乌玛高速公路东起内蒙古自治区乌海市，西至青海省玛沁县，全长1 154 km，沿线经过中卫腾格里沙漠，是我国第一条穿越沙漠腹地的高等级公路。沙漠地区气候干燥、风沙活动频繁，风沙流在传输过程遇到路基障碍，易导致携沙气流能量下降，沙粒停积在道路周围形成积沙，这种现象将严重影响公路的使用性能和效率，扰乱交通安全，同时也使公路面临巨大的清沙成本。根据现场调查发现乌玛高速风沙区段在6个月内道路积沙厚度最深处已超过40 cm，且分布面积较广。

近年来，众多学者从理论研究和工程防沙实践出发，对交通干线的风沙危害展开了大量实践调查^[1-3]。2016年，张登山等^[4]以青海湖东克土沙区为研究地，从起沙风、输沙势等方面分析环湖东路的风沙活动强度；2018年，鱼燕萍等^[5]通过风洞试验最先测定了不同坡度路基的携沙风流场结构，探讨沙漠公路的积沙形成机理；奚成刚等^[6]同样运用试验方法测定近地表风在路基边坡的运动规律。2021年，张克存等^[7]在腾格里沙漠选取5个样地点，观测沙丘类型与分布规律，从宏观角度上分析乌玛高速的沙害原因。以上文章虽然都能反映研究区域的风沙运动强度，但很难瞬间、准确地描述风沙粒子在一定距离内的沉积机理。因此，国内外研究人员选用数值模拟的方法来研究风沙两相流的输移问题。2008年，Li等^[8]基于CFD模拟，最先阐述了沙粒在早期卷吸阶段的上升、悬浮、扩散、沉积及其时空浓度的风沙输运过程；石龙等^[9]在此基础上，采用数值模拟方法分析了风沙流经路基时的流场变化和积沙形态。辛国伟等^[10]针对不同地表条件，研究地面粗糙度对流场风速、积沙形态的影响规律。目前，沙漠公路风沙灾害的研究主要以风洞试验或数值模拟单方面为主，连续的现场试验观测与模拟结合还鲜有涉及，单一的数值模拟是理想情况下的风沙运动，实际的风沙运动复杂多变，模拟结果必须有现场测试数据的验证才能保证结果的可靠性。

鉴于此，为真实反映乌玛高速沿线的风沙运动规律，本研究以腾格里沙漠腹地为研究背景，乌玛高速风沙区段内修建的0.5 km无防护体系试验段公路为研究对象，通过现场试验，在分析风动力环境特征的基础上，对路基周围风沙流场结构及积沙规律进行研究，并将模拟结果与实地调查数据进行对比，从而揭示乌玛高速风沙活动特征和积沙形成机理，为乌玛高速防沙体系的建设及改进提供参考，也可为后期国内外同类工程的建设提供指导。

腾格里沙漠地处我国西北内陆，与内蒙古、甘肃、宁夏3省接壤，自然环境恶劣，气候干燥，沙丘链分布错综复杂且地形起伏明显。为能最大程度反映乌玛高速公路建成后的沙害情况，指导乌玛高速防沙体系建设，在腾格里沙漠腹地乌玛高速公路正线K171+800区段附近修建了一条0.5 km试验段道路，无防护体系，道路走向与正线同向(西偏南45°)，红卫市方向，路基断面形式为路堤，边坡比率1∶3；根据现场无人机航测，公路沿线沙丘相对高度2.1~3.6 m，平均间距30 m，道路表面存在多处积沙。

本研究数据来源于乌玛高速试验段两侧布置的野外自动气象站，风杯高度2 m，量程为0~70 m/s，并可测量不同风向风速，分辨率0.1 m/s，每分钟记录一次风速、风向、环温和降雨量等数据，观测时间采用2020年9月至2021年8月数据。由于机器故障和外部环境影响，部分月份存在数据缺失，因此起沙风频数的计算采用起沙风出现时数与风速风向总统计时数的百分比表示，以减小缺失数据对整体计算的影响^[11]。

输沙势(Drift potential，DP)是风沙地貌或防沙工程设计中常用到的一个参数，能够反映风沙移动的地面风能尺度。程建军等^[12]对Fryberger选用的输沙势方程完善后计算公式如下：

(1)

