孙婧 ，李家园，王海龙，刘宏波 ，刘畅

(1. 河北省土木工程诊断、改造与抗灾重点实验室，河北 张家口 075000；2. 河北建筑工程学院 土木工程学院，河北 张家口 075000；3. 石家庄铁道大学 交通运输学院，河北 石家庄 050043)

新建地方铁路鱼卡(红柳)至一里坪位于青海省海西州大柴旦行委，线路总长为98 km，线路所经早期湖积盆地和雅丹地貌区长度为52 km，总体为开阔的平原地貌(图1)。气象特征是冬长夏短、降雨量微小、风速大，极易发育风沙流。风沙暴来临时对铁路的安全运营造成严重威胁，其中水鸭子墩火车站附近风沙灾害较为严重(图2)，因此，必须在该铁路段沿线设置行之有效的防风固沙措施。风沙灾害治理方法很多，比较成熟的方式有化学固沙、生物固沙和机械固沙，其中生物固沙效果最佳，但由于红一线铁路沿线地表土壤含盐量高，植物种植受到约束，故生物固沙不易采用；化学固沙易造成环境污染且面积大不易实施，因此，采用机械固沙工程措施是该线路首选。目前，国内外对多种结构形式的机械沙障及其防风固沙效果进行了大量数值模拟、风洞试验及野外试验研究，剖析了风沙灾害防治机理[1-3]。例如，BO等[4]利用风洞研究得出风速和沙粒粒径对沙粒下落速度分布规律无明显影响；KIM等[5]考虑风速和防风栅栏高度、安装间隔和层数等设计特性建立了CFD模型，定量评估了防风栅栏降低风速效果；席成等[6]通过风洞试验分析了高立式尼龙网周围风沙流特征，得出障后风沙遮蔽效果与沙障高度、铺设排数及铺设间距之间的关系；程建军等[7-9]通过现场试验和风洞试验，对箱体式活动沙障、导风板、HDPE网板机械沙障周围输沙率、风速廓线以及积沙效果等进行了观测。另外许多学者在多种形式沙障的联合使用方面也进行了研究，例如，富宝峰等[10-11]通过数值模拟研究了挡沙堤周围的沙粒沉积特性规律，主要起到拦截大粒径沙粒作用，在堤后增设截沙沟，来阻挡小粒径沙粒向前输运，大幅度提高了沙粒拦截效率；张凯等[12]根据研究区域现场勘察结果，提出使用多道高立式沙障作为防沙手段，并利用数值模拟和现场实测分析了沙障周围风沙流的运动变化规律，确定使用三道高立式沙障作为防风阻沙措施；张圆等[13]通过现场实测直立式-平铺式组合沙障对土壤含水量、温度的影响，得出此联合沙障有较好蓄水保水作用。综上所述，机械沙障的防风固沙效果与其结构形式、结构参数密切相关；联合机械沙障防风固沙效果更好，治理效益较高，也是目前风沙灾害治理的一种发展趋势。红一线部分路段目前采取的风沙防治措施主要是PE网沙障，PE网对遏制风沙灾害蔓延起到了不可或缺的作用。但由于沙漠生态条件脆弱，紫外线直射强烈，PE网易老化，部分断裂后被掩埋在沙土中不易回收(见图3)，造成了环境污染，也降低了防风沙效果。因此，本文拟采用耐久性优良钢制薄壁防风沙网板[10]替代PE网用作高立式沙障在红一线使用。但是由于研究区域风沙发育频繁，沙粒跃移高立式沙障后还会向前推进[11-12]，固沙效率不高，因此设计在网板后再增设一道机械沙障。考虑到研究地区积沙资源丰富，在前期研究基础上，以当地风积沙为原料制备固沙砖，铺设成方格形式作为低立式机械沙障[14]，与防风沙网板组成联合沙障，起到降低地表输沙量、稳定流沙表面作用。因此，本文在现场调研基础上进行数值模拟，对不同孔隙率防风沙网板周围风沙流场进行分析，结合沙粒起动风速，得到最佳孔隙率、确定防风沙网板与固沙砖沙障铺设间距；通过风洞试验验证数值模拟结果准确性，进一步通过试验确定板障之间最优铺设间距以及固沙砖排数；最终确定防风沙网板-固沙砖方格联合沙障结构的参数，以期为新建地方铁路防风沙工程的设计提供理论支撑。

