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风沙区公路防积沙的新型防护栏研究

张帅 丁国栋 高广磊 赵媛媛 于明含 包岩峰 王春媛

张帅, 丁国栋, 高广磊, 赵媛媛, 于明含, 包岩峰, 王春媛. 风沙区公路防积沙的新型防护栏研究[J]. 北京林业大学学报, 2018, 40(2): 90-97. doi: 10.13332/j.1000-1522.20170353
引用本文: 张帅, 丁国栋, 高广磊, 赵媛媛, 于明含, 包岩峰, 王春媛. 风沙区公路防积沙的新型防护栏研究[J]. 北京林业大学学报, 2018, 40(2): 90-97. doi: 10.13332/j.1000-1522.20170353
Zhang Shuai, Ding Guo-dong, Gao Guang-lei, Zhao Yuan-yuan, Yu Ming-han, Bao Yan-feng, Wang Chun-yuan. Study on new highway guardrail for anti-sediment in sand area[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2018, 40(2): 90-97. doi: 10.13332/j.1000-1522.20170353
Citation: Zhang Shuai, Ding Guo-dong, Gao Guang-lei, Zhao Yuan-yuan, Yu Ming-han, Bao Yan-feng, Wang Chun-yuan. Study on new highway guardrail for anti-sediment in sand area[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2018, 40(2): 90-97. doi: 10.13332/j.1000-1522.20170353

风沙区公路防积沙的新型防护栏研究

doi: 10.13332/j.1000-1522.20170353
基金项目: 

国家自然科学基金项目 31600581

中央高校基本科研业务费专项 2015ZCQ-SB-02

国家重点研发计划项目 2016YFC0500905

国家自然科学基金项目 31270749

详细信息
    作者简介:

    张帅,博士生。主要研究方向:荒漠化防治。Email:xxwoshizsxx@163.com 地址:100083北京市海淀区清华东路35号北京林业大学水土保持学院

    通讯作者:

    丁国栋,教授,博士生导师。主要研究方向:荒漠化防治。Email:dch1999@263.net 地址:同上

  • 中图分类号: S157.1

Study on new highway guardrail for anti-sediment in sand area

  • 摘要: 目的防护栏是保障公路交通安全的重要防护措施,但单一的设计并不能与多种环境相适应。在风沙区的实践活动中发现,安装防护栏的路段常会出现带状积沙,本文针对这一现状,在实地调查的基础上,从空气动力学的角度进行研究,为风沙区路面积沙提供解决方案。方法以公路防护栏为研究对象,对护栏板进行不同孔隙度、不同孔型的改造,利用风洞模拟、克里金插值等方法,分析不同孔洞防护栏对路面风速流场的影响,并计算不同类型防护栏对绝对含沙量的影响,选取适当的配置,达到防止路面积沙的目的。结果传统防护栏背风侧路面近地表风速下降至原风速的80%,在风速为5、8、11 m/s的条件下风沙流绝对含沙量分别下降了44.7%、64.8%和75.1%,护栏板对风沙流的阻挡作用是导致路面积沙的重要因素;新型防护栏能提高风沙流绝对含沙量,大孔型、小孔型防护栏对绝对含沙量的影响随孔隙度没有明显的规律性,但均低于初始水平,长条状孔型防护栏对绝对含沙量的影响随孔隙度的增大而减小,孔隙度达到0.3时绝对含沙量达到初始水平;风沙流结构中含沙量最高的近地表层中,不同孔型防护栏对风速的影响呈现出一致的规律性,随孔隙度的增大而减小,其中大孔型防护栏和小孔型防护栏在不同孔隙度条件下背风侧稳定后风速均小于初始风速,孔隙度为0.3和0.4的长条状孔型防护栏后稳定速度达到初始风速;从风速流场来看,传统防护栏后沿风向形成明显的减速区和低速区,长条状孔型防护栏后风速流场结构较为稳定。结论孔隙度为0.3和0.4的长条状孔型防护栏能起到改善路面风速流场,防止沙区公路积沙的作用。未来针对防护栏的研究应在符合安全标准的基础上,针对不同的行车环境进行相适应的改造,使其充分发挥防护作用。
  • 图  1  不同打孔方式示意图

    Figure  1.  Schematic diagram of different punching modes

    图  2  实验测点分布示意图

    Figure  2.  Distribution schematic of experimental measurement points

    图  3  不同风速下新型防护栏1 cm高处风速平均变化率

    Figure  3.  Average variation rate of 1 cm height of the new protective guardrail under different wind speeds

