青藏鐵路不同防沙柵欄的布設(shè)位置研究

郝曉杰，熊治文，蔣富強(qiáng)，薛春曉，李凱崇

(1.中國鐵道科學(xué)研究院，北京 100081; 2.中鐵西北科學(xué)研究院有限公司，蘭州 730000)

青藏鐵路自通車以來，其安全運(yùn)營受到了高原風(fēng)沙災(zāi)害的嚴(yán)重威脅[1-2]。氣候環(huán)境變化和人為因素的共同作用是造成青藏高原沙漠化的主要原因[3-5]。風(fēng)沙對鐵路的危害主要包括風(fēng)積和磨蝕[6-10]。所謂風(fēng)積是指風(fēng)沙流在受到鐵路路基干擾時(shí)，沙粒沉積在路基坡腳、路肩和道砟上的現(xiàn)象。另外，青藏鐵路多年凍土地段多采用片石氣冷和通風(fēng)管結(jié)構(gòu)，以保護(hù)多年凍土不受破壞。路基坡腳的積沙會(huì)堵塞片石和通風(fēng)管的孔道，使其失去保護(hù)多年凍土的作用，嚴(yán)重影響了青藏鐵路路基的長期穩(wěn)定[11]。鐵路道砟上的積沙直接影響著列車的安全行駛，嚴(yán)重情況可能導(dǎo)致列車脫軌。磨蝕是指風(fēng)沙流中的沙粒含有較大能量，對機(jī)車車輛及通信設(shè)備等進(jìn)行撞擊而使其破壞。青藏高原由于其惡劣的氣候環(huán)境條件，目前完全通過植物防沙來保護(hù)鐵路的安全運(yùn)營，技術(shù)仍不成熟，所以青藏鐵路防沙以工程措施為主[12-13]。工程防沙體系的建設(shè)都是由很多道沙障組成。但目前人們對防沙柵欄如何布置的問題認(rèn)識還不夠深入，尤其對防沙柵欄間距的布置沒有理論上的研究。本文采用計(jì)算流體力學(xué)軟件Fluent，從數(shù)值模擬角度研究了防沙柵欄布置的合理間距問題，研究結(jié)果為青藏鐵路工程防沙體系的設(shè)計(jì)提供了有力支撐。

1 青藏鐵路防沙體系中常見沙障介紹

1.1 混凝土插板式擋沙墻

混凝土插板式擋沙墻主要分布于青藏鐵路紅梁河和錯(cuò)那湖地段，從現(xiàn)場調(diào)查情況來看，防沙效果較好?；炷敛灏迨綋跎硥Ω?.7 m，沙障由5塊帶有孔隙的鋼筋混凝土插板組裝而成。立柱間距2 m，立柱內(nèi)設(shè)有卡槽，鋼筋混凝土插板由卡槽固定，見圖1，風(fēng)向垂直于墻面?；炷敛灏迨綋跎硥Φ哪途眯院?，使用周期較長，但造價(jià)較高。

圖1 混凝土插板式擋沙墻(單位:m)

1.2 混凝土掛板式擋沙墻

混凝土掛板式擋沙墻主要分布于青藏鐵路紅梁河、北麓河和沱沱河地段，從現(xiàn)場調(diào)查情況來看，障后積沙較多，沙障防沙能力較強(qiáng)?；炷翏彀迨綋跎硥Ω?.7 m，沙障由4塊鋼筋混凝土掛板組裝而成，板厚0.06 m。立柱間距2 m，立柱上設(shè)有掛鉤，鋼筋混凝土板掛于立柱掛鉤上，見圖2?；炷翏彀迨綋跎硥κ┕し奖?，耐久性好，但造價(jià)較高。

圖2 混凝土掛板式擋沙墻(單位:m)

1.3 高立式PE網(wǎng)沙障

高立式PE網(wǎng)沙障分布于青藏鐵路的紅梁河、北麓河、秀水河、沱沱河和錯(cuò)那湖等地段，是運(yùn)用最廣泛的一種防沙柵欄。從現(xiàn)場調(diào)查情況來看，高立式PE網(wǎng)沙障前后都有較多積沙，阻沙能力較強(qiáng)。高立式PE網(wǎng)沙障高1.5 m，由木柱、鐵絲網(wǎng)以及PE網(wǎng)組成。柱間距為2 m，PE網(wǎng)的孔隙度為40%，見圖3。高立式PE網(wǎng)沙障，可工業(yè)化生產(chǎn)，施工方便快速，造價(jià)低廉，但耐久性較差，容易被積沙壓垮或機(jī)械清沙時(shí)被機(jī)械破壞。

