格库铁路东起青海省格尔木市，西至新疆维吾尔自治区库尔勒市，全长1 214 km，对完善中国西北铁路网骨架，推动新疆、青海两省区经济社会发展，加强民族地区团结和巩固国防安全均有重要意义。格库铁路新疆段（图1A）全长708 km，沿途戈壁、干湖盆以及流动性沙丘等风沙地貌类型多样，沙源丰富。沿线地处极端干旱区，气候干燥，起沙风频率高，风沙危害极为严重。据统计，沿线遭受风沙危害路段约占线路全长的60%^［1］。风沙危害防治是格库铁路新疆段路基工程修建成功与否的关键技术。

铁路风沙危害及其防治一直是风沙工程学的重要内容^［2］。近70年来，中国在铁路防沙方面取得了举世瞩目的成绩，基于铁路风沙防治需求，经过长期的工程实践，提出具有代表性的风沙综合防护体系与模式^［3］。例如，为保证中国首条沙漠铁路——包兰铁路列车运行安全，在腾格里沙漠东南缘沙坡头段建立了“以固为主，固阻结合”的综合防沙体系，防护体系兼具了植物固沙和工程防沙措施^［2］，保障了铁路畅通无阻，为国家创造了数百亿元的经济效益^［3］。兰新高铁是中国首条穿越戈壁大风区和风沙区的高速铁路^［3-4］，自东往西途经烟墩风区、百里风区、三十里风区和达坂城风区等四大风区，在大风作用下，戈壁风沙流所携沙/砾冲击力强，对道路交通设施产生极大的破坏作用^［5］。为保障其安全运行，在明晰戈壁大风区风沙运动规律的基础上，建立了由多排冲孔钢板、铁制编织网栅栏和高立式镁水泥基固沙障组成的综合防沙体系，来降低大风风速，并阻截戈壁风沙流，风沙防护效益显著^［6］。

南疆地区盛产芦苇，价格低廉、环保且耐老化，近几十年来在风沙工程中得到了广泛应用。例如，在塔克拉玛干沙漠公路中，芦苇栅栏（芦苇把和排）和半隐蔽式芦苇沙障是防沙工程中的重要组成部分，取得了较好的防沙效益^［7］。然而，研究结果也表明，沙漠公路防沙体系中的紧密型芦苇把栅栏（10%疏透度），由于积沙紧靠栅栏两侧，容易失效^［8］。由于芦苇栅栏扎制全靠手工，无法大批量生产，在塔克拉玛干沙漠公路后期的防沙体系中被尼龙网栅栏代替^［9］。这些防沙体系主要针对沙漠地表风沙流，主要用来阻截风沙流和固定流沙；在戈壁区，戈壁由于砾石覆盖，除含沙量较为丰富的沙砾质戈壁外，就地起沙较少，防沙体系设计原则多以“阻、输导”为主。而且，戈壁区风力较强，疏透型芦苇排栅栏往往强度不够^［10］。为更好地将廉价防沙材料芦苇应用于戈壁大风区风沙危害防治，加强抗风强度，将芦苇用镀锌铁丝捆扎成排制成芦苇把栅栏。目前，芦苇把栅栏和芦苇把大网格组成的防沙体系已应用于格库铁路新疆段铁路戈壁风沙防治工程中。例如，在格（尔木）库（尔勒）铁路米兰戈壁区，受阿尔金山冲洪积作用影响，戈壁风沙流是造成铁路沙害的主要动力因子。研究表明，该区铁路沙害沙源主要是来自于戈壁之上的流动性沙丘^［11］。为更好地防治风沙危害，在格库铁路米兰戈壁区建立了防沙试验段工程——芦苇把防沙体系，该体系由两道芦苇把栅栏和芦苇把大网格带组成（图1B），防治原则“以阻为主”。然而，为更好地推广应用，芦苇把栅栏和大网格带组成的风沙防护工程体系防护效益亟须评价。

本文以格库铁路米兰戈壁区芦苇把栅栏和大网格带组成的防沙体系为例，通过野外观测和数值模拟，研究分析风速、输沙通量和风沙流沙粒粒度等参数沿防沙体系变化规律，评价格库铁路新疆段米兰戈壁区芦苇把防沙体系的防护效益，旨在为格库铁路戈壁区及南疆其他戈壁铁路风沙危害防治提供科学依据。

