張 炯

(中鐵第一勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司地質(zhì)路基設(shè)計處，陜西西安 710043)

青藏鐵路延伸線——拉日鐵路是我國第一條純西藏區(qū)運(yùn)營的鐵路，東起青藏鐵路的終點拉薩，沿拉薩河南下，經(jīng)堆龍德慶、曲水縣境，而后溯雅魯藏布江而上，經(jīng)尼木、仁布抵達(dá)日喀則，全長253 km。拉日鐵路東端拉薩一帶地面高程3 650 m，西端日喀則一帶地面高程3 840 m，中間曲水縣一帶最低，海拔高程3 590 m。由于藏南谷地海拔高、氣候干旱、沙源豐富、植物生長季節(jié)短等原因，原地表植被覆蓋度較小，土地沙漠化嚴(yán)重，沿線分布大面積流動沙丘和半固定沙丘，以及半固定沙地，在風(fēng)力的作用下，風(fēng)蝕、沙丘移動、揚(yáng)沙揚(yáng)塵活動頻繁，路基受沙埋和風(fēng)蝕危害嚴(yán)重。依據(jù)拉日鐵路沿線風(fēng)沙與植被等現(xiàn)場調(diào)查結(jié)果，2011—2012年對拉日鐵路風(fēng)沙防護(hù)措施進(jìn)行了風(fēng)洞試驗和現(xiàn)場試驗，并對固沙效果進(jìn)行了觀測，用以驗證完善設(shè)計、指導(dǎo)大規(guī)模的施工。

1 鍍鋁鋅合金板阻沙柵欄

1.1 風(fēng)洞試驗

1.1.1 試驗設(shè)計及模型選取

試驗在中國科學(xué)院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所沙漠與沙漠化重點實驗室室內(nèi)環(huán)境風(fēng)洞中完成。試驗布置見圖1。

圖1 試驗布置

試驗材料材質(zhì)為S320GD+AZ150，阻沙柵欄有開孔率為40%的防風(fēng)網(wǎng)(以下簡稱為“大孔徑”)和開孔率為30%的抑塵網(wǎng)(以下簡稱為“小孔徑”)兩種。其中，大孔徑阻沙柵欄高26 cm，小孔徑阻沙柵欄高30 cm。試驗風(fēng)洞指示風(fēng)速設(shè)定為6，10和15 m/s，風(fēng)速廓線采用畢托管測定，測定高度分別為0.3，0.6，1.2，2.4，4，8，12，16，20 和 25 cm。在試驗過程中，阻沙柵欄上風(fēng)向和下風(fēng)向觀測點分布見表1，其中H代表阻沙柵欄的高度，負(fù)值代表上風(fēng)向，正值代表下風(fēng)向。風(fēng)流場圖使用Sufer8.0進(jìn)行繪制，并繪制其加速度等值線圖。

表1 觀測點距離分布

1.1.2 大孔徑風(fēng)流場

設(shè)定風(fēng)速為6，10和15 m/s 3種風(fēng)速，3種風(fēng)速下的風(fēng)流場圖見圖2。

圖2 3種風(fēng)速下的風(fēng)流場

由圖2可知:風(fēng)流場存在相似性。在阻沙柵欄放置0～3 cm高度處，由于底部存在繞流，且孔徑加速氣流流速，產(chǎn)生加速區(qū)域。在柵欄中部3～8 cm高度下風(fēng)向處，氣流受阻沙柵欄阻擋，在下風(fēng)向形成減速區(qū)域。9～17 cm高度處，風(fēng)速衰減，但流場均勻。18～22 cm高度處再次形成閉合減速區(qū)，22～25 cm高度處則形成加速區(qū)域。

