高海拔凍土區(qū)通風(fēng)管路基管內(nèi)風(fēng)速及影響因素研究

宋正民，穆彥虎，馬 巍，俞祁浩，栗曉林

（1.蘭州理工大學(xué)土木工程學(xué)院，甘肅蘭州730050；2.中國(guó)科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院凍土工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅蘭州730000）

0 引言

在多年凍土地區(qū)，路基工程的修筑改變了下伏多年凍土原有脆弱的熱平衡狀態(tài)，由于凍土的凍脹、融沉特性，凍土路基存在普遍的工程病害［1-5］。對(duì)于公路路基而言，受瀝青路面高吸熱特性的影響［6］，路基下部多年凍土上限不斷下降［7-8］、多年凍土溫度不斷升高［9-11］。隨著全球氣候的不斷轉(zhuǎn)暖，這一問(wèn)題將會(huì)變得更加嚴(yán)峻。因此，針對(duì)多年凍土區(qū)的路基融沉問(wèn)題，熱管［12-14］、塊石［15］、通風(fēng)管［16-17］等一系列對(duì)流換熱類主動(dòng)“冷卻路基”措施被廣泛應(yīng)用于凍土區(qū)路基工程的建設(shè)與維護(hù)，并起到了良好的作用［18-20］。

為研究熱管、塊石以及通風(fēng)管的冷卻降溫效果及降溫機(jī)理，現(xiàn)階段已通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)、數(shù)值模擬以及模型試驗(yàn)開展了大量的相關(guān)研究工作。Niu等［21-22］、Pei等［23］、Wen等［24］通過(guò)利用現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)手段

研究了通風(fēng)管、熱棒以及塊石護(hù)坡的冷卻降溫效果。在此基礎(chǔ)上，Ma等［25-26］、Zhang等［27］、Mu等［28］利用數(shù)值模擬手段分析了通風(fēng)管、塊石路基的長(zhǎng)期熱狀況的變化規(guī)律，Liu等［29］、Yu等［30］通過(guò)開展室內(nèi)模型試驗(yàn)研究了塊石護(hù)坡的冷卻降溫機(jī)理。依靠塊石層內(nèi)部的自然對(duì)流以及通風(fēng)管內(nèi)氣流與管壁的強(qiáng)迫對(duì)流換熱，可有效地降低路基土體的溫度，達(dá)到保護(hù)路基下部多年凍土的效果。而通風(fēng)管的管內(nèi)風(fēng)速是影響和決定通風(fēng)管路基冷卻降溫的關(guān)鍵。同時(shí)，在青藏工程走廊風(fēng)沙災(zāi)害日益嚴(yán)重的背景下，風(fēng)沙的搬運(yùn)、堆積將對(duì)通風(fēng)管道及兩側(cè)護(hù)坡造成一定的堵塞，進(jìn)而改變路基邊坡塊石層的邊界類型、孔隙率以及通風(fēng)管管內(nèi)的通風(fēng)效率等［31-32］。同時(shí)，隨著公路的大尺度、高標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)要求的提升，由于路基尺度改變所引起的熱收支狀態(tài)的變化將對(duì)下部?jī)鐾恋鼗a(chǎn)生影響。在高溫多年凍土區(qū)，寬幅路基的修建導(dǎo)致基底吸熱量增大20%以上，這將對(duì)路基下部多年凍土的穩(wěn)定造成嚴(yán)重影響［33］。因此，為解決寬幅路基瀝青路面的高吸熱量對(duì)下伏多年凍土的影響，研究人員提出了分離式路基來(lái)解決幅寬熱效應(yīng)問(wèn)題［34-35］。但分離式通風(fēng)管路基受兩幅路基間距的影響，后幅路基管內(nèi)風(fēng)速受前幅路基的遮擋導(dǎo)致管內(nèi)風(fēng)速有所降低，且隨路基間距的減小，這一影響逐漸增強(qiáng)。目前，已有研究主要集中在通風(fēng)管管內(nèi)的對(duì)流換熱過(guò)程對(duì)下部土體熱狀況的影響，而對(duì)于管內(nèi)風(fēng)速的影響因素及程度尚未有太多定量研究。因此，開展管內(nèi)風(fēng)速特征及其影響因素的研究對(duì)于通風(fēng)管路基的強(qiáng)迫對(duì)流換熱效果以及凍土路基工程的維護(hù)與運(yùn)營(yíng)十分必要。針對(duì)通風(fēng)管路基管內(nèi)風(fēng)速的特征及影響因素，本文結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)與數(shù)值模擬，開展了包括通風(fēng)管埋設(shè)高度、管徑、外伸長(zhǎng)度以及兩幅路基之間不同路基間距四種影響因素下的管內(nèi)空氣流速變化的特征研究。

