3种沙障防风固沙效益比较的风洞实验研究

第22卷第6期水土保持学报

Vol.22No.6　

3种沙障防风固沙效益比较的风洞实验研究

钟卫1,刘涌江2,杨涛1

(1.西南交通大学土木工程学院,四川成都610031;2.重庆交通科研设计院,重庆400067)

摘要:通过风洞实验,研究了土工格室、石方格、不同盖度植被3种不同沙障的防沙机理,分析了各种沙障下的风

速廓线、风速流场及风沙流结构特征,比较了3种不同沙障的防沙效果。结果表明:植被具有显著的防风作用,随

着盖度的增加其防风作用逐渐增强,同时,风速的变化还与植株的茂密程度有关。对于石方格沙障,由于构成石

方格的石块不规则,计算结果与总体变化规律有一定差异。总的来讲,植被沙障的防护效果远较土工格室和石方

格沙障为优,对于低风速地区,采用土工格室和石方格沙障治沙是有效的,而对于高风速地区,只能采用植被沙障

防护才有良好效果。相比较土工格室和石方格沙障,石方格沙障的防护效率又略优于土工格室。

关键词:风洞实验;土工格室沙障;石方格沙障;植被沙障;防风固沙;防护效率

中图分类号:X144　　　文献标识码:A　　　文章编号:100922242(2008)0620007206

WindTunnelTestStudyonEffectContrastofWind2breakingand

Sand2fixingofThreeSand2barriers

ZHONGWei1,LIUYong2jiang2,YANGTao1

(1.SchoolofCivilEngineering,SouthwestJy,,610031;

2.ChongqingCommunications,)

Abstract:Bywindtunneltest,t2cellsand2barrier,stone2checkersand2barrierandstwindvelocityprofile,windvelocityflowfieldandstructuralfeaturesofareanalyzed.Thesandpreventingeffectsofthreedifferentsand2barri2ersarecompared.Theresultsshowedthatthevegetationhasprominenteffectonwindprevention,andtheaffectionenhancedgraduallywiththeincreaseofthecoverage.Meanwhile,thechangeofwindspeedalsore2latedtotheluxuriancedegreeofplants.Buttostone2checkersand2barrier,becausestoneblockcomposingstone2checkerisirregular,theexperimentalresulthadcertaindifferencesonthegeneralregularity.Generallyspeaking,theprotectioneffectofvegetationisfarsuperiortogeocellandstone2checker.Tothelowwindspeed,thegeocellandstone2checkeriseffective,buttothehighwindspeed,thevegetationismuchsuitable.Forstone2checkerandgeocell,theprotectiveefficiencyofstone2checkerisslightlybetterthangeocell.

Keywords:windtunneltest;geo2gridcellsand2barrier;stone2checkersand2barrier;vegetationsand2barrier;

wind2breakingandsand2fixing;protectiveefficiency

目前,公路防沙的主要措施根据其作用方式的不同,大体上可以分为3大类:机械措施、化学措施和植物措施[1]。机械措施中使用最普遍的是草方格沙障,在包兰铁路沙坡头铁路防沙体系和塔克拉玛干沙漠公路防沙体系就是采用草方格沙障作为主要固沙措施。结合具体工程,国内学者[226]对草方格沙障的固沙原理和效益进行了许多研究。化学固沙是治沙措施的另一大类,随着塔里木石油天然气的开发、公路的修建,在塔里木公路沿线开发使用多种固化材料对沙丘进行了固定实验[7]。胡英娣[8]使用乳化沥青、改性乳化沥青、聚乙烯醇和聚脂酸乙烯乳液,采用全封闭、草方格和植物固沙结合的方式进行了固沙实验,取得了很好的效果。众多国内外学者对植被沙障固沙机理都做过研究。Fryear等[9212]通过实验后得出了风蚀率随植被盖度增加呈指数减小的规律。董治宝等[13]用植物模型和风沙土在风尚中进行了植被的抗风蚀实验,发现植被的盖度和排列方式均对粗糙度有较大影响。凌裕泉等[14]研究了稀疏天然植被对输水量的影响,确定了输水率与有效起沙风呈正比关系。

3　收稿日期:2008208221

基金项目:西藏自治区交通厅科技项目(2005-0016)

作者简介:钟卫(1980-),男,博士研究生,研究方向为岩土工程。E2mail:[email protected]