3組風(fēng)速下風(fēng)流場不同之處:在阻沙柵欄底部0～3 cm高度處，風(fēng)速越大，底部最大風(fēng)速值越大。6 m/s風(fēng)速下，最大速度值為9.5 m/s;10 m/s風(fēng)速下，最大速度值為15 m/s;15 m/s風(fēng)速下，最大速度值為23 m/s。隨著風(fēng)速的增大，底部繞流加速現(xiàn)象增強(qiáng)。在柵欄中部3～8 cm下風(fēng)向形成的閉合減速區(qū)域在不同風(fēng)速下范圍也不同。6 m/s風(fēng)速下，3 m/s速度等值線閉合區(qū)域范圍約為7.5H;10 m/s風(fēng)速下，3.6 m/s速度等值線閉合區(qū)域范圍約為2.5H;15 m/s風(fēng)速下，4 m/s速度等值線閉合區(qū)域范圍約為1.5H。隨著風(fēng)速的增加，其閉合區(qū)域范圍減小。

在阻沙柵欄中部9～11 cm高度處，隨著風(fēng)速的增大逐漸形成一個小的加速區(qū)域。6 m/s風(fēng)速下，5 m/s速度等值線在9～11 cm出現(xiàn)彎曲;10 m/s風(fēng)速下，8.2 m/s的速度等值線明顯閉合;15 m/s風(fēng)速下，閉合區(qū)域范圍明顯增大。在阻沙柵欄中部12～18 cm高度處，隨著風(fēng)速的增大，流場逐漸出現(xiàn)閉合減速區(qū)域，但范圍和減速程度較弱。而阻沙柵欄頂部19～25 cm高度處，其流場和底部0～9 cm高度處相似。

1.1.3 大孔徑加速度等值線圖(圖3)

圖3 3種風(fēng)速下的加速度等值線

進(jìn)一步比較3組風(fēng)速下的加速度等值線圖可知，與速度等值線圖分析結(jié)果保持一致。在阻沙柵欄上風(fēng)向，由于阻擋效應(yīng)形成加速區(qū)域，而在下風(fēng)向形成減速區(qū)，在阻沙柵欄底部0～3 cm高度處，由于繞流現(xiàn)象形成加速區(qū)域，但3組風(fēng)速下的最大加速度值逐漸減小，分別為2.8，2.6和2.4 m/s2，隨著風(fēng)速的增大，最大速度增大，但最大加速度值減小。

在柵欄中部3～8 cm高度下風(fēng)向處形成明顯的閉合減速區(qū)域，且隨著風(fēng)速的增大，閉合區(qū)域范圍減小。6 m/s風(fēng)速下，0.8 m/s2加速度等值線閉合區(qū)域范圍約為12H;10 m/s風(fēng)速下，0.5 m/s2加速度等值線閉合區(qū)域范圍約為3H;15 m/s風(fēng)速下，0.3 m/s2加速度等值線閉合區(qū)域范圍約為1.5H。

在阻沙柵欄中部9～11 cm高度處，隨著風(fēng)速的增加形成加速區(qū)域，而12～18 cm高度處，隨著風(fēng)速的增大，出現(xiàn)減速程度較弱的閉合減速區(qū)域。頂部19～28 cm高度處，其加速度等值線和0～9 cm處相似，但其最大加速度值較小，減速程度較弱。

1.1.4 小孔徑風(fēng)流場(圖4)

圖4 10 m/s風(fēng)速下的風(fēng)流場

分析3組風(fēng)速下的速度等值線圖可知三者流場結(jié)構(gòu)相似。在阻沙柵欄上風(fēng)向，速度等值線稀疏且平緩。在下風(fēng)向，由于阻沙柵欄的阻擋形成低速風(fēng)影區(qū)。

在阻沙柵欄底部0～2 cm高度處，由于底部繞流現(xiàn)象形成加速區(qū)域，而2～22 cm高度處速度等值線較密，速度變化較為劇烈，形成風(fēng)速迅速衰減的趨勢，且風(fēng)速最小值存在于阻沙柵欄2～8 cm高度下風(fēng)向處。

