多孔固沙砖机械沙障防风固沙效果的风洞试验研究

孙 婧, 王 君, 王海龙,3, 洪俊哲, 张少云

(1.河北建筑工程学院 土木工程学院,河北 张家口 075000;2.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;3.石家庄铁道大学 交通运输学院,石家庄 050043)

沙漠化是全球面临的一个重大生态环境问题,风沙运动是沙漠化发展的主要表现形式[1]。风沙对铁路的危害为风蚀、沙埋。近年来,随着国家“一带一路”战略的实施、西部交通干线建设大规模开展[2],工程治沙已成为铁路风沙危害防治的重要技术手段,工程治沙措施包括机械沙障、引水拉沙、沥青固沙、导风板等。其中,机械沙障主要是通过改变下垫面的性质,达到增加地表粗糙程度来实现降低风速、减小风沙对铁路侵蚀的目的。

常用的机械沙障种类主要有塑料网格、麦草、黏土、尼龙网和土工布等。目前国内外对机械沙障的研究主要集中在新型沙障材料、沙障形式等方面。在沙障材料方面,屈建军等[3]发现聚乳酸(polylactic acid,PLA)网格沙障这一新型沙障耐辐射、耐老化,防沙效果好;Rosenbrand等[4-5]表明粗砂沙障强度高,是一种有前景的新防沙措施;Wang等[6]研究发现模拟灌木这一新型沙障内沙粒沉积量与风速呈正相关。在沙障形式方面,基于数值模拟和风洞试验,学者们对不同形式机械沙障进行了结构参数优化设计、风沙流场特性及固沙机理等研究,目前沙障形式主要有高立式和低立式两大类,高立式沙障类型有多孔栅栏、PE网等,比如Wang等[7]研究发现多孔栅栏可有效降低风速,设置双排栅栏会提高拦沙率;沈国辉等[8]对高度较高的蝶形防风网进行风洞试验,发现体型和角度对风场有较大影响。低立式沙障主要有麦草、砾石、沙袋、土工布等形式[9],孙浩等[10]通过野外试验研究得到多边形草沙障的防风固沙效能高;高天笑等[11]研究发现20 cm高的低覆盖度羽翼袋沙障防风积沙效应更显著;Vivek等[12]研究了土工布包裹沙障受沙粒粒径影响,粒径越小,衰减系数越小;Wang等[13]在风洞中比较草棋盘屏障(straw checkerboard barrier,SCB)和岩石棋盘屏障(rocky checkerboard barrier,RCB)的风沙流场,表明SCB适合弱风区、RCB适合强风区。

综上所述,不同沙障材料及形式的选择主要基于风沙防护工程所在区域的自然条件、施工条件、运输条件和成本控制等,需根据实际情况及风沙防护效果进行选择。本文依托鱼卡(红柳)至一里坪线新建地方铁路工程,该线位于青海省海西州大柴旦行委,总体为开阔的平原地貌,常年寒冷干燥,主导风向为西北风,多风沙,持续性风沙对铁路的安全运营造成严重威胁。由于红一线沿线所经区域不同,风沙发育特点也不一样,针对风速较小(6～11 m/s)、但出现频次较高的区段,本文设计了近地表多孔方格状结构的机械沙障作为固沙措施。本文沙障由单块多孔固沙砖块铺设而成,考虑到本线灾害区段,风积沙分布广泛,为节省远距离运输成本、以沙治沙,制备砖块的沙障原材料选用的是风积沙,利用固化剂将其固化制备成多孔固沙砖。吴溢文等[14]提出制备多孔固沙砖来辅助化学固沙的构想,但目前只停留在制备阶段,未对其进行风沙防护方面的试验及应用研究。王海龙等[15]通过前期试验和数值模拟研究,确定单块多孔长方体固沙砖结构参数是40 cm×11.5 cm×20 cm(长×宽×高),开孔半径3.6 cm,孔隙率为10%;多孔固沙砖组成的机械沙障结构形式为上下两层、规格为1 m×1 m的方格;这种多孔对称方格结构,沿线铺设,规模较大,不同于传统的低立式沙障,结构规律性很强。

