其是在障后0～15范围内，风速变化差异较大。其中芦苇束沙障和HDPE板沙障流场分布十分相似，其风速下降幅度也是最大；米字板和HDPE网沙障流场分布也较为类似，其风速下降幅度居中；棋盘式沙障风力消减效果最差。以沙障所在中间位置风速为例，比对5种不同类型沙障，发现在障后0～15范围内，HDPE板沙障的风力衰减值为40%～100%，随着水平距离的进一步增加，15～25障后风速逐渐开始恢复，到25恢复至来流风速的83%～86%；芦苇束沙障的风力衰减值为39.6%～100%，随着水平距离的进一步增加，15～25障后风速逐渐开始恢复，至25恢复至来流风速的82%～87%；HDPE网沙障和米字型沙障的风力衰减值则相对较弱，分别为28%～41%和37%～49%，其25处风速的恢复能力与前述沙障类似，依次为来流风速的75%～83%和75%～80%；棋盘式沙障的风力衰减效果最弱，只有13%～30%，至25处可恢复至来流风速的93%左右，风力消减效果较差。对比3种不同来流风速下的沙障风力消减效果，发现在一定范围内，沙障对风速的消减比例差异不大，受来流风速的大小影响较小。总之，从流场分布来看，HDPE板和芦苇束阻沙沙障具有较好的防护效应，HDPE网和米字形阻沙沙障次之，棋盘式阻沙沙障防护效应最差。

(a) 8 m/s来流风速；(b) 12 m/s来流风速；(c) 16 m/s来流风速

2.3 工程阻沙措施阻沙效率评价

阻沙效率是指携沙气流经过阻沙措施后，前后携沙量的消减率，它能表征风沙运动强度和沙障阻沙效率的大小。表1为风洞试验测定的不同类型阻沙措施的阻沙效率统计表，从中可以看出：风速的大小和沙障的阻沙效果息息相关，二者整体呈现负相关的变化；随着风速的增大，沙障的阻沙效果基本都呈现下降的变化趋势，风速越高，阻沙效率越低。对比不同类型高立式沙障的阻沙效率，发现阻沙效率与风力消减效果基本一致，HDPE板沙障、芦苇束沙障、冲孔网板和镀锌铁丝网沙障的阻沙效果较好，整体都在60%以上。在12 m/s的风速条件下，其沙障高度以内的累计阻沙率可以达到71.13%，83.99%，70.1%和78.52%，远远高于其他类型的沙障；当来流风速为16 m/s时，其沙障高度以内的累计阻沙率依然可以达到70.31%，60.9%，81.45%和76.19%。米字型板沙障和门帘式挡沙墙的阻沙效率次之，其阻沙率分别为30.57%～38.33%和23.27%～29.75%；棋盘式沙障阻沙率最差，12 m/s来流风速下的阻沙率为14.22%，16 m/s来流风速下的阻沙率为31.9%。

表1 不同类型风沙防护措施阻沙率统计

3 结论

1) 风洞试验结果表明：风沙流经过不同类型阻沙措施后，流场会在沙障前后出现明显的差异，尤其是在障后0～15范围内，风速值差异巨大。芦苇束沙障和HDPE板沙障流场分布情况较为类似，其风速消减幅度最大；米字型板和HDPE网沙障风速消减效果居中；棋盘式沙障风力消减效果相对最小。

2) 沙障的阻沙效果是多因素综合作用下的结果，风速的大小和沙障的阻沙效果呈现负相关变化，风速越高，阻沙效率越差。

3) 在12 m/s的携沙气流作用下，HDPE板、芦苇束、冲孔网板和镀锌铁丝网沙障自身高度以内的累计阻沙率分别为71.13%，83.99%，70.1%和78.52%，远远高于其他类型的沙障；当携沙气流风速上升至16 m/s时，其沙障高度以内的累计阻沙率依然可以达到70.31%，60.9%，81.45%和76.19%，阻沙效果较优。

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Protection benefits of mechanical sand control measures in Gobi district, southern Xinjiang

QI Yanlu

(Xinjiang Railway Survey and Design Institute Co., Ltd., Urumqi 830011, China)

In order to explore the influence law of mechanical sand control measures on the flow field and wind speed reduction effect of wind sand flow, based on the method of test simulation and relying on the wind and sand protection project of Geku Railway, wind tunnel model tests for different mechanical sand control barrier materials were carried out. On this basis, the distribution of the flow field of the wind sand flow under different types of sand prevention measures was discussed, and the flow field reduction effect and sand prevention effect of the sand prevention measures were analyzed. The results show that after aeolian sand flow through different types of sand control measures, the flow field will have significant differences before and after the sand barrier, especially in the range of 0 to 15afterthe obstacle, the wind speed varies greatly. The reed sand barrier and HDPE board sand barrier flow field distribution is similar, the wind speed reduction is the largest; the m-shaped plate and HDPE net sand barrier wind speed reduction effect is centered; the checkerboard sand barrier wind reduction effect is relatively small. The sand blocking effect of the sand barrier is the result of a combination of multiple factors. The magnitude of the wind speed and the sand blocking effect of the sand barrier show a negative correlation. The higher the wind speed, the worse the sand blocking efficiency. The research results can provide a scientific basis for the prevention of sand damage in Xinjiang section of the Geku Railway.

Gobi area; mechanical sand prevention; wind tunnel model test; protection benefit

10.19713/j.cnki.43−1423/u.T20200517

TU431

A

1672 − 7029(2021)04 − 0892 − 09

2020−06−10

中国铁路乌鲁木齐局集团有限公司科技研究开发计划课题资助项目(WLMQ-KGHZGS-HRTL-GGB-2020-0032)

祁延录(1976−)，男，青海乐都人，高级工程师，从事铁路、公路路基设计及防护研究；E−mail：82588674@qq.com

(编辑 涂鹏)