南疆戈壁区HDPE板沙障风沙防护机理及效果评价

依托格库铁路风沙防护工程,通过不同类型风沙防护措施前后流场和输沙率的测定,研究新型HDPE板沙障风沙防治机理及效果。结果表明:风沙流途经HDPE板沙障后,会在障后的0.5～10倍沙障高度范围内形成1个明显的绝对低速区,其1/2障高处的最大风力消减率可达94.4%;在沙障高度范围内,阻沙率呈现一定的正态分布,最大阻沙率出现在1/2障高附近;风速与阻沙率呈负相关性,风速越高,阻沙率越低;风速在0～16 m·s~(-1)范围内,单道HDPE板沙障的总阻沙率超过70%;当2道沙障的布设间距为5～15倍沙障高度范围内时,沙障的布设间距与整体阻沙率呈一定的负相关性,但整体差异不明显。     

南疆戈壁区机械防沙措施阻沙效益的风洞测试研究

为探讨机械防沙措施对风沙流的流场和风速消减效果的影响规律,基于试验模拟的方法,依托格库铁路风沙防护工程,开展针对不同的机械防沙屏障材料的风洞模型试验.在此基础上探讨风沙流在不同类型阻沙措施下的流场分布情况,分析防沙措施的流场消减效果和阻沙效果.研究结果表明:风沙流经过不同类型阻沙措施后,流场会在沙障前后出现明显的差异,尤其是在障后0～15H范围内,风速值差异巨大.芦苇束沙障和HDPE板沙障流场分布情况较为类似,其风速消减幅度最大;米字型板和HDPE网沙障风速消减效果居中;棋盘式沙障风力消减效果相对最小.沙障的阻沙效果是多因素综合作用下的结果,风速的大小和沙障的阻沙效果呈现负相关变化,风速越高,阻沙效率越差.研究结果可为格库铁路新疆段沙害防治提供科学依据.     

新建格库铁路HDPE板高立式沙障防风效益数值模拟研究

以新建格库铁路风沙试验段为背景,基于Fluent欧拉双流体模型,对HDPE板高立式阻沙沙障周围风沙流运动特征进行了数值模拟,得出了HDPE板周围风沙流运动变化规律,分析了三道连续HDPE板沙障的合理间距问题,结果表明:当风沙流经过HDPE沙障时,会形成速度分区,孔隙率为10%和25%时,速度分区分别为气流减速区、气流加速区、气流高速区、低速回流区、速度突增区及消散恢复区,孔隙率增大至40%～50%时,速度突增区消失及低速回流区消失;风速相同时,HDPE板孔隙率越大,其有效防护距离越大;孔隙率一定时,入口初始风速越大,HDPE板沙障有效防护距离越小;三道连续HDPE板沙障,合理间距布设为30 m时,不仅是一种阻沙措施,也可作为一种固沙措施。     

不同类型挡沙墙风沙防护机理的风洞实验研究

研究目的:通过对板式挡沙墙、轨枕挡沙墙、高立式PE网沙障等防风固沙措施进行风洞实验研究,测定8 m/s、10 m/s、18 m/s、25 m/s等不同风速条件下,各种沙障的风速廓线特征、风速流场特征和输沙率等,研究它们的风沙防护机理,并对其防护效果进行评价。研究结论:(1)通过研究发现,当运动气流途经各种阻沙措施后,会在墙体前后出现明显的风力消减效果;(2)当高度一致时,板式挡沙墙和轨枕挡沙墙对运动气流的消减能力要明显的优于孔隙率为40%的高立式PE网沙障,使得近地表的风速接近于0;(3)板式挡沙墙和轨枕挡沙墙的输沙率明显小于40%高立式PE网沙障,在墙体自身高度范围内,其输沙率基本都接近于0,风沙流净化能力较优;(4)本研究成果可为铁路沿线防风挡沙墙的设计提供一定的理论支撑。     

