一种风沙自适应柔体沙障

本发明涉及防沙治沙工程，具体涉及一种风沙自适应柔体沙障。

背景技术：

1、我国是世界上荒漠化危害最严重的国家之一，沙障是防沙治沙工程的核心措施。现有沙障按材料可分为传统材料沙障(麦草、芦苇、黏土)和新型材料沙障(hdpe、pla、尼龙网等)；按结构可分为平铺式与直立式(丁新辉等，《我国沙障固沙技术研究进展及展望》，中国水土保持，2019)。

2、现有技术存在以下不足：

3、(1)传统秸秆类沙障时效性差，铺设 6 年后破损率超过 50%(孙涛等，水土保持学报，2012)；

4、(2)hdpe 蜂巢式、pla 网格沙障虽耐久性较好，但支撑立柱与骨架均为刚性结构，强风下立柱不能随风偏转，整体刚度大；

5、(3)刚性立柱沙障在大风时姿态固定，其迎风投影面积始终为最大值，承受的风载随风速平方增长而无任何自我卸载能力，导致基部应力集中，在极端风载与长期循环载荷下易发生倾覆或根部疲劳断裂；

6、(4)刚性沙障迎风面固定不变，强风时挡风阻沙作用过强，反而在迎风侧形成剧烈积沙、加速沙埋失效，且不利于强风将过量积沙顺势输导带走；

7、(5)自然界防沙植物(如梭梭、沙柳、柽柳)能够在强风中随风摆动偏转，主动减小迎风受风面积、分散并卸除风载而不折断，这种"以柔克刚"的随风偏转机制是天然植物在强风沙区长期生存的根本，但现有人工沙障尚无从结构上模拟这一仿生随风偏转机制、并使偏转幅度可定量调控的方案；

8、(6)cn204343278u 公开的柔性治沙沙袋及沙障，仅迎风面为柔性、支撑立柱仍为刚性，属"局部柔性"，立柱与根部不能随风偏转，与真正意义上可整体随风摆动的仿生柔体沙障差异显著。

9、因此，亟需一种能够模拟植物随风偏转、并使摆动幅度可根据现场风况调节的仿生柔体沙障，以在提高抗倾覆能力的同时改善大风过沙效果。

技术实现思路

1、针对上述问题，本发明提供一种风沙自适应柔体沙障。其核心构思如下：

2、构思一(两点弹性约束的可调摆动机构)：在中空筒状基座顶部开孔处设柔性环形导向套(20)作为上约束点，在中心立柱插入内腔的端部固定柔性橡胶活塞环(8)作为下约束点，两者构成对中心立柱的上下两点弹性约束。中心立柱受风载时，凭借活塞环橡胶变形与导向套环形间隙而绕下约束点摆动。改变活塞环在内腔中的轴向位置(即调节立柱插入深度)即可改变两约束点间距 h，从而定量调整最大摆动角，实现摆动幅度可调。

3、构思二(随风偏转的抗倾覆与过沙双重增益，本发明关键)：与迎风面固定不变的刚性沙障不同，本发明中心立柱与仿生柔性枝条单元在大风时随风偏转。随偏转角 θ 增大，枝条单元的迎风投影面积按减小，作用于枝条单元的风载按迅速下降(远快于刚性沙障的 v² 增长)。由此产生两方面协同增益：其一，风载被主动卸除，沙障根部弯矩显著降低，被破坏或倾覆的概率大幅下降，即"以柔克刚、随风卸载"；其二，迎风投影面积减小意味着结构对气流的阻挡减弱、过流面积增大，强风得以顺势通过并将过量积沙输导带走，避免迎风侧过度积沙沙埋，即"大风过沙"效果提升。也即，本发明通过柔体随风偏转，在提高抗倾覆能力的同时提高了大风过沙效果，二者由同一物理机制(迎风面随偏转减小)统一实现。

4、构思三(全柔性仿生体系)：柔性筒壁、柔性环形导向套与柔性橡胶活塞环共同构成"根部—主干—枝条"全柔性体系，使沙障整体如植物株丛般随风晃动，区别于刚性沙障。

5、具体技术方案如下：

6、本发明提供一种风沙自适应柔体沙障，包括：中空筒状基座，其下端封闭，用于埋设于沙层中；所述中空筒状基座的顶端设有供中心立柱穿过的顶部开孔；中心立柱，其下端插入所述中空筒状基座的内腔，上端向上延伸至基座外部；柔性橡胶活塞环，套设固定于所述中心立柱位于内腔中的端部，其外缘与所述内腔内壁弹性接触；所述柔性橡胶活塞环在所述中心立柱受侧向风载时产生弹性变形，允许所述中心立柱相对所述中空筒状基座产生摆动；柔性环形导向套，安装于所述顶部开孔处，所述顶部开孔与所述中心立柱之间留有环形间隙，所述柔性环形导向套填充于该环形间隙；仿生柔性枝条单元，固定于所述中心立柱的上部；其中，所述柔性环形导向套与所述柔性橡胶活塞环构成对所述中心立柱的上下两点弹性约束，两约束点沿轴向的间距为h；所述柔性橡胶活塞环在所述内腔中的轴向位置可调，通过调节所述中心立柱在所述内腔中的插入深度改变所述间距h，以调整所述中心立柱的摆动幅度；当风速增大时，所述中心立柱连同所述仿生柔性枝条单元随风偏转一偏转角，使所述仿生柔性枝条单元的迎风投影面积随所述偏转角增大而减小，从而减小作用于所述仿生柔性枝条单元的风载并增大过流面积。