式中，DP为输沙势；V_t和V分别为10 m高度处沙粒临界起动风速和大于沙粒临界起动速度的风速；t为起沙风的持续时间，文中用频率百分数表示。由于风是一种矢量，根据矢量合成将16个方位输沙势合成得到合成输沙势和合成输沙势方向, 合成输沙势与输沙势的比值称为方向变率指数(RDP/DP)，能够反映地区风向的变化程度^[13]。

由于观测仪器高度的限制，在计算输沙势时实际测量风速值并不满足式(1)要求，需将2 m观测风速转换为10 m高度处风速。根据风速廓线随高度变化呈对数分布的规律，得到风速换算的对数演化公式：

(2)

式中，U₁₀和U₂分别为10 m与2 m高度处的起沙风速；Z₀为地面粗糙度。

通过对工程气象布设地区实地考察发现，该区域位于流动沙丘段，地层以第四系风积细砂为主，砂质均匀，状态稍密^[14]。依据吴正^[15]测量的不同地区和不同下垫面性质的典型Z₀值，划定该区域为流沙表面，取Z₀值为0.005 cm。

风能环境依据Fryberger^[16]的划分方法，按照年平均输沙势分为高、中、低3组，详细界限划分如表 1所示。

此外，由于我国气象站一般采用10 min平均风速作为气象预测和统计的评价标准，但风沙流是发生在短时间内的流动运动，经学者研究沙粒起动后在2 min内能够达到平衡状态，为此要最大程度上反映研究地区的输沙环境，就需测量短时间内的风速变化^[17]。因此，本研究采用2 min内平均风速作为起沙风况和输沙环境的评价标准。

由于现场观测数据有限，不能体现全域风况及积沙变化，因此采用数值模拟补充相关测试数据。模拟计算域尺寸高50 m×宽140 m，左侧边界为速度入口，右侧为自由流场出口；根据图 1中道路无人机航拍量测沙丘尺度，取沙丘模型半侧宽15 m，高3 m；路基高1 m，顶面宽14 m，边坡坡率1∶3，中心位置有宽4 m，深0.3 m的道路凹陷。计算模型尺寸如图 1所示。

图 1 流场计算模型(单位: m) Fig. 1 Flow field simulation model(unit: m)

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根据现场观测数据，该区域全年风速主要集中在0~18 m/s，静风频率0.10，为保证模拟时风速取值与工程现场的匹配性，从起沙风速5 m/s至概率分布上限风速18 m/s，选取最不利风速18 m/s进行数值模拟。沙粒粒径设为100 μm，ρ_s=2 650 kg/m³，黏度μ_s=0.047 Pa·s^[18]，初始砂粒体积分数为3%；空气密度ρ_s=1.225 kg/m^-3，空气黏度μ=1.789×10^-5 Pa·s，采用欧拉双流体模型并附加k-ε湍流方程^[19]。

输沙势大小通过Python编程实现计算，风速风向玫瑰图由Origin Pro生成，风沙流流场模拟由商业软件Fluent进行数值模拟。

风速变化可以通过非方向性与方向性统计进行评估。由于沙漠地区独特的气候特点与地理特征，不同时间内风速变化明显。图 2(a)统计了2020年9月至2021年8月平均风速(U₂)的非方向性变化，观测期间年平均风速(U₂)为2.76 m/s，静风频率10.02%，2 min最大平均风速16.2 m/s，最高瞬时风速达19.3 m/s，其中超过6级风(风速≥ 10.8 m/s)的天数为47 d，占观测总日数的13.1%。另据已有研究成果^{[7, 20]}可知，腾格里沙漠的起沙风速(U_t)约为5 m/s，结合本研究所统计风速情况可知该区域年均起沙风速约为6.26 m/s，起沙日数超过270 d，占全年日数的73%。整体上看，观测期间9月至12月风速有下降趋势，尤其12月中旬风速下降明显，起沙风出现频率较低，直到第2年1月又出现短暂强风，风速逐渐增大，随后2月至8月起沙风出现频率逐渐平稳。这表明冬季风速较小，起沙量小，春夏季该地区风速较大，起沙量大，路面积沙会增多。图 2(b)计算了研究区的风速频率分布，频率曲线随风速的提高先增大后减小，其中3~4 m/s风速达到频率曲线峰值，占观测总量的16.5%；5 m/s以上的起沙风累计小时数大于2 300 h，占观测总量的21.5%，表明研究区全年起沙风频繁且持续时间长，且风沙活动强烈。