8水土保持学报　　　　　第22卷西藏山南地区江北公路位于雅鲁藏布江中游扎囊县和贡嘎县境内,公路沿线42.183km存在沙害问题,这些松散风沙在风力作用下,极易产生飞扬、迁移,沙土的迁移将对公路形成沙埋,严重影响交通,甚至中断交通。飞扬在空气中的沙土,将严重影响空气质量,阻挡行人和驾驶员的视线,导致交通安全事故。沙土沉积在公路路面上,还会大大减小路面的摩擦力,增加交通事故的发生。迁移的沙土还会对植被造成影响,破坏生态环境。结合西藏山南地区江北公路沙区,通过风洞实验,研究了土工格室、石方格和不同盖度植被沙障的防风固沙效益,对比了其防沙效果,为该区的公路防沙措施提供相应的设计指导。

1　实验设备概况

1.1　实验风洞参数

风洞实验是在西南交通大学XNJD-2型风洞中进行的。该风洞是一座直流吹气式低速风洞,风洞洞体长15m,由吹气段、稳流段、扩散段、实验段和收缩段五部分组成,实验段长7m,实验段截面为1.3m×1.5m,风向平直,风速由0～20m/s连续可调。

1.2　数据量测及采集

为量测风速流场,在风洞实验段中部2.4m范围内,沿洞体轴线水平间距为0.5,0.6,0.6,0.6m布置5根风压力测管,其中后4根测管测试实验段沙盘上部风速,前1根测试沙源段沙盘上部风速。为减小相邻测管对风速流场的干扰,相邻测管在垂直风洞轴线方向按间距为20cm交错布置。在每根测管距沙面分别为2,5,9,15,23,39,71,103cm8个高度布置风速测点,测量其风压力,测点布置立面示意图如图1所示

。

风压测试采用适时控制,由电脑自动采集的方法,实

验中风压采集时长为30s,在此时长内每一测点各采集

11753次数据,最终用于分析的风压是30s时段内所采

集数据的平均值。,决于吹刮时间。实验风速为6smin,分别在3min,9;8

m/s时,吹刮时长为,2min、第4min时

采集数据;风速为11m/s时,吹刮时长为3min,在该时图1　测点布置示意图

间段内无间隔连续采集3次数据。风压力数据采集完成后,利用数据采集专用的A/D卡通过计算机将风压力的电信号转换成数字信号,再考虑修正系数,通过功能强大的数据处理软件Matlab编写程序将各点的风压力值换算为风速,再利用surfer8.0软件画出风速流场图。

在实验沙盘后端布置“阶梯式积沙仪”,该积沙仪由中科院寒区旱区环境与工程研究所研制,积沙仪可分层收集各层的输沙率,积沙仪入口规格为高2.0cm、宽2.0cm,积沙效率约为96%。

2　实验材料

(1)实验采用原型沙,采自西藏山南地区江北公路SK61+500工程场区的原沙。

(2)根据实验条件和实验要求,确定流沙实验段沙盘的几何尺寸为2.0m×1.0m,置于风洞实验段的中部,实验沙盘前端距实验段起始点距离为3.5m。实验沙盘置于自制小车上面,可以在实验过程中沿风洞轴向方便的移动。

(3)在实验沙盘的前端,布置几何尺寸为2.0m×1.0m的沙源沙盘,位置固定,沙源沙盘前端距实验段起始点距离为1.5m。沙源流沙厚度大于5cm,在实验任何工况开始前,补充沙源,保证实验吹刮过程中有充足的沙源。

(4)土工格室及石方格准备。实验选用原型土工格室,格室高度为7cm,格室规格为20cm×20cm,片材厚度1.0mm。石方格也采用符合现场几何尺寸的块石,高度为10～15cm不等。

(5)植被准备。根据计算,拟在工程中采用由不同高度构成的草灌结合的植被,可与高度为30cm的植株构成的植被等效,实验中采用高度为30cm的“模型树”来模拟植株,由植株按照一定的方式排列构成不同盖度的植被。植株由不同数量的塑料枝条编制而成,根据盖度要求确定枝条数量。

盖度确定时,预先按枝条数量为2～10编制植株,对每一枝条数量的植株进行盖度测定。测定盖度时,对植株进行竖向投影,并将比例尺置于最大树冠的同一高度,然后测量其投影面积,结合植株的排列方式(实验中采用纵横间距均为10cm的方阵排列,和纵横间距为20cm的梅花形排列)确定不同枝条构成的植株的相应盖度。

3　实验方案设计

3.1　实验内容

在6m/s,8m/s和11m/s3种不同风速下,分别测定了土工格室、石方格和不同盖度植被沙障沙面变化、流场分布特征、风沙流结构特征及防沙效果,其中植被盖度分别取:10%,15%,20%,30%,40%,60%进行实验。