圖3 高立式PE網(wǎng)沙障(單位:m)

2 現(xiàn)場調(diào)查

根據(jù)青藏鐵路紅梁河區(qū)段現(xiàn)場調(diào)查情況，混凝土插板式擋沙墻障后積沙范圍為28 m，混凝土掛板式擋沙墻障后積沙范圍為20.4 m，高立式PE網(wǎng)沙障障后積沙范圍為18 m。可見，現(xiàn)場調(diào)查時(shí)，沙障的積沙未達(dá)到飽和狀態(tài)。但從現(xiàn)場積沙角度比較，3種沙障對風(fēng)場的影響范圍從大到小為，混凝土插板式擋沙墻、混凝土掛板式擋沙墻、高立式PE網(wǎng)擋沙墻。

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，青藏鐵路北麓河及錯(cuò)那湖地段鐵路兩側(cè)都有阻沙措施，路基下風(fēng)向側(cè)的積沙位于防沙柵欄遠(yuǎn)離路基側(cè)，可見路基下風(fēng)向側(cè)的防沙柵欄起不到任何防沙作用，反而攔截了已經(jīng)越過路基的沙子，應(yīng)予以拆除。沱沱河地段部分阻沙柵欄走向與主導(dǎo)風(fēng)向不垂直。受微地形影響，沱沱河地段，風(fēng)向多變，但防沙柵欄走向一致，部分防沙柵欄的阻沙能力沒有得到充分發(fā)揮。

從現(xiàn)場調(diào)查結(jié)果來看，阻沙柵欄應(yīng)在判斷主導(dǎo)風(fēng)向的基礎(chǔ)上，布設(shè)在路基上風(fēng)向側(cè)，并根據(jù)微地形地貌適當(dāng)調(diào)整，使其走向垂直于風(fēng)向。

3 合理間距的確定方法

沙障積沙堆積的斷面形態(tài)近似于沙障對風(fēng)場影響范圍的斷面形態(tài)，積沙的最大范圍不超過沙障對風(fēng)場影響區(qū)域。沙障間距過小，容易造成第一道沙障之后的沙障被沙埋，不但防沙功能得不到充分發(fā)揮，而且積沙緊貼沙障不利于機(jī)械清沙。將沙障前后低于起沙風(fēng)速的區(qū)域稱為影響區(qū)域，根據(jù)風(fēng)洞試驗(yàn)和現(xiàn)場試驗(yàn)測得，青藏高原起沙風(fēng)速為7 m/s左右。結(jié)合現(xiàn)場調(diào)查積沙情況認(rèn)為，當(dāng)?shù)谝坏郎痴系恼虾箫L(fēng)場影響區(qū)域和第二道沙障的障前風(fēng)場影響區(qū)域相貼，此時(shí)兩道沙障的間距即為合理間距。

4 數(shù)值計(jì)算模型建立

青藏鐵路防沙柵欄的長度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其橫向尺寸，重點(diǎn)研究沙障的間距問題，可視其為二維問題處理。由于青藏鐵路沿線大風(fēng)季節(jié)風(fēng)速一般大于10 m/s，小于50 m/s，馬赫數(shù)小于0.3，故計(jì)算時(shí)可按不可壓縮流動(dòng)及紊流問題處理[14-15]。另外，本模型不考慮熱量的交換，是單純流場問題，所以不包含能量方程。描述擋風(fēng)墻背風(fēng)側(cè)流場的控制方程主要包括連續(xù)方程、動(dòng)量方程、和k-ε湍流模型方程，具體方程見文獻(xiàn)[16]。

通過不同長度和高度的模型計(jì)算比較，當(dāng)模型的計(jì)算長度大于100 m，高度大于15 m時(shí)，計(jì)算空間的高度和長度對沙障周圍流場產(chǎn)生的影響很小。其余尺寸和粗糙度的選取與實(shí)際情況保持一致。因此，流場的計(jì)算長度取為100 m，高度取為15 m。