因此,基于风洞试验,本文重点研究了这种新型多孔固沙砖方格沙障结构的风压分布及防风固沙效果;通过净风条件下改变多孔固沙砖机械沙障与主导风向之间的角度,研究了不同铺设角度下,沙障结构表面风压特性和分布规律,进而在风沙条件下分析了沙障周围沙粒分布规律和障后风速衰减情况,为这一新型沙障在铁路风沙防护上的应用提供技术参数。

1 风洞试验

1.1 试验概况

风洞试验在北京延庆区中科院电工所进行。该风洞为直流式风沙型风洞。风洞试验段长度为20 m,宽度3 m,高度2.5 m,试验段风速在0～30 m/s范围内可调。风洞试验段速度场的不均匀性小于1.0%,方向场的不均匀性均小于1.0°,轴向静压梯度小于0.003 m-1[16]。在风洞中可进行净风条件下的测压试验,风洞测压装置采用美国PSI扫描阀公司的DTCnet电子式压力扫描阀系统,风压采样频率330 Hz。通过试验段顶部的漏沙装置还可进行风沙条件下的试验,本文风沙试验中风速测量仪采用的是中国科学院寒区旱区环境与工程研究所开发的防沙风速廓线仪,内部主要由传感器和变送器组成,外部由1根转接线与电脑连接。该测试仪共设10个皮托管探针,采样频率均为2 Hz,在试验之前,采用标准皮托管对风速廓线仪的所有皮托管进行校准,使得各探头的测量误差均小于0.15%[17]。沙粒采集使用的是梯度集沙测量仪,通过记录集沙盒内沙粒质量(精度至0.001 g),得到不同高度处的沙浓度分布,试验设备如图1(a)所示。

(a) 风沙试验设备

(b) 风积沙颗粒形貌

(c) 沙粒筛分析曲线

(d) 现场风玫瑰图图1 试验概况图Fig.1 Test overview chart

根据红一线风沙灾害路段沿线采样结果,如图1(b)所示,风积沙颗粒呈近圆球形。经筛分析试验得沙粒筛分析曲线如图1(c),粒径范围在0.08～0.4 mm的沙粒质量分数在89%左右。杨具瑞等[18]研究发现当沙粒平均粒径在0.141～0.314 mm范围时,沙粒对应的启动风速在5.3～7.8 m/s,当风速>7.8 m/s时,风沙流开始发育,现场10月—次年5月风速值在6～11 m/s的频次多,现场实测风玫瑰图如图1(d)所示,因此本文风洞试验风速采用10 m/s。

1.2 试验模型

本试验上下两层多孔固沙砖沙障原型的高度为40 cm,为满足相似性理论中几何相似条件,保证试验模型与试验原型几何相似[19],同时充分考虑流场的稳定性,确定模型缩尺比为1∶3。单块固沙砖试验模型如图2(a)所示,具体尺寸为长13.33 cm,宽3.83 cm,高6.67 cm,孔半径为1.2 cm,孔隙率为10%。机械沙障试验模型如图2(b)所示,是由单块多孔固沙砖堆砌成上下两层的方格阵列形式。由于沙障为对称规律结构,因此,截取沙障的一部分重复单元做研究对象,同时考虑测试模型与风洞边壁的最短距离不应小于试验段宽度的15%[20],设计摆放3排2层多孔方格固沙砖机械沙障,横向总长为134.31 cm,纵向总高度是13.33 cm。

(a) 单块固沙砖模型尺寸

(b) 多孔固沙砖机械沙障模型尺寸图2 固沙砖机械沙障模型图Fig.2 Sand barrier model of sand-fixing brick machinery

根据课题组对多孔固沙砖机械沙障的数值模拟研究,前2排固沙砖受风压影响较大[21],因此重点研究了沙障迎风侧前2排固沙砖的风压情况。试验模型的测点布置,如图3所示。单块横向固沙砖,即图3(a)中A～P砖块,迎风面和背风面各设置7个测点,测点编号规则为字母编号+排数编号+数字编号,其中,英文字母为横向砖块编号,按A～P依次排序,大写字母代表迎风面,小写字母代表背风面,见图3(b)中A砖块例子所示,其余横向砖块以此类推。每排测点共224个,2排共计448个测点。纵向固沙砖与横向砖块彼此紧靠,受到风压作用的面积小,且为排除密集测点对固沙砖风压影响作用,故纵向砖块不再布置测点。