图 2 风速变化统计分布 Fig. 2 Statistical distribution of wind speed changes

图选项

风力是风沙流形成的动力条件，若风力低于起沙风速沙粒不能移动，只有当风速大于沙粒的起动风速时，地表松散的颗粒才会被气流搬运形成风沙流。图 3为本研究区域在不同季节的起沙风速玫瑰图，研究区域全年风向变化频繁、季风明显，尤其春夏两季风速较强且风向不固定，起沙风持续时间长；秋季起沙风风向逐渐稳定，以西南风为主且风速较小；冬季风向较为单一，平均风速较小。从起沙风频率和风向组成结构两方面进行分析，发现春季起沙风占全年起沙风频率最高(35.46%)，西北风占主导地位，发生频率为34.22%，其中NNW方向所占比例最高(13.33%)，WNW方向次之(10.58%)；夏季起沙风占全年起沙风频率的27.07%，东北风占主导地位，发生频率为28.42%，其中NNE方向所占比例最高(15.30%)，NE方向次之(9.81%)；秋季起沙风占全年起沙风频率的20.72%，西南风占主导地位，发生频率为42.68%，其中SW方向所占比例最高(18.81%)，WSW方向(13.07%)次之；冬季起沙风占全年起沙风频率的16.74%，西南风占主导地位，发生频率为64.38%，其中WSW方向所占比例最高(43.83%)，SW方向(12.81%)次之。

图 3 各季节起沙风玫瑰图 Fig. 3 Rose diagrams of sand driving wind during different seasons

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输沙势也称输沙环境，其大小和方向受季节的影响。为进一步揭示风沙运动规律，对研究区域各月输沙势、降水量、平均起沙风速进行现场观测。如图 4所示，该地区12个月内累计降水量超过120 mm，降雨月份主要分布在3—10月，气温逐渐回暖，降雨量增大，其中9月份降雨量最大(27.8 mm)，但沙漠较高的环境温度使蒸发量远大于积水量，同时研究区域沙粒疏散裸露，植被稀少，所以降雨对沙源条件和风沙环境的整体变化并无太大影响。12月末与1月出现了短暂的强风天气，且起沙风频率较低，导致了月均起沙风速的上升。整体上输沙势大小与月平均起沙风速程正相关变化，其中5月输沙势最大，反映了该段时间内沙害较为严重，需要及时清沙；10—12月输沙环境最弱，输沙势总量仅占全年累计输沙势的9.3%。

图 4 各月输沙势、降雨量与月均起沙风速 Fig. 4 Sand drift potential, rainfall and average sand driving wind speed per month

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输沙势玫瑰图能够反映道路在不同风向作用下的沙埋趋势，由于现场积沙观测时间跨度较短，因此采用季节性输沙势玫瑰图与现场道路积沙情况比对，以减小年输沙势玫瑰图长时距引起的方向误差。不同季节的输沙势玫瑰图如图 5所示，其中春季输沙势最大，为124.39 VU；夏季次之，为108.97 VU；冬季和秋季输沙势较小，分别为68.44 VU和50.94 VU。合成输沙势则表现为冬季最大(59.96 VU)，季节风向单一(RDP/DP=0.88)，由西南向东北方向输沙；春季次之(53.04 VU)，风向变率(RDP/DP)较低，由西北向东南方向输沙；夏季虽然起沙风持续时间长，沙尘强度强，但由于季节内风向多变(RDP/DP=0.38)、大风频发导致合成输沙势较低(41.65 VU)，由西北向东南方向输沙；秋季少风，输沙势与合成输沙势(19.14 VU)都最小，由西南向东北方向输沙。道路走向为NE至SW方向，与观测期间风沙流夹角呈20°~80°变化，整体上全年输沙环境以东方向为主，沙粒最易由西向东方向输移。