為模擬青藏高原低溫低氣壓條件下的風(fēng)場情況，參數(shù)選取海拔約4 500 m左右的空氣狀態(tài)情況，青藏高原大風(fēng)季節(jié)一般為每年10月到翌年3月，氣溫為－20℃，空氣密度和氣壓均取為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)的55%[17]。由于空氣黏度和溫度有顯著的關(guān)系，但和氣壓幾乎沒有關(guān)系，所以空氣黏度選取溫度為－20℃時(shí)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓的情況，黏度μ=1.628×105Pa·s。

模型的入口和出口分別采用速度入口和自由出流，地面和擋風(fēng)墻采用固體壁面邊界。

5 計(jì)算結(jié)果分析

5.1 防沙柵欄合理間距與柵欄形式的關(guān)系

為便于分析青藏鐵路防沙柵欄的合理間距，文中統(tǒng)一風(fēng)速為18 m/s。

5.1.1 混凝土插板式擋沙墻

混凝土插板式擋沙墻風(fēng)速流場數(shù)值模擬結(jié)果見圖4，從風(fēng)速矢量圖4(a)可以看出，沙障對風(fēng)場有明顯的干擾作用，大量空氣穿過沙障的較大孔隙，在障后形成一個(gè)較大渦流區(qū)。渦流區(qū)中，風(fēng)速明顯減弱，風(fēng)沙流中的沙粒隨即沉積。模擬結(jié)果和現(xiàn)場調(diào)查障后形成較多積沙的情況吻合，說明模擬結(jié)果具有較高的準(zhǔn)確性。

從圖 4(b)、(c)、(d)間距分別為 30、40、50 m 情況下的風(fēng)速云圖，深色區(qū)域?yàn)樯痴蠈︼L(fēng)場的影響范圍。從圖4中可以看出，間距為30 m情況下，2道沙障間的降速區(qū)域重疊;間距為40 m情況下，2道沙障間的降速區(qū)域略有重疊;間距為50 m情況下，2道沙障間的降速區(qū)域分離。按照相貼原則，混凝土插板式擋沙墻的合理間距為40～45 m。

圖4 混凝土插板式擋沙墻風(fēng)場圖

5.1.2 混凝土掛板式擋沙墻

混凝土掛板式擋沙墻風(fēng)速流場數(shù)值模擬結(jié)果見圖5，從風(fēng)速矢量圖5(a)可以看出，沙障對風(fēng)場有明顯的干擾作用，大量空氣穿過沙障的較大孔隙，在障后被分成上下兩股，形成上下2個(gè)較大渦流區(qū)。渦流區(qū)中，風(fēng)速明顯減弱，風(fēng)沙流中的沙粒隨即沉積。模擬結(jié)果和現(xiàn)場調(diào)查障后形成較多積沙的情況基本吻合，說明模擬結(jié)果具有較高的準(zhǔn)確性。

從圖5(b)、(c)、(d)間距分別為 30、40、50 m、情況下的風(fēng)速云圖，深色區(qū)域?yàn)樯痴蠈︼L(fēng)場的影響范圍。從圖5中可以看出，間距為30 m情況下，2道沙障間的降速區(qū)域明顯重疊;間距為40 m情況下，2道沙障間的降速區(qū)域分開小段距離;間距為50 m情況下，2道沙障間的降速區(qū)域明顯分離。說明混凝土掛板式擋沙墻的合理間距為35～40 m。

圖5 混凝土掛板式擋沙墻風(fēng)場圖

5.1.3 高立式PE網(wǎng)沙障

高立式PE網(wǎng)沙障風(fēng)速流場數(shù)值模擬結(jié)果見圖6。同樣從風(fēng)速矢量圖6(a)可以看出，沙障對風(fēng)場有明顯的干擾作用，空氣穿過PE網(wǎng)均勻而較小的孔隙，障后空氣流向的改變相對前2種沙障較小，沒有像前2種沙障形成明顯渦流區(qū)域。在PE網(wǎng)的干擾下，障后風(fēng)速的降低非常明顯，風(fēng)沙流中的沙粒同樣可以沉積，模擬結(jié)果和現(xiàn)場調(diào)查障后形成較多積沙的情況基本吻合，說明模擬結(jié)果具有較高的準(zhǔn)確性。

