CN103422449A

CN103422449A - 一种用于导沙、阻沙的羽毛排三角形防沙堤

Info

Publication number: CN103422449A
Application number: CN2012101535391A
Authority: CN
Inventors: 李建国; 屈建军; 冯起; 刘蔚
Original assignee: Cold and Arid Regions Environmental and Engineering Research Institute of CAS
Current assignee: Cold and Arid Regions Environmental and Engineering Research Institute of CAS
Priority date: 2012-05-17
Filing date: 2012-05-17
Publication date: 2013-12-04

Abstract

本发明涉及一种用于风沙防治的三角形防沙堤，其特征是并排修筑一组三角形防沙堤呈羽毛排形状，并布置在被防护物的上风向，三角形堤身断面为倾角40°的等腰三角形，堤身高度H为6.0-7.5m，堤身长度L为15-25m，羽毛排每个三角形堤身走向与主风方向呈60°的夹角，每两个三角形防沙堤间距为8-10m，每两个三角形防沙堤首尾重叠长度为3-5m。本发明是一种新型的防沙工程类型，既能在迎风侧阻滞风沙流，又能在背风侧充分导沙，并在兰新第二双线玉门段风沙防治中得到应用，取得了很好的防沙效果。为沙砾质戈壁风沙流的防治和我国交通线路维护、重要文物古迹及经济设施的保护提供了成功的经验和理论指导。

Description

一种用于导沙、阻沙的羽毛排三角形防沙堤

技术领域

本发明属于风沙防治技术领域，具体地说是一种用于导沙、阻沙的羽毛排三角形防沙堤。

背景技术

随着国民经济持续、稳定、高速发展，国家加大了对西部大开发的力度。戈壁地貌在西部地区面积广大，平坦广袤的地貌特征为风沙流的形成提供了有利的前提条件。风沙灾害一直是限制该地区经济发展的不利因素之一，是困扰我国沙区道路建设和安全运营、以及工农业发展的主要因素。因此，防沙新技术、新材料和新工艺的应用是风沙工程学的重要研究课题之一。

发明内容

针对河西走廊戈壁地区风沙危害规律及地貌环境条件，本发明提供一种用于导沙、阻沙的羽毛排三角形防沙堤。为了证实羽毛排三角形防沙堤的导沙、阻沙功效，本发明开展了野外监测和风洞实验模拟研究，分别从实地考察、室内风流场实验、压力实验和积沙实验的角度探讨了羽毛排三角形防沙堤防沙机理，从而为羽毛排三角形防沙堤更好地应用于实践中提供了理论依据。

本发明的目的是通过以下措施来实现：

一种用于戈壁地区导沙、阻沙的羽毛排三角形防沙堤，其特征是并排修筑一组三角形防沙堤呈羽毛排形状，并布置在被防护物的上风向，三角形堤身断面为倾角40°的等腰三角形，堤身高度H为6.0-7.5m，堤身长度L为15-25m，羽毛排每个三角形堤身走向与主风方向呈60°的夹角，每两个三角形防沙堤间距为8-10m，每两个三角形防沙堤首尾重叠长度为3-5m。

本发明的优点和产生的有益效果是：

1、防沙堤作为一种新型防沙技术具有受自然因素的限制少、堤身牢固不易破坏、便于施工等优点，通过实地观测和实验，证实羽毛排三角形防沙堤能够达到较理想的防护效果。本发明因地制宜、就地取材，交通线路防护可以选用道路修筑时的弃土和弃石，戈壁和流沙地区则利用挖掘截沙沟的材料修筑防沙堤。以上优点使其在工矿、交通及文物古迹等行业的风沙灾害防治中具有广泛的应用前景。

2、本发明的设计是基于河西走廊戈壁地区风沙流的特征及地貌环境条件而产生的。戈壁地区平坦开阔，沙砾丰富，为防沙堤的修筑提供了便利的前提条件；本发明研究结果表明，羽毛排三角形防沙堤堤身走向与主风向呈60°的夹角，迎风坡至堤顶能够发挥阻沙功效，使风沙流在迎风侧堆积；背风一侧能够发挥导沙功效，将沙从迎风端头疏导至背风端头，通过实验发现此疏导过程中风沙流的能量迅速减小，使被防护物受到保护。

