張 凱，楊子江，王起才，郝藝翔，何孟凱

(1.蘭州交通大學 土木工程學院，甘肅 蘭州 730070；2.蘭州交通大學 道橋工程災害防治技術國家地方聯(lián)合工程實驗室，甘肅 蘭州 730070)

新建格庫鐵路(格爾木至庫爾勒)主要位于柴達木盆地和塔里木兩盆地，該地氣候干燥、風大且頻率高，地形開闊、沙源豐富，因而全線風積沙、戈壁風沙流非常普遍。由于該鐵路多跨越荒漠地區(qū)(圖1)，經(jīng)常會受到風沙災害的困擾(圖2)，為保證鐵路的安全運營，需要在風沙嚴重地段進行風沙防護。由于格庫鐵路青海段處于高海拔地區(qū)，紫外線輻射強度高且鹽漬土分布廣泛，導致當?shù)氐膫鹘y(tǒng)阻沙材料(麥草、蘆葦?shù)?緊缺，而且材料的穩(wěn)定性和耐久性也較差[1]，PE網(wǎng)的抗紫外線和抗老化性較弱，鐵絲網(wǎng)等一些金屬材料抗腐蝕性較弱。在這種情況下，一些新的人工材料應運而生，其中HDPE(High Density Polyethylene)板是新型阻沙材料之一，它具有抗紫外線性能強、化學穩(wěn)定性好、耐老化等特點，因此，HDPE板可作為高海拔鐵路的阻沙材料。

決定阻沙沙障效果的主要結構特征為孔隙率[2-3]。阻沙沙障是在沙障后一定距離范圍內(nèi)降低風速，風速減小量與孔隙率密切相關，孔隙率越低，風速減少量越大[4]。但是，孔隙率低的沙障會產(chǎn)生較大的渦流，使得風速在渦流后會很快恢復到原始風速，從而減小沙障的遮蔽距離。因此，在沙障的幾何設計、高度、長度、厚度、開口尺寸以及幾何形狀等其他條件相同的情況下，存在1個最優(yōu)孔隙率，在降低風速與遮蔽距離之間起到1個平衡作用。近些年來，國內(nèi)外學者對高立式沙障的孔隙率已有大量研究[5-11]，研究結果表明，柵欄的最優(yōu)孔隙率范圍為20%～50%。凌裕泉等[12]通過在騰格里沙漠進行現(xiàn)場試驗，發(fā)現(xiàn)孔隙率為30%～40%的柵欄能最有效地防止沙粒在其迎風面上的堆積；Lee等[13]發(fā)現(xiàn)當柵欄的孔隙率為30%～50%時，對降低柵欄后氣流的速度和表面壓力最為有效；Dong[14]在室內(nèi)風洞試驗中使用粒子圖像測速儀對柵欄的平均速度場進行了研究，認為最優(yōu)孔隙率是氣流動力特性存在強烈差異時的臨界孔隙率，其值為20%或30%。Tsukahara等[15]使用激光可視化技術測量沙丘周圍的流場和沙丘的侵蝕，發(fā)現(xiàn)當孔隙率為30%時，最能抑制風蝕的發(fā)展。目前研究大多集中在高立式沙障室內(nèi)風洞試驗和現(xiàn)場觀測的防風效應，受試驗儀器和客觀環(huán)境等因素的影響，具有較大的局限性，隨著計算機的發(fā)展，數(shù)值仿真逐步成為模擬現(xiàn)場試驗的必備工具。

圖1 格庫鐵路路基邊坡積沙

圖2 格庫鐵路道床遭受風沙災害

本文對不同孔隙率HDPE板沙障進行數(shù)值模擬，得出了不同初始風速下HDPE板沙障有效防護距離與孔隙率的關系曲線，并根據(jù)曲線特點，提出了有效防護距離的估算公式并通過現(xiàn)場試驗驗證該公式的合理性，為鐵路工程防沙體系的設計及完善提供參考。

