211234531_格库铁路芦苇把阻沙栅栏风沙防护参数优化设计

格库铁路东起青海省格尔木市西至新疆库尔勒市,是新疆第3条出疆铁路,全长1214km ,开辟了新疆中部到青海中部的轨道交通,完善了中国西部铁路网,对推动区域经济发展、促进民族团结以及“一带一路”建设具有重要意义。

格库铁路特别是新疆段,沿途风沙地貌类型复杂,依次穿越了阿尔金山山前戈壁、台特玛湖干湖盆,以及塔河下游沙漠化区,沙源极为丰富,且穿过塔里木盆地东部开口,天山东段山脉垭口的气流向西南扩散以及蒙古国高压控制的气流沿河西走廊倒灌形成东北风,风大且频率高,风沙危害极为严重,沿线遭受风沙危害路段约占线路全长的60%以上。

风沙危害防治是该条铁路亟须解决的关键问题。

芦苇是一种重要的防沙材料,具有价格低廉、环保、耐老化等优点,多用于制作半隐蔽式固沙沙障。

自1965年以来,麦草沙障由治沙专家彼得洛夫院士引入中国,并在腾格里沙漠包兰铁路沙坡头路段试用,取得了显著成效[1]。

随后的几十年来,芦苇、麦草
半隐蔽式固沙障继而在中国广大沙区广泛运用[2]。

在塔克拉玛干沙漠公路中,芦苇材料在防沙工程中得到了广泛应用;芦苇排栅栏和半隐蔽式芦苇沙障是防沙工程中的重要组成部分,取得了较好的防沙效益[3-5]。

南疆是芦苇的重要产区,如博斯腾湖,在防
沙材料选择中具有区位优势,且价格低廉。

为增强
芦苇的抗风性能,在格库铁路新疆段防沙工程试验段中,将芦苇捆扎成束状,制作成芦苇把阻沙栅栏,应用于沿线风沙危害防治工程中。

每把芦苇直径为5cm ,把间空隙3~5cm ,孔隙度介于37.5%~50%。

栅栏孔隙度是影响其防护效益的重要因素,大量学者围绕栅栏的最优孔隙度问题开展了研究[6-8],如Li 和
Sher m an [9]总结以往研究成果得出,防风栅栏最优孔隙度介于30%~40%,而防沙栅栏最优孔隙度为50%。

同时,多排栅栏间距也是防沙工程设置的重要参数,但是目前阻沙栅栏间距多定性设置,缺乏系统的量化研究。

为更好的将芦苇把阻沙栅栏应用于格库铁路沿线风沙防治,亟须对芦苇把阻沙栅栏孔隙度、排间距等风沙防护参数进行优化,从而为格库铁路风沙防治提供科学的设计依据。

本研究对芦苇把阻沙栅栏孔隙度、栅栏排间距以及抗风性能进行了风洞实验,并通过野外观测,对防沙工程试验段2道芦苇把阻沙栅栏的阻沙性能进行了观测评价,通过验证风洞实验结果,最终为格库铁路防沙工程设计提供科学依据。

格库铁路芦苇把阻沙栅栏风沙防护参数优化设计*
谭吉睿
(中国铁路乌鲁木齐局集团有限公司格库铁路指挥部,新疆库尔勒841000)
摘
要:风沙危害防治是格库铁路安全运营亟须解决的关键问题。

南疆地区盛产芦苇,是区域廉价、环保的防沙材
料。

本研究对芦苇把阻沙栅栏的最佳孔隙度、抗风性能和排间距等防护参数进行了风洞实验研究,并对其阻沙效益进行了实地监测,旨在为芦苇把阻沙栅栏优化设计提供科学依据。

风洞实验结果表明,当芦苇把直径为5cm 、把间距为3cm (孔隙度为37.5%)时,栅栏防护效果较好,阻沙效率在90%以上,且具有较强的抗风性能;当多排芦苇把阻沙栅栏排间距设置为10~15H 时,风沙防护效果较好。

实地监测结果得出,2道37.5%孔隙度芦苇把阻沙栅栏阻沙效率达98.9%,障后14H 处仍具有阻沙作用,验证了风洞实验结果10~15H 排间距的正确性。

芦苇把阻沙阻沙栅栏适宜在格库铁路风沙防治中推广应用。

关键词:芦苇把;阻沙栅栏;孔隙度;排间距;风沙防治;格库铁路中图分类号:U 216.41
*基金项目:中国铁路总公司科技研究开发计划课题“新建格尔木至库尔勒铁路新疆段风沙防治技术试验研究”(2017G 004-E )。