挡沙墙开孔方式与阻沙效果的关系研究

研究目的:挡沙墙作为一种常见的工程阻沙措施,主要起拦截过境沙物质、保护铁路建(构)筑物的作用。关于挡沙墙的作用机理,已开展了大量研究,并取得了较为显著的成果;但对墙体开孔方式与阻沙效果之间的关系则研究过少。基于此,本文主要是通过对不同开孔方式下挡沙墙周边流场形态和阻沙率的研究,来优化挡沙墙的设计参数,以期为后期铁路风沙防护工程设计和施工提供参考依据。研究结论:(1)挡沙墙周边的积沙量与墙体开孔角度呈现一定的正态分布特征,当墙体开孔为135°时,积沙量达到最大;(2)气流经过挡沙墙时,其水平流场呈现"V"字形变化,气流在墙体处风速达到最低;(3)挡沙墙的阻沙率随高度呈现不规则的拱形变化,在1 m高度以下,135°开孔的挡沙墙阻沙率最高,45°次之,0°最低;(4)挡沙墙前后的积沙形态呈现抛物线形,135°开孔挡沙墙背风侧积沙的抛射角最大,线性最陡,沙脊线距离墙体最远,更有利于清理搬运;(5)该研究结果对于挡沙墙的设计和施工具有一定的借鉴指导意义。     

高原与戈壁地区风沙流结构特性差异研究

研究目的:通过现场实测及室内试验等研究手段,分析研究了青藏高原和新疆戈壁强风地区风沙流运动变化规律,探讨了二者风沙流结构差异及具体表现形式,为上述地区风沙灾害防护工程的设计施工提供一定的基础数据及理论支撑。研究结论:(1)受风力筛选作用的影响,风沙流中沙粒粒径组成呈现正态分布,都以小于0.25 mm粒径段的沙粒为主;(2)青藏高原和戈壁强风地区的起沙风速存在明显的差异,戈壁地区起沙风速约为11.0~20.0 m/s,远大于青藏高原地区7.0 m/s的起沙风速;(3)大风携沙量与高度呈现e的幂指数变化,随着高度的增加,大风携沙量呈下降的趋势;(4)在近地表0.5 m高度范围内,青藏高原地区的集沙量为总集沙量的90%左右,而戈壁强风地区仅为76%;(5)本研究成果可以为类似环境条件下风沙灾害防护工程的设计修建提供一定的参考。     

兰新高铁沿线不同挡沙墙防护效果评价

研究目的:兰新高铁作为我国穿越大风戈壁荒漠区的第一条高速铁路,在运营过程中不可避免地会遇到风沙问题。为保障列车的安全运营,在线路两侧布设了多种防沙措施,取得了一定的效果。但由于铁路具有运距长、地域跨度大等特点,在一些区段,虽然布设了风沙防护措施,依然出现了风沙灾害。本文主要利用现场实测等研究手段,探讨兰新高铁戈壁大风区不同挡沙墙的风沙防护效果,以期为后期的工程维养和补充设计提供一定的技术支持。研究结论:(1)受挡沙墙影响,墙体前后会出现明显的气流扰动,3种挡沙墙中斜插板挡沙墙的消能效果最高,高立式PE网沙障次之,直插板挡沙墙最弱;(2)挡沙墙的阻沙率随高度的增加显现降低的趋势,在4 m高度内,高立式PE网沙障的阻沙率最高,可达85.82%,斜插板和直插板挡沙墙的阻沙率则分别为60.34%和52.92%;(3)挡沙墙前后的风沙流结构存在一定的差别,迎风侧积沙中粗颗粒组分的含量明显要高于背风侧,但整体依然以0.1~0.25 mm和0.25~0.5 mm粒径段的沙粒为主;(4)该研究结论对于戈壁大风区高速铁路风沙灾害防治具有一定的借鉴指导意义。     

沙漠腹地公路高立式沙障防风阻沙性能研究

通过沙漠腹地现场实测和Fluent软件数值模拟对沙漠腹地公路高立式沙障防风阻沙性能进行研究。采用Fluent软件建立沙障和路基数值模型,基于欧拉双流体模型和多孔介质理论对高立式沙障和路基周围风沙流的运动进行数值模拟。采用三维超声风速仪测量高立式沙障周围气流速度,为数值模拟结果提供验证。通过数值模拟分析不同沙障高度和沙障数量下风沙流的运动规律,确定沙障高度和数量对高立式沙障防风固沙效果的影响。研究结果表明：气流在沙障迎风侧前方区域减速,沙障周围气流速度快速下降导致气流的携沙运动能力减弱,沙粒在沙障周围沉积。在沙障防护下,路基周围风速降低,路基的风蚀风积危害得到缓解。随着沙障的排数或沙障高度的增加,路基沿程的风速逐渐降低。3排及其以上沙障可以较好地阻挡风沙流的运动。5排沙障防护下,路基的迎风侧坡脚离地高度0.5 m处水平风速从11.05 m/s下降至5.37 m/s,风速的降低率达54.13%。在2.0 m沙障的防护下,路基的迎风坡和背风坡的路肩水平风速比1.5 m沙障的相应值低3～5 m/s,降低率最高达61.79%。     

