沙漠地区高路堤背风侧防沙措施效率研究(Efficiency of Leeward-Side Sand-Control Measures for High Embankments in Desert Regions)

《Sustainability》：Efficiency of Leeward-Side Sand-Control Measures for High Embankments in Desert Regions

　　

风吹砂(风沙流, Wind-Blown Sand)威胁干旱区铁路安全。现有措施主要保护迎风侧(Windward Side)，无法完全阻止颗粒翻越路堤，这些颗粒可被背风侧气流再挟带(Re-entrainment)并重新沉积于轨道。本研究结合风洞实验(Wind Tunnel Experiment)、大涡模拟(Large Eddy Simulation, LES)及现场观测，考察高铁路路堤背风侧防护效果。测试三种工况：无防护、背风坡面设导流板(Baffle)、坡脚设方格(Checkerboard)沙障(Barrier)。结果表明流场结构与输砂存在显著差异。无防护时，流动再附(Reattachment)发生于2–3倍路堤高(H, Embankment Height)，近地表风速达10–11 m/s；设导流板时间延至3–4 H，风速降至7–9 m/s；设方格沙障时延至4–5 H，风速减至4–6 m/s并形成稳定低速区。地表剪切应力(Surface Shear Stress)由0.4–0.5 Pa降至0–0.2 Pa，路肩附近颗粒浓度(Particle Concentration)降低约一个数量级。颗粒输送减弱且沉积集中于坡脚，路基积砂量由350–480 g/min降至170–250 g/min。现场结果验证上述趋势，方格沙障有效限制砂粒运动并提高沉积稳定性。所提背风侧防护措施可有效减少铁路设施积砂，提升沙漠环境下铁路长期运营安全性、韧性与可持续性。

论文解读：沙漠地区高路堤背风侧防沙措施效率研究

该研究针对干旱及半干旱地区风沙(Wind-Blown Sand)灾害对交通运输基础设施——特别是沙漠区高铁路路堤的安全威胁展开。既有防沙工程多聚焦于迎风侧(Windward Side)拦截，但在实际风况下仍会有部分跃移(Saltation)颗粒翻越路堤顶(Crest)进入背风侧(Leeward Side)。背风侧存在流动分离(Flow Separation)、回流(Recirculation)及再附(Reattachment)现象，翻越颗粒易被背风侧湍流再挟带(Re-entrainment)并向轨道区回输造成积砂。现场已观测到即使设有多级迎风防护仍存在背风侧严重积砂，说明仅关注迎风侧不足以保证安全，需系统研究背风侧流场结构及其对颗粒二次运移与沉积的影响。为此，研究人员以沙漠区典型高铁路路堤为对象，通过风洞实验、大涡模拟(Large Eddy Simulation, LES)耦合拉格朗日颗粒追踪(Discrete Phase Model, DPM)及现场试验，对比分析无防护、背风坡面设Baffle(导流板/挡板)、坡脚设Checkerboard Barrier(方格沙障/草方格)三种工况下的流场演化与砂粒输移沉积特征，评估背风侧防护措施的有效性，为荒漠区铁路防沙系统设计提供依据。论文发表于《Sustainability》。

主要关键技术方法：

研究人员采用几何比尺1:25制作路堤风洞模型(高H=0.3 m，边坡1:1.5，顶宽0.52 m)，设置无防护、背风坡面均布Baffle(高0.02 m，间距0.1 m)、坡脚布置孔隙率30%的稻草方格沙障(Checkerboard, 单元0.1 m×0.1 m)三种构型；来流风速设为12 m/s与16 m/s，使用皮托管测速、集砂系统及称重法获取近地表风速剖面与各区积砂量，每组重复3次。数值模拟计算域170 m×25 m×40 m，采用WALE亚格子模型的大涡模拟(LES)求解过滤Navier-Stokes方程，近壁面15层边界层网格(y⁺≈18.4)；离散相模型(DPM)以单向耦合(One-Way Coupling)释放粒径40–500 μm(中位径d₅₀=200 μm，ρ_p=2650 kg/m³)正态分布砂粒，入口均匀面喷射，壁面设为反射(Reflect)与捕获(Trap)。现场试验于典型沙漠铁路段对比Baffle与Checkerboard Barrier背风侧积砂分布。

