草方格沙障高度與間距對(duì)防沙固沙效果的影響研究

柳軍 肖玉濮 于曙華 周孟坤

摘要：為有效解決沙漠公路風(fēng)沙防護(hù)難題，文章依托新疆烏尉沙漠公路建設(shè)項(xiàng)目，采用Fluent有限元軟件建立了草方格沙障數(shù)值模型，研究不同蘆葦高度、不同草方格間距對(duì)草方格沙障防沙固沙效果的影響。研究結(jié)果表明：風(fēng)沙躍遷率與蘆葦高度成正相關(guān)，而與草方格間距成負(fù)相關(guān);考慮防沙固沙效果與工程經(jīng)濟(jì)效益，推薦了適用于南疆沙漠地區(qū)草方格沙障的最優(yōu)規(guī)格：蘆葦高度為20 cm，草方格尺寸為1 m×1 m。

關(guān)鍵詞：草方格沙障;數(shù)值模型;防沙固沙效果;風(fēng)沙躍遷率;最優(yōu)規(guī)格

0 引言

土地沙漠化是人類面臨的一個(gè)重大的生態(tài)環(huán)境問題，我國土地沙漠化發(fā)展迅猛，形勢(shì)異常嚴(yán)峻。新疆烏尉公路項(xiàng)目處于新疆沙漠地區(qū)，風(fēng)沙對(duì)公路沿線有很大危害，主要造成沙埋和風(fēng)蝕等問題。目前對(duì)沙漠公路風(fēng)沙防護(hù)的措施有工程防沙[1-2]、化學(xué)固沙[3-4]、植物固沙[5]等，其中對(duì)植物固沙研究較多。20世紀(jì)初期我國就開始進(jìn)行植被恢復(fù)，并研制新植物防護(hù)技術(shù)。吳啟東[6]采用蘆葦?shù)炔牧现谱髁瞬莘礁裆痴希谏硡^(qū)扎成方格狀屏障用于防沙固沙，研究證明該技術(shù)是一種經(jīng)濟(jì)實(shí)用、效果顯著的技術(shù)措施。凌裕泉[7]通過理論模型得出草方格沙障內(nèi)最大風(fēng)蝕深度和草方格間距的解析關(guān)系式，進(jìn)而分析了草方格沙障的防護(hù)效益。王振亭和鄭曉靜[8]利用單排理想渦列模型模擬風(fēng)沙流場(chǎng)，并給出了草方格沙障的建議間距。劉賢萬[9]對(duì)草方格沙障進(jìn)行了風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)，將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論模型進(jìn)行了對(duì)比分析。然而由于草方格沙障內(nèi)風(fēng)沙流場(chǎng)的復(fù)雜性與不確定性，單從理論解析、試驗(yàn)研究方面難以進(jìn)行動(dòng)態(tài)準(zhǔn)確分析。

因此，本文采用數(shù)值模型方法分析了不同蘆葦高度、不同草方格間距對(duì)草方格沙障風(fēng)沙躍遷率的影響規(guī)律，進(jìn)而綜合考慮防沙固沙效果與工程經(jīng)濟(jì)效益，給出了新疆烏尉沙漠公路草方格沙障高度與間距的最佳組合。

1 工程概況與模型建立

1.1 工程概況

新疆烏尉公路包PPP項(xiàng)目YSTJ-02標(biāo)段起訖里程為K37+000～K127+000，全長90 km。項(xiàng)目位于新疆巴音郭楞蒙古自治州第二師境內(nèi)，線路位于塔里木盆地東北邊緣，塔克拉瑪干沙漠東北角。線路展布于孔雀河及塔里木河沖積區(qū)，局部穿越風(fēng)積沙漠區(qū)。當(dāng)?shù)卮杭径囡L(fēng)，夏季炎熱，干旱、沙塵等災(zāi)害性天氣較多，對(duì)道路施工與服役質(zhì)量影響較[=XHB（]草方格沙障高度與間距對(duì)防沙固沙效果的影響研究/柳 軍，肖玉濮，于曙華，周孟坤[=JP2]大。為此，該項(xiàng)目風(fēng)沙地區(qū)公路邊坡擬采用蘆葦草方格沙障進(jìn)行防沙固沙處治。

該研究的沙樣采自新疆南疆地區(qū)東、西部的5個(gè)不同區(qū)域，每個(gè)沙樣取表層0～10 cm的沙物質(zhì)，且每個(gè)采樣點(diǎn)重復(fù)取樣3次，以減小試驗(yàn)誤差。將野外采集的沙樣在實(shí)驗(yàn)室陰干，過篩剔除雜物，然后按照四分法對(duì)每個(gè)土樣進(jìn)行篩選，最后對(duì)每粒級(jí)篩余的沙樣稱重并計(jì)算百分含量。篩分結(jié)果發(fā)現(xiàn)施工路段的沙樣中細(xì)沙含量最高，均值達(dá)89.5%，所以在數(shù)值模擬中顆粒相選取細(xì)沙，這樣更具代表性。沙漠中的沙粒由于長時(shí)間相互摩擦，以至于表面相當(dāng)光滑，可將沙粒簡(jiǎn)化為球形。

1.2 草方格沙障數(shù)值模型

風(fēng)場(chǎng)相大渦模擬方程根據(jù)Shao Y.P和Li A[10]提出的紊流運(yùn)動(dòng)控制方程結(jié)合Smagorinsky基本亞格子應(yīng)力封閉模型得到;顆粒相控制方程采用黃寧[11]提出的拖曳力表達(dá)式;顆粒擊濺函數(shù)采用Andersion[12]提出的簡(jiǎn)單擊濺函數(shù);結(jié)合南疆地區(qū)施工經(jīng)驗(yàn)與氣候特點(diǎn)，采用Fluent有限元軟件建立數(shù)值模型（如圖1所示）。模型中風(fēng)速采用7 m/s。