(a) 试验模型测点布置图

(b) A砖块测点编号图图3 沙障模型风压测点布置图Fig.3 Layout of wind pressure measuring points in sand barrier model

1.3 试验工况设计

本文试验分别在净风和风沙条件下进行,通过净风条件下的测压试验得到最优角度工况,进一步在风沙条件下利用测速试验和沙粒沉积规律来验证沙障在最优铺设角度时的防风固沙效果。

1.3.1 净风条件下的试验

为分析净风条件(风速10 m/s)、不同铺设角度下多孔固沙砖沙障结构表面的风压特性和分布情况,设计的角度工况如图4所示,其中铺设角度α是沙障与主导风向(西北风)之间的角度。铺设角度由0°开始,每增加15°测试1次,直至90°,共计7个角度、7种工况。由图4可知,模型在风洞试验段摆放位置,通过模型下方转盘转动来控制角度变化。

图4 角度工况图Fig.4 Angle working condition diagram

1.3.2 风沙条件下的试验

净风试验后得到最优工况,在最优角度条件下,对多孔固沙砖机械沙障进行风沙试验。在沙障后侧20 cm处布置风速廓线仪,共计10个风速测点,分别采集5 mm、10 mm、15 mm、50 mm、100 mm、250 mm、500 mm、750 mm、1 000 mm、1 250 mm高度位置处风速。

风沙试验结束后收集障后不同位置处积沙,通过计算一定沙浓度条件下的沙粒沉积率[22],来研究机械沙障的固沙效果。其中,沙粒沉积率计算如式(1)所示

(1)

式中:λ为多孔固沙砖沙障单个方格内的沙粒沉积率,g/(m2·s);m为单个固沙砖方格内沙粒总沉积质量,g;t为落沙时间,s;s为方格面积,本文中是0.11 m2。

1.4 数据处理

净风条件试验中,使用Matlab和Surfer软件对风压时程数据进行处理分析,通过计算平均风压系数来研究铺设角度对多孔固沙砖机械沙障所受风压的影响。为防止测压管道弯曲和挤压造成压力信号不准确,在测压管输出风压时程数据时进行数学畸变修正后[23],平均风压系数和风速计算如式(2)所示

(2)

式中:Cp,mean为平均风压系数;pref中为相对参考静压,即在风洞试验中连通外界大气压作为参考静压;为采样周期内得到的平均风压;ρ为试验时的空气密度,1.225 kg/m3;Uref为来流风向在参考高度处的平均风速;本文风洞试验参考高度为0.4 m,模型周边风场干扰小。本文规定平均风压系数为正时,试验模型受到了来流风的压力;平均风压系数为负时为风吸力,正负只代表方向,不代表大小。

2 净风条件下风洞试验结果分析

在净风条件、风速10 m/s的情况下,分析前2排多孔固沙砖在0°铺设角度下所有测点的风压特性,确定沙障风压分布和变化原因,得到关键性测点位置;其次,在相同试验条件、0°～90°不同铺设角度范围内,进行关键性测点的风压分布及其变化规律,以确定最优角度工况。

2.1 0°铺设角度下多孔固沙砖沙障表面风压分布规律分析

0°铺设角度下,采集如图3(a)中所示所有测点的风压时程进行数据处理,绘制如图5所示的平均风压等值线图,其中,横向方向是与来流风向垂直的迎风面,铺设总长约为134.31 cm;纵向为固沙砖高度增加的方向,2层固沙砖高度为13.33 cm;排向为沙障排数增加的方向。

(a) 第1排迎风面平均风压等值线图

(b) 第1排背风面平均风压等值线图

(c) 第2排迎风面平均风压等值线图

(d) 第2排背风面平均风压等值线图图5 沙障不同位置处平均风压等值线对比图Fig.5 Comparison of isolines of average wind pressure at different locations of sand barrier