從圖 6(b)、(c)、(d)中，間距分別為 30、40、50 m情況下的風(fēng)速云圖，深色區(qū)域?yàn)樯痴蠈︼L(fēng)場的影響范圍。從圖6中可以看出，間距為30 m情況下，2道沙障間的降速區(qū)域略有重疊;間距為40 m情況下，2道沙障間的降速區(qū)域分離;間距為50 m情況下，2道沙障間的降速區(qū)域明顯分離。說明高立式PE網(wǎng)沙障的合理間距為30～35 m。

圖6 高立式PE網(wǎng)沙障風(fēng)場圖

綜上所述，防沙柵欄合理間距與柵欄形式有密切關(guān)系，障后形成的渦流區(qū)越大柵欄合理間距越大。

5.2 防沙柵欄合理間距與風(fēng)速的關(guān)系

為研究不同風(fēng)速情況下防沙柵欄的合理間距問題，模擬了10、18、26和34 m/s風(fēng)速情況下上述3種防沙設(shè)施的合理間距，結(jié)果見表1。

表1 不同風(fēng)速條件下各種沙障的合理間距 m

圖7為合理間距和風(fēng)速的關(guān)系圖。從圖中可以看出，合理間距和風(fēng)速大小具有較好的線性關(guān)系，3種沙障的合理間距都隨風(fēng)速的增大而減小。風(fēng)速為26 m/s時(shí)，3種沙障的合理間距相差不大，為30 m左右。插板式沙障合理間距受風(fēng)速影響最大，高立式PE網(wǎng)沙障的合理間距受風(fēng)速影響最小。

根據(jù)圖7中擬合的各種沙障合理間距隨風(fēng)速變化的線性關(guān)系公式，可以計(jì)算出風(fēng)速大于10 m/s情況下，各種沙障在各種風(fēng)速條件下的合理間距。從不同地區(qū)現(xiàn)場防沙體系設(shè)計(jì)中，可根據(jù)現(xiàn)場風(fēng)速資料求得相應(yīng)的合理間距。

圖7 合理間距隨風(fēng)速變化關(guān)系

6 結(jié)論

(1)從數(shù)值模擬角度對常見3種沙障的不同間距風(fēng)場進(jìn)行分析得到，大風(fēng)季節(jié)最高風(fēng)速18 m/s情況下，混凝土插板式擋沙墻的合理間距為40～45 m，混凝土掛板式擋沙墻的合理間距為35～40 m，高立式PE網(wǎng)沙障的合理間距為30～35 m。各種沙障間的合理間距隨風(fēng)速增大而減小。

(2)混凝土插板式擋沙墻障后形成1個(gè)較大渦流區(qū)，混凝土掛板式擋沙墻障后形成上下2個(gè)小渦流區(qū)，而高立式PE網(wǎng)沙障障后沒有形成渦流區(qū)?？梢?，相同風(fēng)速下，防沙柵欄障后的渦流區(qū)越大，防沙柵欄的合理間距越大。

(3)根據(jù)青藏鐵路紅梁河區(qū)段現(xiàn)場調(diào)查，從現(xiàn)場積沙角度比較，3種沙障對風(fēng)場的影響范圍從大到小為，混凝土插板式擋沙墻、混凝土掛板式擋沙墻、高立式PE網(wǎng)擋沙墻。調(diào)查結(jié)果和數(shù)值模擬結(jié)果正相關(guān)，說明數(shù)值模擬結(jié)果是較可靠的。

(4)根據(jù)北麓河和沱沱河現(xiàn)場調(diào)查，防沙體系路基下風(fēng)向側(cè)防沙柵欄起不到任何防沙功能，應(yīng)予拆除。防沙柵欄走向與主導(dǎo)風(fēng)向不垂直時(shí)，防沙功效得不到充分發(fā)揮。所以防沙柵欄應(yīng)布置在鐵路上風(fēng)向側(cè)，且其走向應(yīng)垂直于現(xiàn)場主導(dǎo)風(fēng)向。

鐵路不同防沙柵欄布設(shè)位置的影響因素較復(fù)雜，文中重點(diǎn)考慮了擋沙墻形式、風(fēng)速、地表粗糙度等因素，對沙粒粒徑及微地形地貌等因素沒有考慮，研究結(jié)論有待在實(shí)踐中進(jìn)一步檢驗(yàn)和完善。

防沙柵欄的合理間距研究結(jié)果，可直接為青藏鐵路防沙體系的設(shè)計(jì)提供支撐，也可以為其他地區(qū)鐵路防沙設(shè)計(jì)提供參考。

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