研究区位于阿尔金山山前冲洪积戈壁（图1C），戈壁砾石以细砾（<6 cm）为主，砾石覆盖度40%~50%，砾石间沙粒以细沙为主（0.125~0.25 mm）。研究区属暖温带极端干旱气候，据若羌县气象资料，区域年平均降水量43.2 mm，年平均蒸发量达2 033.3 mm，年平均大风日数为13 d，10 m高瞬时极大风速可达40 m·s^-1。根据2018年观测数据，2018年平均气温13.9 ℃，最高气温43.5 ℃，最低气温-15.5 ℃，平均相对湿度26.5%。研究区起沙风以偏东风为主（ENE和E），属高风能环境^［12］ 。防沙体系东侧约4 km外分布新月形沙丘和沙丘链，为区域铁路风沙危害的主要沙源^［11］。在偏东风的作用下形成戈壁风沙流，造成路基积沙危害。

防沙体系由两道芦苇把栅栏和大网格带组成，两道芦苇把栅栏高度均为2 m，间距20H（H为栅栏高度），即40 m，芦苇把直径为5 cm，把间距约5 cm，因此，栅栏孔隙度约50%。第二道栅栏后设空留带，长度为40 m。大网格带由10道4 m×4 m×0.8 m芦苇把大网格组成，芦苇把大网格孔隙度与阻沙栅栏相同（图1B）。

本区段防护体系走向大致为E-W（100°），分别在第一道栅栏上风向外围无影响区（对照，30H以上，H为沙障高度），第一道阻沙栅栏后2H和14H，第二道阻沙栅栏后2H和12H以及路基边缘大网格带末端架设多梯度HOBO U21气象站和1 m便携式集沙仪进行风沙观测（图2）。HOBO梯度风速仪架设高度为0.2、0.8、2、3 m等4个高度，风向观测高度为3 m，风速、风向采集频率为0.1 Hz，记录间隔为1 min。1 m集沙仪为便携式楔形集沙仪，集沙口尺寸为2 cm×2 cm，共50个集沙盒，集沙效率72%~87%^［13］。现场风沙观测时间为2018年5月3日，为东北风扬沙天气过程，观测断面的布置走向沿主风向方向。

数值模拟中使用的防沙体系模型与实际尺寸一致，选取长度为196 m、高40 m的二维计算区域，第一排芦苇把阻沙栅栏距离入口40 m，第二排阻沙栅栏距离入口80 m，芦苇把大网格距离入口120 m处开始设置，共 36 m 长（图3A）。50%孔隙度栅栏模型宽度为5 cm，间距为5 cm（图3B）。利用前处理软件Gambit进行网格划分，采用结构性网格对计算区域和模型进行网格划分，对靠近模型的区域进行网格加密处理（图3C），网格数量为37.5万左右。

通过ANSYS-Fluent软件进行模拟计算。边界条件设置中上风向采用风速入口（velocity-inlet）和下风向设置自由出流条件边界条件（out-flow），流域左、右侧面和上表面采用对称边界条件（symmetry boundary），底部壁面采用 wall 边界条件进行描述。入口风速遵循对数风速廓线，入口风速2 m高设置为10、12、14、16 m·s^-1等4个风速。湍流模型采用标准k-ε湍流模型进行求解，在近壁面区域，采用标准壁面函数（standard wall functions）来保证计算精度，动量和湍流动能等离散化问题均采用二阶迎风格式，计算残差设置为10^-6。

首先，利用梯度风速仪测得的防沙体系断面不同测点不同高度风速，计算防护体系的防风效应，即挟沙气流风速在进入防沙体系后的衰减百分比：

式中：ηW为防沙体系的防风效应；W_0z 为体系外围对照点在高度z处的风速（m·s^-1）；W_1z 为体系内测点在高度z处的风速（m·s^-1）。

其次，计算体系断面不同测点输沙率随体系的衰减变化，即阻沙效率：

式中：ηQ为防沙体系的阻沙效率；Q₀为体系外围对照点处1 m高度范围内的输沙通量（g·m^-2·s^-1），Q₁为体系内测点处1 m高度范围内的输沙通量（g·m^-2·s^-1）。

粒度参数，包括平均粒径、分选系数、偏度和峰态，计算采用Folk和Ward等^［14］提出的方法。

现场断面观测时间为2018年5月3日09:30—16:37，时间段内风向22.5°—66°，平均值为43.3°；2 m平均风速为10.75 m·s^-1，最大瞬时风速17.11 m·s^-1。风沙流观测时长约375 min，风沙流与体系走向平均夹角为58°。