图 5 季节输沙势 Fig. 5 Sand drift potential during different seasons

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试验段道路所处地理位置沙丘繁密，本次试验以6个月为周期观测道路积沙，由前文可知观测期间内风向以西南风为主导，即下图中风向从左向右，与观测位置道路夹角均大于50°。现场观测发现，对于路堤两侧无沙丘的路段，道路积沙主要分布在两侧坡脚且迎风侧积沙大于背风侧，路面不易形成积沙；对于两侧有沙丘存在的情况下，路面积沙明显，积沙厚度由边坡向中心处逐渐降低。同时，对道路边坡和中心凹陷处直立量测，配合刻度尺量测道路覆沙厚度，发现无沙丘存在时，道路迎风坡积沙厚度6.3 cm，背风坡积沙厚度5.2 cm；当有沙丘存在，边坡处积沙厚度超过55 cm，路面中心处积沙厚度19 cm，因此，沙丘的存在严重影响了道路的积沙厚度和范围。

道路所处区域属于多风向地带，风向与道路走向存在一定交角，选取道路走向与风向正交夹角进行模拟，能够有效反映边坡积沙的普遍规律^[21]。

路基周围流场模拟结果见图 6。道路周围的风沙流结构与路基断面形式及周围环境有关，对比图中沙丘在不同位置的流场模型，可看出当沙丘处于道路迎风侧时流场结构影响较大。以图 6(a)为例说明路基周围流场变化，当气流运行到沙丘迎风侧坡脚时，由于地形突然变化产生阻碍，引起贴地层气流减速，从而在迎风坡坡脚出现气流减速区，之后气流沿边坡上升；当气流爬升到沙丘顶部时，能量不断汇聚形成高速区，而沙丘背风侧及路面气流速度低，根据伯努利原理可知此区域可形成压差，导致在路基表面形成涡旋；随后气流继续向前经过路基背风坡时，同样由于地形影响产生逆压梯度形成气流涡旋。此后，风沙流越过路基横截面，能量变化逐渐稳定，又恢复了原始风速，最终气流从模型右侧出风口流出。

图 6 路基周围风沙流场分布 Fig. 6 Distribution of blown sand flow field around roadbed

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道路积沙可由近地表风沙流的速度变化导致，研究近地表不同高度的携沙风速变化能够有效揭示道路沙害的形成机理^[22]。选取距地表、路基表面、沙丘0.4 m高度和4 m高度处水平方向风速进行分析。如图 7所示，0.4 m和1.4 m高度处于路基和沙丘影响范围内，所以速度曲线不连续；对比不同位置流动沙丘的顶部风速，在距地表 3.4 m，4 m的高度处，风速变化都呈现“M”状分布，且最大风速集中在沙丘顶部，整体风速变化幅度相对较小，升降幅度在原始风速的25%以内。在路基与沙丘交界处，图 7(a)沙丘背风坡坡脚1.4 m高度处风速1.81 m/s，相比原始风速降低了87.9%；图 7(b)沙丘迎风坡1.4 m高度处风速为4.98 m/s，相比原始风速降低了66.8%。从横断面整体上看，沙丘高度范围内的风速曲线变化幅度较大，图 7(a)沙丘坡迎风坡坡脚0.4 m，1.4 m高度处风速分别为8.15，12.8 m/s，相比原始风速降低了37.3%和14.7%，路基背风坡坡脚0.4 m高度处风速3.78 m/s，相比原始风速降低70.9%；图 7(b)沙丘的背风坡0.4 m和1.4 m高度坡脚处风速分别为4.6，6.2 m/s，相比原始风速降低了64.6%和58.7%，路基迎风坡坡脚0.4 m高度处风速6.6 m/s，相比原始风速降低49.2%。

图 7 距地表不同高度处水平风速变化曲线 Fig. 7 Variation curves of horizontal wind speed at different heights from ground surface

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气流与沙粒之间质量相差大，当正在运行的风沙流遇到地形阻碍或气压差时，将产生局部阻力使风速下降，同时也削弱了气流搬运沙粒的能量，引起部分沙粒沉积。流场沙粒体积分布如图 8所示，当沙丘处于道路迎风侧时，积沙不均匀的分布在路基表面，沙丘背风坡沙粒不断向道路表面输移，其中沙丘与路基交界处的积沙最为明显；当沙丘处于道路背风侧时，积沙主要分布在沙丘背风侧后方，同时路基与沙丘交界处也存在少量积沙。通过对流场水平速度和积沙位置分析，可以看出风速降低幅度较大的地方容易形成积沙，对于路基断面上各点，风速降低幅度较大的区域由高到低顺序分别为沙丘与路基交界处、路基背风坡坡脚、右侧沙丘背风坡坡脚、路基迎风坡坡脚。