7、根据本发明的一个实施方式，所述仿生柔性枝条单元在偏转角θ下的迎风投影面积a与风载f满足下式：

8、

9、式中，a0为所述仿生柔性枝条单元(5)在竖直未偏转状态下的迎风投影面积；θ 为所述中心立柱(3)的偏转角；ρ 为空气密度；为阻力系数；v 为风速。

10、根据本发明的一个实施方式，所述中心立柱(3)的最大摆动角满足下式：

11、

12、式中，c 为所述顶部开孔与中心立柱之间的环形间隙；为所述柔性橡胶活塞环在立柱最大侧向力下的最大侧向弹性变形量；h 为所述两约束点的轴向间距。

13、根据本发明的一个实施方式，所述中心立柱设有多个环形卡槽，所述顶部开孔上部设有弹性卡销与所述中空筒状基座固接，通过弹性卡销卡接所述环形卡槽将所述中心立柱锁定于不同插入深度。

14、根据本发明的一个实施方式，所述柔性橡胶活塞环由丁腈橡胶或三元乙丙橡胶制成，肖氏硬度为30~60ha，所述柔性环形导向套由弹性橡胶或ptfe内衬橡胶复合材料制成，其外壁与所述顶部开孔过盈配合固定，内孔与所述中心立柱之间的单侧环形间隙c为3~15mm。

15、根据本发明的一个实施方式，所述仿生柔性枝条单元以hdpe或pvc高分子板材为基体、内部嵌入合金钢丝纤维或玻璃纤维为增强骨架，其等效抗弯刚度由下式限定：

16、

17、式中，分别为基体材料的弹性模量与截面惯性矩；分别为增强纤维的弹性模量与截面惯性矩；所述等效抗弯刚度被配置为使枝条单元在设计风速下的最大弯曲应力小于材料许用疲劳应力，且枝条自由端挠度为枝条长度的5%~20%，以模拟植物枝条随风晃动的仿生特性并保证耐久性。

18、根据本发明的一个实施方式，所述中空筒状基座的筒壁由厚度2~5mm的hdpe或lldpe柔性板材构成，使所述基座在风载下可产生微幅整体弯曲变形；所述柔性筒壁、柔性环形导向套与柔性橡胶活塞环共同使所述沙障形成"根部—主干—枝条"全柔性仿生体系。

19、根据本发明的一个实施方式，所述仿生柔性枝条单元沿所述中心立柱轴向分多层布置，每层沿周向均布4~8片；各层枝条在风载下独立弯曲并随立柱整体偏转，使所述沙障整体呈现类似植物株丛随风晃动的仿生形态。

20、本发明还提供一种采用所述风沙自适应柔体沙障的防沙治沙方法，包括：s1沿垂直于主导风向方向按设计间距开挖埋设孔，将所述中空筒状基座埋入沙层；s2根据当地风况调节中心立柱插入深度即改变h值，以调整摆动幅度至最优状态；s3按设计带距沿垂直于主导风向方向重复布设，形成多行一带防护体系。

21、本发明的有益效果包括：

22、(1)抗倾覆与过沙双提升——大风时立柱随风偏转，迎风面按 cosθ 减小、风载按cos³θ 骤降，既主动卸除风载、降低倾覆与破坏概率，又因迎风面减小而提高强风过沙输沙效果，二者协同，从根本上克服刚性沙障"迎风面固定、风载随风速平方猛增、且易迎风侧沙埋"的缺陷；

23、(2)摆动幅度可调——通过调节立柱插入深度改变约束点间距 h，即可按当地风况把最大摆动角设定在 1°~10°，实现柔性程度的现场可调；

24、(3)结构简单、无外接能源——纯机械被动式柔性结构，无需电力、气动、传感器与任何驱动装置，适合无人值守的沙漠环境；

25、(4)真正的仿生柔体——柔性筒壁、柔性导向套、柔性橡胶活塞环与内嵌纤维的高分子枝条共同构成全柔性体系，模拟植物随风晃动，耐久达数十年；

26、(5)安装维护便捷——筒状基座埋设无需打桩浇筑，中心立柱可抽拔调高以适应沙面抬升，可一人安装维护。