3、将三角形防沙堤按照羽毛排形状进行修筑，不但降低了施工成本、缩短了工期，同时实验证明能够达到更好的防护效益。

附图说明

图1为本发明的布设示意图。

图2 是10m/s风速下，羽毛排三角形防沙堤走向与主风向呈10°、30°、60°和90°夹角时的流场结构图。

图3 为8m/s风速下，羽毛排三角形防沙堤走向与主风向呈10°、30°、60°和90°夹角时的压力分布图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明技术方案再作进一步的说明：

河西走廊风沙灾害严重, 多年来一直未能有效地阻止流沙的危害。为确保该区域内交通线路的顺畅运行，免受风沙危害, 本发明实施一种导沙、阻沙的羽毛排三角形防沙堤。

如图1所示，一种用于戈壁地区导沙、阻沙的羽毛排三角形防沙堤。三角形防沙堤1为一组并排修筑呈同样的羽毛排形状的沙堤，并布置在被防护物2的上风向，三角形堤身断面为倾角40°的等腰三角形，堤身高度H为7.0m，堤身长度L为25m，羽毛排每个三角形堤身走向与主风方向呈60°的夹角，每两个三角形防沙堤1间距为10m，每两个三角形防沙堤1首尾重叠长度为5m。

为了验证羽毛排三角形防沙堤的可行性，本发明从野外监测和风洞模拟实验两方面出发，其中风洞模拟实验包括三组：风流场观测实验、压力实验和积沙实验，我们研究了防沙堤走向与主风向分别呈10°、30°、60°和90°时的三角形防沙堤的防护效益，发现夹角呈60°时的三角形防沙堤在防护河西走廊地区交通线路的效果最佳。

1 羽毛排三角形防沙堤走向与主风向呈不同夹角时防护效益野外考察

1.1 观测方法

包兰铁路沙坡头段防护体系为世界防沙工程提供了成功的典范，此段防沙堤较为典型，本发明选择此段进行野外考察，包兰铁路沙坡头段的防沙堤连续分布于迎水桥至沙坡头景区，越过景区向西延伸到孟家湾地带。利用手持GPS打点技术，从孟家湾附近有防沙堤的位置开始，沿沙堤走向打点，每到沙堤拐弯的地方打点，各点之间的连线为沙堤各区段的走向。在有明显沙波纹指示导沙的位置做下记录，通过手持风向仪观测该地的风向，用罗盘量下沙堤的走向和沙波纹的指向。整理野外资料发现：防沙堤走向与主风向呈90°夹角时，主要发挥着阻沙功效；当与主风向夹角小于90°时，既能阻沙，又能够兼顾发挥导沙功效。当防沙堤走向与主风向夹角≤60°时，高大沙堤的迎风坡和背风坡都能起到导沙的作用，野外考察取得的经验值为室内的风洞实验模拟提供了依据。

2　羽毛排三角形防沙堤防护效益的风流场实验

2. 1　实验内容与方法

根据防沙工程的需要, 着重进行三角形防沙堤走向与主风向呈不同夹角时的模拟实验。本发明用木质三合板制作了高度为7cm、边坡倾角为40°的等腰三角形模型，模型走向与风洞来流方向分别呈10°、30°、60°和90°夹角。风速选取8、10和12 m/s三组进行对比观测，为了与野外实际情况近似，本实验同时在三角形防沙堤下风向60cm处布置了一排被防护物的模型。

