摘要：蘆葦方格沙障作為和若鐵路重要的工程固沙措施之一，其內(nèi)部積沙形態(tài)的演變對蘆葦方格的防沙性能有重要影響。為了解蘆葦方格沙障內(nèi)部真實(shí)的積沙狀態(tài)，依托和若鐵路建設(shè)工程，采用野外監(jiān)測的手段對蘆葦方格沙障內(nèi)部積沙形態(tài)的演變進(jìn)行為期6個月的監(jiān)測。結(jié)果顯示，蘆葦方格沙障的積沙量分布沿著主風(fēng)的方向向后移動。在風(fēng)向垂直斷面上，蘆葦方格沙障邊緣的積沙厚度要比中心位置大。整個監(jiān)測時段內(nèi)，蘆葦方格沙障內(nèi)部的積沙厚度可以用Rotion Tayor曲面函數(shù)來很好地描述，并且曲面沿著主風(fēng)方向凹陷。蘆葦方格沙障的結(jié)構(gòu)參數(shù)、風(fēng)速、風(fēng)向和風(fēng)速占比是塑造方格內(nèi)部復(fù)雜積沙形態(tài)的主要原因。以上研究結(jié)果對野外自然狀態(tài)下蘆葦方格沙障內(nèi)部積沙演變的認(rèn)識具有重要意義。

關(guān)鍵詞：蘆葦方格沙障；積沙形態(tài)；輸沙；鐵路安全

doi：10.13304/j.nykjdb.2023.0143

中圖分類號：S151，X43 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：10080864（2024）11020406

和若鐵路沿線氣候干燥、沙源豐富，頻發(fā)的大風(fēng)是導(dǎo)致該地區(qū)風(fēng)沙災(zāi)害頻發(fā)的主要原因。風(fēng)沙災(zāi)害嚴(yán)重影響了該地區(qū)交通、環(huán)境和人們的生存空間。蘆葦方格沙障作為和若鐵路防治流沙的重要措施之一，發(fā)揮著重要的風(fēng)沙防護(hù)作用。蘆葦方格沙障的作用一是增大地表空氣動力學(xué)粗糙度，從而顯著降低近地層風(fēng)速，使之低于起沙風(fēng)速，維持方格內(nèi)部沙面穩(wěn)定；二是直接作用為物理障礙阻擋風(fēng)沙流，促使過境風(fēng)沙流迅速沉降；三是落入蘆葦方格沙障內(nèi)部的沙粒很難在同等風(fēng)速條件下逃逸出蘆葦方格。蘆葦方格沙障的這些作用在防護(hù)體系前沿固沙帶表現(xiàn)尤為突出[1]。蘆葦方格沙障積沙不僅改變風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)，同時改變了地表蝕積狀況。在風(fēng)沙流強(qiáng)度大、沙面活動力強(qiáng)的地區(qū)，合理設(shè)置蘆葦方格沙障是有效的防沙固沙措施[23]。

蘆葦方格沙障的這些防沙優(yōu)勢引起很多學(xué)者對其防治效果和優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行研究[4-6]。針對方格的固沙性能和內(nèi)部蝕積狀態(tài)，國內(nèi)外研究者分別從野外觀測[78]、理論分析[9]和數(shù)值模擬[10-13]等方面展開了研究。朱震達(dá)等[1]提出了圓弧沙面模型，認(rèn)為沙粒的休止角和蘆葦方格內(nèi)圓弧弦切角存在相等關(guān)系，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步探討了蘆葦方格沙障內(nèi)風(fēng)蝕深度與方格沙障間距的關(guān)系。Tian等[7]通過在青海湖附近沙漠地區(qū)的野外觀測，測定了蘆葦方格沙障內(nèi)部的積蝕形態(tài)，并討論了高寒沙地風(fēng)向、蘆葦方格間距和積蝕特征之間的關(guān)系，但并未給出方格內(nèi)部積沙隨時間以及風(fēng)速變化的積沙演變。Qu等[8]根據(jù)野外監(jiān)測結(jié)果給出了不同規(guī)格方格的風(fēng)沙防護(hù)效果。王振亭等[9]提出了草方格的單排理想渦列模型，通過經(jīng)典流體力學(xué)流函數(shù)與勢函數(shù)方法分析，給出了蘆葦頭露出高度和蘆葦方格沙障間距之間的合理關(guān)系。Bo等[1011]通過對二維方格陣列的數(shù)值模擬，計(jì)算了蘆葦方格上空沿程風(fēng)速變化特征，討論了蘆葦方格尺寸對上空風(fēng)速的影響。Huang等[12]通過二維的大渦模擬分析了蘆葦方格內(nèi)沙粒沿流向的二維彌散特征，給出了二維風(fēng)場下蘆葦方格沙障內(nèi)的風(fēng)速、輸沙率以及沙粒速度等信息。Xu 等[13]通過三維RANS/LES 混合方法與拉格朗日顆粒追蹤法對蘆葦方格內(nèi)的風(fēng)沙流進(jìn)行了計(jì)算模擬，結(jié)果表明，蘆葦方格內(nèi)部同時存在流向渦與展向渦，展向渦可使進(jìn)入蘆葦方格內(nèi)顆粒向兩側(cè)壁面運(yùn)動，使得風(fēng)沙流過境時兩側(cè)壁面沙粒的堆積量高于中心區(qū)域，由于流向渦可以使得后部顆粒向前搬運(yùn)，因此自然狀態(tài)下蘆葦方格形成了中間低四周高的堆積形態(tài)。