图1 新建地方铁路区域地貌Fig. 1 Landform of new local railway area

图2 新建地方铁路部分路段积沙Fig. 2 Sand accumulation in some sections of new local railway

图3 部分铺设PE网的路段Fig. 3 Sections partially paved with PE mesh

1 研究方法

1.1 现场调研

在红一线水鸭子墩火车站附近进行沙粒取样，通过手持式电子显微镜(Digital-Microscope)对沙粒形状以及粒径大小进行分析。如图4所示，该地区沙粒形状主要呈现出椭圆形、圆形，还有部分半透明氯盐颗粒。经过筛分析试验得出(如图5)，粒径范围在0.08～0.4 mm的沙粒质量分数在89%左右，根据文献[15]得出，此粒径范围沙粒对应的最小起动风速为6.1 m/s。

图4 沙粒细观图Fig. 4 Meso view of sand

图5 沙粒筛分析曲线Fig. 5 Sand sieve analysis curve

在沙粒取样区域，采用全自动风速风向仪进行风速测试。风速＞6.1 m/s时，风沙流开始发育；风速达到10.9～17.0 m/s时，风力较为强劲，风吹沙粒迅速移动；风速＞17.1 m/s时，发生频次较低，但风力强劲，风沙流对铁路路基沙埋较为严重。2020年7月到2021年6月间，不同时间段风速值的发生频率如图6所示，其中10月～次年5月份风速值大于10.9 m/s的频次较多，也是风沙暴多发季节；年平均风速为3.6 m/s，年大风日(≥8级风，即17.2～20.7 m/s)45 d；主导风向为西北风。

图6 不同风速值频次统计Fig. 6 Frequency statistics of different wind speed values

1.2 数值模拟

运用ANSYS-CFD建立二维平面模型。根据前期研究，钢制防风沙网板高度取1.8 m[16]；厚度取2 mm，刚度足用。计算域设置为50×20 m。为使气流在计算域内充分发展，将网板布置在距离风速入口5 m的位置。对计算区域进行非结构化网格划分，对防风沙网板周围以及壁面附近进行网格局部加密，网格尺寸控制在0.01 m[12]。计算区域介质类型为Fluid，风沙流为不可压缩流体，故左侧边界风速入口设置为Velocity-inlet；模型中流体能够自由发展，右侧边界风速出口设置为Out-flow，上壁面设置为Symmetry，防风沙网板与下壁面均设置为Wall，粗糙度yo为0.2(取沙粒平均直径0.2 mm的数值)[17]。

根据现场风沙流发育情况，设定计算域内入口风速的速度梯度为12，15，18和20 m/s。空气黏度为μ=1.789×10-5Pa·s，空气密度为ρ=1.225 kg/m3。计算域采用Reynolds-averaged Navier-Stokes，附加k-ε湍流方程，不考虑温度、气体可压缩性及湍流方程对模型中计算域的影响，采用Simplec计算方法，步长设为0.05 s，残差控制在1.0×10-6，来保证结果收敛的正确性。

1.3 风洞试验

1.3.1 风沙风洞试验室介绍

试验研究在中科院电工所直流式边界层风洞中进行。试验段长20 m，宽度3 m，高度2.5 m，试验段可调风速值范围为2～30 m/s。沙粒通过顶端漏沙装置的漏沙孔在风洞内扩散，调整试验中漏沙孔数量和孔面积，得到可控的风沙浓度。风速测量采用的是防沙风速测量仪，为了增加风速仪在风场中的稳定性，在风速仪底端加设垫片，在1.25 m测试范围内共设置了10个皮托管来测试风速，采样频率为2 Hz。使用梯度集沙测量仪采集沙粒，总高度1 m，沿竖直高度上每隔2 cm布置一个通道，共50个通道，试验后称取集沙盒内沙粒质量(精度至0.001g)，获得不同高度处的沙浓度分布。

