格库铁路HDPE板沙障孔隙率与有效防护距离关系

张 凯，杨子江，王起才，郝艺翔，何孟凯

(1.兰州交通大学 土木工程学院，甘肃 兰州 730070；2.兰州交通大学 道桥工程灾害防治技术国家地方联合工程实验室，甘肃 兰州 730070)

新建格库铁路(格尔木至库尔勒)主要位于柴达木盆地和塔里木两盆地，该地气候干燥、风大且频率高，地形开阔、沙源丰富，因而全线风积沙、戈壁风沙流非常普遍。由于该铁路多跨越荒漠地区(图1)，经常会受到风沙灾害的困扰(图2)，为保证铁路的安全运营，需要在风沙严重地段进行风沙防护。由于格库铁路青海段处于高海拔地区，紫外线辐射强度高且盐渍土分布广泛，导致当地的传统阻沙材料(麦草、芦苇等)紧缺，而且材料的稳定性和耐久性也较差[1]，PE网的抗紫外线和抗老化性较弱，铁丝网等一些金属材料抗腐蚀性较弱。在这种情况下，一些新的人工材料应运而生，其中HDPE(High Density Polyethylene)板是新型阻沙材料之一，它具有抗紫外线性能强、化学稳定性好、耐老化等特点，因此，HDPE板可作为高海拔铁路的阻沙材料。

决定阻沙沙障效果的主要结构特征为孔隙率[2-3]。阻沙沙障是在沙障后一定距离范围内降低风速，风速减小量与孔隙率密切相关，孔隙率越低，风速减少量越大[4]。但是，孔隙率低的沙障会产生较大的涡流，使得风速在涡流后会很快恢复到原始风速，从而减小沙障的遮蔽距离。因此，在沙障的几何设计、高度、长度、厚度、开口尺寸以及几何形状等其他条件相同的情况下，存在1个最优孔隙率，在降低风速与遮蔽距离之间起到1个平衡作用。近些年来，国内外学者对高立式沙障的孔隙率已有大量研究[5-11]，研究结果表明，栅栏的最优孔隙率范围为20%～50%。凌裕泉等[12]通过在腾格里沙漠进行现场试验，发现孔隙率为30%～40%的栅栏能最有效地防止沙粒在其迎风面上的堆积；Lee等[13]发现当栅栏的孔隙率为30%～50%时，对降低栅栏后气流的速度和表面压力最为有效；Dong[14]在室内风洞试验中使用粒子图像测速仪对栅栏的平均速度场进行了研究，认为最优孔隙率是气流动力特性存在强烈差异时的临界孔隙率，其值为20%或30%。Tsukahara等[15]使用激光可视化技术测量沙丘周围的流场和沙丘的侵蚀，发现当孔隙率为30%时，最能抑制风蚀的发展。目前研究大多集中在高立式沙障室内风洞试验和现场观测的防风效应，受试验仪器和客观环境等因素的影响，具有较大的局限性，随着计算机的发展，数值仿真逐步成为模拟现场试验的必备工具。

图1 格库铁路路基边坡积沙

图2 格库铁路道床遭受风沙灾害

本文对不同孔隙率HDPE板沙障进行数值模拟，得出了不同初始风速下HDPE板沙障有效防护距离与孔隙率的关系曲线，并根据曲线特点，提出了有效防护距离的估算公式并通过现场试验验证该公式的合理性，为铁路工程防沙体系的设计及完善提供参考。

1 模型建立

运用ANSYS FLUENT软件进行数值模拟，具体数值模拟步骤为：采用二维模型进行简化计算，计算流域设定为120 m×20 m，HDPE板沙障距离风速入口20 m，高度为1.5 m，选用Gambit前处理软件进行网格划分，网格类型选用Map，网格形式选用Quad。入口边界条件定义为Velocity-inlet，出口边界条件定义为Outflow，上边界条件定义为Symmetry，下边界条件定义为Wall，介质类型定义为fluid。沙粒粒径为0.1 mm，沙粒密度为2 650 kg·m-3，沙粒相体积分数为1%，空气密度为1.225 kg·m-3，黏度为1.789 4×10-5Pa·s，计算模型采用欧拉双流体非定常模型，求解算法采用simplec算法，计算模型如图3所示。入口速度分别为6，12，18，24，30和36 m·s-1。

图3 计算模型示意图

2 不同孔隙率HDPE板沙障流场

2.1 HDPE板周围气流分布特征

图4为入口风速为30 m·s-1(试验段最大瞬时风速为29.2 m·s-1)，孔隙率分别为10%，25%，40%和60%时，HDPE板高立式沙障周围气流分布云图。当气流经过HDPE板沙障周围时，在沙障的阻碍作用下，首先在沙障迎风侧气流减速形成气流减速区A，之后气流继续前行，一部分气流沿着HDPE板沙障爬升，形成气流加速区B，气流继续不断爬升及聚集，在HDPE板沙障后上方形成气流高速区C，另外一部分气流穿过HDPE板沙障孔隙，相对HDPE板沙障上方气流速度较小，受高低压差的作用，在HDPE板沙障背风侧形成气流回流区D，在气流回流区范围内还存在气流速度突增区E，随着气流远离HDPE板沙障，沙障对气流的阻碍影响作用逐渐减小，逐渐形成气流消散恢复区F，如图4(a)和(b)所示。图4(a)和(b)不同点是，图4(b)中HDPE板沙障的孔隙率大于图4(a)，后者直接穿过沙障孔隙的气流比前者更多，所形成的区域面积均会变小。由图4(c)和(d)可以看出：孔隙率增大为40%时，气流高速区面积和最大速度值仍在减小，孔隙率增大为60%时，速度突增区和回流区逐渐消失。