铁路侧向导沙沙障流场演化规律研究

铁路沿线的侧向导沙工程主要应用于风沙来流的侧向输导,使线路免受风沙危害。应用CFD数值模拟方法研究铁路沿线羽毛状侧向导沙沙障周围的流场演化规律特征,通过研究不同主风向与沙障夹角以及在风速改变时沙障周围的流场分区特征,揭示侧向输导沙障周围的流场机理。研究结果表明:羽毛排周围流场显著区别于其他挡风沙构筑物的流场规律,回流区随着主风向与羽毛排夹角的增大而增大,当主风向与羽毛排夹角小于30°时,流场分区显示降速区即积沙区在迎风侧一侧而偏离线路;羽毛排周围的回流区会影响羽毛排前方的速度大小,使速度廓线产生波动,主风向与羽毛排的夹角小于30°时波动较小,利于风沙侧向输导,使过境风沙流向远离线路方向运动。     

兰新二线挡风墙下部开口疏导线路积沙试验

研究目的:兰新二线部分路段地处戈壁荒漠风区,干旱少雨,地表松散,大风条件下极易形成强风沙流,为保护列车安全运行,在路肩部位设立了挡风墙,起到了较好的防风效果。但随着挡风墙的布设,过境风沙流途经路堤时,气流携沙能力下降,造成部分沙颗粒沉降,堆积在线路路肩及道床上,造成严重的线路积沙危害。为解决兰新二线挡风墙后线路积沙难题,确保列车安全运行,本文以烟墩风区挡风墙下部开口疏导线路积沙进行试验,验证疏导线路积沙的可行性。研究结论:(1)现场试验表明:挡风墙开口后,支撑层台阶处积沙量逐渐减少,上行线轨道板上积沙量逐渐增加,风力只是将线路既有积沙进行了二次搬运和再分配,开口对线路积沙疏导效果不明显;(2)数值模拟分析表明:挡风墙开口前背风侧整体处在气流低速区,开口后支撑层台阶附近气流处在加速区,其他区域仍处在气流低速区,大部分沙粒可能重新跌落在上行线附近,加剧上行线积沙量;(3)该研究结果对高速铁路无砟轨道防沙工程具有指导意义。     

铁路沿线联合沙障阻风固沙机理的数值模拟研究

目前铁路上常见风沙病害即为风蚀和沙埋，为保证铁路运输安全，基于欧拉-拉格朗日离散模型，对前期已确定设计参数的由透风栅栏及固沙砖沙障的联合沙障优化措施对路堤周围风沙流场积沙分布的防护效果进行研究分析。结果表明：由于透风栅栏的作用，其后风速降低约50%,部分风沙流受阻抬升导致流场4.5 m以上形成风速加速区；透风栅栏与固沙砖沙障联合作用，在距地面近2 m处风速小于5 m/s,有利于沙粒的沉降，路堤上已沉积在表面的沙粒也不易再次移动；路堤顶面风速降低23.5%,更有利于平稳输导风沙流，减少人工清沙频率，提高防沙效益；联合沙障优化措施在参考风速为分别为5.93、10.38、18.67 m/s时均可有效净化来流风沙；联合沙障有效颗粒防护率可达到89%以上，针对粒径d≥0.1 mm的颗粒，3种入口风速的防护率分别为99.9%、93.6%、94.7%。     

风沙流与铁路涵洞的响应规律研究

研究目的:在风沙灾害多发地区,携沙气流途经铁路涵洞时,受边界效应和狭管加速效应影响,气流会出现明显的扰动,在涵洞周边出现一系列的沙物质蚀积变化,严重时会堵塞桥涵,危及线路安全。针对上述问题,本文采用数值模拟和现场试验相结合的研究方法,研究涵洞风沙灾害形成的机理,对于减缓既有铁路涵洞沙害和新线设计具有重要意义。研究结论:(1)风沙流途经涵洞时,在涵洞进口内侧会形成一个局部高速涡旋区,之后随着气流的推进,涵洞内的风速开始逐渐消减,但其数值依然略高于来流风速;(2)受狭管加速效应影响,涵洞内风速的垂直梯度差会被放大,出现明显的速度分层现象;(3)风沙流沿导流堤向涵洞口行进过程中,风速呈现缓慢降低的变化趋势,易出现沙粒沉降现象;(4)受构筑物形态影响,涵洞进出口的风速曲线呈现开阔的拱形,涵洞口两侧为明显的低速沉沙区,易发生风沙堆积现象;(5)本研究成果可为铁路沿线涵洞风沙灾害防治提供一定的理论支撑。     