1.3.2 风洞试验概况

风洞试验过程重点考虑模型的几何相似、净风场的运动相似及动力相似[18]。根据风洞实验段的截面尺寸、固沙防风网板的高度和固沙砖的开孔尺寸，试验模型按实物尺寸的1:3比例进行缩尺。其中，钢制薄壁防风沙网板面上分布圆形冲孔孔洞，通过孔径大小、位置来调整孔隙率；防风沙网板模型高0.6 m，长1 m，厚2 mm(单板)，3板1排，板与板间以螺钉连接、三角钢板支撑，如图7(a)所示。固沙砖缩尺模型采用ABS树脂制作，尺寸为133.3×66.67×38.33 mm，开孔半径12 mm，孔隙率为10%，上下两层布置成方格形式[14]，如图7(b)所示。

图7 风洞试验模型Fig. 7 Wind tunnel test model

缩尺模型在试验段的布置如图8，在来流风向上依次布设防风沙网板和固沙砖方格。风沙条件下，选择最优孔隙率防风沙网板，固定在距风速入口1.67 m处，板后水平方向4H，6H，7H，9H，10H，11H，12H和13H(H为防风沙网板模型高度)上布设风速廓线仪测试风速。同时，调整固沙砖方格模型与防风沙网板间距以及固沙砖排数，根据文献[18-19]判断沙障积沙效果的方法，采集方格内积沙进行称重，并通过式(1)来计算沙粒沉积率，分析固沙砖方格的阻沙效果，从而确定最优联合沙障的结构参数。

图8 风洞实验布设及测点位置示意Fig. 8 Layout of wind tunnel test and location of measuring points

式中：λ是不同方格内的沙粒沉积率，g/(m2·s)；m是不同方格内的沙粒总沉积量，g；t是落沙时间，s；s为方格面积(0.11 m2)。

2 结果与分析

2.1 数值模拟结果与分析

2.1.1 防风沙网板孔隙率对流场的影响

考虑现场风速＞17.1 m/s时，风沙灾害较为严重，模拟中选取入口风速ν=20 m/s，不同孔隙率防风沙网板后水平方向上、不同高度处的速度分布如图9所示。

分析图9可知：1) 孔隙率为20%时，防风沙网板高度(1.8 m)以上，由于风沙流叠加效应，风速值急剧上升到29.1 m/s；1.8 m以下，风沙流遇到障碍物后速度值迅速衰减，网板后水平方向8.8～27.8 m范围内、不同高度处，风速极小值为0.12 m/s，极大值为7.2 m/s，上下气流的速度差较大，出现较大范围的涡旋，不利于沙粒的停止。孔隙率为30%时，板后10～15 m范围内、1.2 m高度以下出现较小涡旋但风速值波动较小，极大、极小值差值最大为0.9 m/s，对沙粒运动影响较小。孔隙率≥40%时，板后不再产生现涡旋现象。2) 在图9中标记沙粒起动风速值(6.1 m/s)位置；标记线以上区域，沙粒在风力下持续运动，标记线以下区域发生沉降。由于近地表0.2 m高度处风速最小，为方便观察，将此高度水平方向风速廓线与起动风速标记线的交点标记为F。孔隙率为30%时，风速廓线与起动风速标记线包围面积最大，板后近地表0.2 m高度处恢复到起动风速的距离最远(37 m)；孔隙率增大，近地表恢复到起动风速的距离逐渐减小，孔隙率增加到50%时，0.2 m高度处仅在板后24 m时风速减小为6.08 m/s，其余点均在6.1 m/s以上，防风效果最差。综上所述，孔隙率＜30%，高速区域与回流区域风速差值较大，形成的涡旋区域范围较大，不利于沙粒沉降；孔隙率＞30%，大量气流汇集在板后，风速值衰减有限，因此，孔隙率为30%的网板防风沙效果最佳。

图9 不同孔隙率防风沙网板的风速廓线图Fig. 9 Wind speed profile of wind sand screen plate with different porosity