    图  4  传统防护栏不同风速下风场分布

    Figure  4.  Distribution of wind field of traditional fence under different wind speeds

    图  5  孔隙度为0.3的长条防护栏不同风速下风场分布

    Figure  5.  Distribution of wind field of a long bar with a porosity of 0.3 under different wind speeds

    表  1  传统波形路侧防护栏内不同风速下的变化率

    Table  1.   Changing rate of different wind speeds in the traditional corrugated road

    风速类型
    Wind speed type
    高度
    Height/cm
    距离Distance/cm
    4 8 12 16 20 24 28 32 36 40
    起动风速(5 m/s)
    Threshold speed(5 m/s)
    1 1.37 1.17 1.07 0.98 0.91 0.88 0.88 0.85 0.86 0.84
    3 1.29 1.05 0.90 0.85 0.82 0.81 0.80 0.81 0.82 0.82
    5 0.49 0.58 0.61 0.64 0.67 0.71 0.74 0.78 0.78 0.81
    7 0.37 0.29 0.44 0.57 0.66 0.74 0.76 0.80 0.82 0.83
    9 0.88 0.67 0.73 0.80 0.82 0.84 0.89 0.89 0.91 0.92
    劲风(8 m/s)
    Fresh breeze(8 m/s)
    1 1.27 1.08 1.01 0.95 0.92 0.86 0.85 0.83 0.82 0.82
    3 1.24 1.06 0.92 0.83 0.82 0.82 0.82 0.81 0.79 0.79
    5 0.54 0.67 0.65 0.66 0.68 0.70 0.75 0.78 0.80 0.80
    7 0.40 0.32 0.45 0.60 0.68 0.75 0.77 0.80 0.81 0.84
    9 0.90 0.70 0.79 0.83 0.87 0.87 0.89 0.91 0.92 0.93
    强风(11 m/s)
    Strong breeze(11 m/s)
    1 1.26 1.11 1.01 0.96 0.89 0.85 0.82 0.83 0.83 0.83
    3 1.25 1.07 0.87 0.80 0.77 0.78 0.77 0.78 0.79 0.80
    5 0.39 0.56 0.58 0.61 0.66 0.67 0.73 0.74 0.76 0.79
    7 0.37 0.33 0.44 0.59 0.65 0.71 0.75 0.75 0.77 0.82
    9 0.87 0.67 0.72 0.78 0.82 0.85 0.87 0.88 0.88 0.89
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    表  2  不同设置条件下风沙流绝对含沙量

    Table  2.   Absolute sediment concentration of sand flow under different setting conditions

    项目Item 起动风速Threshold speed 劲风Fresh breeze 强风Strong breeze
    风速Wind speed/(m·s-1) 绝对含沙量Absolute sediment concentration/(g·min-1) 风速Wind speed/(m·s-1) 绝对含沙量Absolute sediment concentration/(g·min-1) 风速Wind speed/(m·s-1) 绝对含沙量Absolute sediment concentration/(g·min-1)
    无防护No guardrail 5.12 44.19 7.93 353.40 10.91 3 205.31
    传统防护栏Traditional guardrail 4.32 24.45 6.52 124.50 9.03 797.52
    大孔型0.1 Big hole 0.1 4.66 31.44 7.08 188.42 9.93 1 552.21
    小孔型0.1 Small hole 0.1 4.79 34.61 7.23 210.53 9.30 973.88
    长条状孔型0.1 Strip hole 0.1 4.78 34.36 6.98 174.98 9.61 1 224.96
    大孔型0.2 Big hole 0.2 4.66 31.44 7.35 230.08 10.07 1 721.63
    小孔型0.2 Small hole 0.2 4.56 29.20 6.68 140.15 9.71 1 319.03
    长条状孔型0.2 Strip hole 0.2 4.91 37.83 7.38 235.25 10.26 1 981.51
    大孔型0.3 Big hole 0.3 4.70 32.38 7.32 225.03 10.33 2 086.84
    小孔型0.3 Small hole 0.3 4.65 31.21 7.04 182.92 9.99 1 622.68
    长条状孔型0.3 Strip hole 0.3 5.19 46.53 7.89 343.09 10.92 3 229.11
    大孔型0.4 Big hole 0.4 3.96 18.73 6.48 120.87 9.38 1 033.27
    小孔型0.4 Small hole 0.4 4.17 21.88 6.57 129.19 9.76 1 368.75
    长条状孔型0.4 Strip hole 0.4 5.22 47.58 7.97 364.01 11.28 4 214.70
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出版历程
  • 收稿日期:  2017-09-28
  • 修回日期:  2017-11-22
  • 刊出日期:  2018-02-01

