一种自适应弹塑性偏转芦苇束式沙障的制作方法

1.本发明涉及工程或道路风沙防护技术领域，更具体的说是涉及一种用于输导风沙的装置及方法。


背景技术：

2.生态环境的破坏，土地沙漠化越来越严重，导致风沙灾害越来越多。沙漠和戈壁地带的道路，自然条件恶劣，风大沙多，因沙害沙阻经常中断交通。现有道路防沙设施主要包括植物防沙、机械防沙以及组合生态防沙，植物防沙是在沙害大的道路沿线地区种植各种乔、灌、草，用来防风固沙。虽然乔、灌、草相结合的防护带可大大削弱风速、阻挡风沙，降低对土壤的风蚀；乔、灌木的根系及落叶，也起到了固沙作用，但由于干旱缺水，成活率低，成本大，维护费用高，具有地域局限性，很难从根本上解决沙害沙阻问题；机械防沙没有地域性限制，但是由于积沙具有累积性，其时效性较短，并且现有机械防沙装置大都是通过预制混凝土等方式，运输及固定较困难，成本耗费巨大，而采用其他材料，如木板、塑料、纤维等又会带来二次生态污染。
3.公路风沙危害产生于风沙活动的整个过程，因具体地貌、部位及路基设计形式的不同，沙害形式及程度也各异。主要的风沙危害有风蚀危害和风积沙埋危害两种。
4.cn204139150u公开了一种道路移动沙障，包括支撑架，支撑架为两个，两支撑架底部均设有底座，底座底面安装有抓地装置，底座与支撑架之间采用焊接方式连接，底座底面内置滚轮，滚轮与底座铰接，两支撑架之间安装有挡风板，挡风板与支撑架之间通过连接扣连接，连接扣设置在挡风板顶角及底角处，挡风板靠近两侧面处安装有钢绞线线圈，挡风板靠近顶部下表面安装有挡沙板，挡风板对应挡沙板处开有与挡沙板匹配的通槽，挡沙板下表面竖向安装有风力减速板，风力减速板为两个。本道路移动沙障通过挡风板和挡沙板改变风沙的特性，使得风速和携尘能力下降，能有效减小过境风速，阻滞拦截过境风沙流，起到一定的防阻作用，且抗老化能力强，使用寿命长。
5.cn107165068a提供了一种随风自提式阻沙栅栏及阻沙设施，属于风沙防治领域。自动随风自提式风沙防护栅栏包括立柱、阻沙单元和起吊装置。立柱固定连接在地基上，固定阻沙单元固定连接于立柱的底部，阻沙单元与立柱滑动连接，在起吊装置的作用下可以朝上移动，从而提高整个阻沙栅栏的高度。上述阻沙设施，采用了多个随风自提式阻沙栅栏，并排成一排或多排，从而可以形成风沙障，布置在公路或铁路附近可以有效保护基础设施。
6.cn207452872u涉及高立式沙障技术领域，尤其是一种高立式沙障，包括两个立柱和开设在地面上的地沟，所述地沟的内部底面安装有与立柱位置对应的配重块，所述配重块的上表面设有金属管件，且金属管件的顶端延伸至地沟的上方并与立柱的底端接触，且地沟的内部设有混凝土层，所述金属管件的顶端侧面开设有多个滑槽，所述滑槽的内部设有滑块，所述滑块沿着滑槽的侧壁滑动，所述金属管件的顶端套接有螺纹管，所述螺纹管内设侧面上有多个第一限位块和第二限位块。本实用新型结构简单、使用方便，不仅提高高立
式沙障安装时的牢固强度，还能方便高立式沙障的拆卸，从而方便人们对高立式沙障的维护。
7.cn205604213u旨在解决现有的沙障无法方便地调节防沙网高度的问题，提供一种可调节高度的沙障，包括固定桩和挡沙网，固定桩包括依次连接的沉桩段、接网段和加长段，沉桩段的下端为锥形；接网段的上段为空心筒结构，且接网段的侧面上设有四条均匀分布的平行于接网段中轴线的t字形导槽；每条导槽之中设有两个或以上可沿导槽上下移动的滑动组件，滑动组件包括螺栓和螺母，螺栓的头部位于接网段的筒体内部，螺栓的螺身从内向外通过导槽，螺母连接在螺栓上，并与螺栓的头部一起压紧在接网段的侧壁上；螺母上连接有连接块，挡沙网系在连接块上。本实用新型的有益效果是，能够方便快捷地提升防沙网高度、提高沙障的使用寿命，且固定桩的制造成本低。