3.2　实验工况

实验进行之前,根据现有理论以及现场实验结果对无措施工况下的输沙率进行了预估,并考虑到积沙仪容量来确定各种风速下的吹刮时长,即在任何风速吹刮下,不应致使积沙仪装满。由此确定风速小于6m/s时,吹刮为10min,风速为8m/s时,吹刮时长为5min,风速为11m/s时,吹刮时长为3min。为了便于对比,有防护工况的不同风速,仍采用与无措施工况相应的吹刮时间。根据实验内容,实验中共设计了4种条件,5级风速共24次实验工况。

(1)土工格室积沙及固沙效应测定,风速分别为6m/s,8m/s和11m/s,共进行3次实验;

(2)石方格积沙及固沙效应测定,风速分别为6m/s,8m/s和11m/s,共进行3次实验;

(3)不同盖度的灌草型植被防风作用及固沙效应的测定,共测定了6种盖度,每种盖度分别进行3次实验,3次实验风速分别为6m/s,8m/s和11m/s,共进行18次实验。

4　结果及分析

4.1　土工格室沙障

图2为沿风向进入实验段的第一根风速测管在不同风速下的风速廓线图。在土工格室沙障影响下,风速廓线表现出在距沙床面23cm高度内,;超过,风速随高度的增加变化比较缓慢。可见,风沙流在土工格室沙障遇阻时,s时,最低测点(距沙面高度2cm)风速仅为4.83m/s,约降低了%,说明在近沙障范围内,。

,239cm高度范围内的风速测值较好的符合对数分布规律,如图2所示。(如图3)为:

(1)lnz=-1.54059+0.50109u　z≤39cm　(R2=0.97)

根据z0=e-1.54059求得土工格室沙障风速为11m/s时的粗糙度z0=0.2142cm。

由此可见,在土工格室沙障情况下,粗糙度随自由风速的增大而减小,呈负相关关系

。

　　　图2　土工格室沙障作用下的风速廓线　　　　　　　图3　土工格室沙障在风速为11m/s时的粗糙度拟合曲线从图4可以看出,沙障的存在改变了地表形态,使原本较为平缓的沙面增加了微地形起伏,增大了地表粗糙程度。从风速变化分析,由于沙障的存在改变了地表粗糙度的状况,而使气流的运行及梯度发生变化,虽然粗糙度对地表23cm以上的风速影响并不明显,但却使近地表处的风速较自然沙面同一高度处的风速均有不同程度的下降,而且由于地表粗糙度的增大,风速减弱更为明显。气流经过土工格室沙障时,在高度为23cm范围内沙障的前后、障顶、障中形成风速的增减,减速区消耗了风的动能,加速了能量的损耗,达到了固、阻沙的目的,增速区促进了风蚀,形成格室沙障两侧积沙,中间出现风蚀凹面。

如图5所示,在风速为8m/s时,0～2cm高度内的输沙率为0.012665g/(cm2・s),占全部输沙量的38%,而在3～4cm高度内的输沙率迅速减小为0.00783g/(cm2・s),占全部输沙量的23.5%,减少了14.5%。在风速为11m/s时,0～2cm高度内的输沙率为0.152626g/cm2・s),占全部输沙量的36.6%,而

在3～4cm高度内的输沙率迅速减小为0.079666g/(cm2・s),占全部输沙量的19.1%,减少了17.5%。输沙率随高度的增加而迅速减小,高度越高输沙率越少,输沙率仍然主要集中在低高度段

。

　图4　土工格室沙障在11m/s风速下的风速流场图　　　　　　　　　　　图5　输沙率随高度的分布

4.2　石方格沙障

由第一根风速测管的风速廓线图(如图6)可见,在石方格沙障作用下,在距沙床面39cm高度内风速表现出随高度的增加而急剧增大,距沙面2cm高度处测点风速最小,其中实验风速为11m/s时,测点风速为2.94m/s,降低了73%。超过39cm高度,风速随高度的增加变化比较缓慢。在石方格沙障工况下,风速在沙面以上39cm高度范围内变化梯度较大,表明在近沙障的地表范围内格室下垫面对风速有明显影响,有效的降低了风速,起到了防风固沙的作用。从风速廓线来看,风沙活动层中风速随高度的分布基本遵循对数规律,携沙气流的能量分布变化较大,,使得风沙活动层的风速与下垫面有很大的相关性。

分析图6所示的风速廓线可知11布规律。(1)=0.+0.38864u　z≤39cm　(R2=0.96)

