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为进一步完善我国西北地区铁路网,2014年我国开始修建格库铁路(格尔木至库尔勒)。新建格库铁路穿越柴达木盆地和塔里木盆地,该地区气候干燥、风大而且频率高,地形开阔且沙源丰富,全线风积沙和戈壁风沙流现象比较严重,为防止铁路路基和桥梁受到沙害影响,在研究区域设置了试验段,在试验段布设了不同的防沙措施,通过观测发现HDPE板方格的防沙效果较好,且使用寿命时间长。本文通过有限元软件对铁路路基和桥梁附近沙害成因进行了分析,然后通过现场试验、风洞试验和数值模拟对HDPE板方格防沙机理进行了研究,并通过风洞试验和数值模拟两种方法对比分析,最后对HDPE板方格的最优孔隙率进行了优化。本文主要内容有:(1)通过实地调查,发现沿线主要有沙埋路基、沙子冲蚀路基、桥梁附近积沙、涵洞内积沙以及沙子进入道砟五种沙害形式;一年中起沙风速(>6m/s)出现了3417次,占全年最大风速统计速总数的39%;研究区域所在地第一主导风向为WNW;现场自然沙粒径以中沙、细沙和极细沙为主(500-50μm),占试验样本的80.51%;沙粒磨圆度分布在次圆和极圆之间。(2)通过对现场布设的HDPE板方格开展板方格固沙特点现场试验,沿着由远离路基到靠近路基的方向,发现HDPE板方格内积沙,整体上粗沙和中沙的百分含量逐渐减小,细沙、极细沙和粉沙的含量逐渐增大。(3)通过ANSYS FLUENT对铁路路基和桥梁在风沙流中的流场结构以及积沙分布进行了数值模拟,发现铁路路基和桥梁周围流场结构具有明显的分区特点;按照积沙量多少,积沙主要分布在铁路路基背风侧、桥面、铁路路基迎风侧、铁路路基上表面和桥墩周围。(4)通过风洞试验,对不同孔隙率(30%、40%、50%)HDPE板方格在不同风速下(8 m/s、12 m/s、18 m/s、24m/s)的流场结构进行了测定,发现不同孔隙率的HDPE板方格的气流场结构具有相似性,而且都可以划分为五部分:1.迎风侧低速区;2.气流抬升区;3.气流高速区(板方格上方);4.气流减速区(板方格中间和板方格背风侧);5.气流速度恢复区。通过HDPE板方格的防护面积、有效防护高度与距离以及防风效能这几个参数对不同孔隙率HDPE板方格防风效果进行了综合评价,发现当风速为8m/s和12m/s时,40%与30%孔隙HDPE板方格的防护效果一致,当风速为18m/s和24m/s风速时,30%孔隙率HDPE板方格的防护效果开始下降,40%孔隙率HDPE板方格的防护效果较为好,但是不管何种风速,50%孔隙率HDPE板方格的防护效果都相对较差。(5)通过ANSYS FLUENT对HDPE板方格周围的速度流场以及固沙效果进行了数值模拟。同时对HDPE板方格周围的速度变化趋势进行了分析。通过对数据整理,对比分析了不同孔隙率HDPE板方格的防护距离与防护高度,得出40%孔隙率防风效果最好。通过对不同孔隙率在不同风速下的积沙量分析,同样得出40%孔隙率HDPE板方格的固沙效果最好。(6)风洞试验结果表明,30%与40%孔隙率HDPE板方格的防护效果差别不大,但最优孔隙率的选择与风速之间有一定的关联,同时数值模拟表明当风速>12m/s时,HDPE板方格固沙效率相对较小。而研究区域一年中>12m/s的风速出现的频率为11.5%,为保证防沙效果,建议选用40%孔隙率HDPE板方格布设防护条带,另外在HDPE板方格条带的前沿布设高立式沙障,起到减弱风速的作用,从而使得HDPE板方格的固沙效率达到最大。为了充分保持HDPE板方格的固沙效果,当板方格内的积沙达到0.2m高度时,要将HDPE板抬高,使之净高度保持0.3m。