甘肃科技
G ans u Sci ence and Technol ogy
第39卷第4期
2023年4月
V ol .39N o.4A pr .2023
甘肃科技第39卷
1芦苇把阻沙栅栏风沙防护参数优化风洞实验
不同孔隙度芦苇把阻沙栅栏防护效益和抗风性能风洞实验在中南大学环境风洞高速试验段中进行,洞体尺度为1m×0.8m,试验段长度为3.4m,采用直流下吹模式,风速5~60m/s,边界层高度约为10cm。

不同排间距芦苇把阻沙栅栏防护效益风洞实验在中国科学院沙漠与沙漠化重点实验室风洞中进行,本风洞为直流闭口吹气式风洞,实验段长16.23m,截面积0.6m×1.0m,风速范围0~40m/s,实验段边界层厚度可达15cm。

不同孔隙度芦苇把阻沙栅栏防护效益和抗风性能风洞实验中,芦苇把阻沙栅栏模型采用柠条枝捆扎木柱代替,直径5cm,高度10cm(受风洞边界层高度限制)(图1)。

芦苇把间距分别设置为2cm、3cm、4cm和5cm,对应孔隙度分别为28.6%、37.5%、44.4%和50%。

在20m/s、30m/s和40m/s3种来流风速下,测试栅栏前后不同位置处风流场的梯度分布情况。

流场断面的测试位置为:栅栏模型前1H、3H、5H、10H;模型后1H、3H、5H、10H、15H、20H、25H (H为沙障模型的高度)。

不同排间距芦苇把阻沙栅栏防护效益风洞实验中,芦苇把风洞实验模型采用5cm直径PV C管代替,模型高度10cm,按防沙工程试验段中设置,把间距3cm,对应孔隙度为37.5%。

在16m/s和24m/s来流风速条件下,测定3种不同排间距芦苇把阻沙栅栏前后流场变化情况(图2)。

流场的测试断面位置为:10H 栅栏间距:第1道前5H、1H,第1道后1H、5H、9H,第2道后1H、3H、5H、10H、20H、30H;15H栅栏间距:第1道前5H、1H,第1道后1H、5H、9H、14H,第2道后1H、3H、5H、10H、20H、30H;20H栅栏间距:第2道前5H、1H、第1道后1H、5H、9H、14H、19H,第2道后1H、3H、5H、10H、20H、30H。

实验均采用风速廓线仪进行不同高度梯度风速观测,10路毕托管高度梯度分别为0.4cm、0.6cm、1.2cm、2.0cm、4.0cm、8.0cm、12.0cm、16.0cm、20.0cm 和24.0cm,等风洞入口风速稳定后,进行数据采集,每秒钟采集一个数据,每组实验采集时长30s。

每组实验中,将采集的30个不同高度风速数据进行平均,利用Sur f er10软件制作流场等值线图。

1.1不同孔隙度芦苇把阻沙栅栏防护效益及抗风性能
风洞实验结果表明,在20m/s、30m/s和40m/s实验风速下,随着芦苇把阻沙栅栏孔隙度的增大,风影区面积逐渐减小。

以5m/s等值线作为有效防护距离的参考依据,来说明不同孔隙度芦苇把阻沙栅栏防护效益差异。

20m/s实验风速条件下,当孔隙度为28.6%时,防护距离可达9H,且在0.5H高度以下,障后0~2H出现相对高速区,而37.5%孔隙度有效防护距离为8H, 44.4%孔隙度有效防护距离为6H,到50%孔隙度间距有效防护距离变为2~5H(图3)。

在30m/s实验风速下,当孔隙度为28.6%、37.5%和44.4%时,有效防护距离分别为8H、6H和3H,而到50%孔隙度,障后风速均在6m/s以上,防沙作用明显减弱(图4)。

在40m/s 实验风速下,当孔隙度为28.6%和37.5%时,有效防护距离分别为5H和3H;44.4%和50%孔隙度障后风速分别在6m/s和10m/s以上,防沙作用明显减弱(图5)。