在以上模型中分別設(shè)置6個(gè)觀測(cè)面，各觀測(cè)面距風(fēng)沙流起始位置分別為0 m、1.5 m、3 m、4.5 m、6 m、7.5 m、9 m。為定量分析草方格沙障的防沙固沙效果，定義風(fēng)沙躍遷率W（%）為風(fēng)沙流場(chǎng)達(dá)到穩(wěn)定飽和狀態(tài)下單位時(shí)間內(nèi)通過某一觀測(cè)面的沙粒數(shù)目與運(yùn)動(dòng)沙粒總數(shù)目的比值。

W=Mi/M0（1）

式中：M0——風(fēng)沙流場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)沙粒總數(shù)目;

Mi——通過第i觀測(cè)面的沙粒數(shù)目。

2 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

2.1 不同蘆葦高度草方格沙障模擬結(jié)果與分析

由表1、圖2可以發(fā)現(xiàn)：3種蘆葦高度下草方格沙障風(fēng)沙躍遷率的變化趨勢(shì)基本相同，均隨著起始距離的增加而逐漸降低;前4個(gè)觀測(cè)面的躍遷率下降較快，在第4個(gè)觀測(cè)面處3種蘆葦高度下的躍遷率均<10%，且躍遷率趨于平緩。同一觀測(cè)面下蘆葦越高其躍遷率越小，表明其阻沙效果越好。高20 cm、間距為0.75 m草方格沙障的風(fēng)沙躍遷率稍大于高25 cm、間距為0.75 m的草方格沙障，即兩者防沙效果差別很小。但是蘆葦越高勢(shì)必造成材料的浪費(fèi)和成本的增加，因此綜合考慮防沙效果與經(jīng)濟(jì)成本，可以確定蘆葦高度為20 cm時(shí)的草方格沙障更適于工程應(yīng)用。

由于有草方格沙障陣列的存在，在風(fēng)吹動(dòng)下沙粒起跳躍移或被草方格阻擋，從而使沙粒被固留在草方格內(nèi)而無法再躍移。同時(shí)，鋪設(shè)的草方格沙障大大增加了沙地表面的粗糙度，使風(fēng)沙流場(chǎng)的黏性作用明顯，且高出地表的草方格在風(fēng)的吹動(dòng)下不停搖擺，與風(fēng)場(chǎng)形成對(duì)流，減弱風(fēng)流場(chǎng)的能量，從而實(shí)現(xiàn)了草方格沙障的防沙固沙效果。

2.2 不同間距草方格沙障模擬結(jié)果與分析

由表2、圖3可知，草方格間距對(duì)草方格沙障阻沙能力影響較大，整體來說草方格間距越大，其阻沙能力越弱。間距為0.75 m的草方格沙障的防沙效果優(yōu)于間距為1 m和1.25 m的草方格沙障。間距為1.25 m的草方格沙障在第四、第五個(gè)觀測(cè)面處的躍遷率仍過高，勢(shì)必造成風(fēng)沙對(duì)新疆烏尉公路的過早沙埋、風(fēng)蝕等。而在實(shí)際施工應(yīng)用中，間距為0.75 m草方格沙障的相比于間距為1 m的草方格沙障將會(huì)大幅增加材料用量和人力成本，但是其阻沙能力并沒有大幅度提升。故相比之下，間距為1 m的草方格沙障的防沙固沙效率更高。

2.3 草方格沙障最優(yōu)規(guī)格分析

前文從單一因素分析可初步確定，蘆葦高度為20 cm、草方格間距為1 m是草方格沙障的最優(yōu)選擇，但是草方格沙障的阻沙效率是由蘆葦高度和草方格間距兩個(gè)變量共同控制的。為了驗(yàn)證草方格沙障高度和間距的相互影響，建立3種蘆葦高度（15 cm、20 cm、25 cm）、3種間距（0.75 m、1 m、1.25 m）組合下的草方格沙障模型，研究草方格沙障在雙重變量情況下的阻沙效果。前面分析發(fā)現(xiàn)第六觀測(cè)面的躍遷率能更直觀反映草方格沙障的阻沙效果，9個(gè)模型在第六觀測(cè)面的躍遷率見圖4。

圖4中的每一個(gè)點(diǎn)代表在不同高度和間距雙重作用下草方格沙障在第六觀測(cè)面處的躍遷率。從圖4可發(fā)現(xiàn)，草方格高度越高，間距越小，其阻沙能力越強(qiáng)。綜合來看，高度為20 cm和25 cm、間距為0.75 m和1.00 m的4組草方格沙障的風(fēng)沙躍遷率均不超過1%。為了節(jié)約工程成本和施工時(shí)間，同時(shí)保證良好的防沙效果，故優(yōu)選草方格沙障規(guī)格為：高度為20 cm，間距為1 m。

3 結(jié)語

根據(jù)新疆烏尉公路防沙固沙工程，對(duì)不同高度和間距的草方格沙障進(jìn)行數(shù)值模擬。通過對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)草方格沙障具有很好的防沙固沙作用，草方格高度和防沙能力成正相關(guān)，草方格間距和防沙能力成負(fù)相關(guān);考慮到工程成本、施工時(shí)間及防沙效果，確定高度為20 cm、尺寸為1 m×1 m的草方格沙障適用于新疆烏尉沙漠公路的防沙固沙工程。

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