风沙区公路防积沙的新型防护栏研究

doi: 10.13332/j.1000-1522.20170353
    基金项目:

    国家自然科学基金项目 31600581

    中央高校基本科研业务费专项 2015ZCQ-SB-02

    国家重点研发计划项目 2016YFC0500905

    国家自然科学基金项目 31270749

    作者简介:

    张帅,博士生。主要研究方向:荒漠化防治。Email:xxwoshizsxx@163.com 地址:100083北京市海淀区清华东路35号北京林业大学水土保持学院

    通讯作者: 丁国栋,教授,博士生导师。主要研究方向:荒漠化防治。Email:dch1999@263.net 地址:同上
  • 中图分类号: S157.1

摘要: 目的防护栏是保障公路交通安全的重要防护措施,但单一的设计并不能与多种环境相适应。在风沙区的实践活动中发现,安装防护栏的路段常会出现带状积沙,本文针对这一现状,在实地调查的基础上,从空气动力学的角度进行研究,为风沙区路面积沙提供解决方案。方法以公路防护栏为研究对象,对护栏板进行不同孔隙度、不同孔型的改造,利用风洞模拟、克里金插值等方法,分析不同孔洞防护栏对路面风速流场的影响,并计算不同类型防护栏对绝对含沙量的影响,选取适当的配置,达到防止路面积沙的目的。结果传统防护栏背风侧路面近地表风速下降至原风速的80%,在风速为5、8、11 m/s的条件下风沙流绝对含沙量分别下降了44.7%、64.8%和75.1%,护栏板对风沙流的阻挡作用是导致路面积沙的重要因素;新型防护栏能提高风沙流绝对含沙量,大孔型、小孔型防护栏对绝对含沙量的影响随孔隙度没有明显的规律性,但均低于初始水平,长条状孔型防护栏对绝对含沙量的影响随孔隙度的增大而减小,孔隙度达到0.3时绝对含沙量达到初始水平;风沙流结构中含沙量最高的近地表层中,不同孔型防护栏对风速的影响呈现出一致的规律性,随孔隙度的增大而减小,其中大孔型防护栏和小孔型防护栏在不同孔隙度条件下背风侧稳定后风速均小于初始风速,孔隙度为0.3和0.4的长条状孔型防护栏后稳定速度达到初始风速;从风速流场来看,传统防护栏后沿风向形成明显的减速区和低速区,长条状孔型防护栏后风速流场结构较为稳定。结论孔隙度为0.3和0.4的长条状孔型防护栏能起到改善路面风速流场,防止沙区公路积沙的作用。未来针对防护栏的研究应在符合安全标准的基础上,针对不同的行车环境进行相适应的改造,使其充分发挥防护作用。

English Abstract

张帅, 丁国栋, 高广磊, 赵媛媛, 于明含, 包岩峰, 王春媛. 风沙区公路防积沙的新型防护栏研究[J]. 北京林业大学学报, 2018, 40(2): 90-97. doi: 10.13332/j.1000-1522.20170353
引用本文: 张帅, 丁国栋, 高广磊, 赵媛媛, 于明含, 包岩峰, 王春媛. 风沙区公路防积沙的新型防护栏研究[J]. 北京林业大学学报, 2018, 40(2): 90-97. doi: 10.13332/j.1000-1522.20170353
Zhang Shuai, Ding Guo-dong, Gao Guang-lei, Zhao Yuan-yuan, Yu Ming-han, Bao Yan-feng, Wang Chun-yuan. Study on new highway guardrail for anti-sediment in sand area[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2018, 40(2): 90-97. doi: 10.13332/j.1000-1522.20170353
Citation: Zhang Shuai, Ding Guo-dong, Gao Guang-lei, Zhao Yuan-yuan, Yu Ming-han, Bao Yan-feng, Wang Chun-yuan. Study on new highway guardrail for anti-sediment in sand area[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2018, 40(2): 90-97. doi: 10.13332/j.1000-1522.20170353
  • 公路防护栏作为最重要的道路安全设施,在全世界范围内得到了广泛的应用[1-3]。我国在“七五”期间开始了对护栏设计的研究,在参考美、日等国家研究成果的基础上,确定了适用于我国的波形梁护栏,随后提出了包括“Z”字形多种护栏结构形式,但因强度太弱,不利于行车安全被停止使用[4-5]。1992年,交通部公路科学研究所提出了新型变截面波形梁护栏结构形式,并将其作为我国护栏的基本结构形式列入标准,推广全国应用。目前关于防护栏的研究一方面局限在其自身强度、形变等安全性能,另一方面没有与我国复杂的交通环境条件紧密结合[6-7]