以上结果表明,芦苇把沙障随着孔隙度的增加,防护作用减弱,对于30m/s以上的大风,44.4%和50%孔隙度芦苇把阻沙栅栏防沙作用明显降低。

28.6%和37.5%孔隙度芦苇把阻沙栅栏防沙作用相差不是太大,出于经济成本考虑,建议采用37.5%孔隙度芦苇把阻沙栅栏。

图1不同孔隙度芦苇把阻沙栅栏防护效益及抗风性能风洞实验现场布
置图2不同排间距芦苇把阻沙栅栏防护效益
风洞实验现场布置
34
第4期(a )(b )
(c )(d )
距离(H )距离(H )图320m /s 实验风速下不同孔隙度芦苇把阻沙栅栏流场图
注:(a )28.6%孔隙度;(b )37.5%孔隙度;(c )44.4%孔隙度;(d )50%孔隙度
图4
30m /s 实验风速下不同孔隙度芦苇把阻沙栅栏流场图
注:(a )28.6%孔隙度;(b )37.5%孔隙度;(c )44.4%孔隙度;(d )50%孔隙度
(a )(b )
(c )
(d )
距离(H )
距离(H )
(a )(b )
(c )(d )
距离(H )
距离(H )图540m /s 实验风速下不同孔隙度芦苇把阻沙栅栏流场图
注:(a )28.6%孔隙度;(b )37.5%孔隙度;(c )44.4%孔隙度;(d )50%孔隙度
谭吉睿:格库铁路芦苇把阻沙栅栏风沙防护参数优化设计35
甘肃科技第39卷
2
芦苇把阻沙栅栏阻沙性能野外监测
2.1
现场仪器布置
在格库铁路米兰防沙工程试验段,对防沙体系
中2道芦苇把阻沙栅栏的阻沙效益进行了实地观测,栅栏高度2m ,5cm 把直径,间距为3cm ,两排栅栏间距为40m (20H )。

风沙观测采用1m 高集沙仪,入口尺寸2cm ×2cm ,共50个集沙盒,分别在第1道
栅栏上风侧无影响区(30H ),第1道栅栏后2H 和14H ,第二道栅栏后2H 和12H 架设集沙仪,监测输沙率变化。

集沙仪为便携式楔形集沙仪,高度为1m ,集沙口尺寸为2cm ×2cm 。

2.2
监测结果
监测结果表明,芦苇把阻沙栅栏起到了很好的阻沙效果:经第1道阻沙栅栏后,2H 处防沙效率达93.8%,14H 处防沙效率达97.5%,经第2道阻沙栅栏后防沙
1.2
不
同排间距芦苇把阻沙栅栏防护效益基于沙漠地区的起沙风速,本实验以5m /s 等值线
的分布特征说明不同排间距芦苇把阻沙栅栏防护效益差异。

16m /s 实验风速下,在10H 间距时,5m /s 风速等值线在两排栅栏间完全闭合,高度接近0.5H ,5m /s 风速等值线总长度为22H (图6a );15H 间距下,5m /s 等值线最大高度约为0.3H ,在障后14H 处高度略微下降,5m /s 风速等值线总长度为25H (图6c ),总体与10H 间距防护效益差异较小;20H 间距下,5m /s 等值线在栅栏之间不闭合,长度约为障后7H ,5m /s 风速等
值线总长度为20H ,且每个沙障个体单独起防护作用,防护效益相对减弱(图6e )。

24m /s 实验风速下,栅栏间风速均在7m /s 之上,5m /s 等值线只出现在第2排栅栏后,且等值线高度随排间距的增大而减小,见图6(b 、d 、f )。

因此,栅栏排间距对防护效果的影响主要体现在低风速等值线分布高度,进而影响积沙高度,间距减小能使积沙高度增大,对防护距离的影响不是很大。

基于以上结果,建议防沙工程中37.5%疏透度(5cm 把直径、3cm 间距)芦苇栅栏排间距设置为10~15H ,防护效果相对较好。

(a )(b )
(c )(d )
(e )
(f )
距离(H )
距离(H )图6
不同实验风速下不同排间距芦苇把阻沙栅栏流场图
注:10H 间距:16m /s (a )和24m /s (b )实验风速;15H 间距:16m /s (c )和24m /s (d )实验风速;
20H 间距:16m /s (e )和24m /s (f )实验风速;图中长方形为两道栅栏模型所在位置
36
第4期
效率达98.9%(图7)。