1 模型建立

運用ANSYS FLUENT軟件進行數(shù)值模擬，具體數(shù)值模擬步驟為：采用二維模型進行簡化計算，計算流域設定為120 m×20 m，HDPE板沙障距離風速入口20 m，高度為1.5 m，選用Gambit前處理軟件進行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格類型選用Map，網(wǎng)格形式選用Quad。入口邊界條件定義為Velocity-inlet，出口邊界條件定義為Outflow，上邊界條件定義為Symmetry，下邊界條件定義為Wall，介質(zhì)類型定義為fluid。沙粒粒徑為0.1 mm，沙粒密度為2 650 kg·m-3，沙粒相體積分數(shù)為1%，空氣密度為1.225 kg·m-3，黏度為1.789 4×10-5Pa·s，計算模型采用歐拉雙流體非定常模型，求解算法采用simplec算法，計算模型如圖3所示。入口速度分別為6，12，18，24，30和36 m·s-1。

圖3 計算模型示意圖

2 不同孔隙率HDPE板沙障流場

2.1 HDPE板周圍氣流分布特征

圖4為入口風速為30 m·s-1(試驗段最大瞬時風速為29.2 m·s-1)，孔隙率分別為10%，25%，40%和60%時，HDPE板高立式沙障周圍氣流分布云圖。當氣流經(jīng)過HDPE板沙障周圍時，在沙障的阻礙作用下，首先在沙障迎風側氣流減速形成氣流減速區(qū)A，之后氣流繼續(xù)前行，一部分氣流沿著HDPE板沙障爬升，形成氣流加速區(qū)B，氣流繼續(xù)不斷爬升及聚集，在HDPE板沙障后上方形成氣流高速區(qū)C，另外一部分氣流穿過HDPE板沙障孔隙，相對HDPE板沙障上方氣流速度較小，受高低壓差的作用，在HDPE板沙障背風側形成氣流回流區(qū)D，在氣流回流區(qū)范圍內(nèi)還存在氣流速度突增區(qū)E，隨著氣流遠離HDPE板沙障，沙障對氣流的阻礙影響作用逐漸減小，逐漸形成氣流消散恢復區(qū)F，如圖4(a)和(b)所示。圖4(a)和(b)不同點是，圖4(b)中HDPE板沙障的孔隙率大于圖4(a)，后者直接穿過沙障孔隙的氣流比前者更多，所形成的區(qū)域面積均會變小。由圖4(c)和(d)可以看出：孔隙率增大為40%時，氣流高速區(qū)面積和最大速度值仍在減小，孔隙率增大為60%時，速度突增區(qū)和回流區(qū)逐漸消失。

2.2 HDPE板周圍氣流水平速度變化特征

不同高度下HDPE板沙障周圍氣流水平速度分布圖如圖5所示。從圖5可以看出：隨著孔隙率的增大，氣流水平速度曲線整體上移。以離地面0.1 m處曲線為例，孔隙率分別為10%，25%，40%和60%時，最小速度分別為-9，-5.9，-1.3和8.9 m·s-1，說明最小速度隨著孔隙率的增大而增大，當孔隙率在60%時，不會出現(xiàn)氣流回流區(qū)，主要原因是孔隙率較大，大部分氣流穿過沙障孔隙，小部分氣流遇阻向上，兩者形成的壓差較小，不足以產(chǎn)生回流區(qū)。

圖4 不同孔隙率HDPE板周圍氣流速度分布云圖

圖5 入口速度24 m·s-1時不同孔隙率下HDPE板周圍氣流水平速度分布

3 HDPE板沙障孔隙率與有效防護距離的關系

文獻[16]定義沙障對風速的有效防護距離為沙障至沙障高度以下恢復到0.8倍入口風速的距離，圖5中的虛線為入口風速的0.8倍，通過風速變化曲線可以得出，HDPE板沙障的有效防護距離與孔隙率、入口風速密切相關，繪制不同入口風速(6，12，18，24，30和36 m·s-1)下HDPE板沙障孔隙率分別為0，10%，25%，40%，50%，60%，70%，80%，90%和95%時有效防護距離與孔隙率的關系曲線，如圖6所示。

由圖6可見：不同風速下，有效防護距離與孔隙率呈現(xiàn)的規(guī)律相類似，當孔隙率小于50%時，有效防護距離與孔隙率呈一元二次函數(shù)分布，孔隙率大于50%時，有效防護距離與孔隙率呈指數(shù)函數(shù)分布，模型如圖7所示。利用最小二乘法對不同入口風速下有效防護距離與孔隙率的關系進行擬合，可用下式表示為