3組風(fēng)速下風(fēng)流場的不同之處:在阻沙柵欄底部0～2 cm高度處，風(fēng)速越大，底部最大風(fēng)速值越大。6 m/s風(fēng)速下，最大速度值為10 m/s;10 m/s風(fēng)速下，最大速度值為15 m/s;15 m/s風(fēng)速下，最大速度值為20 m/s。隨著風(fēng)速的增大，底部繞流加速現(xiàn)象增強(qiáng)，與大孔徑阻沙柵欄結(jié)論相同。

在阻沙柵欄2～8 cm高度處下風(fēng)向風(fēng)影區(qū)內(nèi)，閉合區(qū)域范圍隨風(fēng)速增大略有增大。以2 m/s風(fēng)速等值線為例，6 m/s風(fēng)速下，閉合區(qū)域范圍約為4H;10 m/s風(fēng)速下，閉合區(qū)域范圍約為6.5H;15 m/s風(fēng)速下，閉合區(qū)域范圍約為7H。可見，風(fēng)速增大，閉合區(qū)域范圍有增大趨勢，但增大幅度較小。

在阻沙柵欄9～10 cm高度處，隨著風(fēng)速的增大，出現(xiàn)一個逐漸閉合的加速區(qū)域。其中，6 m/s風(fēng)速下，4.5 m/s速度等值線彎曲程度較小;10 m/s風(fēng)速下，7.5 m/s速度等值線彎曲幅度變大，且逐漸閉合;15 m/s風(fēng)速下，12 m/s速度等值線明顯閉合，形成加速閉合區(qū)域。

1.1.5 小孔徑加速度等值線圖(圖5)

圖5 10 m/s風(fēng)速下的加速度等值線

通過比較3組風(fēng)速下的加速度等值線圖可知:在阻沙柵欄上風(fēng)向，由于阻沙柵欄的阻擋效應(yīng)形成加速區(qū)域;在下風(fēng)向，形成低速風(fēng)影區(qū)。在阻沙柵欄底部0～2 cm高度處，由于繞流現(xiàn)象形成加速區(qū)域。但是3組風(fēng)速下的加速度等值線圖略有差別。在上風(fēng)向，不同風(fēng)速下的加速度值有所差別。6 m/s風(fēng)速下，上風(fēng)向最大加速度值為1.4 m/s2;10 m/s風(fēng)速下，最大加速度值為1.1 m/s2;15 m/s風(fēng)速下，最大加速度值為1.0 m/s2。可見風(fēng)速越大，最大加速度值越小。

阻沙柵欄底部最大加速度值隨風(fēng)速增大無明顯變化規(guī)律，分別為2.8，2.6和2.7 m/s2。而阻沙柵欄2～8 cm高度處下風(fēng)向最大加速度值隨風(fēng)速的增大明顯減小，3組風(fēng)速下分別為0.4，0.2 m/s2和0。

1.1.6 大小孔徑阻沙柵欄差別

選取10 m/s風(fēng)速下大孔徑和小孔徑阻沙柵欄的加速度等值線圖(圖3(b)和圖5)進(jìn)行比較分析。大孔徑加速度等值線圖結(jié)構(gòu)較小孔徑加速度等值線圖復(fù)雜。在阻沙柵欄放置處，大孔徑阻沙柵欄0～3 cm高度范圍內(nèi)形成加速區(qū);3～8 cm高度范圍內(nèi)形成減速區(qū);9～11 cm高度處加速度等值線形成加速區(qū)，但加速度值較小;12～18 cm高度范圍內(nèi)再次形成減速區(qū);19～25 cm高度處則形成加速區(qū)。

小孔徑加速度等值線圖結(jié)構(gòu)較簡單。在阻沙柵欄放置處，0～2 cm高度范圍內(nèi)形成加速區(qū)域;2～9 cm高度范圍內(nèi)形成減速區(qū)域;9～10 cm高度處形成范圍較小的加速區(qū)域;11～22 cm高度范圍內(nèi)加速度等值線平直無彎曲;而22～25 cm高度范圍內(nèi)則形成減速區(qū)域，與大孔徑減速區(qū)19～25 cm高度不同。

