拉日铁路风沙防护设施风洞及现场试验研究

2014-11-27张炯

铁道建筑 2014年9期

张炯

(中铁第一勘察设计院集团有限公司地质路基设计处，陕西西安 710043)

青藏铁路延伸线——拉日铁路是我国第一条纯西藏区运营的铁路，东起青藏铁路的终点拉萨，沿拉萨河南下，经堆龙德庆、曲水县境，而后溯雅鲁藏布江而上，经尼木、仁布抵达日喀则，全长253 km。拉日铁路东端拉萨一带地面高程3 650 m，西端日喀则一带地面高程3 840 m，中间曲水县一带最低，海拔高程3 590 m。由于藏南谷地海拔高、气候干旱、沙源丰富、植物生长季节短等原因，原地表植被覆盖度较小，土地沙漠化严重，沿线分布大面积流动沙丘和半固定沙丘，以及半固定沙地，在风力的作用下，风蚀、沙丘移动、扬沙扬尘活动频繁，路基受沙埋和风蚀危害严重。依据拉日铁路沿线风沙与植被等现场调查结果，2011—2012年对拉日铁路风沙防护措施进行了风洞试验和现场试验，并对固沙效果进行了观测，用以验证完善设计、指导大规模的施工。

1 镀铝锌合金板阻沙栅栏

1.1 风洞试验

1.1.1 试验设计及模型选取

试验在中国科学院寒区旱区环境与工程研究所沙漠与沙漠化重点实验室室内环境风洞中完成。试验布置见图1。

图1 试验布置

试验材料材质为S320GD+AZ150，阻沙栅栏有开孔率为40%的防风网(以下简称为“大孔径”)和开孔率为30%的抑尘网(以下简称为“小孔径”)两种。其中，大孔径阻沙栅栏高26 cm，小孔径阻沙栅栏高30 cm。试验风洞指示风速设定为6，10和15 m/s，风速廓线采用毕托管测定，测定高度分别为0.3，0.6，1.2，2.4，4，8，12，16，20 和 25 cm。在试验过程中，阻沙栅栏上风向和下风向观测点分布见表1，其中H代表阻沙栅栏的高度，负值代表上风向，正值代表下风向。风流场图使用Sufer8.0进行绘制，并绘制其加速度等值线图。

表1 观测点距离分布

1.1.2 大孔径风流场

设定风速为6，10和15 m/s 3种风速，3种风速下的风流场图见图2。

图2 3种风速下的风流场

由图2可知:风流场存在相似性。在阻沙栅栏放置0～3 cm高度处，由于底部存在绕流，且孔径加速气流流速，产生加速区域。在栅栏中部3～8 cm高度下风向处，气流受阻沙栅栏阻挡，在下风向形成减速区域。9～17 cm高度处，风速衰减，但流场均匀。18～22 cm高度处再次形成闭合减速区，22～25 cm高度处则形成加速区域。

3组风速下风流场不同之处:在阻沙栅栏底部0～3 cm高度处，风速越大，底部最大风速值越大。6 m/s风速下，最大速度值为9.5 m/s;10 m/s风速下，最大速度值为15 m/s;15 m/s风速下，最大速度值为23 m/s。随着风速的增大，底部绕流加速现象增强。在栅栏中部3～8 cm下风向形成的闭合减速区域在不同风速下范围也不同。6 m/s风速下，3 m/s速度等值线闭合区域范围约为7.5H;10 m/s风速下，3.6 m/s速度等值线闭合区域范围约为2.5H;15 m/s风速下，4 m/s速度等值线闭合区域范围约为1.5H。随着风速的增加，其闭合区域范围减小。

在阻沙栅栏中部9～11 cm高度处，随着风速的增大逐渐形成一个小的加速区域。6 m/s风速下，5 m/s速度等值线在9～11 cm出现弯曲;10 m/s风速下，8.2 m/s的速度等值线明显闭合;15 m/s风速下，闭合区域范围明显增大。在阻沙栅栏中部12～18 cm高度处，随着风速的增大，流场逐渐出现闭合减速区域，但范围和减速程度较弱。而阻沙栅栏顶部19～25 cm高度处，其流场和底部0～9 cm高度处相似。

1.1.3 大孔径加速度等值线图(图3)

图3 3种风速下的加速度等值线

进一步比较3组风速下的加速度等值线图可知，与速度等值线图分析结果保持一致。在阻沙栅栏上风向，由于阻挡效应形成加速区域，而在下风向形成减速区，在阻沙栅栏底部0～3 cm高度处，由于绕流现象形成加速区域，但3组风速下的最大加速度值逐渐减小，分别为2.8，2.6和2.4 m/s2，随着风速的增大，最大速度增大，但最大加速度值减小。

在栅栏中部3～8 cm高度下风向处形成明显的闭合减速区域，且随着风速的增大，闭合区域范围减小。6 m/s风速下，0.8 m/s2加速度等值线闭合区域范围约为12H;10 m/s风速下，0.5 m/s2加速度等值线闭合区域范围约为3H;15 m/s风速下，0.3 m/s2加速度等值线闭合区域范围约为1.5H。

