孔隙率对芦苇沙障风沙防护效果影响分析

李凯崇，谭立海，石 龙，魏永杰

(1.中铁西北科学研究院有限公司， 甘肃 兰州 730000；2.中国科学院寒区旱区环境与工程研究所， 甘肃 兰州 730000；3.西南交通大学 土木工程学院， 四川 成都 610031；4.新疆铁道勘察设计院有限公司， 新疆 乌鲁木齐 830011)

格库铁路从库尔勒出发，沿塔里木河行进，途经依吞布拉克站后，进入青海省，沿线地形平坦，地势开阔略有起伏，风沙地貌广布[1-3]。线路在新疆境内全长708 km，其中，沙害段落累计长401 km，约占全长的56.6%，沙害十分严重。工程防沙措施作为一种临时性防护措施，具有种类多样、适用性强、见效快等特点，常用于铁路风沙防护工程的先导位置[4-5]。

新疆南疆地区地材丰富，区内不仅有全国四大苇区之一的博斯腾湖，境内的塔里木河、车尔臣河、孔雀河、和田河及叶尔羌河等也存在大面积的芦苇沼泽[6]，芦苇材料十分充沛，可用于大范围的风沙防护工程。国内外学者关于芦苇沙障开展了一系列研究，大多集中在农田常规防护和低立式格状沙障防护效益监测等方面。韩致文等[7]通过风洞试验模拟研究了不同规格高立式芦苇方格沙障前后的流场分布情况，并给出了各自的适用条件。王文彪等[8]研究了芦苇及其他农作物秸秆沙障的防风效能，提出上述沙障在10 cm高度处具有明显的效能，但随着高度的增大，效果逐渐减小。在高立式芦苇沙障方面，丁录胜等[9]通过数值模拟得出，芦苇高立式沙障对障前3.5H(H为沙障高度)和障后17H范围有较好遮蔽效果，控沙能力优良。目前相关研究大多集中于评价防护效果和防护范围等，对沙障风沙防护机理和结构参数优化则涉猎较少，尤其是对高立式芦苇沙障的研究，鲜有报道。针对上述问题，本文基于格库铁路风沙防护工程应用，开展孔隙率对芦苇沙障风沙防护效果的影响分析，完善铁路风沙防护理论，为后期风沙防护工程实施提供一定技术支撑。

1 研究方法

1.1 数值仿真模拟

依据格库铁路风沙防护工程建立相关仿真模型，分析不同孔隙率沙障前后流场分布特征，评价沙障对风沙流的消能效果。模拟计算区域设定为100 m×20 m，沙障高为2.0 m，模型距来流边界为40 m，芦苇束直径为5 cm，相邻束间距分别为1、2、3、4、5 cm，对应的孔隙率依次为16.7%、28.6%、37.5%、44.4%、50.0%。来流风速设定为20 m/s；沙粒平均粒径取0.1 mm，沙粒密度为2 600 kg/m3，初始沙粒相体积分数取0.001，空气密度为1.225 kg/m3，空气动力黏度取1.789 4×10-5Pa·s。

入口处风速廓线分布特征为

V(y)=(V*/k)ln(y/y0)

(1)

式中：V(y)为风速；V*为摩阻风速；y为长度；y0为粗糙长度；k为冯卡门常数，通常取0.4。

计算网格划分类型为Quad,划分方法为Pave。模型左侧边界为速度入口,右侧边界定义为压力出口，壁面边界定义为无滑移边界，介质类型为Fluid。求解模型采用欧拉双流体非定常模型，并附加k-ε湍流模型与多相流模型，流场迭代方法采用Simplec法。

由于研究区风速基本都在50 m/s以下，此时速度对空气密度的影响可忽略不计，故计算过程按不可压缩流体考虑，密度可视为常数。流体在流动过程中遵守质量方程和动量方程。

质量方程：

(2)

动量方程：

(3)

(4)

(5)

式中，ux、uy、uz分别为速度在x、y、z轴向上的分量;ρ为空气密度;p为微元体上的压强;τxx、τyx、τzx为微元体表面黏性应力τ在x、y、z轴的不同分量；g为重力加速度。