综合防风固沙体系设计参数优化研究

基于Fluent欧拉-拉格朗日模型，对由立面网板及前期设计的环保固沙砖沙障相结合的新型综合防风固沙体系风沙流场进行数值模拟研究。研究结果表明，综合防风固沙体系中阻沙措施(立面网板)可有效改善原始流场形态，防护高度在1.2倍立面网板高度以下；大粒径砂粒大部分沉积在固沙砖沙障之间，且体系后区域砂粒浓度明显减小，具有良好的风沙净化作用；当立面网板与固沙砖沙障设计间距为5～10 m时，固沙砖沙障内部易形成良好涡旋，有利于砂粒聚集；随着间距变化，综合防风固沙体系有效安全距离呈现先减小后增大的趋势；当固沙砖沙障铺设位置超过阻沙措施原有遮蔽距离后，两者将失去协同防护作用。综合考虑流场情况及防护距离，立面网板与固沙砖沙障设计间距建议设定约10 m。     

内蒙古地区风沙防护机理分析

研究目的:分析研究固沙带和阻沙带防风沙体系组成机理,分析工程防沙(机械)和植物防沙条件、防护宽度确定、植物选择依据和布置原则、养灌条件等,提出后期养护与维修工作及人员配置要求,提出新的风沙防护措施,分析植物风沙防护发展趋势。研究结论:(1)降雨量小于160 mm,地下水不能满足植物浇灌水量时采用工程防沙(机械防沙);降雨量160～280 mm,采用工程防沙+植物防沙相结合、微灌养灌;降雨量大于280 mm不需要微灌养灌、只需浇定根水。(2)植物防护采用乔灌木条带间隔布设,乔木株行距2 m×3 m、灌木采用2 m×1 m或2 m×1.5 m。(3)工程防沙:采用相应规格的方格和适应地形的数道高立式沙障相结合防护(树枝或土工网方格采用1 m×1 m;沙丘高度2～3 m,一般能远视,可以设1～2道高立式沙障,沙丘高度大于3 m,无法远视时设置2～3道高立式沙障)。(4)防护宽度:一条公路或铁路走向与风向夹角小于30°、防护宽度应按现行规范宽度L×sinβ(β为风向与线路的夹角)。(5)风沙防护新措施:地膜集水及有机植物加菌类孵化覆盖防沙。(6)植物防护风沙应与旅游、经济发展相结合,前期可适当增加投资。     

铁路沿线不同沙害区域机械防沙措施设计研究

为解决沙区铁路所面临的风沙危害,设计相应的机械防沙措施,以拟建鄂托克前旗—上海庙铁路(简称“鄂上铁路”)为研究背景,在测量区域风速及输沙量基础上,对满足防沙需要的沙障设置进行三维数值模拟研究,并辅以风洞实验验证。研究表明,沙害中等区域流沙量较少,沙障拦截效率高,单道沙障和草方格搭配使用可满足防沙需要;沙害严重区域流沙量较多,单道沙障防护效率降低,双道沙障和草方格搭配使用方可满足防沙需要。研究表明：(1)鄂上铁路沙害中等区域,设置单道30%孔隙率沙障和10 m草方格后其防护效益达60%,可满足此区域防沙需要;(2)鄂上铁路沙害严重区域,设置双排沙障并加设10 m草方格后其防护效益达62%,可满足防沙需要;(3)沙害严重区域双排沙障之间的合理间距为10H(H为沙障高),草方格与双排沙障的合理间距为15H。研究结果表明,实际布设沙障时,防沙效益受多种因素影响,可适当增加草方格设置宽度,增大防沙效益设计余量,尽可能减少风沙对线路的影响。     