    在我国西北地区,风蚀是危害当地生态环境的重大自然灾害之一[8],目前不合理的土地利用方式加速了环境的逆向演变[9]。对于重点项目的建设,工程措施在防沙治沙工作中起了重要的作用[10-11],通常要在工程两侧采取方格栽草、设置栅栏等防沙措施,以防止公路积沙造成安全隐患[12-13]。在沙漠地区,即使布设了多种防沙措施,仍会产生路面积沙,路面沙纹的形成又会影响风沙流输沙量[14],多次大风后沙堆阻碍交通,造成恶性事故[15-17];在风沙区,部分道路的铺设过程中并没有考虑公路积沙的危害,公路两侧也未实施相应措施[18-20]。实践中调查发现,风沙区道路频繁出现带状沙堆,大风后带状沙堆向两侧扩展为面状,增加了行车安全的隐患。此外,风沙区夏季气候炎热干燥,公路表层温度较高,沥青路面易发生软化,此时积沙会破坏路面,且难以清除[21-23]。风沙区环境较恶劣,不适合派驻大量养路人员,目前只在沙漠地区及重点防护地区会有机械进行积沙的清理工作,且工作效率较慢[24-25]。本研究从防护栏角度进行实验,通过在防护栏板上打洞的方式来调节路面风速流场分布状况,利用风力吹蚀、搬运路面积沙,以达到以风治沙的目的,减少风沙区道路行车隐患;同时也为交通安全研究工作提供新的思路,将防护栏优化设计与当地环境相结合,针对不同交通环境条件安装相适应的安全措施。

    • 本研究采用风洞模拟实验的方法,实验地点位于北京林业大学西山校属鹫峰实验林场风沙物理实验室。该风洞主要由风洞洞体和监控系统两部分组成。其中风洞洞体全长为24 m,试验段为12 m,试验段横截面为0.6 m×0.6 m,轴心风速为2~40 m/s连续可调,有效试验截面风速脉动小于1.5%。监控系统由控制柜、三维移测系统、TSI热膜风速仪及KIMO热线风速仪组成。

      实验所用模型是以现有波形护栏为基础,按照1:10的比例缩放制作而成,露出高度为9 cm,其中护栏板高度为3 cm,立柱高度为6 cm,模型长度为60 cm,厚度为1 cm,模型布置方向垂直于风向。实验通过打孔的方式来调整流场状况,以期达到防止积沙的目的。为探究不同孔隙度对结果的影响,本试验设置0.1、0.2、0.3、0.4 4种孔隙度,在每种孔隙度的控制过程中,我们设置了大孔、小孔、长条状3种不同的孔洞(图 1),分析同一孔隙度下不同的孔型对流场的影响状况。根据中国气象局风力等级划分将风速梯度设置为5 m/s(起动风速)、8 m/s(五级劲风)、11 m/s(六级强风)。

      图  1  不同打孔方式示意图

      Figure 1.  Schematic diagram of different punching modes

      测点设置在防护栏模型的背风侧,水平方向相邻测点间距为1 cm,垂直于风向的方向每行共计设置40个测点,平行于风向的方向每列测点数量不做限制要求,测量至风速达到稳定状态为止(图 2)。垂直方向的相邻测点间距为1 cm,最低测点为1 cm,最高测点为9 cm,风洞试验段边界层为10 cm。

      图  2  实验测点分布示意图

      Figure 2.  Distribution schematic of experimental measurement points

    • 风沙流是指含有沙粒的运动气流,风沙流中含沙量随风速变化而变化,当风速显著超过起动风速后,风沙流中的含沙量急剧增加,风速与含沙量之间成指数关系:

      $$ S=\rm{e}^{0.74 \mathit{v}} $$

      式中:S为绝对含沙量;v为风速;e为常数(e=2.718)。

      风沙流在受到阻挡作用后其风沙流结构会发生变化,绝对含沙量的数值也随之变动[26]。通过对不同孔型、不同孔隙度的防护栏后气流进行风速廓线拟合,计算绝对含沙量的数值变化,从而量化防护栏对风沙流的影响。