1 研究方法

1.1 物理模型

為研究不同路基形式及通風(fēng)管不同位置特征條件下的管內(nèi)風(fēng)速特征，以北麓河附近青藏公路沿線的試驗(yàn)路段為研究對(duì)象，研究了單幅路基在不同通風(fēng)管管徑、外伸長(zhǎng)度、埋設(shè)高度以及兩幅路基不同路基間距條件下的管內(nèi)風(fēng)速特征。物理模型分別如圖1（a）、1（b）所示，其中單幅路基條件下，通風(fēng)管管徑（R）分別為0.4、0.5、0.6、0.7、0.8 m，通風(fēng)管外伸長(zhǎng)度（k）分別為0、0.6、0.8、1.0、1.2、1.4、1.6、1.8、2.0、2.2、2.4、2.6、2.8 m，通風(fēng)管埋設(shè)高度（h）以0.25 m為高度差值，在路基高度為3 m條件下，通風(fēng)管埋設(shè)高度為0.5～1.5 m；在路基高度為4 m條件下，通風(fēng)管埋設(shè)高度為0.5～2 m；在路基高度為5 m條件下，通風(fēng)管埋設(shè)高度為0.5～2.5 m；兩幅路基之間的路基間距（L）為2、5、10、20、30、40、50 m。物理模型共分為空氣區(qū)與路基區(qū)兩部分，空氣區(qū)高度為自天然地表以上30 m，寬度自路基兩側(cè)坡腳分別向外延伸60 m。

圖1 路基風(fēng)流場(chǎng)物理模型Fig.1 Physical models of wind flow over an embankment（a）and two separated embankment（b）

1.2 數(shù)學(xué)模型

在物理參數(shù)和邊界條件的設(shè)定方面，根據(jù)青藏高原北麓河氣象站、青藏高等級(jí)公路試驗(yàn)段現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，選取大氣壓為57.7 kPa，空氣密度0.737 kg·m-3，空氣黏度1.75×10-5Pa·s，環(huán)境溫度273 K，通風(fēng)管管壁的粗糙度為0.003 m，地表粗糙度為0.14 m。模型的邊界條件在左側(cè)風(fēng)入口處設(shè)置為速度入口，根據(jù)“綜合冪次律”理論［36］，風(fēng)速入口在邊界KJ、EF處隨高度的變化可簡(jiǎn)化為：

式中：vx y為入口邊界沿高度的風(fēng)速分布規(guī)律；vx10為10 m高度處環(huán)境風(fēng)速，本文取10 m高度處環(huán)境風(fēng)速為4 m·s-1，y為垂向高度。模型上部及兩側(cè)面采用對(duì)稱（symmetry）邊界，進(jìn)口處采用速度入口（velocity-inlet）邊界，出口處采用質(zhì)量出口（outflow）邊界，地表、路基邊坡及頂部、通風(fēng)管管壁選用固壁（wall）邊界。

在不考慮熱交換（即屏蔽能量方程），流體介質(zhì)是空氣，密度為常數(shù)的前提下，通過(guò)選擇合適的離散格式可以加速收斂功能。本文采用高精度的二階迎風(fēng)格式對(duì)動(dòng)量、湍動(dòng)能和湍流耗散率等進(jìn)行數(shù)值離散，同時(shí)考慮環(huán)境風(fēng)速對(duì)路基的作用屬于定常狀態(tài)，選用SIMPLEC算法，且為控制計(jì)算過(guò)程中數(shù)值的失穩(wěn)和發(fā)散，所以在計(jì)算中選擇較小的松弛系數(shù)，本文采用壓力欠松弛系數(shù)為0.2。為更好地模擬管道內(nèi)流動(dòng)，本文選用Realizablek-ε模型，該模型的輸運(yùn)方程如下［37-38］：