风区高速铁路路基沙害防治研究与设计

研究目的:兰新第二双线通过的烟墩风区及百里风区,风速高,风沙流对高速铁路的危害严重,为有效的避免或减少沙害对无砟轨道铁路路基的危害,研究强风形成机理、风沙流活动规律、风沙两相流的特点,建立风区路基防沙对策技术体系,研究成果应用于本线的防沙设计与施工。研究结论:通过现场实测、室内试验、风洞试验以及数值分析等,研究戈壁风沙流的运动特征,得出:(1)主导风向与挡沙墙垂直时,防沙效果最佳,当挡沙墙与主导风向夹角逐渐变小时,挡沙墙的导沙作用明显;(2)挡沙墙高度2 m、透风率40%时挡沙效果最佳;(3)采用高立式挡沙墙阻沙,石方格沙障固沙的措施适宜于本线的风沙防治;(4)防沙工程有效地减轻了沙害对列车运营的影响,对于列车全天侯运行提供了技术保障;(5)该研究成果可为戈壁强风区风沙防治提供参考,为相关规范的修订提供理论技术支持。     

青藏铁路格拉段高立式沙障防风固沙效果研究

青藏铁路格拉段线路全长1 140 km,沿线冻融侵蚀、风力侵蚀和水力侵蚀交替出现,遭受轻度以上风力侵蚀的路段长约260 km.铁路未通车前,在秀水河段已出现集沙掩埋轨枕的现象,风沙危害严重地影响行车安全.风蚀防治工程不仅保护铁路免遭风蚀危害,同时对保护当地的生态环境具有重要的作用.本文对高立式沙障的防护效果进行观测分析,结果表明,高立式沙障具有显著的防护效果,使路基免于风沙危害.特别是高立式沙障的多排布设构成的综合防护体系,防风蚀效果显著,从阶梯式集沙仪的观测结果来看,它可使风蚀量明显降低.     

沙漠地区道路涵洞周围流场规律及积沙特征研究

涵洞作为沙漠地区道路工程路基的重要组成部分之一,是保障道路安全的重要基础设施。但沙漠地区道路涵洞较易发生风沙灾害,故对其进行系统全面研究非常必要。通过对不同来流风速大小和不同来流方向下涵洞进行三维数值模拟,对比分析不同风速、不同来流方向下的涵洞周围积沙特征,并总结相关结论。研究结果和结论:对比不同来流方向下的涵洞流场特征,得出来流与涵洞夹角为20°时涵洞对洞前洞后流场影响最大,洞前有大面积增速区,洞后速度下降最为迅速。对比不同来流大小及方向下的涵洞周围积沙特征,可知随来流风速增大涵洞前积沙先增大后减少;洞腔内部随风速增大积沙会有所增多;洞后积沙随风速增大会明显增加。同一风速下夹角增大洞前积沙明显增多,且夹角越大洞前积沙横移越明显;洞后积沙随夹角增大会明显减小。     

风速廓线形式对HDPE板高立式沙障风沙流场的差异性研究

以格库铁路路基风沙防护为背景,在不同来流风速廓线形式下对不同孔隙率(30%、40%、50%)HDPE板栅栏进行数值模拟,对比分析风速廓线形式对栅栏周围流场及积沙分布的影响,并通过风洞试验进行验证,得出数值模拟中适合现场的风速廓线形式。结果表明:对数流形式时,栅栏周围加速区范围扩大,且存在明显的回流区,均匀流形式时,栅栏周围加速区范围较小,回流区相对不明显。对数流和均匀流形式下,在栅栏障后20H处,分别为30%和50%孔隙率HDPE板栅栏防护作用最优。对数流形式下,孔隙率为30%时,积沙主要分布在迎风侧,孔隙率为50%时,积沙主要分布在背风侧;均匀流形式下,积沙主要分布在背风侧。对比风洞试验结果,对数流模拟结果较均匀流结果更切合现场实际。     

风沙两相流对铁路路堤响应规律的数值模拟研究

基于FLENT欧拉双流体模型,对路堤周围风沙两相流运动特性进行数值模拟,并将模拟结果与现场实际调查进行比较。结果表明,所用模型能较好地模拟路堤周围风沙两相流的运动特性,数值模拟与现场调查相吻合。数值模拟分析表明:路堤周围气流速度产生分区,分别形成减速区、加速区、高速区、低速区与紊流区;沙粒速度与风速相互影响,形成一种反馈机制;在过渡区内,当风速大于起沙风速时,沙粒速度与风速呈正相关;正交单向来风条件下,揭示了迎风坡积沙量大于背风坡的形成机理;路堤顶面积沙量呈"正态形"分布,中间多,两边少;迎风坡积沙量随着风速增大而减小,背风坡无明显变化;不同地表条件对风沙流密度及结构影响显著,决定着工程防沙措施。