    • 表 1可以看到,1和3 cm高度的气流在通过波形护栏时由于绕流及防护栏自身物理形状形成的短暂狭管效应导致风速变大,挟沙能力增强。1 cm高度的风速在4~20 cm的范围内下降明显,在32 cm后达到稳定状态,稳定后风速值约为原风速的83%。3 cm高度的风速在4~16 cm的范围内下降明显,在20 cm后达到稳定状态,稳定后风速值约为原风速的80%。5和7 cm高度的气流在通过防护栏时由于波形护栏板的阻挡作用,风速急剧减小,在4~32 cm的范围内持续上升,随后达到稳定状态,稳定后风速约为原风速的80%。9 cm高度的风速变化幅度较小,在经过防护栏时先减小,在8~28 cm范围内持续上升,随即达到稳定状态,稳定时风速与气流经过防护栏时风速一致,均为原风速的90%。

      表 1  传统波形路侧防护栏内不同风速下的变化率

      Table 1.  Changing rate of different wind speeds in the traditional corrugated road

      风速类型
      Wind speed type
      高度
      Height/cm
      距离Distance/cm
      4 8 12 16 20 24 28 32 36 40
      起动风速(5 m/s)
      Threshold speed(5 m/s)
      1 1.37 1.17 1.07 0.98 0.91 0.88 0.88 0.85 0.86 0.84
      3 1.29 1.05 0.90 0.85 0.82 0.81 0.80 0.81 0.82 0.82
      5 0.49 0.58 0.61 0.64 0.67 0.71 0.74 0.78 0.78 0.81
      7 0.37 0.29 0.44 0.57 0.66 0.74 0.76 0.80 0.82 0.83
      9 0.88 0.67 0.73 0.80 0.82 0.84 0.89 0.89 0.91 0.92
      劲风(8 m/s)
      Fresh breeze(8 m/s)
      1 1.27 1.08 1.01 0.95 0.92 0.86 0.85 0.83 0.82 0.82
      3 1.24 1.06 0.92 0.83 0.82 0.82 0.82 0.81 0.79 0.79
      5 0.54 0.67 0.65 0.66 0.68 0.70 0.75 0.78 0.80 0.80
      7 0.40 0.32 0.45 0.60 0.68 0.75 0.77 0.80 0.81 0.84
      9 0.90 0.70 0.79 0.83 0.87 0.87 0.89 0.91 0.92 0.93
      强风(11 m/s)
      Strong breeze(11 m/s)
      1 1.26 1.11 1.01 0.96 0.89 0.85 0.82 0.83 0.83 0.83
      3 1.25 1.07 0.87 0.80 0.77 0.78 0.77 0.78 0.79 0.80
      5 0.39 0.56 0.58 0.61 0.66 0.67 0.73 0.74 0.76 0.79
      7 0.37 0.33 0.44 0.59 0.65 0.71 0.75 0.75 0.77 0.82
      9 0.87 0.67 0.72 0.78 0.82 0.85 0.87 0.88 0.88 0.89
    • 表 2可以看出,传统防护栏对气流的阻挡作用导致风速降低,风沙流挟沙能力减弱,绝对含沙量下降,在不同风速条件下分别下降了44.7%、64.8%和75.1%,风速越大,可析出沉积在路面的沙量越高,表明传统防护栏是路面积沙产生的重要影响因素。对比绝对含沙量可以看出,孔隙度为0.3和0.4的长条状孔型防护栏可以将风沙流绝对含沙量维持在原风速水平,避免沙粒析出,防止路面积沙。

      表 2  不同设置条件下风沙流绝对含沙量

      Table 2.  Absolute sediment concentration of sand flow under different setting conditions