沙障第1排迎风面(图5(a))平均风压系为正值,其数值在0.02～0.16之间波动,此处风流基本没有发生回流,但背风面(图5(b))平均风压系数值在0.9～1.1之间波动,且数值为负,说明风流经过孔洞发生了分离,风向改变;同时,固沙砖带有孔洞,风流穿过第1排孔洞到达第2排,部分风流来不及从第2排孔洞流失,受到固沙砖的阻挡,在第1排与第2排之间的方格内不断循环回流,产生了小型涡旋[15],因此背风面受较大风吸力。

沙障第2排迎风面(图5(c))处平均风压系数均是负值,最大数值为1.05,与第1排背风面相比,二者平均风压系数值近似,这是因为第1排背风面、第2排迎风面均是处于沙障同一方格壁面,此时风循环回流使得方格内壁整体受压均匀稳定,即稳定涡旋。第2排背风面(图5(d))处的平均风压系数为负,且数值在0.1～0.85之间波动,因受到前排固沙砖遮挡作用,到达第2排背风面处风流较少,该面所受风压比第1排背风面处要小。

由图5可知,多孔固沙砖沙障结构对称,风压分布具有规律性,第1排迎风面受风压力,方格内部的固沙砖壁面均受风吸力;随着排数增加,受到前排固沙砖的遮挡作用,后排固沙砖风压逐渐减小,整体沙障方格结构以此类推。沙障平均风压系数呈对称分布,风压自地表随沙障高度(纵向0～13.33 cm)增加而增大,受孔结构影响,在横向0～134.31 cm铺设方向上,沙障左右边缘处风压有波动但平均风压系数值较中间位置处偏小,主要原因是风流穿过每排固沙砖孔洞时,沙障边缘处部分风流通过固沙砖与风洞侧壁形成的通道快速流失。

2.2 不同铺设角度对多孔固沙砖沙障风场特性的影响

2.2.1 关键性测点的选择

基于2.1节分析结果可知沙障两侧边缘处平均风压系数波动大,因此选择关键性测点进行风压分析时,应重点监测左右两侧固沙砖边缘测点的风压;又因为距地表不同高度处固沙砖所受风压会有变化,所以需对纵向最低和最高测点进行风压研究。同时,固沙砖沙障属于对称结构,且有开孔设计,砖块中间测点的两侧均有孔洞。

因此,本文选取多孔固沙砖(迎风面A～D、M～P砖)最左和最右边缘处测点,以及8块单块固沙砖(迎风面E～L砖)的中间测点做关键性测点,背风面也按照此原则选择关键性测点。关键性测点标记如图6所示。

图6 多孔固沙砖上关键性测点布置图Fig.6 Layout of key measuring points on porous sand-fixing bricks

2.2.2 不同铺设角度下多孔固沙砖沙障风压系数分析

试验得到沙障前2排多孔固沙砖的关键性测点的风压数据,不同铺设角度下沙障所受风压的变化如图7所示。根据关键性测点在沙障上分布的位置,将图7中的风压测点划分为①、②、③三个区域。另外,由于沙障结构的对称性,0°和90°的铺设角度属于同一个方格阵列,由0°的横排方向转成90°的侧排方向,二者工况条件相同,所以90°铺设角度的工况不予重复考虑。

(a) 第1排迎风面

(b) 第1排背风面

(c) 第2排迎风面

(d) 第2排背风面图7 多孔固沙砖沙障在不同铺设角度下风压对比图Fig.7 Comparison of wind pressure of porous sand-fixing brick sand barrier at different laying angles

由图7(a)可知,在0°～15°,沙障第1排迎风面主要承受风压力,风压较小,整体平均风压系数值变化稳定;在15°～90°,沙障所受风压由正值变负值,说明铺设角度增大时,第1排固沙砖与来流风形成夹角,起到了分流作用,风流沿固沙砖表面行进过程中,部分通过固沙砖孔洞进入方格到达背风面,风流再次分离,风向发生改变。铺设角度为15°时,沙障的平均风压系数最小,风回旋最小,最小数值为0.02。