式中：

t為時(shí)間；ρ為空氣密度；k為脈動(dòng)動(dòng)能；ui為空氣在i方向的速度分量；xi、xj為空氣沿i、j方向的位移；μ為空氣動(dòng)力黏度；μt為空氣的湍流黏性系數(shù)；ν為動(dòng)力黏度；σk的取值為1.0；Gk為由層流速度梯度而產(chǎn)生的湍流動(dòng)能；ε為脈動(dòng)動(dòng)能耗散率；σε的取值為1.2；C2的 取 值 為1.9；C1=max（0.43，

1.3 模型及參數(shù)驗(yàn)證

利用青藏高原北麓河高速公路試驗(yàn)段風(fēng)流場(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)與數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比，開展本文數(shù)值模型和參數(shù)的驗(yàn)證。為掌握通風(fēng)管內(nèi)不同位置處風(fēng)速特征，在試驗(yàn)段通風(fēng)管中部及兩側(cè)出口處各安置一組風(fēng)速、風(fēng)向測(cè)試傳感器，以獲取通風(fēng)管內(nèi)不同位置處的風(fēng)速與風(fēng)向。通風(fēng)管兩側(cè)的風(fēng)速、風(fēng)向傳感器距離通風(fēng)管管口0.85 m，通風(fēng)管管徑為0.4 m。試驗(yàn)段路基為東北—西南走向，路基高度為3 m，通風(fēng)管埋設(shè)高度為1.2 m，如圖2所示。

圖2 北麓河試驗(yàn)通風(fēng)管路基管內(nèi)風(fēng)速觀測(cè)系統(tǒng)Fig.2 Observation system of wind flow over the ventilation duct experimental-built embankment at beiluhe basin

數(shù)值計(jì)算模型中風(fēng)向與路基走向垂直，因此，通過(guò)選取現(xiàn)場(chǎng)風(fēng)向監(jiān)測(cè)裝置監(jiān)測(cè)到的風(fēng)向?yàn)?05°（路基走向?yàn)楸逼珫|15°）時(shí)的管內(nèi)風(fēng)速與數(shù)值計(jì)算結(jié)果進(jìn)行模型驗(yàn)證。為刻畫通風(fēng)管內(nèi)不同位置處的風(fēng)速大小，將通風(fēng)管入口湍流區(qū)與出口湍流區(qū)每間隔0.2 m、中部平流區(qū)每間隔0.4 m設(shè)置一處風(fēng)速監(jiān)測(cè)斷面，通過(guò)計(jì)算監(jiān)測(cè)斷面的風(fēng)速平均值來(lái)刻畫通風(fēng)管內(nèi)部不同位置處的風(fēng)速大小，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)與數(shù)值模擬對(duì)比結(jié)果如圖3所示。由圖可知，通風(fēng)管內(nèi)部風(fēng)速隨環(huán)境風(fēng)速的增加呈線性增加，斜率為0.5左右，但通風(fēng)管進(jìn)口處風(fēng)速隨環(huán)境風(fēng)速的增加其斜率明顯高于中部跟出口處風(fēng)速。當(dāng)10 m高度處環(huán)境風(fēng)速為8 m·s-1時(shí)，通風(fēng)管內(nèi)最大風(fēng)速差值可達(dá)0.18 m·s-1，約為環(huán)境風(fēng)速的5%。

圖3 數(shù)值模擬與試驗(yàn)工程實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比Fig.3 Field measured and numerical simulated wind speed vs.environmental wind speed