1.2 风洞试验

风洞试验主要是通过测定沙障阻沙率变化，直观评价阻沙措施的风沙防护效果。试验设备采用中科院敦煌戈壁荒漠研究站野外环境风洞，洞体长11 m，横断面为0.6 m×0.6 m；流场测定采用比托管，积沙测定采用20 cm高台阶式积沙仪。试验测试模型高度比为1∶10，沙障孔隙率分别为16.7%、28.6%、37.5%、44.4%、50.0%，来流风速分别为12、16 m/s，沙源为敦煌鸣沙山的沙粒，粒径分布区间主要集中在0.1～0.25 mm。积沙仪分别布设在测试模型前9H，后7.5H处，测试时间为1 min。

1.3 现场试验

在格库铁路风沙防护工程的对照点、阻沙带、固沙方格带等关键位置布设积沙仪等监测设备，通过对单场沙尘天气下防沙工程沿程输沙率的观测，计算阻沙率等关键参数，以此来评价芦苇沙障的风沙防护效果。积沙仪布设在第一道芦苇沙障前20H处(原始对照点)、障后14H处、第二道沙障障后12H处及芦苇大方格沙障外缘处，具体布设位置见图1。

2 试验结果分析

2.1 不同孔隙率沙障周边水平风速分布情况

风沙流是一种近地表的风沙运动，气流运动特征决定了沙物质的运动形式，因此，开展沙障周边流场分布特征研究对掌握沙障风沙防护机理具有十分重要的意义[10-11]。在数值仿真模拟条件下，不同孔隙率芦苇沙障水平速度沿程分布见图2。图2中，沙障在0 m处，负值表示障前，正值表示障后。由图2可见，过境气流受沙障影响，平滑风流线出现了明显波动。在沙障高度范围以下，流线近似呈“马鞍”形分布，风速出现了多个分区，形成局部减速区、局部紊流区及气流恢复区等；且随着孔隙率的增大，曲线整体往正方向靠拢，风速逐渐趋于正值，说明当沙障孔隙率增大时，背风侧涡旋区分布范围呈现降低趋势，气流扰动逐渐减弱，流线趋于平滑，理论风力消减效果变差，风沙防护效果降低。对比床面不同高度处的流线数值还可以看出，随着测点高度的增大，沙障背风侧低速涡旋区分布范围呈缩减趋势；且随着风速逐渐增大，阻沙效果变差，表明高立式芦苇沙障主要作用对象为近地表风场，对上层气流的影响力十分微弱。

图2 不同孔隙率芦苇沙障气流水平分速度沿程分布

2.2 不同孔隙率沙障周边垂直风速分布情况

在数值仿真模拟下，不同孔隙率芦苇沙障气流垂向分速度沿程分布见图3。由图3可见，在障前区域，受沙障抬升作用影响，越靠近沙障风速越大，并在沙障正上方达到峰值。当气流越过沙障后，速度逐渐减小，在背风侧一定范围内呈现正负值波动，方向复杂多变，且逐渐趋于谷值；之后随着距离的增大，沙障对气流的扰动进一步降低，风速逐渐恢复至主流区速度。分析图3中数据发现，当孔隙率为16.7%时，背风侧涡旋区气流上下分速度波动较小，水平分布范围最大，风力消减效果最优；而当孔隙率为28.6%～50.0%时，随着间距的增大，涡旋区负方向速度分量呈现缩减的趋势，说明随着间距的增大，涡旋区动力呈现降低趋势，气流扰动减弱，沙粒可移动性有所增强。

分析同一床面不同高度处的流线数值可得：在沙障自身高度范围内，背风侧涡旋区垂直分速度值与高度呈现一定的正相关变化，高度越高，速度垂向分量越大；但当高度超过沙障后，其变化趋势趋于杂乱，说明此时沙障对气流的影响程度减弱，风速变化无明显的规律性。对比图中数据，还可以看出，孔隙率大小与沙障位置处(0 m处)的垂向分速度成反比，孔隙率越大，气流的垂向速度值越小；说明同一情况下，随着孔隙率的增大，沙障对气流的阻碍呈现下降的趋势，上浮力的减少使得沙粒翻越沙障的机率降低，沙物质堆积区会逐渐由障后向障前过渡。

图3 不同孔隙率芦苇沙障垂向分速度沿程分布

2.3 不同孔隙率沙障阻沙效果评价

两种携沙气流作用下芦苇沙障阻沙率风洞测试见图4。由图4可见，高立式芦苇沙障防沙效果较优，可以较好地起到风沙流净化效果[9]。与数值仿真结果类似，随着孔隙率的增大，阻沙率呈现先缓后急的下降趋势。在16.7%～37.5%的孔隙率范围内，阻沙率下降趋势较为缓慢；但随着孔隙率的进一步增大，阻沙率急剧下降。