由图7(b)可知,沙障第1排背风面在不同铺设角度下平均风压系数均为负值。铺设角度为0°时,平均风压系数变化稳定,整体风压波动范围小;但随着铺设角度由0°不断增加至90°,该面的平均风压系数值逐渐降低,在0.31～0.94之间波动;铺设角度增大时,孔洞不再垂直来流风向,进入孔洞的总风量变小,沙障第1排背风面受到的风压不仅变小,风压波动范围也在变大,方格内风循环回流产生了不稳定的涡旋。

由图7(c)可知,沙障第2排迎风面在不同铺设角度下平均风压系数均为负值。0°铺设角度时,平均风压系数值波动非常小且趋于一条线;铺设角度增大时,该面在0°～15°的风压波动小,所受风压逐渐减弱,而在15°～90°风压波动剧烈。对比沙障第1排,在0°～90°,第2排迎风面所受风压比第1排小,且平均风压系数波动范围也在缩小,主要因为第1排和侧面的固沙砖对风流起遮蔽作用,导致到达第2排迎风面的风量更小,第2排迎风面所受风压骤然减小,风压波动范围大,方格内仍是不稳定的涡旋。

在图7(d)可知,在0°～90°,沙障第2排背风面的风压系数值在0.40～0.79之间波动,且均为负值。0°铺设角度下该面受压稳定,0°～15°铺设角度下的风压波动范围比15°～90°的波动范围小。对比图7(c),第2排迎风面和背风面在各铺设角度下的平均风压数值相近,第2排整体受压均匀,且受前排固沙砖遮蔽作用,第2排固沙砖要比第1排受压更稳定。

由图7可知,在0°～15°铺设角度下,沙障的①、②、③区域处均受压稳定,数值波动小;在15°～90°铺设角度范围内,②区域的风压波动更加剧烈且受压较小。综合分析可知,铺设角度变化时,沙障关键性测点的平均风压系数随角度发生明显变化,说明沙障所受风压对铺设角度的变化非常敏感。但总体来看,在0°～15°铺设角度下,多孔固沙砖沙障整体所受风压波动变化稳定,平均风压系数值偏小,因此为最优铺设角度工况。

3 风沙条件下风洞试验结果分析

3.1 风沙试验

根据现场调研,红一线风沙灾害路段处沙粒粒径范围主要在0.08～0.4 mm,且现场风速值在6～11 m/s的频次多,该区段极易形成沙尘暴天气。郝贠洪等[24]对不同地区铁路进行了风沙调研测试,发现沙尘暴条件下的沙尘浓度大约在5～10 g/m3。因此,本试验通过风洞顶部漏沙装置来调节漏沙量,落沙时间为60 s,利用梯度集沙仪测试沙浓度,得到如图8所示的沙浓度分布,最终控制在10 m/s的风速条件下,风洞内15 cm高度处的平均沙质量浓度为5.152 5 g/m3,来模拟实际的风沙环境。

图8 不同高度下的沙浓度Fig.8 Sand concentration at different heights

通过不同铺设角度下多孔固沙砖沙障风场特性分析可知,在净风、风速10 m/s的试验条件下,沙障在0°铺设角度下风压稳定,铺设最方便,因此选择在0°铺设角度下进行多孔固沙砖沙障的风沙风洞试验,来分析沙障的防风固沙效果。模型布置如图9所示,图中沙障方格编号从第1排左侧开始依次为1-1～1-4,第2排左侧开始依次为2-1～2-4。