2 模擬結(jié)果與分析

2.1 單幅通風(fēng)管路基管內(nèi)風(fēng)速模擬

2.1.1 單幅通風(fēng)管路基條件下管內(nèi)風(fēng)速分布特征受通風(fēng)管管徑、外伸長(zhǎng)度以及埋設(shè)高度的影響通風(fēng)管內(nèi)部的風(fēng)速分布有所差異，為了解管內(nèi)不同位置處的風(fēng)速分布特征，本文通過(guò)利用數(shù)值模擬的方法來(lái)進(jìn)行管內(nèi)風(fēng)速分布的差異性分析。圖4給出了路基高度為3 m、路面寬度為13 m、通風(fēng)管外伸長(zhǎng)度為1.3 m、10 m高度處環(huán)境風(fēng)速為4 m·s-1且風(fēng)向與路基走向垂直條件下管內(nèi)風(fēng)速分布云圖。根據(jù)管內(nèi)不同位置處的風(fēng)速波動(dòng)情況將管內(nèi)風(fēng)速分為入口湍流區(qū)（I）、中部層流區(qū)（II）、出口湍流區(qū)（III）三個(gè)區(qū)域。在入口湍流區(qū)（I），上升氣流沖撞通風(fēng)管上管壁，導(dǎo)致I區(qū)內(nèi)的空氣流動(dòng)主要以湍流為主，縱向波動(dòng)范圍、波動(dòng)幅度最大；隨著氣流的繼續(xù)深入流動(dòng)，空氣粒子不斷與管壁碰撞造成能量不斷損失，紊流經(jīng)過(guò)充分發(fā)展后呈現(xiàn)較為平穩(wěn)的層流狀態(tài)（II區(qū)），空氣的運(yùn)動(dòng)軌跡近似直線；在出口湍流區(qū)，管內(nèi)空氣受管口氣壓劇烈變化的影響，空氣的湍流流動(dòng)、波動(dòng)強(qiáng)度相對(duì)II區(qū)明顯增大，縱向波動(dòng)幅度有所增加。

圖4 管內(nèi)風(fēng)速分布云圖Fig.4 Wind speed field in ventilation duct

由圖4可知，當(dāng)10 m高度處環(huán)境風(fēng)速為4 m·s-1時(shí)，II區(qū)范圍可占據(jù)通風(fēng)管內(nèi)部的80%左右，隨環(huán)境風(fēng)速的提升，II區(qū)范圍有所減小，當(dāng)環(huán)境風(fēng)速達(dá)到10 m·s-1時(shí)，II區(qū)范圍仍占據(jù)50%以上，故本文以II區(qū)特征風(fēng)速為研究目標(biāo)，開展通風(fēng)管不同管徑、不同外伸長(zhǎng)度以及不同埋設(shè)高度三種工況條件下管內(nèi)風(fēng)速的特征研究。

2.1.2 不同管徑條件下管內(nèi)風(fēng)速分布特征

通風(fēng)管管徑的增加可以加大管口處空氣的入流面積，并且隨著管徑的增加，進(jìn)管口處風(fēng)速受路基迎風(fēng)坡遮擋效應(yīng)造成的減速效果也有所差異。因此，為探究通風(fēng)管管徑對(duì)管內(nèi)風(fēng)速的影響效果，以路基高度3 m、通風(fēng)管外伸長(zhǎng)度1.3 m、通風(fēng)管埋設(shè)高度1.2 m為標(biāo)準(zhǔn)，針對(duì)不同通風(fēng)管管徑條件下管內(nèi)空氣流動(dòng)的差異性進(jìn)行分析。圖5給出了10 m高度處環(huán)境風(fēng)速為4 m·s-1時(shí)，管內(nèi)風(fēng)速與管徑的關(guān)系曲線。由圖可知，隨著通風(fēng)管管徑的增加，管內(nèi)風(fēng)速呈拋物線形式增加，最大可達(dá)2.58 m·s-1，約為同一高度下環(huán)境風(fēng)速的85%。當(dāng)管徑達(dá)到0.6 m時(shí)，管內(nèi)風(fēng)速增加不再明顯。通過(guò)對(duì)管內(nèi)風(fēng)速模擬可知，受管壁粗糙度影響，管徑的增加導(dǎo)致近壁區(qū)黏滯層的低風(fēng)速范圍與管中平流層高風(fēng)速范圍均有所上升，當(dāng)管徑達(dá)到0.6 m后，二者之間的增量幅度近似相等，管內(nèi)風(fēng)速不在隨管徑的增加而明顯提升。