图4 不同孔隙率高立式芦苇沙障阻沙率分布

当沙源恒定时，在12 m/s来流风速下，孔隙率为37.5%的芦苇沙障累计阻沙率可达74.43%；但当孔隙率增加至44.4%时，阻沙率下降至53.5%，降低趋势十分明显。说明随着孔隙率的增大，障后风沙流的扰动强度逐渐减弱，流场趋于平滑，风力值逐渐变大，风沙流中沙物质的上浮力和运动能力明显提升，阻沙效率降低。当来流风速增加至16 m/s时，沙障阻沙率的整体变化趋势与12 m/s时类似，阻沙率和孔隙率也呈负相关变化，但其阻沙率明显偏小。说明随着风速的增加，阻沙率呈现下降的变化趋势；尤其是当孔隙率增加至50.0%时，12、16 m/s风速下的沙障对应的阻沙率几乎差别不大，进一步说明孔隙率是影响沙障阻沙效果的重要参数之一。

工程应用中要综合考虑工程造价和防护效果，当孔隙率在16.7%～37.5%时，各沙障的整体阻沙效果较好，且相互之间差异较小。此时选择大的孔隙率，既可满足防护效果又可有效降低工程造价。因此建议高立式芦苇沙障的适宜孔隙率为28.6%～37.5%，可根据风沙环境的差异进行适当的调整。

2.4 现场效果验证

南疆米兰地区地表荒芜，地势平坦开阔，为塔里木盆地山前冲、洪积倾斜平原区。气候干旱少雨，冬季寒冷，夏季炎热，年蒸发量约为降水量的103倍，极端最大风速≥40 m/s，为暖温带大陆性荒漠干旱气候。

格库铁路DK734+494—DK734+787位于米兰戈壁荒漠区，地表荒芜，植被覆盖度几乎为零。经勘查，区内戈壁砾石覆盖度介于40%～50%，地表以下50 cm范围内含有大量0.1～0.25 mm的细沙，极易被风蚀，形成戈壁风沙流，影响行车安全。为保证风沙区铁路正常运营，降低风沙流对线路的侵蚀，采用2道2.0 m芦苇高立式沙障(孔隙率都为37.5%)和40 m宽芦苇大方格沙障的复合风沙防护工程。DK734+494—DK734+787防沙工程防护效果分析见图5，由图5可见，在风沙流逐渐向铁路路基逼近的过程中，输沙率呈现明显下降趋势，尤其是经过前沿第一道阻沙措施后，气流中的含沙量下降趋势十分显著；之后受风沙流中沙物质含量的影响，净化难度加大，使得输沙率降低趋势减弱。分析阻沙率的工程防护体系断面变化可得，高立式芦苇沙障起到了很好地防沙效果，携沙气流经过第一道沙障后，输沙率从3.37 g·m2/s降低至0.207 g·m2/s，阻沙率高达93.86%；之后经过第二道高立式芦苇沙障和大方格阻固结合带逐级净化后，到达路基本体的输沙率仅为0.029 g·m2/s，整体阻沙率为99.14%，风沙防护效果优良。

图5 DK734+494—DK734+787防沙体系防护效果分析

3 结论

(1)芦苇沙障孔隙率分布特征对其防风效益影响较大，孔隙率大小与背风侧涡旋区分布范围呈负相关变化。孔隙率越小，背风侧低速区水平分布范围越大，风力消减效果越显著。

(2)在沙障高度范围内，背风侧气流垂向分速度随着高度的增加呈上升趋势；当高度固定时，沙障孔隙率越大，障后垂向下风力值越小，沙粒沉降能力越弱，易出现积沙运移现象。

(3)在不同来流风速下，随着沙障孔隙率的增大，阻沙率呈现先缓后急的下降趋势，且随着风速的增大，阻沙率之间的差异降低；从工程应用出发，建议芦苇高立式沙障的最优孔隙率取值区间为28.6%～37.5%。

(4)在格库铁路戈壁风沙流地段，孔隙率为37.5%的高立式芦苇沙障起到了很好的防沙效果，经单道前沿沙障净化后，输沙率可从3.37 g·m2/s降低至0.207 g·m2/s，阻沙率为93.86%。