在下風(fēng)向，兩者的影響范圍存在不同。以加速度等值線0.4 m/s2為例，大孔徑其閉合區(qū)域范圍約為2H;而小孔徑閉合區(qū)域范圍約為11H，其影響范圍遠(yuǎn)較大孔徑阻沙柵欄大。

1.2 鍍鋁鋅合金板野外現(xiàn)場試驗

高度1.9 m;材質(zhì)為DC51+AZ，靜電粉末噴涂防腐;孔隙率為30%，40%;立柱為H型鋼(Q235)。阻沙柵欄外貌如圖6所示。

圖6 阻沙柵欄(DK219處)

現(xiàn)場試驗表明，鍍鋁鋅合金板鋼質(zhì)柵欄強(qiáng)度高、使用年限長、安裝簡單且很美觀，孔隙率為30%的小孔徑鍍鋁鋅合金板鋼質(zhì)柵欄對防治風(fēng)沙效果更加明顯。

1.3 試驗結(jié)果

通過以上風(fēng)洞試驗及野外現(xiàn)場試驗，兩組鋼質(zhì)柵欄都對風(fēng)的加速度起到了顯著的作用。①兩組鋼質(zhì)柵欄極大地削減了風(fēng)的能量，以加速度等值線0.7為例，在15H處都沒有閉合。由于風(fēng)的能量與風(fēng)速的平方為正比例關(guān)系，因此在15H距離內(nèi)風(fēng)的能量被明顯降低了50%以上。②風(fēng)速越高，兩組鋼制柵欄對風(fēng)的能量限制的比例越大。通過加速度曲線可以明顯看到，風(fēng)速越大，網(wǎng)后加速度等值曲面閉合越遠(yuǎn)。因此對于自然界15 m/s以上風(fēng)速，這兩組鋼質(zhì)柵欄能起到的作用將會更大。③小孔徑鋼質(zhì)柵欄的影響要好于大孔徑鋼質(zhì)柵欄。

2 天然環(huán)保新材料

2.1 植物纖維固沙障風(fēng)洞試驗

試驗在中國科學(xué)院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所室內(nèi)風(fēng)洞實驗室內(nèi)完成。試驗指示風(fēng)速分別為6，10和15 m/s 3組。試驗材料為兩種新型固沙網(wǎng)，分別為椰子殼纖維無紡織網(wǎng)和麻纖維編織網(wǎng)(表2)，測定其在3組風(fēng)速下的流場圖。

表2 植物纖維固沙障材質(zhì)

測量位置分別為固沙障上風(fēng)向－10H，－5H，－2H和 －1H，固沙障下風(fēng)向 0.5H，1H，2H，4H，8H，12H 和16H。

風(fēng)流場分析選用兩種固沙障10 m/s風(fēng)速下的風(fēng)流場進(jìn)行對比。分析表明:在固沙障上風(fēng)向，固沙障對氣流產(chǎn)生擾動減速作用，風(fēng)速減小，在沙障后形成低速風(fēng)影區(qū)，達(dá)到了和草方格相似的流場。

2.2 現(xiàn)場試驗

植物纖維固沙障規(guī)格:高20 cm，1 m ×1 m，立柱為開槽帶帽的專用立柱。外貌見圖7。

圖7 JGSHF200-3025A麻纖維固沙障(DK220處)

經(jīng)過實地觀測，JGSCF200和JGSCF200A兩種植物椰子殼固沙障的抗日曬、雨淋能力較差，壽命較短;而JGSHF200-3025A麻纖維網(wǎng)，強(qiáng)度高，在日曬雨淋條件下，依然完好，適合做防沙材料。

3 結(jié)語

從實驗室試驗及野外試驗結(jié)果來看，鍍鋁鋅合金板鋼質(zhì)柵欄在防風(fēng)治沙上有明顯的效果，且具有強(qiáng)度高、使用年限長、輕便、安裝簡單和美觀的效果，宜選用孔隙率為30%的小孔徑抑塵網(wǎng);天然環(huán)保新材料中麻纖維固沙障固沙效果顯著，抗老化強(qiáng)，宜全線使用。

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