刷状葵骨固沙障材料性能与固沙效益

doi:10.7522/j.issn.1000-694X.2026.00050

摘要/Abstract

摘要：

受全球极端气候影响，中国沙质海岸与南海珊瑚沙岛礁风水侵蚀强烈，需要借鉴内陆行之有效的草方格沙障进行固沙，然而传统的麦草等秸秆固沙材料难以应用于严酷的高湿、高盐雾海洋环境。本文作者就地取材，选用耐风耐盐且广泛分布于热带亚热带的棕榈树叶脉—葵骨替代麦草秸秆，为了获得更好的防风固沙效益，作者进而研制出一种适宜沙质海岸与珊瑚沙岛礁固沙的三维结构的刷状葵骨固沙障。通过拉伸试验测量材料强度，利用风洞模拟试验监测刷状葵骨固沙障流场特征、风沙流结构和蚀积状态变化。结果表明：（1）葵骨杨氏模量较大，可达78 GPa，具有较强的抗拉性，强度较高。（2）刷状葵骨固沙障内存在较大减速区，最明显的减速发生在第2个障格内至第3个障格后（x=200~500 cm），防风效能整体呈先增加再平稳波动后减少的趋势。（3）不同风速下，刷状葵骨固沙障的风沙流结构均显示出良好的固沙作用，平均固沙率可达91.1%，且沙粒主要截留在前缘第1个障格内。综上所述，刷状葵骨固沙障具有较强的耐风水蚀性能，固沙效果好，就地取材，经济环保，施工效率高，可广泛应用于沙质海岸与珊瑚沙岛礁的风沙防治。

关键词: 葵骨, 刷状沙障, 拉伸试验, 风洞模拟试验

Abstract:

Affected by global extreme climate， the sandy coasts and coral sand islands and reefs in the South China Sea suffer severe erosion from wind and water. There is an urgent need to adopt effective sand barriers inspired by the straw checkerboard barriers used inland. However， traditional sand-fixing materials such as wheat straw and other crop residues are difficult to apply in the harsh marine environment. To address this， the authors propose the use of "Kuigu" （the palm leaf veins）， a locally sourced material known for its erosion resistance and abundance in tropical and subtropical zones， as an alternative to traditional wheat straw. This leads to the development of a three-dimensional brush sand barrier made from Kuigu， suitable for stabilizing sandy coasts and coral sand islands and reefs. The material's mechanical strength was assessed via tensile testing， and its sand-fixing benefit was evaluated through wind tunnel simulations measuring flow field characteristics， wind-sand flow structure， and erosion-deposition patterns. Key findings include：（1） The Young's modulus of Kuigu is large， up to 78 GPa， with strong tensile resistance and high strength. （2） The brush Kuigu barriers created a significant deceleration zone. The most pronounced reduction in wind speed occurred from the second barrier to the area behind the third barrier （x=200-500 cm downwind）. Overall windbreak efficiency initially increased， fluctuated steadily， and subsequently decreased with distance. （3） Under different wind speeds， the brush Kuigu barriers demonstrated consistent effectiveness in sand-fixing through wind-sand flow structure， achieving an average sand-fixing efficiency of 91.1%， with the majority of sand intercepted within the first barrier. To sum up， the brush Kuigu barrier demonstrates strong wind and water erosion resistance， high sand-fixing efficiency， local sourcing， cost-effectiveness， environmental sustainability， and high construction efficiency， making it suitable for widespread application in sand control on sandy coasts and coral sand islands and reefs.

Key words: Kuigu, brush sand barrier, tensile test, wind tunnel simulation test

中图分类号:

S775

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图/表 15

图1 蒲葵树、葵骨和葵骨扫把

Fig.1 Livistona saribus， Kuigu， and Kuigu broom

图2 刷状葵骨沙障试验风洞布设

Fig.2 Layout of brush Kuigu barrier test in the wind tunnel

图3 风速测点（A）、集沙仪（B）及插钎位置（C）

Fig.3 Wind speed measuring point （A）， sand sampler （B） and insertion rod position （C）