2.1.2 防风沙网板周围风沙流运动特性

取最优孔隙率30%，对防风沙网板及其附近高度处(1.5，1.8 m)周围流场变化特征进行分析，结果如图10所示。由图10可知，入口风速值分别为12，15，18和20 m/s时，1.5 m和1.8 m高度处防风沙网板周围流场变化规律大致相同；风沙流的初始速度值越大，板后速度最小值越大。根据文献研究[11]，有效防护距离可定义为沙障背风侧风速恢复到沙粒起动风速(6.1 m/s)的位置与沙障的距离。图10显示，不同风速下(12，15，18和20 m/s)，1.5 m高度处，板后对应的有效防护距离分别为35.1，33.1，31.9和31 m；1.8 m高度处，有效防护距离分别为32.8，30.5，28.9和28.1 m，说明随着入口风速增大，板后有效防护距离不断减小，2个高度处的有效防护距离均在35 m内。联系前节图9(b)，孔隙率30%网板后不同高度处(2.3，1.8，1.2，0.5和0.2 m)，风速恢复到沙粒起动风速对应的位置与网板距离分别为17.8，25，30.4，35和36.3 m，越接近地面，有效防护距离越大。因此，结合沙粒起动风速和有效防护距离分析，防风沙网板与固沙砖沙障的间距应布置在10H～19H(18～34.2 m)范围内。

图10 不同风速下防风沙网板周围流场变化Fig. 10 Variation of flow field around sand screen under different wind speeds

2.2 风洞试验结果与分析

2.2.1 风沙流场的沙浓度

根据沙粒粒径分布，筛分准备出试验落沙。由于现场风速＞10.9 m/s时出现风沙暴，且频次较高，因此设定风洞试验入口风速为12 m/s时，进行1/2管(仅开放1/2孔面积)、1管(开放1孔面积)落沙试验，落沙量分别为0.236和0.472 kg/s。

图11显示，2种工况下，沙浓度随着高度的降低逐渐增加，底部区域沙浓度最大；同一高度处，沙浓度随着落沙量增加而变大。落沙在12 m/s风速下，在20～100 cm高度范围内造成了比较均匀的沙浓度环境，以100 cm高度处为代表，1/2管、1管落沙下测得的沙浓度分别为9.62 g/m3和23.13 g/m3。经研究区域调研，测得多发性风沙暴的沙浓度在20～30 g/m3，因此1管落沙在风洞试验室内形成的风沙环境较符合研究区域实际情况。

图11 1/2管、1管落沙量的沙浓度变化Fig. 11 Variation of sediment concentration in 1/2 pipe and 1 pipe

2.2.2 风洞试验

根据1.3.2节所述，在风洞试验段布置防风沙网板，入口风速为12 m/s时，1管落沙条件下，测试孔隙率为30%的防风沙网板后水平方向4H，6H，7H，9H，10H，11H，12H和13H处垂直高度上的速度分布，并将其与同条件下网板后风速变化的数值模拟结果作对比。图12显示，入口风速为12 m/s，防风沙网板孔隙率为30%时，背风侧4H～13H范围内，不同高度处，数值模拟计算与风洞试验测得的风速值变化趋势一致，说明数值模拟结果可靠、与风洞试验吻合度高。另外，风洞试验与数值模拟结果比较风速值相对偏小，每个测点风速减小均值为0.29 m/s，原因是数值模拟中考虑沙粒对风速的影响较小，而风洞试验室内沙粒受到了风流给予的动力形成一定的沙浓度环境，根据能量守恒定律，沙粒的动能增加，空气动能会相应的减小，因而所测风速值偏小，表明沙粒对来流风速有一定的衰减作用。

图12 孔隙率为30%的防风沙网板后速度变化Fig. 12 Velocity change at the back of windbreak sand screen plate with porosity of 30%

2.2.3 防风沙网板与固沙砖方格沙障间距分析

在防风沙网板后平行铺设固沙砖方格模型(上下两层布置成3排2行方格，每行4个方格)，根据数值模拟结果，两者之间的间距应布置在10H～19H(18～34.2 m)范围内，因此，在将固沙砖沙障与防风沙网板间距分别调整为10H，15H，16H，17H，18H和19H，在来流风速值为12 m/s及1管落沙的情况下，落沙时间为60 s，收集不同铺设间距固沙砖方格内部积沙，称取质量(精确到0.01g)，计算不同方格内的沉积率。