在阻沙栅栏中部9～11 cm高度处，随着风速的增加形成加速区域，而12～18 cm高度处，随着风速的增大，出现减速程度较弱的闭合减速区域。顶部19～28 cm高度处，其加速度等值线和0～9 cm处相似，但其最大加速度值较小，减速程度较弱。

1.1.4 小孔径风流场(图4)

图4 10 m/s风速下的风流场

分析3组风速下的速度等值线图可知三者流场结构相似。在阻沙栅栏上风向，速度等值线稀疏且平缓。在下风向，由于阻沙栅栏的阻挡形成低速风影区。

在阻沙栅栏底部0～2 cm高度处，由于底部绕流现象形成加速区域，而2～22 cm高度处速度等值线较密，速度变化较为剧烈，形成风速迅速衰减的趋势，且风速最小值存在于阻沙栅栏2～8 cm高度下风向处。

3组风速下风流场的不同之处:在阻沙栅栏底部0～2 cm高度处，风速越大，底部最大风速值越大。6 m/s风速下，最大速度值为10 m/s;10 m/s风速下，最大速度值为15 m/s;15 m/s风速下，最大速度值为20 m/s。随着风速的增大，底部绕流加速现象增强，与大孔径阻沙栅栏结论相同。

在阻沙栅栏2～8 cm高度处下风向风影区内，闭合区域范围随风速增大略有增大。以2 m/s风速等值线为例，6 m/s风速下，闭合区域范围约为4H;10 m/s风速下，闭合区域范围约为6.5H;15 m/s风速下，闭合区域范围约为7H。可见，风速增大，闭合区域范围有增大趋势，但增大幅度较小。

在阻沙栅栏9～10 cm高度处，随着风速的增大，出现一个逐渐闭合的加速区域。其中，6 m/s风速下，4.5 m/s速度等值线弯曲程度较小;10 m/s风速下，7.5 m/s速度等值线弯曲幅度变大，且逐渐闭合;15 m/s风速下，12 m/s速度等值线明显闭合，形成加速闭合区域。

1.1.5 小孔径加速度等值线图(图5)

图5 10 m/s风速下的加速度等值线

通过比较3组风速下的加速度等值线图可知:在阻沙栅栏上风向，由于阻沙栅栏的阻挡效应形成加速区域;在下风向，形成低速风影区。在阻沙栅栏底部0～2 cm高度处，由于绕流现象形成加速区域。但是3组风速下的加速度等值线图略有差别。在上风向，不同风速下的加速度值有所差别。6 m/s风速下，上风向最大加速度值为1.4 m/s2;10 m/s风速下，最大加速度值为1.1 m/s2;15 m/s风速下，最大加速度值为1.0 m/s2。可见风速越大，最大加速度值越小。

阻沙栅栏底部最大加速度值随风速增大无明显变化规律，分别为2.8，2.6和2.7 m/s2。而阻沙栅栏2～8 cm高度处下风向最大加速度值随风速的增大明显减小，3组风速下分别为0.4，0.2 m/s2和0。

1.1.6 大小孔径阻沙栅栏差别

选取10 m/s风速下大孔径和小孔径阻沙栅栏的加速度等值线图(图3(b)和图5)进行比较分析。大孔径加速度等值线图结构较小孔径加速度等值线图复杂。在阻沙栅栏放置处，大孔径阻沙栅栏0～3 cm高度范围内形成加速区;3～8 cm高度范围内形成减速区;9～11 cm高度处加速度等值线形成加速区，但加速度值较小;12～18 cm高度范围内再次形成减速区;19～25 cm高度处则形成加速区。

小孔径加速度等值线图结构较简单。在阻沙栅栏放置处，0～2 cm高度范围内形成加速区域;2～9 cm高度范围内形成减速区域;9～10 cm高度处形成范围较小的加速区域;11～22 cm高度范围内加速度等值线平直无弯曲;而22～25 cm高度范围内则形成减速区域，与大孔径减速区19～25 cm高度不同。

在下风向，两者的影响范围存在不同。以加速度等值线0.4 m/s2为例，大孔径其闭合区域范围约为2H;而小孔径闭合区域范围约为11H，其影响范围远较大孔径阻沙栅栏大。

1.2 镀铝锌合金板野外现场试验

高度1.9 m;材质为DC51+AZ，静电粉末喷涂防腐;孔隙率为30%，40%;立柱为H型钢(Q235)。阻沙栅栏外貌如图6所示。

图6 阻沙栅栏(DK219处)

现场试验表明，镀铝锌合金板钢质栅栏强度高、使用年限长、安装简单且很美观，孔隙率为30%的小孔径镀铝锌合金板钢质栅栏对防治风沙效果更加明显。

1.3 试验结果

通过以上风洞试验及野外现场试验，两组钢质栅栏都对风的加速度起到了显著的作用。①两组钢质栅栏极大地削减了风的能量，以加速度等值线0.7为例，在15H处都没有闭合。由于风的能量与风速的平方为正比例关系，因此在15H距离内风的能量被明显降低了50%以上。②风速越高，两组钢制栅栏对风的能量限制的比例越大。通过加速度曲线可以明显看到，风速越大，网后加速度等值曲面闭合越远。因此对于自然界15 m/s以上风速，这两组钢质栅栏能起到的作用将会更大。③小孔径钢质栅栏的影响要好于大孔径钢质栅栏。