8.cn212223648u公开了一种自适应防风阻沙装置，包括立柱、连接轴、旋转板等构成。所述立柱采用钢筋混凝土或型钢，垂直立柱方向留有放置连接轴的圆孔，连接轴采用钢材或聚合物，旋转板采用混凝土或聚合物，将旋转板顶端设置圆形预留套孔，使其套在连接轴上，将连接轴固定于立柱上，当风流吹到旋转板上时，在风力的作用下旋转板依靠连接轴自动产生旋转与垂直方向产生一定角度，保持所受风力与自身重力之间的平衡，从而改变整个防风、阻沙系统的透风率，有效提高防风系统的抗风能力，达到沙障不易被掩埋，使用年限增加的目的。
9.cn110241745a公开了一种用于疏导流沙的挡风板装置，包括立柱和挡风板，所述挡风板与所述立柱固定连接；所述挡风板包括横梁和挡风栅板，所述横梁至少设置有两个，所述挡风栅板固定于相邻所述横梁之间；所述横梁与所述立柱垂直设置，该挡风板装置结构简单、造价成本低，易于安装拆卸，将该挡风板装置与麦草或粘土或砾石方格沙障、植物固沙结合进行综合治沙效果更佳；公路边缘的路肩设置为平坦地带，不仅可以疏导流沙，而且流沙堆积不会越过公路表面，保证路基的光滑程度，不受流沙堆积带来的威胁。
10.cn212223648u通过旋转板，当风流遇到旋转板时，旋转板会发生一定角度转动(≤60
°
)，上、下排旋转板之间会形成缝隙，形成一定的透风率，此时风沙流的风向、风速都会发生改变，在旋转板后形成弱风区，风沙流会在阻沙装置的前、后堆积，从而形成一种防风阻沙系统；也就是说，风沙仍然会堆积在装置附近。


技术实现要素：

11.有鉴于此，本发明提供了一种自适应弹塑性偏转芦苇束式沙障，目的是大风作用下让沙障偏转一定的角度，不仅可以防止沙障在大风作用下发生破坏，而且可以起到阻沙，输沙结合；具体技术方案如下：
12.一种自适应弹塑性偏转芦苇束式沙障，包括立柱和阻沙单元，所述阻沙单元安装于所述立柱上，所述阻沙单元上端与所述立柱转动连接，所述阻沙单元下端与所述立柱通过弹塑性阻尼件连接，使得所述阻沙单元能够在风的作用下随着风速大小转动不同大小角度。
13.进一步地，所述弹塑性阻尼件包括弹簧，以及与所述弹簧并排布设的阻尼伸长杆，所述弹塑性阻尼件的力学模型采用voigt或kelvin并联模型。
14.进一步地，所述阻沙单元转动角度最大为90度。
15.进一步地，所述阻沙单元包括外框，所述外框内横向固定有铁丝，芦苇束安装于所述铁丝上。
16.进一步地，所述阻沙单元下部与地面保持一定距离形成下空，所述下空的高度根据所在地区的风输沙量情况确定，结合所述阻沙单元在偏转时所述阻沙单元下部与地面增加的距离，当风速在小风速段内，甚至更小时，风携带的沙暂时储存在沙障的下侧，不会通过沙障去，造成路面积沙，当风速在大风速段内，甚至更大时，风携带沙从所述下空位置通过，并且进一步通过路面，不会在路面上积沙。
17.进一步地，所述沙障还包括锚绳，所述锚绳一端连接于所述立柱，另一端通过地锚固定安装在地面。
18.进一步地，所述地锚通过浇筑混凝土固定于地面。
19.进一步地，所述沙障还包括垂直方向设置的阻沙单元，通过所述铁丝与立柱连接形成垂直于所述沙障结构的阻沙单元。