研究结果：

3.1. Analysis of Numerical Simulation Results（数值模拟结果分析）

研究人员通过LES流场计算发现：无防护时气流于路堤顶尖锐分离，背风侧再附长度约2–3 H，近地表流速迅速恢复至10–11 m/s；设背风坡Baffle后湍流核区扩大下游延至3–4 H，近地表流速降至7–9 m/s；坡脚设Checkerboard Barrier后再附点推迟至4–5 H，近地表形成持续低速区(4–6 m/s)，动量恢复明显受抑。垂直风速剖面显示Checkerboard工况近地表低速层厚达6–8 m，显著高于另两种。沿流向分布表明Checkerboard使近壁区速度趋近零且回流减弱。涡量(Vorticity)分布显示无防护为大尺度稀疏涡，Baffle增加中尺度涡，Checkerboard产生密集小尺度涡系增强耗散但降低近壁相干结构。地表剪切应力在无防护时峰值为0.4–0.5 Pa，Baffle降至0.2–0.35 Pa(局地仍较高)，Checkerboard大部降至0–0.2 Pa(低于砂粒起动临界剪切应力约0.10–0.16 Pa)，利于沉积锁定。

3.1.2. Sand Deposition Variations Under the Three Structures（三种结构下砂粒沉积变化）

颗粒空间分布显示无防护时砂粒在背风坡及坡脚往复运移并被再挟带至路基面；Baffle使颗粒部分截留坡面但分布不均仍可再运移；Checkerboard Barrier促颗粒在近地表快速沉降并集中沉积于坡脚形成稳定堆积带。路肩处颗粒浓度峰值无防护最高(~1.6×10^-4kg/m³)，Baffle次之，Checkerboard最低(~3×10^-5kg/m³，注：原文图中读数为~3×10^-5~3×10^-4量级区间比较)，且高浓度区衰减最快；来流增至16 m/s时Checkerboard仍维持低浓度水平，表明其有效抑制峰值并限制下游输砂。

3.2. Analysis of Wind Tunnel Results（风洞结果分析）

风洞积砂形态与数值模拟一致：无防护背风侧广布积砂且路基面明显堆积；Baffle呈条带状局部滞留但不均；Checkerboard Barrier使砂粒主要富集于坡脚方格内，路基面积砂显著减少。归一化积砂量(Q_i/Q_A)表明Checkerboard使路基面(Region I)相对积砂分别降至约0.49(12 m/s)与0.52(16 m/s)，背风坡(Region II)约0.53–0.60，均为三种中最低；Baffle在背风坡出现相对积砂增大(~1.25–1.43)说明促进坡面截留但未有效降路基积砂。实验重复性标准差4.7–6.7%，趋势可靠。

讨论与结论翻译：

研究人员指出现场观测印证风洞与数值结果——Baffle背风侧轨面与坡面仍见明显积砂，Checkerboard Barrier将砂主要固结于坡脚方格区，轨面积砂大幅削减。Checkerboard Barrier通过产生密集小尺度涡增强局地湍能耗散、削弱回流相干性及近壁剪切应力，抑制颗粒再起动，适宜强风富砂区高路堤。局限性含结论主要适用于平坦荒漠主风向近似垂直铁路工况，尾流速度场定量验证受限于风洞皮托管难测反向流故再附特征主要源于数值模拟，复杂地形及多风向需进一步研究。

结论如下：(1)高路堤背风侧积砂主要受流动再附与近壁动量恢复控制。无防护再附2–3 H、近地表速10–11 m/s；Baffle延至3–4 H仍存高剪区；Checkerboard Barrier延至4–5 H、近地表速4–6 m/s，削弱动量恢复。(2)Checkerboard Barrier重构近壁流场，密集小尺度涡增耗散并破坏相干回流，虽局地湍流强但地表剪切应力由0.4–0.5 Pa降至0–0.2 Pa(接近或低于颗粒起动阈值0.10–0.16 Pa)，抑制再挟带并促坡脚稳定沉积。(3)颗粒沉积由背风侧及路基面宽泛不稳定堆积转为坡脚局地稳定堆积；Checkerboard Barrier使路基积砂速率由约350–480 g/min降至170–250 g/min。现场观测与风洞及数值结果吻合，证实方格沙障对沙漠区高铁路路堤背风侧防护的工程适用性。