图 8 t=60 s时沙粒体积分数分布 Fig. 8 Distribution of sand volume fractions when t=60 s

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通过上述分析可知，数值模拟结果中的积沙分布特点与现场观测的积沙情况基本一致，这也说明了数值模拟结果的准确性。

数值模拟可作为现场积沙观测的补充和系统演示，文中对路基初始状态下的积沙形成机理进行了分析，但随时间增长试验段路基的流场结构也会发生变化，因此持续的现场记录观测对进一步沙害研究十分必要。如图 9所示，观测期间研究区年输沙势85.02 VU，合成输沙势30.24 VU，合成输沙势方向为东南方向97°，RDP/DP为0.36，表明道路所处环境输沙方向多变，风沙流沿主风向在路基形成的积沙，能够成为同风向的二次沙源，但若风向改变，迎风坡与背风坡交替，流场结构则会完全相反，沙粒容易在高速公路两侧来回摆动。因此，为减少风沙对道路的影响，乌玛高速两侧都应设置相应的防沙保护措施。

图 9 2020年9月—2021年8月研究区输沙势 Fig. 9 Sand drift potential in study area from Sep. 2020 to Aug. 2021

图选项

实际上乌玛高速正线同样设置了多个野外气象站用于观测沿线的风沙活动规律，但本研究选取试验段作为反映乌玛高速风沙活动规律的研究对象，一是试验段公路建成较早不需要再进行补充施工，人为干扰因素较少；二是试验段公路处于沙漠腹地且并未对其单独设立防沙体系，记录数据对原始沙漠风况更具代表性。将观测区域的输沙势与前人学者的计算结果进行比较，数值结果相近但有所差距^{[7, 23]}，分析其原因，主要由于气象测站地理位置不同使下垫面环境发生了变化，观测时间也存在差异，其次仪器故障和外部因素使小部分气象数据缺失，从而导致气象观测资料的差别。局部孤立的点并不能完全反映整条道路的风沙灾害，考虑到沙漠中不同地区气象差异性，若是能够获取到完备的沿线观测数据，则能更好地反映乌玛高速全线风沙特征情况，为沙害防治工作提供决策依据。

本研究基于实测风速资料和CFD数值模拟，分析了该地区的风动力环境特征、大风天数，并对路基周围风沙流结构及积沙分布进行探究，主要得出如下结论。

(1) 乌玛高速穿沙试验段年均风速2.76 m/s，静风频率10.02%，起沙风以西南方向为主，起沙日数超过270 d，占观测期间总日数的73%。研究区域年输沙势85.02 VU，合成输沙势30.24 VU，属低至中等风能环境，道路走向为NE至SW方向，年输沙方向与道路夹角52°，沙害主要发生在道路西侧。其中春季起沙风出现频率最高，输沙势高达124.39 VU，接近全年的40%，与道路呈80°夹角，夏季次之，秋冬两季输沙环境较小具有一定的相似性，且与道路夹角较小。

(2) 流动沙丘的存在严重影响了道路的流场结构与积沙位置。道路背风侧沙丘对流动携沙风产生阻碍，削弱了气流搬运沙粒的能量使部分沙粒散落在路面与沙丘交界处；道路迎风侧沙丘即是风沙流阻碍物也是形成道路积沙的沙源条件，除气流本身携带沙粒外，沙丘迎风面卷起新沙粒也会在道路表面形成沉积，同时沙丘会沿主风向方向流动，对道路掩埋形成二次沙源。对于路基断面上各点，风速降低幅度较大的区域由高到低顺序分别为沙丘与路基交界处、路基背风坡坡脚、右侧沙丘背风坡坡脚、路基迎风坡坡脚。

(3) 根据沙粒输移特征和道路沙害成因，乌玛高速穿沙段风沙危害主要发生在道路西侧，防沙工程应着重对乌玛高速迎风侧进行布局设置，生态防护与工程防护并行，增大地表粗糙度控制沙丘流动，进而达到降低风沙活动对公路危害的目的，保障交通道路的安全运营。