20.进一步地，所述锚绳与其连接的所述立柱所组成的平面垂直于所述沙障。
21.一种自适应弹塑性偏转芦苇束式沙障设置方法，包括如下步骤：
22.步骤一：确定所在地区的起沙风速，
23.确定临界起动风速，
24.其中，其中∶an、ε为经验常数，分别取0.0119、0.169g
·
s-2；σ为所在地区沙粒密度g
·
cm-3；ρ为空气密度；g是重力加速度；d为所在地区沙子的粒径；hn表征不同表面对于起沙的阻碍作用系数,n＝1,2,3
…
25.当采用植被表面时，阻碍作用系数，
26.其中，m经验值0.16；σ经验值1.45；β＝经验值202；λ取决于植被覆盖分数(f)，有以下公式确定
[0027][0028]
当采用沙子表面时，阻碍作用系数h2＝τh1，0《τ《1；
[0029]
当采用道路表面时，阻碍作用系数h3＝τ
′
h1，0《τ
′
《τ；
[0030]
τ,τ'为经验参数取值；
[0031]
确定不同表面的起沙风速，
[0032]
其中，u
tn
为不同表面沙粒起动速度(m
·
s-1)；u
*tn
为临界起动风速(m
·
s-1)；z为计算高度(m)；k为粗糙度；
[0033]
从而分别得到，植被表面起沙风速u
t1
，沙子表面起沙风速u
t2
，道路路面起沙风速u
t3
；
[0034]
步骤二：偏转角度的计算
[0035]
阻沙单元受到风荷载和沙荷载的共同作用，由此确定所述偏转角度：
[0036]
风速与风载的转化，按伯努利公式确定风压
[0037][0038]
其中ω为风压，v为风速，这里取v＝u
t1
，ρ为空气密度
[0039]
ρ＝0.0125e-0.0001z
[0040]
z为海拔高度；
[0041]
沙荷载计算：
[0042]fs
＝ps·h[0043][0044]
式中，ps为沙荷载的冲击压强，单位pa；h为沙障的高度；fs为单位长度沙障的水平荷载，单位n；
[0045]
vi为沙粒运动的速度，单位为m/s；f为碰撞作用力，单位为n；s为接触面积，单位m2；ρ
′
为风沙流密度，单位g/m3；。
[0046]
计算沙障水平移动位移x为：
[0047][0048]
ω为风荷载，fs为沙荷载，k为弹簧弹性系数，为修正系数
[0049]
所以沙障偏转角度:
[0050]
步骤三：确定所述沙障无偏转时下空高度h
[0051]
h＝k1(u
t1-u
t2
) k2(u
t2-u
t3
)或
[0052]
所述k1,k2,k，k’为经验参数取值。
[0053]
步骤四：结合所述阻沙单元在偏转时所述阻沙单元下部与地面增加的距离，确定所述沙障偏转时的所需下空高度hp
[0054]
hp＝h-h(1-cosa)；
[0055]
h为阻沙单元高度，a为阻沙单元偏转角度；
[0056]
步骤五
[0057]
设置立柱，并绑扎铁丝，通过地锚、锚绳固定，按照预设下空高度挂接芦苇束，并设置垂直方向设置的阻沙单元。
[0058]
本发明的技术效果，偏转结构的设置，可以大大减小大风对于无偏转结构沙障的破坏，而通过自适应弹塑性偏转芦苇束式沙障，使得沙障能够适应不同风速进行调整，而且由于采用了弹塑性阻尼件，一方面可以保证沙障的偏转结构不会容易损坏，另一方面，可以提高风沙治理效果，本发明主要通过偏转结构 下空结构，实现大风过沙，小风阻沙的目的，而偏转结构的设置可以提高其目的的实现效果，在大小风转换时，由于弹塑性阻尼件的设置，可以使得沙障不会立刻偏转，从而保证过沙或阻沙效果；进一步，通过设置合理的下空高度，保证道路不会被积沙掩埋，充分利用自然风能本身，进行道路路面输沙，取消或大大减小传统的专门进行除沙工程机械车辆作业；同时也不会在沙障附近产生积沙，从而掩埋沙障，使沙障失效。在以实现大风过沙，小风阻沙效果的主导思想下，引入不同表面对于起