图9 多孔固沙砖沙障积沙情况Fig.9 Sand accumulation in porous sand-fixing brick barrier

3.2 积沙结果分析

风沙试验结束后,收集方格内沉积沙粒,根据式(1)计算沙障每个方格内的沙粒沉积率。从表1中数据可知,沙障第1排固沙砖后方格内的平均沙粒沉积率为116.75 g/(m2·s),第2排后方格内的平均沙粒沉积率为13.35 g/(m2·s),第1排固沙砖后方格的平均沙粒沉积率是第2排砖后的8.7倍,第1排固沙砖后方格的积沙量占方格总积沙量的88%,说明当风沙流运动时,沙障的第1排固沙砖拦截沙粒的作用最强,固沙效果明显,只有少量沙粒随风流穿过孔洞或翻越砖块,在第2排砖后的方格内沉降。从表1还可看出,1-2和1-3方格的沙粒沉积率大于1-1和1-4方格,2-2和2-3方格的沙粒沉积率大于2-1和2-4方格,说明沙障中间部分的方格固沙能力强,而在方格边缘处,一部分沙粒通过固沙砖与风洞侧壁形成的通道流失了,沙粒沉积率减小。风沙试验后沙障的积沙情况,如图9所示,近地表流动沙粒受到阻挡作用主要堆积在沙障第1排固沙砖前;部分穿越砖体孔洞,在小型涡旋作用下发生沉降,堆积在沙障第1和第2排固沙砖后的方格内;极少部分沙粒在沙障第1排固沙砖边缘处通过风洞通道被风流带到整个沙障后侧沉积。

表1 沙障不同位置方格内的沙粒沉积率Tab.1 Sand deposition rate in different locations of sand barrier

3.3 风沙条件下风速衰减情况分析

利用风速廓线仪对净风条件和风沙条件下,障后不同高度位置的风速进行了测试和对比,得到图10障后风速廓线图。如图10所示,风沙条件下,在沙障高度13.33 cm范围内,障后最低风速为1.92 m/s,最高风速为2.99 m/s,障后平均风速衰减率为75.5%;沙障对10 m/s的初始风速起到了明显的衰减作用,且将风速有效的降到了小于风沙流发育的范围(风速<7.8 m/s),因此风流携沙能力明显减弱,沙粒沉积下来。

图10 0°铺设角度下障后风速廓线图Fig.10 Wind speed profile behind the barrier at 0° laying angle

同时,对比净风和风沙下的障后风速廓线图可知,0°铺设角度时,在沙障高度13.33 cm范围内,风沙条件下的障后风速衰减很快,此时,风沙流在方格内形成涡旋,沙粒沉降消耗风能导致风速快速降低。而超过沙障高度后,风沙下的障后风速较净风条件下要大,主要是因为能够达到高速运动的只有处于高层处的少量细沙颗粒,小颗粒运动过程中与风的接触面积小,风对沙粒的阻力减小,从而沙粒促进了风流加速。因此,尽管超过沙障高度处的风沙流速度较大,但由于距地表10 cm以上,气流搬运的粒沙不到总量的10%[25],多孔固沙砖沙障在近地表处仍能够有效地防风固沙。

4 结 论

本文以多孔固沙砖方格沙障为研究对象,在净风条件下分析了0°～90°不同铺设角度下沙障的风压分布特点;并在最优角度工况下进行风沙试验,来验证沙障的防风固沙效果,主要结论如下:

(1) 在0°铺设角度下,沙障第1排固沙砖迎风面所受风压为正,平均风压系数在0.1～0.26波动;风流通过第1排孔洞进入方格内,风向发生改变,方格内部所受风压变为负值;随着排数增加,受到前排固沙砖的遮挡作用,后排固沙砖风压逐渐减小。

(2) 0°铺设角度时,沙障整体结构风压呈对称分布,中间位置处所受风压较大,数值稳定,而左右边缘处则是风压波动较大。

(3) 多孔固沙砖沙障所受风压对铺设角度变化敏感。角度从0°增大时,孔洞位置与来流风向形成夹角,进入孔洞的总风量减少,沙障所受风压易产生突变且波动范围逐渐变大;在0°～15°铺设角度下,沙障整体受压稳定,风压波动范围小,属于最优铺设角度范围。

(4) 风沙试验结果表明,0°最优铺设角度下,近地表流动沙粒主要被阻拦在沙障第1排固沙砖前和沉降在沙障方格内,第1排固沙砖后方格内的平均沙粒沉积率是第2排后的8.7倍,第1排方格固沙效果最明显,通过增加固沙砖排数可有效提高沙障固沙效果。沙高度13.33 cm范围内,障后风速平均衰减率为75.5%使得越过沙障的沙粒快速沉降。