總之，大多數(shù)研究者是將多個蘆葦方格群作為一個研究整體，并利用野外觀測和數(shù)值模擬等手段探討其固沙機(jī)制。對于復(fù)雜風(fēng)況和地形條件下的單個蘆葦方格沙障內(nèi)部不同位置的長時間積沙觀測數(shù)據(jù)還較少。鑒于此，本研究對平坦地區(qū)的防護(hù)體系前沿的蘆葦方格沙障內(nèi)部積沙形態(tài)進(jìn)行長時間觀測，以補(bǔ)充和完善人們對單個蘆葦方格長時間積沙形態(tài)演化的認(rèn)識。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)監(jiān)測點(diǎn)位于中國新疆維吾爾自治區(qū)塔克拉瑪干沙漠東南邊緣的和若鐵路（和田至若羌）沿線，距離若羌縣146 km（ 38.721°N、86.659°E）。該地區(qū)氣候干燥，年均降水量36.2 mm，年均蒸發(fā)量1 837.6 mm；沙源豐富，大風(fēng)頻發(fā)，極易形成風(fēng)沙流。為防止鐵路被風(fēng)沙影響，在該地布置了蘆葦方格沙障進(jìn)行固沙，本研究對其內(nèi)部積沙形態(tài)演變進(jìn)行監(jiān)測。

1.2 試驗(yàn)方法及儀器布置

本試驗(yàn)利用氣象站來監(jiān)測蘆葦方格沙障周圍的風(fēng)場情況；用插釬（需準(zhǔn)備插釬若干）法[14]測量蘆葦方格沙障內(nèi)部各位置的積沙演變情況。蘆葦方格沙障尺寸1.0 m×1.0 m×0.3 m，整個試驗(yàn)儀器布置方式如圖1所示， 圖1B、1C中的G、H、I、J代表監(jiān)測蘆葦方格的頂點(diǎn)。

氣象站主要包括風(fēng)速測量探針、風(fēng)向測量探針，固定氣象站的鋼絲拉索和地錨、控制器和讀取數(shù)據(jù)的計(jì)算機(jī)。測量探針由4個風(fēng)速測量探針和1個風(fēng)向測量探針組成，其中風(fēng)速測量探針的分布高度分別是0.5、1.0、2.0和3.0 m，風(fēng)向探針的布置高度位于3.0 m處；氣象站的控制器采用單片機(jī)ARM32；數(shù)據(jù)讀取計(jì)算機(jī)具有防寒、防風(fēng)沙的功能。讀取氣象數(shù)據(jù)時，控制器和計(jì)算機(jī)采用USB數(shù)據(jù)線通信。整個氣象站用3個地錨和3根鋼絲拉線固定在蘆葦方格沙障附近的平坦地表，3根拉線沿著周向120°均勻布置（圖1A）。被監(jiān)測蘆葦方格尺寸為1.0 m×1.0 m×0.3 m，采用插釬的方法來測量整個蘆葦方格內(nèi)部的積沙形態(tài)的演變，其中插釬總數(shù)為17個，占用區(qū)域?yàn)?0 cm×90 cm，布置間距均勻，并且以蘆葦方格的頂點(diǎn)G作為坐標(biāo)原點(diǎn)，GH邊作為X 軸，GJ邊作為Y 軸，建立空間直角坐標(biāo)系對其內(nèi)部積沙狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測和分析（圖1B）。插釬布置實(shí)際效果如圖1C所示，插釬的初始外露高度為25 cm。