根据z0=e-0.347111m/s时的粗糙度z0=0.7067cm。

可见,在石方格沙障情况下,粗糙度随自由风速的增大而呈减小趋势,但由于石方格布置并不规则,粗糙度与风速的负相关关系不甚明显

。

　　　图6　石方格沙障作用下的风速廓线　　　　　　　　　图7　风速为11m/s时石方格沙障的粗糙度拟合曲线图8是风速为11m/s时石方格沙障工况下的风速流场剖面图。可以看出,对于石方格沙障,有几个明显的能量区,在方格前后、两侧贴近地面分别形成阻滞低速区,石方格上部形成风速上升区,风速上升区的高度在15～25cm处,15～25cm高度以下是风速减速区。再往上又形成一个集流加速区。在沙障背侧也出现了风速弱区,导致流沙沙粒沉积,起到了防风固沙的作用。同土工格室沙障一样,石方格沙障也是通过改变下垫面粗糙度来起到防风固沙的作用。石方格增加了地表粗糙度,改变了沙面上的风速廓线,从而减弱贴地面层风速,降低实际风力作用的有效性,控制风蚀发生,使其风速流场结构发生变化。

图9为输沙率随高度的分布。从图可知,输沙率在分布高度范围内较为分散,主要集中在积沙仪的中段,8m/s风速下最大输沙率发生在17～18cm高度段,为0.003698g/(cm2・s),占总输沙量的6.52%,而在无防护条件下,0～2cm高度内的输沙率最高,占总输沙量的54.2%,较之无防护下,单格最高输沙率约降低了48%。11m/s风速下最大输沙率发生在21～22cm高度段,为0.016732g/(cm2・s),占总输沙量的8.33%。

最大输沙率的高度略大于石方格的高度(石方格的高度为10～15cm),在此高度以上或以下,输沙率则迅速减小,输沙率随高度的变化曲线呈现明显的外凸形式

。

　图8　石方格沙障在11m/s风速下的风速流场　　　　　　　　　　　　图9　输沙率随高度的分布

4.3　不同盖度植被沙障

对于不同盖度的植被,风速廓线不仅和盖度有关,廓线的形状还与植株的茂密程度有关,植株越稀疏,越可简化为杆状“,杆状林”对风速的影响,主要体现在植株高度范围内风速的减小上,超过植株高度,则对风速影响不明显;植株越茂密,树冠越大,则可简化为伞状“,伞状林”对风速的影响,不仅体现在降低植株高度范围内的风速,而且对植株高度以上一定范围内的风速也有降低作用。以盖度为10%进行了分析。

从风速廓线图可知,在风速为11m/s时,2～39cm高度范围内的风速测值基本符合对数分布规律,如图10所示。拟合得到风速廓线方程(如图11)为:

(1)lnz=0.48779+0.32398u　z39(据z0=e0.48779,求得在风速为11m/s。

可见,

,　　　　　图10　盖度为10%的风速廓线　　　　　　　　　图11　风速为11m/s时盖度为10%的粗糙度拟合曲线对于不同盖度植被沙障的风速流场,随着盖度的增大,在植株的高度范围内(下部30cm),风速遇阻时减小的程度不相同,盖度越大,风速遇阻时减小得越多,下部的风速流场等值线就越密集。在各种盖度下,形成的新能量区主要有林地后部遇阻时的风速阻滞区,以及在迎风最前面植被高度以上的风速加速区。由于植被内部流场变化比较复杂,其规律难以准确说明,主要是内部紊流和绕流综合作用导致流场的变化规律性较差。在同种风速下,同一高度的风速随着盖度的增加而逐渐减小,表明盖度越大,植被的防风效果越好。另外,植株高度为30cm,林带长度仅为2m,有限的空间内极易受到周围风场的影响,导致植被内有稳定的气流通过,达不到完全阻风的效果。随着盖度的增加,植物固沙带下垫面粗糙度明显增加,远远高出自然沙面,从而促使风速降低,这对输沙量会起到抑制作用,达到防风治沙的效果。考虑到大部分的沙子在0～30cm以下流动,这恰好是植株高度,植被能有效阻挡流沙。输沙量随盖度增加而逐渐降低,风沙流中的沙粒仍分布在一定的高度范围内,但分布的高度随盖度的增加总体呈下降趋势,如图12-13所示,在无措施条件下,11m/s风速下风沙流的分布高度为40cm,当盖度为10%时,分布高度为38cm,总体上讲,随盖度的增加分布高度逐渐降低,当盖度为30%,40%和60%时,分布高度分别为14,12,10cm。表明植株为柔性结构,不会对风沙流中的颗粒发生碰撞(区别于石方格),只产生减速作用,因此风沙流的分布高度小于自然沙面的风沙流分布高度。随盖度的增加,植被对风沙流的影响作用增强,通过降低风沙流的风速而使沙粒沉积,在降低风沙流所搬运沙粒总量的同时,也改变了风沙流的结构,使其沙粒分布高度逐渐降低。