      项目Item 起动风速Threshold speed 劲风Fresh breeze 强风Strong breeze
      风速Wind speed/(m·s-1) 绝对含沙量Absolute sediment concentration/(g·min-1) 风速Wind speed/(m·s-1) 绝对含沙量Absolute sediment concentration/(g·min-1) 风速Wind speed/(m·s-1) 绝对含沙量Absolute sediment concentration/(g·min-1)
      无防护No guardrail 5.12 44.19 7.93 353.40 10.91 3 205.31
      传统防护栏Traditional guardrail 4.32 24.45 6.52 124.50 9.03 797.52
      大孔型0.1 Big hole 0.1 4.66 31.44 7.08 188.42 9.93 1 552.21
      小孔型0.1 Small hole 0.1 4.79 34.61 7.23 210.53 9.30 973.88
      长条状孔型0.1 Strip hole 0.1 4.78 34.36 6.98 174.98 9.61 1 224.96
      大孔型0.2 Big hole 0.2 4.66 31.44 7.35 230.08 10.07 1 721.63
      小孔型0.2 Small hole 0.2 4.56 29.20 6.68 140.15 9.71 1 319.03
      长条状孔型0.2 Strip hole 0.2 4.91 37.83 7.38 235.25 10.26 1 981.51
      大孔型0.3 Big hole 0.3 4.70 32.38 7.32 225.03 10.33 2 086.84
      小孔型0.3 Small hole 0.3 4.65 31.21 7.04 182.92 9.99 1 622.68
      长条状孔型0.3 Strip hole 0.3 5.19 46.53 7.89 343.09 10.92 3 229.11
      大孔型0.4 Big hole 0.4 3.96 18.73 6.48 120.87 9.38 1 033.27
      小孔型0.4 Small hole 0.4 4.17 21.88 6.57 129.19 9.76 1 368.75
      长条状孔型0.4 Strip hole 0.4 5.22 47.58 7.97 364.01 11.28 4 214.70
    • 风沙流的结构特征表明,近地表 10 cm内的二相流携带了绝大多数的沙粒,且随着风速的增大而增多[27],因此,为了达到干旱半干旱风沙区公路防积沙的目的,本研究主要分析模型1 cm高处的风速变化情况。

      图 3可以看出,不同孔型的防护栏对风速的影响是有差异的。通过大孔防护栏的气流和通过小孔防护栏的气流变化趋势较为相似,在通过防护栏时有一个加速的过程,随即风速降低,在达到稳定状态后,风速明显低于原风速,仍有路面积沙的隐患。通过长条状孔隙防护栏的气流同样有一个加速过程,但随后的风速下降幅度较小,稳定后风速值大于同孔隙度另外两种孔型的防护栏,且接近于原风速,风沙流的挟沙能力在整个过程中均大于原风速,不会产生路面积沙。因此,为防止风沙区公路积沙的新型防护栏在孔型上应选择长条形形状的孔洞。

      图  3  不同风速下新型防护栏1 cm高处风速平均变化率

      Figure 3.  Average variation rate of 1 cm height of the new protective guardrail under different wind speeds

      图 3可以看出,孔隙度对不同孔型的防护栏有较大的影响。大孔型防护栏随着孔隙度的增大,对气流的初始加速作用逐渐减弱,孔隙度在0.1~0.3区间内时,通过大孔防护栏的气流稳定后风速差异较小,均接近于原风速的90%,当孔隙度达到0.4时,通过大孔防护栏的气流相对稳定,风速受到防护栏物理阻挡作用降到原风速的80%,不再出现初始加速过程和风速降低过程。小孔型防护栏随着孔隙度的增大,对气流的初始加速作用逐渐减弱,孔隙度由0.1增加到0.3的过程中,初始加速效果由30%降到10%,当孔隙度达到0.4时,防护栏后风速接近于原风速,不再出现初始加速过程;通过不同孔隙度的小孔防护栏的气流稳定后风速相对一致,均接近于原风速的90%。长条状孔型防护栏随着孔隙度的增大,对气流的加速作用逐渐减弱,但是降低幅度较小,孔隙度由0.1增加到0.4的过程中,初始加速效果由30%降至20%;通过不同孔隙度的长条孔型防护栏的气流稳定后风速随孔隙度的增大而增大,当孔隙度为0.3时,稳定后风速已经恢复到原风速的水平,因此,孔隙度为0.3和0.4的防护栏均能达到防止积沙的目的。

    • 图 4可以看出,通过防护栏时的气流风速高于原风速,且在防护栏后150 mm范围内急剧下降,形成等值线密集的减速区,其中显示明显差异的弱风区是由于防护栏立柱的阻挡作用导致,分析时以立柱两侧的数据为主要依据;150~200 mm内等值线稀疏,气流较为稳定,其走向与风向垂直,表明风速仍处于下降趋势;200 mm以后的区域内等值线走向与风向平行,表明气流趋于平稳,风速值达到稳定状态。整体色块过渡较多,风速下降幅度大,稳定后风速明显低于原风速。