因此,风沙流输沙几乎完全被2道芦苇把阻沙栅栏阻截,起到了较好的阻沙效果。

经三维激光扫描仪监测,2018年栅栏积沙量达4m3/m (图8),表明5cm直径芦苇把阻沙栅栏在3cm把间距时能够取得较好的阻沙效果,验证了风洞实验结果。

同时,在第1道阻沙栅栏后14H和第2道阻沙栅栏后12H,输沙率相比障后2H输沙率仍在降低,说明障后14H和12H处阻沙栅栏仍然起到防护作用,表明10~15H芦苇把阻沙栅栏间距是科学有效的。

实地观测结论证明了风洞实验结果的准确性。

3讨论
孔隙度是决定阻沙栅栏防护效益的主要结构参数之一[10-11]。

国内外学者通过野外观测、风洞实验
和数值模拟等手段对栅栏孔隙度的有效范围进行了大量研究。

阻沙栅栏在障后一定距离范围内降低风速,风速减小量与孔隙度密切相关,孔隙度越小,风速减少量越大。

但是,孔隙度小的栅栏会产生较大的涡流,使得风速在涡流后会很快恢复到原始风速,从而减小栅栏的防护距离。

孔隙度太小,栅栏可能会改变风的方向,而孔隙度太大的栅栏几乎没有能力对气流产生干扰,因而造成沙沉积量较小。

因此,在栅栏的几何设计、高度、长度、厚度、开口尺寸以及几何形状等条件相同的情况下,存在一个最优孔隙度,使得防沙栅栏既能降低足够大的风速,也能提供最佳的遮蔽效果,也就是在降低风速与遮蔽距离之间起到一个平衡作用。

研究结果表明,栅栏的最优孔隙度范围为20%~40%,此时具有较好的防风效应,而40%~50%孔隙度栅栏具有较好的阻沙效应[9]。

本研究得出当孔隙度为37.5%时,芦苇把阻沙栅栏具有较好的防风、阻沙效益,这与以往研究结果一致。

目前关于多排栅栏防护效益的研究较为薄弱。

Fang等[12]利用CFD数值模拟,通过建立同时考虑风速衰减和经济效益的评估参数,对多排栅栏防护效益进行了模拟研究,结果表明,当栅栏排间距为12~ 15H时,能够取得较好的防护效益,且能降低经济成本。

G i l l i es等[13]在美国加利福尼亚州国家海洋沙丘车载娱乐中心对多排不同间距栅栏(孔隙度56%)的防护效益进行了观测研究,结果得出,间距为7H的阻沙栅栏减少了78%的输沙通量,距离第1排栅栏27H 的区域减少了86%;而对于间隔10H的栅栏,整个区域的输沙通量控制在40%,在93H距离处,输沙通量减少了56%。

因此,通过将栅栏靠得更近,7H栅栏间距比10H控制流沙效果好。

本研究得出10~15H芦苇把阻沙栅栏多排间距具有较好的防护效益与Fang 等研究结果一致,同时受区域风况和下垫面性质差异,与G i l l i es等研究结果存在一定差异。

4结论
通过对芦苇把阻沙栅栏最佳孔隙度、抗风性能
100
80
60
40
20
1道沙障后2H1道沙障后14H2道沙障后2H2道沙障后12H
图7阻沙效率沿芦苇把阻沙栅栏观测断面变化规
律
图8格库铁路米兰防沙工程试验段一个风季后
芦苇把阻沙栅栏积沙状况(下转第71页)谭吉睿:格库铁路芦苇把阻沙栅栏风沙防护参数优化设计37
第4期和排间距的风洞实验以及风沙防护效益实地监测,得出以下研究结论:
(1)当芦苇把直径为5cm ,把间距为3cm ,即孔
隙度为37.5%时,芦苇把阻栅栏能够取得较好的阻沙效果,阻沙效率达90%以上,同时具有较强的抗风性能,能够抵抗40m /s 大风。