　　　　　图12　盖度为10%时的输沙率　　　　　　　　　　　　　　　图13　输沙量随盖度的变化

5　结论

(1)在各种风速和输沙率条件下,输沙量随高度呈指数规律递减。随着风速的增加,下层气流中的输沙量(%)相对减少,相应地增加了上层气流中搬运的沙量。

(2)植被具有显著的防风作用,随盖度的增加防风作用逐渐增强,同时,风速的变化还与植株的茂密程度有关。植株稀疏,植株呈杆状“,杆状林”对风速的影响,主要体现在植株高度范围内风速的减小上;植株茂密,植株呈伞状“,伞状林”对风速的影响,对植株高度以上一定范围内的风速也有降低作用。

(3)风速不同,植被盖度对输沙量的影响不同。在高风速下,输沙量与盖度成指数函数关系。而在低风速下,积沙百分比与盖度的关系曲线可大致分为两段,据此可定义一定风速下对流沙风蚀有影响的最小盖度。在一定的风速下,植被防沙设计仅需达到一定的盖度()(或更经济)的提高植被的防沙作用。

(4),即防护效率=(无防护措施的本底输沙率-从防护效率来看,土工格室对于低风速6m/s时,土工格室的防护效率达到90%以上,当风速达到11m/s时,31%。石方格沙障在0～30cm高度的输沙率大为降低,各种风速下的总输沙量大为减小,具有良好的防沙效果,风速为6m/s时,防护效率为96%,在11m/s风速,防护效率为66.6%。与土工格室相比较,具有更好的防沙效果。植被的防护效果远较土工格室和石方格为优,低风速条件下,植被盖度为15%时,防护效率为85%,植被盖度为20%时,防护效率为98%,而土工格室和石方格的防护效率为90%～96%,即土工格室和石方格的防护效率均约与植被盖度为15%～20%的防护效率相当。而在高风速条件下,仅石方格的防护效率略高于盖度为10%时的植被防护效率,而土工格室的防护效率远低于植被的防护效率。由此可知,植被的防护效果远较土工格室和石方格为优,对于低风速,采用土工格室和石方格治沙是有效的,而对于高风速地区,则只能采用植被防护才有良好效果。而对于土工格室和石方格,则石方格的防护效率又略优于土工格室。参考文献:

[1]　陈广庭.沙害防治技术[M].北京:化学工业出版社,2004.

[2]　刘贤万.实验风沙物理与风沙工程学[M].北京:科学出版社,1995.

[3]　凌裕泉,吴正.风沙运动的动态摄影实验[J].地理学报,1980,35(2):1742181.

[4]　吴正.风沙地貌与治沙工程学[M].北京:科学出版社,2003.

[5]　朱震达.治沙工程学[M].北京:中国环境科学出版社,1998.

[6]　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,1999,2(19):202127.

[7]　韩致文,胡英娣,陈广庭.化学工程固沙在塔里木沙漠公路沙害防治中的适宜性[J].环境科学,2000,5(21):86289.

[8]　胡英娣.几种化学固沙材料抗风蚀的风洞实验研究[J].中国沙漠,1997,17(1):1032106.

[9]　FryearDW.Soilcoverandwinderosion[J].TransactionsoftheASCE,1985,28(3):7812784.

[10]　FryearDW,KrammesCA.Computingthewinderodiblefractionofsoil[J].SoilandWaterConservation,1994,49(2):

1832188.

[11]　FryearDW,MerzoukA,GuptaJP.Mechanics,measurementandpredictionofwinderosion[M]//Challengesindryland

agriculture:Aglobalperspective.Texasagriculturalexperimentstation,Texas,1988:77278.

[12]　FryearDW,StoutJE,HagenLJ,etal.Winderosionfieldmeasurementandanalysis[J].TransactionsoftheASCE,

1991,34:1552160.

[13]　董治宝,陈渭南,董光荣,等.植被对风沙土风蚀作用的影响[J].环境科学学报,1996,16(4):4372443.

[14]　凌裕泉,屈建军,金　.稀疏天然植被对输沙量的影响[J].中国沙漠,2003,1(23):12217.

责任编辑:李鸣雷　刘　英