      图  4  传统防护栏不同风速下风场分布

      Figure 4.  Distribution of wind field of traditional fence under different wind speeds

    • 表 2的数据可以得到,孔隙度为0.3的长条状孔洞防护栏是最适合风沙区公路防积沙的新型防护栏,针对此护栏进行风速流场分析如下。从图 5可以看出,气流在通过防护栏时风速有下降的趋势,等值线较稀疏,并未呈现出风速急剧下降的区域,图中风速明显差异的区域是由于防护栏立柱的物理阻挡作用所致,分析时以立柱两侧数据为主要依据。防护栏后250 mm范围内等值线走向与风向垂直,风速缓慢下降,随后气流趋于平稳,风速达到稳定状态。整体色块过渡较少,风速下降幅度小,气流相对稳定,风速保持在较高水平,在此条件下风沙流挟沙能力较强,不会有沙粒析出,避免了路面积沙。

      图  5  孔隙度为0.3的长条防护栏不同风速下风场分布

      Figure 5.  Distribution of wind field of a long bar with a porosity of 0.3 under different wind speeds

    • (1) 风速是影响风沙流挟沙能力的重要因素,而风沙流的结构特征决定了沙粒主要集中在近地表层,因此本研究主要分析1 cm高度的风速变化和流场状况。从表 1可以看到,1 cm高度的气流在经过防护栏16 cm的位置处风速略小于原风速值,到达32 cm后达到稳定状态,表明沙粒沉积过程发生在防护栏后16~32 cm区间内,考虑到沙粒惯性等因素,实际积沙范围要大于32 cm,与野外调查结果相一致,这一区域已经影响到应急车道及外车道行车安全,且路面积沙仍会继续影响近地表流场状况,增加安全隐患。

      (2) 从绝对积沙量可以得出路面积沙的产生是由防护栏的阻挡作用使风速降低而导致,因此本研究的目的在于通过打孔改变路面近地表风速流场状况,使风速维持在原风速以上,避免因风沙流挟沙能力下降导致沙粒析出。从表3可以看出,孔隙度为0.3和0.4的长条状孔型防护栏均满足此要求,同时稳定后风速接近于原风速,不会带来吹蚀和大风灾害。

      (3) 从图 4中可以看到,风沙流在通过传统防护栏时形成风速急剧下降的弱风区,在此区域内沙粒迅速沉积,导致路面积沙,形成新的基准面,抬升运动气流,继续影响风速流场的改变,同时路面积沙在风力作用下,会以蠕移、悬移等形式扩展积沙区域,从而造成更大的安全隐患,影响道路行车安全。

      (4) 本研究从风速流场的角度分析解决风沙区道路积沙的问题,暂不涉及防护栏安全性能的检验,具体安全性还需要计算机仿真及实车碰撞等手段进行实验,本研究实施过程中打孔所结余底料也可以设计为加固配件,但不在本研究范围内,分析中提出孔隙度为0.3和0.4的长条状孔型防护栏均能达到防止积沙的目的,实际中可根据防护栏板自身强度等因素灵活选择。此外,本研究为防护栏的设计提供一种新思路,即在安全范围内,防护栏的设计应结合当地生态环境进行合理性优化,降低行车隐患。

    • 从野外调查和风洞模拟实验结果来看,我们可以得到以下结论:

      (1) 在风沙区,传统防护栏对气流的阻挡作用致使风速下降,风沙流挟沙能力降低是导致路面积沙的主要影响因素,在5、8、11 m/s的条件下风沙流绝对含沙量分别下降了44.7%、64.8%和75.1%,风速越大析出的沙粒越多。

      (2) 风沙流在受到传统防护栏的阻挡作用后风速急剧下降,3.2 m后气流达到稳定状态,稳定后风速约为原风速的80%,初始积沙区域为防护栏后1.6~3.2 m的范围,且随着路面积沙的产生形成新的基准面,受影响范围向路中央扩张。

      (3) 通过在护栏板打洞的方法可以改变路面流场状况,达到防止积沙的目的。孔隙度为0.3和0.4的长条状孔型防护栏能有效改善近地表流场分布,将风速控制在原始水平,防止路面积沙。

参考文献 (27)

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