(2)在设置多排栅栏时,建议芦苇把阻沙栅栏排间距设置为10~15H ,其风沙防护效果较好。

(3)野外观测得出,2道37.5%孔隙度的芦苇把
阻沙栅栏阻沙效率达98.9%,具有较好的阻沙效果,可在格库铁路风沙防治中推广应用。

参考文献:
[1]Q u J ,Zu R ,Zhang K ,et al .Fi el d obs er vat i ons on t he pr o-t ect i ve ef f ect of s em i -bur i ed checker boar d sand bar r i er s [J ].G eom or phol ogy,2007,88(1-2):193-200.
[2]屈建军,凌裕泉,刘宝军,等.我国风沙防治工程研究现状
及发展趋势[J ].地球科学进展,2019,34(3):225-231.[3]王训明,陈广庭,韩致文,等.塔里木沙漠公路沿线机械防
沙体系效益分析[J ].中国沙漠,1999,19(2):25-32.[4]徐新文,胡玉坤,潘伯荣.塔里木沙漠公路防沙体系的防
护效益[J ].干旱区研究,1998(1):21-26.
[5]D ong Z B,Chen G T,H e X D,et al .C ont r ol l i ng bl ow n s and
al ong t he hi ghw ay cr oss i ng t he Takl i m akan D es er t [J ].J our -nal of A r i d Envi r onm ent s,2004,57(3):329-344.
[6]D ong Z B,Luo W Y,Q i an G Q ,et al .A wi nd t unnel s i m ul a-t i on of t he m ean vel oci t y f i el ds behi nd upr i ght por ous f ences [J ].A gr i cul t ur al &For es t M et eor ol ogy ,2007,146(1-2):82-93.
[7]Lee S J ,K i m H bor at or y m eas ur em ent s of vel oci t y
and t ur bul ence f i el d behi nd por ous f ences[J].J our nal of W i nd Engi neer i ng and I ndus t r i al A er odynam i cs ,1999,80(3):311-326.
[8]陈凯,朱凤荣,钮珍南.防风网作用效果的风洞实验评估[J ].
北京大学学报(自然科学版),2006(5):636-640.[9]Li B,Sher m an D J .A er odynam i cs and m or phodynam i cs of
s and f ences :A r evi ew[J ].A eol i an R esear ch,2015,17:33-48.[10]Bean A ,A l per i R W ,Feder er C A.A m et hod f or cat egor i z -i ngs hel t er bel t por os i t y[J ].A gr i cul t ur al M et eor ol ogy ,1974,14(1-2):417-429.
[11]Cor nel i s W M ,G abr i el s D.O pt i m al wi ndbr eak des i gn f or
wi nd-er osi on cont r ol [J ].J our nal of A r i d Envi r onm ent ,2005,61(2):315-332.
[12]Fang H ,W u X X ,Zou X Y ,et al .A n i nt egr at ed s i m ul a-t i on-as s es s m ent st udy f or opt i m i z i ng w i nd bar r i er des i gn[J ].A gr i cul t ur al and For est M et eor ol ogy,2018,263:198-206.[13]G i l l i es J A ,Et yem ez i an V ,N i kol i ch G ,et al .Ef f ect i venes s
of an ar r ay of por ous f ences t o r educe s and f l ux:O ceano dunes ,O ceano CA [J ].J our nal of W i nd Engi neer i ng and I n-dus t r i al A er odynam i cs ,2017,168:247-259.(上接第37页)
院所及企
业的合作,将信息服务形成的成熟产品纳入信息资源库,也可以合作将这些机构内部的信息资源库进行共享共用,更好地满足不同用户的信息需求,更高效地提供服务。

在建立信息资源共享机制的基础上,可以建立任务发布机制,利用信息共享平台,针对用户不同的信息需求,以任务方式向全社会进行发布征集,帮助任务发布者和接受者双方进行信息对接,促进科技成果的转移转化及技术难题的破解等各类创新活动的进行。

此外,可以在科技信息服务过程中建立双向反馈机制及诚信机制,不断完善相关法律法规,推动整个行业健康有序地快速发展。

6结语
科技创新成为引领现代化建设的重要动力,科
技信息服务数字化,使科技信息资源不断丰富,获取渠道更加多样便捷,信息更新速度更加快速,使科技信息服务行业的发展以前所未有的速度发展成熟,也为政府的科学管理和社会的创新创造提供了高效精确的信息资源保障。

“互联网+”背景下,只有不断完善和创新科技信息服务模式,高质量做好信息资源的数字化,才能更好地推动科技进步与经济社会发展。

参考文献:
[1]王伟亮,林瑞明.“互联网+”时代科技信息服务模式探究[J ].
图书馆学刊,2017,39(9):85-89.
[2]蒋劲松,苗蕾,刘廿明.面向区域创新的科技信息服务模
式研究[J].企业技术开发,2018,37(11):110-113.[3]马晓瑾.科技信息资源管理创新对科技创新服务的重要
性研究[J].江苏科技信息,2019,36(31):16-18.
彭吴霞:“互联网+”背景下科技信息服务与宣传实践探索71。