圖5 不同管徑條件下管內(nèi)風(fēng)速變化Fig.5 Wind speed in ventilation duct with different diameters

為探究管徑增加所造成的通風(fēng)管內(nèi)不同位置處的流速差異，通過(guò)數(shù)值計(jì)算給出了環(huán)境風(fēng)速為4 m·s-1時(shí)不同通風(fēng)管管徑內(nèi)的最大風(fēng)速差值曲線（圖6）。由圖可知，隨管徑的增加，管內(nèi)最大風(fēng)速差值呈線性減小，斜率約為-0.175。受管壁粗糙度的影響，入口湍流區(qū)空氣撞擊管壁所造成的動(dòng)能損失較大，速度明顯降低，管內(nèi)空氣逐漸由湍流發(fā)展為層流。而層流狀態(tài)下管內(nèi)風(fēng)速受管壁粗糙度的影響較小，動(dòng)能損失較低。因此，隨管徑的增加，管內(nèi)流速整體上升。入口湍流區(qū)的湍動(dòng)強(qiáng)度逐漸減小，動(dòng)能損失逐漸降低，由此導(dǎo)致通風(fēng)管內(nèi)部不同位置處的風(fēng)速分布差異逐漸減弱。

圖6 不同管徑條件管內(nèi)最大風(fēng)速差值分布曲線Fig.6 Maximum wind speed difference in ventilation duct with different diameters

2.1.3 通風(fēng)管不同外伸長(zhǎng)度條件下管內(nèi)風(fēng)速分布特征

管內(nèi)風(fēng)速的大小主要受兩側(cè)氣壓差值及溫度影響，在不考慮溫度變化的情況下，管口兩側(cè)氣壓差值將決定管內(nèi)風(fēng)速的大小，而不同通風(fēng)管外伸長(zhǎng)度將導(dǎo)致通風(fēng)管兩側(cè)的氣壓差值有所差異。為研究通風(fēng)管外伸長(zhǎng)度對(duì)管內(nèi)風(fēng)速的影響程度，圖7（a）給出了通風(fēng)管管徑為0.4 m、埋設(shè)高度為1.2 m、10 m高度處環(huán)境風(fēng)速為4 m·s-1的條件下，通風(fēng)管管中風(fēng)速與通風(fēng)管外伸長(zhǎng)度之間的關(guān)系曲線。由圖可知，當(dāng)環(huán)境風(fēng)速保持不變時(shí)，隨通風(fēng)管外伸長(zhǎng)度的增加，管內(nèi)風(fēng)速基本保持不變，且在外伸長(zhǎng)度為0.6 m時(shí)達(dá)到最大值。當(dāng)環(huán)境風(fēng)速為2 m·s-1時(shí)，不同通風(fēng)管外伸長(zhǎng)度條件下，管內(nèi)風(fēng)速最大差值僅為0.02 m·s-1，但隨著環(huán)境風(fēng)速的提升，這一差值逐漸提升，當(dāng)環(huán)境風(fēng)速為14 m·s-1時(shí)，這一差值可達(dá)0.3 m·s-1。圖8給出了不同通風(fēng)管外伸長(zhǎng)度下管口兩側(cè)的氣壓云圖，由圖8（a）、8（b）可知，當(dāng)10 m高度處環(huán)境風(fēng)速為4 m·s-1時(shí)，隨著通風(fēng)管外伸長(zhǎng)度的增加，通風(fēng)管兩端的氣壓差值逐漸增大，兩側(cè)管口處氣壓差值由通風(fēng)管外伸長(zhǎng)度為0 m時(shí)的3.2 Pa增加到通風(fēng)管外伸長(zhǎng)度為2.8 m時(shí)的3.8 Pa。當(dāng)10 m高度處環(huán)境風(fēng)速為14 m·s-1時(shí)，兩側(cè)管口處氣壓差值由通風(fēng)管外伸長(zhǎng)度為0 m時(shí)的26 Pa增加到通風(fēng)管外伸長(zhǎng)度為2.8 m時(shí)的32 Pa［圖8（c）、8（d）］。由此可見，當(dāng)環(huán)境風(fēng)速較低時(shí)，通風(fēng)管兩側(cè)的氣壓差值受通風(fēng)管外伸長(zhǎng)度的影響較小，隨環(huán)境風(fēng)速的增加，這一影響逐漸增強(qiáng)。