沙风速影响作用，并进一步计算下空高度，以达到大风过沙，小风阻沙的效果，要达到此效果，需要考虑不同表面对于起沙风速的影响，在小风时，需要考虑沙障有效阻沙，从而沙子能积累到沙障下部的植被表面，以及进一步的沙子表面，而在大风时，需要考虑沙障下的积沙能够被吹走，并且进一步风沙能够穿越植被表面，并相应穿过道路表面；进一步结合偏转的考虑，使得计算风载时风速等于植被表面起沙风速，从而实现结合所述阻沙单元在偏转时所述阻沙单元下部与地面增加的距离的计算。
附图说明
[0059]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
[0060]
图1附图为本发明的自适应弹塑性偏转芦苇束式沙障示意图；
[0061]
图2附图为本发明的自适应弹塑性偏转芦苇束式沙障侧视图；
[0062]
图3附图为本发明的自适应弹塑性偏转芦苇束式沙障地锚大样图；
[0063]
图4附图为本发明的自适应弹塑性偏转芦苇束式沙障偏转结构示意图。
[0064]
在图中：
[0065]
1为立柱、2为挡风芦苇、3为钢丝绳，4为混凝土预制地锚，5为镀锌铁丝，6为钢钉弯曲挂钩，7为双支钢筋，8为主风向，9为弹塑性阻尼件。
具体实施方式
[0066]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0067]
本发明实施例公开了一种自适应弹塑性偏转芦苇束式沙障，包括立柱和阻沙单元，所述阻沙单元安装于所述立柱上，所述阻沙单元上端与所述立柱转动连接，所述阻沙单元下端与所述立柱通过弹塑性阻尼件连接，使得所述阻沙单元能够在风的作用下随着风速大小转动不同大小角度。阻沙单元采用挡风芦苇。
[0068]
进一步地，所述弹塑性阻尼件包括弹簧，以及与所述弹簧并排布设的阻尼伸长杆，所述弹塑性阻尼件的力学模型采用voigt或kelvin并联模型。其应力应变模型如下：
[0069]
ε(t)＝ε(∞)(1-exp(-t/τ)。
[0070]
这里需要都粘度系数η进行控制，使得蠕变不可过慢也不可过快。
[0071]
进一步地，所述阻沙单元转动角度最大为90度。
[0072]
进一步地，所述阻沙单元包括外框，所述外框内横向固定有铁丝，芦苇束安装于所述铁丝上。一般采用镀锌铁丝，并结合钢钉弯曲挂钩实现。
[0073]
进一步地，所述阻沙单元下部与地面保持一定距离形成下空，所述下空的高度根据所在地区的风输沙量情况确定，结合所述阻沙单元在偏转时所述阻沙单元下部与地面增
加的距离，当风速在小风速段内，甚至更小时，风携带的沙暂时储存在沙障的下侧，不会通过沙障去，造成路面积沙，当风速在大风速段内，甚至更大时，风携带沙从所述下空位置通过，并且进一步通过路面，不会在路面上积沙。
[0074]
进一步地，所述沙障还包括锚绳，所述锚绳一端连接于所述立柱，另一端通过地锚固定安装在地面。所述锚绳采用钢丝绳。
[0075]
进一步地，所述地锚通过浇筑混凝土固定于地面。
[0076]