图13中1-1代表固沙砖迎风侧自左向右第1行第1个方格，以此类推，由图中数据可知，固沙砖方格与防风沙网板的间距不同，方格内部沙粒沉积率也不同，即固沙效果存在差异。固沙砖方格与防风沙网板之间距离为10H时，第1行方格内沉积率平均值为0.97 g/(m2·s)，第2行方格沉积率均值为1.23 g/(m2·s)，沉积率相对较低。随着固沙砖与防风沙网板间距的增加，方格内沉积率逐渐增加，距离增加至18H时，第1行和第2行方格沉积率的均值分别为3.38和2.1 g/(m2·s)，与10H处相比，2行方格的总沉积率提高了149.09%，说明10H处固沙砖方格与防风沙网板距离较近，多数沙粒跃移过固沙砖，导致积沙效果不明显。但在19H距离处第1行和第2行方格内沉积率均值分别为2.87和1.96 g/(m2·s)，相对于18H处沙粒沉积率减小，说明19H处风速恢复程度较大，沙粒翻越固沙砖或穿过砖孔洞的量增加，沉积量减少。因此，当防风沙网板与固沙砖之间的距离为18H时，沉积率最大，固沙效果最佳。

图13 不同间距固沙砖方格内沉积率Fig. 13 Internal sedimentation rate of sand fixing brick

2.2.4 固沙砖排数分析

在确定防风沙网板与固沙砖模型铺设距离为18H的基础上，增加固沙砖排数，考虑不同排数固沙砖对积沙效果的影响。在来流风速12 m/s及1管落沙情况下，落沙时间60 s，分析对比不同排数固沙砖的沉积率，结果如图14所示。固沙砖排数分别为3，4和5排时，形成的方格行数分别为2，3和4行(如图15)。

图14 不同排数固沙砖方格内沉积率Fig. 14 Internal sedimentation rate of sand fixing

由图14可知，沿着风速来流方向，固沙砖排数为5排时对应4行方格沉积率均值分别为3.41，2.06，1.02和0.2 g/(m2·s)。风沙流在地表前进过程中遇到固沙砖阻挡，先翻越第1排固沙砖或穿越其孔洞，气流在固沙砖内部产生紊流及涡流作用，内部气流风速远小于沙粒的起动风速，使气流携带的沙粒大量沉积[14]，在方格内形成积沙；随着风沙流继续向前推进，沙粒依次穿过第2，3，4和5排固沙砖，在对应方格内形成积沙，固沙砖排数增加到5排时，最后1行方格内沉积率均值仅有0.2 g/(m2·s)。图15显示，沙粒基本被阻挡在防风沙网板周围、防风沙网板与固沙砖沙障之间及固沙砖方格内部，沙障后侧基本无沙粒。由图14中数据还可知，3，4和5排固沙砖方格的总沉积率分别为21.75，25.99和29.73 g/(m2·s)；因此随着固沙砖排数及方格行数的增加，方格内的总沉积率逐渐增大，阻沙效果越明显，故距防风沙网板18H处设置5排固沙砖。考虑到现场多发性风沙暴集中冬春两季、时间跨度大，在风沙流持续向路堤移动作用下，沙障后侧还是会有一定量积沙；因此，将固沙砖方格沙障与铁路路堤间距设置为5 m，方便定期进行人工或机械清沙，最大程度保证铁路运输的安全运营。

图15 风沙试验后的积沙情况Fig. 15 Sand accumulation after wind sand test

3 结论

1) 根据现场调研，设计采用钢制薄壁防风沙网板作为高立式沙障，固沙砖方格为低立式机械沙障，组成联合机械沙障作为红一线的防风固沙措施。

2) 板高一定(1.8 m)、孔隙率＜30%时，通过防风沙网板形成的涡旋区域范围较大，不利于沙粒沉降；孔隙率＞30%时，大量气流穿过防风沙网板，风速值衰减有限，孔隙率为30%的网板防风效果最佳。

3) 风积沙固化后制备带孔固沙砖铺设成方格沙障，不同入口风速下，结合沙粒起动风速和网板有效防护距离，固沙砖沙障与防风沙网板的间距应布置在10H～19H(18～34.2 m)范围内。

4) 固沙砖方格与防风沙网板的间距不同，方格内沙粒沉积率有所差异。间距过小，多数沙粒跃移过固沙砖，沉积率较小；间距过大风速恢复程度较大，沙粒流动性增加，沉积量减少。间距为18H时，3排固沙砖方格内沙粒沉积率最大为5.48 g/(m2·s)，固沙效果最佳。

5) 随着固沙砖铺设排数的增加，方格内总沉积率逐渐增大，结合现场风沙发育情况，确定设置5排固沙砖；固沙砖方格沙障与铁路路堤间距设置为5 m，方便定期清理积沙。