挟沙气流经第一道2 m高芦苇把阻沙栅栏，在阻沙栅栏后2H距离处0.2 m和0.8 m高度防风效应均在86%左右，经14H距离后防风效应衰减到39%，表明挟沙气流有所恢复；经第二道芦苇束阻沙栅栏，栅栏后2H处0.2 m和0.8 m高度防风效应又分别增大到86%和83%，到12H防风效应均减小至32%，而经0.8 m高40 m大网格后两高度防风效应分别增大到85%和62%（图4）。因此，栅栏后存在显著的风速降低区，导致风沙流挟沙能力降低，风沙流中沙粒沉降形成积沙，表明栅栏发挥了很好的防护作用。

以12 m·s^-1和16 m·s^-1入口风速为例，分析芦苇把防沙体系流场变化。气流经防护体系，风速呈现不同程度的降低趋势，且防护体系中阻沙栅栏和大网格对来流速度的影响不同（图5）。气流在经过第一排阻沙栅栏时，在栅栏上方，气流明显加速，形成加速区，栅栏高度以下，气流明显减速，形成气流减速区。12 m·s^-1入口风速下，第一排栅栏背风侧2H后风速降至5 m·s^-1以下，小于起沙风速，而16 m·s^-1入口风速下，第一排栅栏背风侧4H后风速降至5 m·s^-1以下，小于起沙风速。总体上，经第二排芦苇把阻沙栅栏，减速区长度明显大于第一排栅栏后减速区，12 m·s^-1和16 m·s^-1入口风速下，第二排栅栏后减速区长度分别为20H 和17H。受两道芦苇把阻沙栅栏的影响，气流再经过芦苇把大网格带作用形成明显的减速区，减速区域涵盖整个大网格带。

以12 m·s^-1和16 m·s^-1入口风速为例，说明风速衰减比（ƞ_W ）沿芦苇把防沙体系变化，分析其防风效应。气流在经过第一道阻沙栅栏时，栅栏高度以下沙粒跃移层0.2 m和0.5 m高度处，风速衰减比均为50%~80%，而第二道栅栏风速衰减比为80%~99%，第二道栅栏后9H距离后防风效应逐渐减弱，风速衰减比从99%降至56%。之后受大网格带的影响，风速衰减比开始增大，经两个大网格后0.2 m增大至99%，0.5 m高度处增大至90%，其余7个芦苇大网格内气流达到稳定（图6）。

数值模拟结果表明，模拟0.2 m高度风速衰减比（ƞ_Wp）与实测值（ƞ_Wm）具有较好的相关性（图7）。这说明CFD数值模拟可以有效地反映芦苇把栅栏和大网格带组成的工程防沙体系的流场变化。

防沙体系外对照点在观测时段内的平均输沙通量为4.50 g·m^-2·s^-1，经一道阻沙栅栏后显著降低，在2H处输沙通量变为0.28 g·m^-2·s^-1，在14H处变为0.11 g· m^-2·s^-1，经第二道栅栏后2H和12H平均输沙通量分别进一步减小为0.049 g·m^-2·s^-1和0.057 g·m^-2·s^-1，输沙通量减小一个数量级，最后经大网格带后输沙通量仅为0.011 g·m^-2·s^-1（图8A）。可见，防沙体系具有显著的阻沙效果。

经一道阻沙栅栏后，2H处防沙效率达91.8%，14H处防沙效率达96.8%，经第二道阻沙栅栏后防沙效率达98%，最后经大网格带防沙效率达到了99.7%（图8B）。可见，芦苇把防沙体系起到了较好的阻沙效果，风沙流输沙几乎被体系完全阻截。

从图9可以看出，平均粒径从防沙体系外对照点到大网格带末端逐渐变小，对照点平均粒径为240 μm，经两道阻沙栅栏在障后2H处分别变为105 μm和109 μm，到大网格带末端平均粒径减小为72 μm，表明风的搬运能力逐渐降低。分选系数随防沙体系逐渐变小，为-0.78~1.12，根据Folk-Ward分选性等级^［14］，都属分选极好。偏度随体系逐渐减小，为-0.14~0.33，在对照点偏度为-0.14，属粗偏，经两道阻沙栅栏后分别减小为-0.27和-0.28，也属粗偏，到大网格带末端减小为-0.33，属极粗偏。峰态参数经防沙体系趋于增大，为1.04~1.78，根据Folk-Ward峰态等级划分^［14］，在对照点为1.04，属常峰态，经两道阻沙栅栏分别增大为1.73和1.78，属非常尖峰态，到大网格带末端为1.65，同样属非常尖峰态。因此，风沙流中沙粒经防沙体系的“过滤”，颗粒物逐渐变细，由沙变为尘，分选性进一步变好。