2.2　实验结果与讨论

当模型走向与风洞来流方向90°夹角时，有效防护距离为8H；60°夹角时，有效防护距离为6.5H；10°、30°夹角的有效防护距离均小于6H。各组夹角防沙堤的迎风坡脚低速区随风速的增大而减小，从8m/s到12m/s风速下：呈30°夹角时，迎风坡脚低速区从-9H降低到-6.5H；45°夹角从-9.5H降低到-6H；60°从-10H降低到-6H；90°从-12H降低到-8H。各组防沙堤在三组风速下的流场结构类似，只是随风的增大，风速等值线的变化幅度增大，并且变得密集。同组风速下，各夹角时形成的低速区均小于90°夹角形成的距离。当主风向与沙堤走向呈10°、30°、60°夹角时，风沙流便发生力的分解，对风沙流进行疏导，从而迎风坡脚低速区的范围就有所减小，对风流的削弱作用降低，风流越过三角形防沙堤后形成的有效防护距离都会相应的减小。

从上述得知，虽然防沙堤与主风向呈90°夹角时能够形成最大的有效防护距离和迎风坡脚低速区，但是沙堤走向若与主风向呈10°、30°和60°夹角时，防沙堤便能发挥导沙功效，将风沙流沿防沙堤走向朝着远离被防护物的方向输导。

综上所述，同组风速下，10°、30°、60°角度均小于90°夹角时形成的迎风坡脚低速区和背风侧的有效防护距离，但从10°、30°、60°有效防护距离来看，60°夹角防护距离优于10°、30°夹角。

3　羽毛排三角形防沙堤防护效益的压力实验

3. 1　实验内容与方法

采用化学固沙材料制作防沙堤模型，将配置好的溶液加入沙漠沙中并搅拌均匀，塑造成防沙堤模型。将紫铜管的顶部用大头针堵住，从圆盘下部的孔洞里捅出模型，以备观测使用，最后将模型晾干，便可进行实验观测。实验时，将放置模型的圆盘嵌套在风洞中央，使高密度圆盘与风洞实验段平面保持同一高度。

测量防沙堤表面压力分布时，应用中国科学院寒区旱区环境与工程研究所沙漠与沙漠化重点实验室研制的风压风速传感器，把仪器安装在放置模型的位置旁边，以细橡胶管、细塑料管和模型体中的紫铜管相连，接收外界传来的风压信息，另一端连接到输采仪，进行风压数据的采集及存储，最后由通信接口将数据输出到计算机。调试好仪器，预热并启动风机，调出所需风速8 m/s和12m/s。

3.2　实验结果与讨论

下面对与来流风向呈90°、60°、30°和10°夹角的三角形防沙堤各剖面的表面压力做进一步分析，相关数据见图3：

压力计算公式如下：

式中，

为无量纲量表面压力系数，

为测点空气静压，

为无穷远处来流静压，

为无穷远处来流速度，

为流体密度。通过流体力学理论及以上公式可知，当压力为正值时，表示流体受阻，当压力为负值时，表示流体畅通，当压力为零值时，是流体受阻与畅通的转折点。

此次实验以堤身走向与来流风向呈90°的剖面压力值作为参照，研究堤身走向与来流风向分别呈60°、30°和10°夹角时的压力分布状况。夹角呈90°时，迎风侧的剖面A、B、C、D压力值都在0附近波动，形成迎风坡脚低速区，发挥了很好的阻沙功效；堤顶剖面E和背风坡剖面F、G、H由于绕流的原因，形成了压力负值区。

呈60°夹角时，8m/s风速下，迎风剖面A、B、C、D的压力线几乎重合，在-20到15之间波动，压力正值时能够使风沙流携带的颗粒在堤身前部沉积，压力负值时，流动的气流能够沿沙堤走向输导部分积沙，堤顶剖面E以及背风坡剖面F、G、H波动也不大，均为负值，发挥了导沙的功能；12m/s风速下，迎风坡剖面A、B、C 除堤体末端处绕流作用形成的正压外，其他各点在-15和20之间波动，兼顾发挥了阻沙和导沙的功能，剖面D到剖面H一直为负值，反应了大风速下剖面处于导沙状态。