2.2 HDPE板周围气流水平速度变化特征

不同高度下HDPE板沙障周围气流水平速度分布图如图5所示。从图5可以看出：随着孔隙率的增大，气流水平速度曲线整体上移。以离地面0.1 m处曲线为例，孔隙率分别为10%，25%，40%和60%时，最小速度分别为-9，-5.9，-1.3和8.9 m·s-1，说明最小速度随着孔隙率的增大而增大，当孔隙率在60%时，不会出现气流回流区，主要原因是孔隙率较大，大部分气流穿过沙障孔隙，小部分气流遇阻向上，两者形成的压差较小，不足以产生回流区。

图4 不同孔隙率HDPE板周围气流速度分布云图

图5 入口速度24 m·s-1时不同孔隙率下HDPE板周围气流水平速度分布

3 HDPE板沙障孔隙率与有效防护距离的关系

文献[16]定义沙障对风速的有效防护距离为沙障至沙障高度以下恢复到0.8倍入口风速的距离，图5中的虚线为入口风速的0.8倍，通过风速变化曲线可以得出，HDPE板沙障的有效防护距离与孔隙率、入口风速密切相关，绘制不同入口风速(6，12，18，24，30和36 m·s-1)下HDPE板沙障孔隙率分别为0，10%，25%，40%，50%，60%，70%，80%，90%和95%时有效防护距离与孔隙率的关系曲线，如图6所示。

由图6可见：不同风速下，有效防护距离与孔隙率呈现的规律相类似，当孔隙率小于50%时，有效防护距离与孔隙率呈一元二次函数分布，孔隙率大于50%时，有效防护距离与孔隙率呈指数函数分布，模型如图7所示。利用最小二乘法对不同入口风速下有效防护距离与孔隙率的关系进行拟合，可用下式表示为

图6 HDPE板有效防护距离与孔隙率的关系分布图

(1)

式中：L为HDPE板沙障有效防护距离；α为HDPE板沙障的孔隙率，%；a，b，c，A，B，C为拟合系数。

图7 HDPE板有效防护距离L与孔隙率α的关系模型图

参数a，b，c，A，B，C的数值对于拟合式(1)是关键的一步，在拟合图6中的各个点之间的关系时，发现6个参数随着入口速度v的变化而不同，如图8所示。图8为各系数的拟合曲线与实验数据的关系比较图，从图8可以看出，各系数随着入口风速的变化而变化，根据图8的模拟试验数据，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

对于拟合系数a，b，c，A，B，C，相关系数R2在区间[0.983 5 -0.995 7]内。本次试验数据与沙的许多特性有关，如沙粒的粒径、沙粒相体积分数等，因此a，b，c，A，B，C拟合公式中的常数与模拟采用的数据有直接关系。将各参数带入式(1)中，可得到有效防护距离L随着入口风速v和孔隙率α变化的经验公式，即

(3)

图8 各参数与入口速度的拟合关系分布图

4 试验数据验证

现场试验段起止里程为DK384+990.93—DK386+680.00，全长为1 689.07 m，工点位于茫崖行委大乌斯一带，其中DK386+000—DK386+680布设1.5 m高和50%孔隙率的HDPE板高立式沙障，长度约为700 m。在HDPE板沙障迎风侧和背风侧分别布设梯度式风速仪(图9)，可根据需要调节风速仪高度，在此处将高度设置距地面高度0.1，0.3，1.0和1.5 m，测试结果如图10所示。

图9 梯度式风速仪

图10 不同风速下HDPE板挡沙障的有效防护距离

由图10可以看出，公式的拟合值与现场实测值基本相同，由于现场试验过程中风速在不断变化，导致结果存在一些差异，但最大偏差仅为4.5 m，两者具有较好的一致性，证明本文计算方法具有一定的正确性。

5 结 论

(1)风沙流遇到沙障后，气流发生突变，孔隙率为10%时，在HDPE板沙障周围气流分别形成减速区、加速区、高速区、回流区、速度突增区和消散恢复区。随着孔隙率的增大，气流高速区，速度突增区和回流区逐渐消失。

(2)孔隙率在60%时，不会出现低速回流区，主要原因是孔隙率较大，大部分气流穿过沙障孔隙，小部分气流遇阻向上，两者形成的压差较小，不足以产生回流区。

(3)HDPE板有效防护距离与孔隙率的关系模型为：当孔隙率小于50%时，有效防护距离与孔隙率呈一元二次函数分布，孔隙率大于50%时，有效防护距离与孔隙率呈指数函数分布。结合现场试验与所提公式对比，证明了计算公式有一定的准确性，当然也存在一定偏差。本文主要以均匀风速进行数值模拟，而现场风速廓线在监测过程中并不完全遵循均匀风，因此在后续的工作中数值模拟要结合现场实际风速廓线进行。