目前，针对铁路风沙防护体系防护效益开展的研究，特别是野外观测研究相对较少。受区域风况、风沙地貌类型等因素差异影响，沙区不同铁路采用的防沙体系配置模式多样，以往研究结果无法很好地与本研究进行对比。张克存等^［15］应用三维激光扫描技术，对青藏铁路北麓河段不同阻沙栅栏防护效益进行了评估，发现30%疏透度百叶窗条形阻沙栅栏防护效益相对较好，单道栅栏下风向积沙范围为10H，双道增大到13H。Gillies等^［16］对美国海岸多道50%疏透度塑料网栅栏的防护效益进行了监测研究，发现随着障后距离的增加，输沙通量呈指数规律递减；间距10H的多道栅栏在93H处输沙通量达到平衡，而间距7H的栅栏在27H处达到平衡。以上研究表明，多道阻沙栅栏阻沙效益均优于单道的作用效果，与本研究结果一致。

降低风速是防风栅栏的主要功能，孔隙度是决定栅栏防风效果的关键因子^［17］。以往研究认为，20%~40%孔隙度栅栏具有较好的防风效应^［18］。本研究得出，第一道2 m高50%孔隙度芦苇把阻沙栅栏障后14H和第二道障后12H防风效应相比相应障后2H处有所降低，而阻沙效率进一步增大。Li等^［18］建议，不考虑成本、法规等其他因素，防风栅栏最优孔隙度为30%~40%，而防沙栅栏最优孔隙度为50%。研究表明，孔隙度小的阻沙栅栏大部分的沙粒沉积在栅栏的迎风侧，容易积满栅栏，而孔隙度较大的栅栏更多的沙粒沉积在栅栏的背风侧，相对提高栅栏的寿命^［18］。孔隙度在40%~50%左右的阻沙栅栏能够有效地阻挡沙流^［19］。因此，从实际应用角度，戈壁地区50%孔隙度芦苇把栅栏能够达到理想的阻沙效果。成本上，2 m高芦苇把栅栏1 m成本约为110元，远低于目前戈壁强风区铁路防沙体系中采用的HDPE板、冲孔钢板等阻沙材料。数值模拟结果表明，芦苇把大网格流场在两个大网格后基本不发生变化（图6）。在芦苇把阻沙栅栏和大网格组成的防沙工程体系设计中，为节约工程成本，两道50%孔隙度芦苇把阻沙栅栏和两个大网格组成的防沙体系，便能够取得较好的防护效果，但在沙源丰富地区，需要较长防护周期要求下，可考虑适当增加大网格的数量。本研究为格库铁路戈壁区风沙危害防治提供了科学依据，对南疆类似戈壁铁路，如和（田）若（羌）铁路风沙危害防治具有一定的参考意义。

芦苇作为南疆公路、铁路工程防沙的重要原材料，在风沙危害防治工程中起到了重要的作用。芦苇主要是做成固沙方格，用于流动性沙丘的固定。芦苇经捆扎成把后形成芦苇把、排阻沙栅栏和芦苇把大网格，明显增强了材料的抗风强度，非常适用用于格库铁路新疆段戈壁区的风沙危害防治。

通过野外观测和数值模拟研究得出，芦苇把阻沙栅栏和大网格带组成的防沙体系，在戈壁风沙危害防治中起到了较好的防沙效果。防沙体系防风效应显著，体系防风效率可达86%，可阻截99%以上的沙量，风沙流经防沙体系“净化”，沙粒粒径明显变小，由细沙变为极细沙，多为悬浮颗粒物，对铁路路基的危害性显著降低。两道50%孔隙度芦苇把栅栏和两个4 m×4 m×0.8 m规格芦苇把大网格组成的防沙体系具有较好的防护效果，且工程造价相对较低，可以在格库铁路戈壁区及南疆其他类似铁路防沙中应用。为减少人工成本，芦苇装备化捆扎成把是以后防沙工程提质增效亟须改进的技术。