呈30°和10°夹角时，迎风坡剖面和背风坡剖面均以负值为主，气流沿坡运动过程中存在能量的削减，在靠近堤体末端的位置能量降低，压力转为正值，之后由于绕流作用的存在，转为负值。此两类夹角的防沙堤气流基本顺畅通过，虽然很好地发挥了导沙的功能，但是压力不存在临界于0附近的趋势，不能发挥阻沙功效，容易将风沙流携带的颗粒吹向被防护物。

4　羽毛排三角形防沙堤防护效益的积沙实验

4. 1　实验内容与方法

对羽毛排三角形防沙堤进行了积沙实验，目的在于验证积沙的部位是否与纯气流条件下的表面压力和风流场结构一致。

对比实验选择两组风速：8m/s和12m/s，每次实验前，在防沙堤上风向200cm处，铺长250cm、宽100cm、厚10cm的原型沙坡头沙漠沙作为沙源；扫清模型前后及边缘的残留沙，用精度为0.1g的电子天枰对积沙进行称量。

4.2　实验结果与讨论

当羽毛排三角形防沙堤走向与主风向呈90°时，8m/s吹风下风沙流遇防沙堤阻挡在迎风坡脚受阻堆积，积沙量达到堤体2/3高度时不在继续增高，一部风向两侧随分流导向两端，另一部分沿坡越过堤体顶部在落沙坡发生堆积，爬升现象12m/s风速下更为明显。五分钟后，8m/s风速下的积沙情况为：迎风坡积沙为552.7g，背风坡积沙为1.6g；12m/s风速下积沙情况：风坡积沙为1245.5g，背风坡积沙为3.9g。

当三角形防沙堤与风向呈60°夹角时， 8m/s吹风过程中，迎风坡前端侵蚀严重，距离近风端10cm的地方开始出现明显导沙，将沙输送到下风向，大部分沙在防沙堤中间部位沉积，五分钟后的积沙称重为308.4g。12m/s风速下积沙情况与8m/s类似，迎风坡积沙重为697.6g。

当三角形防沙堤与风向呈30°夹角时，两侧均有导沙现象发生。防沙堤两侧端头出现积沙。肉眼观测沙粒运动情况：防沙堤迎风侧的端头出现积沙，后分流向两侧进行导沙，沙粒至防沙堤背风端处发生堆积。8m/s风速下，沿沙堤走向的两个坡积沙量少，因为这两坡主要发挥导沙的功能，五分钟后迎风侧积沙重量为2.7g，背风侧为1.8g；迎风端头积沙32.5g，背风端头为14.4g。12m/s风速下，积沙导流现象较8m/s风速更为明显：五分钟后迎风侧积沙重量为5.1g，背风侧为3.1g；迎风端头积沙70.8g，背风端头为32.6g。

综上所述，防沙堤走向与主风向呈90°夹角时，阻沙效果明显，但不能导沙，此时风沙流易对防沙堤造成掏蚀，并引起沙埋；当防沙堤走向与主风向夹角呈30°和10°时，虽然能很好地发挥导沙功效，但是阻沙功效不明显，且容易将风沙颗粒导向防护物，对防护物造成危害；当防沙堤走向与主风向夹角呈60°时，防沙堤迎风坡一侧的剖面压力值介于0附近，能够很好地发挥阻沙功效，背风坡及堤顶能够很好地发挥导沙功能。从上述三角形防沙堤的导沙、阻沙功能来看，防沙堤走向与主害风呈60°夹角是防沙堤走向最佳选择，能够最好地发挥防护功效，使防护物得到有效的保护。

Claims

1.一种用于戈壁地区导沙、阻沙的羽毛排三角形防沙堤，其特征是并排修筑一组三角形防沙堤（1）呈羽毛排形状，并布置在被防护物（2）的上风向，三角形堤身断面为倾角40°的等腰三角形，堤身高度H为6.0-7.5m，堤身长度L为15-25m，羽毛排每个三角形堤身走向与主风方向呈60°的夹角，每两个三角形防沙堤（1）间距为8-10m，每两个三角形防沙堤（1）首尾重叠长度为3-5m。