进一步地，所述沙障还包括垂直方向设置的阻沙单元，通过所述铁丝与立柱连接形成垂直于所述沙障结构的阻沙单元。
[0077]
进一步地，所述锚绳与其连接的所述立柱所组成的平面垂直于所述沙障。
[0078]
一种自适应弹塑性偏转芦苇束式沙障设置方法，包括如下步骤：
[0079]
步骤一：确定所在地区的起沙风速，
[0080]
确定临界起动风速，
[0081]
其中，其中∶an、ε为经验常数，分别取0.0119、0.169g
·
s-2；σ为所在地区沙粒密度g
·
cm-3；ρ为空气密度；g是重力加速度；d为所在地区沙子的粒径；hn表征不同表面对于起沙的阻碍作用系数,n＝1,2,3
…
[0082]
当采用植被表面时，阻碍作用系数，
[0083]
其中，m经验值0.16；σ经验值1.45；β＝经验值202；λ取决于植被覆盖分数(f)，有以下公式确定
[0084][0085]
当采用沙子表面时，阻碍作用系数h2＝τh1，0《τ《1；
[0086]
当采用道路表面时，阻碍作用系数h3＝τ
′
h1，0《τ
′
《τ；
[0087]
τ,τ'为经验参数取值；
[0088]
确定不同表面的起沙风速，
[0089]
其中，u
tn
为不同表面沙粒起动速度(m
·
s-1)；u
*tn
为临界起动风速(m
·
s-1)；z为计算高度(m)；k为粗糙度；
[0090]
从而分别得到，植被表面起沙风速u
t1
，沙子表面起沙风速u
t2
，道路路面起沙风速u
t3
；
[0091]
步骤二：偏转角度的计算
[0092]
阻沙单元受到风荷载和沙荷载的共同作用，由此确定所述偏转角度：
[0093]
风速与风载的转化，按伯努利公式确定风压
[0094][0095]
其中ω为风压，v为风速，这里取v＝u
t1
(这里取最为常见的植被表面)，ρ为空气密度
[0096]
ρ＝0.0125e-0.0001z
[0097]
z为海拔高度；
[0098]
沙荷载计算：
[0099]fs
＝ps·h[0100][0101]
式中，ps为沙荷载的冲击压强，单位pa；h为沙障的高度；fs为单位长度沙障的水平荷载，单位n；
[0102]
vi为沙粒运动的速度(vi是适应于风速v的，可以通过经验系数换算，也可以根据沙粒密度、质量等进行仿真模拟计算)，单位为m/s；f为碰撞作用力，单位为n；s为接触面积，单位m2；ρ
′
为风沙流密度，单位g/m3；。
[0103]
计算沙障水平移动位移x为：
[0104][0105]
ω为风荷载，fs为沙荷载，k为弹簧弹性系数，为修正系数
[0106]
所以沙障偏转角度:
[0107]
步骤三：确定所述沙障无偏转时下空高度h
[0108]
h＝k1(u
t1-u
t2
) k2(u
t2-u
t3
)或
[0109]
所述k1,k2,k，k’为经验参数取值。
[0110]
步骤四：结合所述阻沙单元在偏转时所述阻沙单元下部与地面增加的距离，确定所述沙障偏转时的所需下空高度hp
[0111]
hp＝h-h(1-cosa)；
[0112]
h为阻沙单元高度，a为阻沙单元偏转角度；
[0113]
步骤五
[0114]
设置立柱，并绑扎铁丝，通过地锚、锚绳固定，按照预设下空高度挂接芦苇束，并设置垂直方向设置的阻沙单元。地锚采用双支钢筋。
[0115]
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。