图4 葵骨拉伸力-位移曲线

Fig.4 The tensile force-displacement curves of Kuigu

表1 葵骨拉伸试验结果

Table 1 The tensile test results of Kuigu

试验编号	最大力/kN	横截面积/mm²	位移/mm	长度/mm	应力/GPa	应变	杨氏模量/GPa
T₁	2.591	2.270	2.100	118.34	1.141	0.018	64.321
T₂	2.236	2.871	1.287	96.88	0.779	0.013	58.627
T₃	2.953	3.003	1.957	116.00	0.983	0.017	58.287
T₄	2.568	2.470	1.629	164.90	1.040	0.010	105.244
T₅	1.924	2.260	1.177	124.80	0.851	0.009	90.268
T₆	1.717	1.875	1.156	124.00	0.916	0.009	98.227
T₇	2.769	4.550	1.046	68.20	0.609	0.015	39.679
T₈	2.120	2.640	0.974	55.20	0.803	0.018	45.511
T₉	1.787	3.875	0.685	85.48	0.461	0.008	57.548
T₁₀	2.250	2.816	0.962	80.52	0.799	0.012	66.877
T₁₁	1.955	3.220	1.157	129.30	0.607	0.009	67.851
T₁₂	1.570	2.750	0.902	122.00	0.571	0.007	77.218
T₁₃	1.316	2.900	0.755	133.90	0.454	0.006	80.481
T₁₄	1.426	3.100	0.794	128.00	0.460	0.006	74.156
T₁₅	1.781	2.205	1.025	134.20	0.808	0.008	105.751
T₁₆	2.128	2.100	1.138	133.00	1.013	0.009	118.430
T₁₇	1.325	2.500	1.121	154.00	0.530	0.007	72.810
T₁₈	1.848	2.625	0.962	132.50	0.704	0.007	96.965
T₁₉	1.587	3.045	0.841	132.00	0.521	0.006	81.803
T₂₀	2.518	3.360	1.171	133.80	0.749	0.009	85.628
T₂₁	1.192	2.625	0.768	152.80	0.454	0.005	90.346

图5 无沙障时风速廓线

Fig.5 Wind speed profiles without sand barrier

图6 不同风速下刷状葵骨沙障流场

Fig.6 Flow field of the brush Kuigu barriers under different wind speeds

图7 不同风速下刷状葵骨沙障防风效能

Fig.7 Windbreak efficiency of the brush Kuigu barriers under different wind speeds

图8 不同风速下输沙率分布

Fig.8 Sediment flux density profiles under different wind speeds

图9 不同风速下无沙障输沙率拟合曲线

Fig.9 Fitted curves of sediment flux density without sand barriers under different wind speeds

表2 无沙障输沙率拟合分析结果

Table 2 Fitted analysis results of sediment flux density without sand barriers

风速/(m·s^-1)	c	d	f	R²	P
10	0.016	3.046	2.220	0.999	<0.001
14	0.308	19.738	2.604	0.998	<0.001
18	-0.734	26.879	6.234	0.979	<0.001
22	-0.339	42.165	7.721	0.981	<0.001

图10 不同风速下刷状葵骨沙障输沙率拟合曲线

Fig.10 Fitted curves of sediment flux density with the brush Kuigu barriers under different wind speeds

表3 刷状葵骨沙障输沙率拟合分析结果

Table 3 Fitted analysis results of sediment flux density with the brush Kuigu barriers

风速/(m·s^-1)	a₀	a₁	a₂	a₃	R²	P
10	0.008	-0.004	0.004	-0.001	0.967	<0.001
14	0.522	0.147	-0.055	0.003	0.981	<0.001
18	0.321	1.416	-1.134	0.286	0.474	>0.05
22	0.050	3.142	-1.737	0.326	0.994	<0.001

表4 总输沙率和固沙率

Table 4 Total sediment flux density and sand-fixing efficiency

风速/(m·s^-1)	无沙障时总输沙率/(g·cm^-2·min^-1）	刷状葵骨沙障总输沙率/(g·cm^-2·min^-1)	固沙率/%	平均固沙率/%
10	2.246	0.064	97.2	91.1
14	20.156	1.362	93.2
18	60.853	8.235	86.5
22	128.526	16.214	87.4

图11 不同风速下沙障蚀积状态变化

Fig.11 The change of erosion or deposition status inside the brush Kuigu barriers under different wind speeds

参考文献 27

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