圖6 HDPE板有效防護距離與孔隙率的關系分布圖

(1)

式中：L為HDPE板沙障有效防護距離；α為HDPE板沙障的孔隙率，%；a，b，c，A，B，C為擬合系數(shù)。

圖7 HDPE板有效防護距離L與孔隙率α的關系模型圖

參數(shù)a，b，c，A，B，C的數(shù)值對于擬合式(1)是關鍵的一步，在擬合圖6中的各個點之間的關系時，發(fā)現(xiàn)6個參數(shù)隨著入口速度v的變化而不同，如圖8所示。圖8為各系數(shù)的擬合曲線與實驗數(shù)據(jù)的關系比較圖，從圖8可以看出，各系數(shù)隨著入口風速的變化而變化，根據(jù)圖8的模擬試驗數(shù)據(jù)，可得出：

a=35.487-0.376 7v

b=17.933e-0.027v

c=12.17v0.322 9

(2)

A=5.609-0.000 2v+0.000 2v2

B=2.202 1+0.035 5v

C=-0.014 3v+0.001v2-2e-5v3-2.05

對于擬合系數(shù)a，b，c，A，B，C，相關系數(shù)R2在區(qū)間[0.983 5 -0.995 7]內(nèi)。本次試驗數(shù)據(jù)與沙的許多特性有關，如沙粒的粒徑、沙粒相體積分數(shù)等，因此a，b，c，A，B，C擬合公式中的常數(shù)與模擬采用的數(shù)據(jù)有直接關系。將各參數(shù)帶入式(1)中，可得到有效防護距離L隨著入口風速v和孔隙率α變化的經(jīng)驗公式，即

(3)

圖8 各參數(shù)與入口速度的擬合關系分布圖

4 試驗數(shù)據(jù)驗證

現(xiàn)場試驗段起止里程為DK384+990.93—DK386+680.00，全長為1 689.07 m，工點位于茫崖行委大烏斯一帶，其中DK386+000—DK386+680布設1.5 m高和50%孔隙率的HDPE板高立式沙障，長度約為700 m。在HDPE板沙障迎風側和背風側分別布設梯度式風速儀(圖9)，可根據(jù)需要調(diào)節(jié)風速儀高度，在此處將高度設置距地面高度0.1，0.3，1.0和1.5 m，測試結果如圖10所示。

圖9 梯度式風速儀

圖10 不同風速下HDPE板擋沙障的有效防護距離

由圖10可以看出，公式的擬合值與現(xiàn)場實測值基本相同，由于現(xiàn)場試驗過程中風速在不斷變化，導致結果存在一些差異，但最大偏差僅為4.5 m，兩者具有較好的一致性，證明本文計算方法具有一定的正確性。

5 結 論

(1)風沙流遇到沙障后，氣流發(fā)生突變，孔隙率為10%時，在HDPE板沙障周圍氣流分別形成減速區(qū)、加速區(qū)、高速區(qū)、回流區(qū)、速度突增區(qū)和消散恢復區(qū)。隨著孔隙率的增大，氣流高速區(qū)，速度突增區(qū)和回流區(qū)逐漸消失。

(2)孔隙率在60%時，不會出現(xiàn)低速回流區(qū)，主要原因是孔隙率較大，大部分氣流穿過沙障孔隙，小部分氣流遇阻向上，兩者形成的壓差較小，不足以產(chǎn)生回流區(qū)。

(3)HDPE板有效防護距離與孔隙率的關系模型為：當孔隙率小于50%時，有效防護距離與孔隙率呈一元二次函數(shù)分布，孔隙率大于50%時，有效防護距離與孔隙率呈指數(shù)函數(shù)分布。結合現(xiàn)場試驗與所提公式對比，證明了計算公式有一定的準確性，當然也存在一定偏差。本文主要以均勻風速進行數(shù)值模擬，而現(xiàn)場風速廓線在監(jiān)測過程中并不完全遵循均勻風，因此在后續(xù)的工作中數(shù)值模擬要結合現(xiàn)場實際風速廓線進行。