圖7 不同環(huán)境風(fēng)速下通風(fēng)管外伸長(zhǎng)度與管內(nèi)風(fēng)速關(guān)系曲線Fig.7 Extension length of ventilation duct vs.wind speeds in ventilation duct under different environment wind speed

圖8 10 m高度環(huán)境風(fēng)速4 m·s-1通風(fēng)管外伸長(zhǎng)度0 m（a）、2.8 m（b）及10 m高度環(huán)境風(fēng)速14 m·s-1通風(fēng)管外伸長(zhǎng)度0 m（c）、2.8 m（d）下通風(fēng)管路基周邊靜壓云圖Fig.8 Air static pressure field around the ventilation duct embankment under the environmental wind speed of 4 m·s-1 at 10 m height，0 m（a），2.8 m（b）and 14 m·s-1 at 10 m height，0 m（c）and 2.8 m（d）

圖9 （a）～9（c）給出了通風(fēng)管外伸長(zhǎng)度為0 m、1.6 m、2.6 m三種條件下的管口空氣流線圖（圖中流線顏色越深代表空氣流速越大）。由圖可知，隨通風(fēng)管外伸長(zhǎng)度的增加，通風(fēng)管入口處速度流線弧度減小，管內(nèi)空氣流速受迎風(fēng)坡遮擋效應(yīng)造成的減速效果逐漸降低，通風(fēng)管入口處的流線夾角（α）由外伸長(zhǎng)度0 m時(shí)的16°～18°降低至通風(fēng)管外伸長(zhǎng)度為2.8 m時(shí)的2°～3°。并且隨通風(fēng)管外伸長(zhǎng)度的增加，管內(nèi)風(fēng)速受管壁粗糙度的影響越來(lái)越明顯，近壁處動(dòng)能損失逐漸增加。因此，受管壁粗糙度、迎風(fēng)坡遮擋效應(yīng)、通風(fēng)管管口兩側(cè)氣壓差值三方面的混合影響，管內(nèi)風(fēng)速隨通風(fēng)管外伸長(zhǎng)度的增加變化不明顯。

圖9 不同通風(fēng)管外伸長(zhǎng)度下管口流線示意圖Fig.9 Schematic diagram of streamline under different ventilation duct extension lengths of 0 m（a），1.6 m（b）and 2.6 m（c）

2.1.4 通風(fēng)管不同埋設(shè)高度條件下管內(nèi)風(fēng)速分布特征

路基高度的增加會(huì)加劇陰陽(yáng)坡效應(yīng)，導(dǎo)致路基下部聚熱效應(yīng)更加明顯。因此，為更大程度發(fā)揮通風(fēng)管的對(duì)流換熱作用，以此來(lái)帶走因路基高度增加導(dǎo)致邊坡吸收的更多熱量，通風(fēng)管的安裝高度不宜過(guò)高。本文以路面寬度13 m，通風(fēng)管管徑0.4 m，通風(fēng)管外伸長(zhǎng)度1.3 m，通風(fēng)管埋設(shè)高度0.5 m為起始高度，以路基高度的一半為埋設(shè)上限，對(duì)不同路基高度條件下管內(nèi)風(fēng)速進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，結(jié)果如下。

圖10 不同路基高度、通風(fēng)管高度條件下管內(nèi)風(fēng)速Fig.10 Wind speed in ventilation duct vs.buried depth of the ventilation duct under different embankment thickness

隨路基高度的提升，同一高度條件下坡前風(fēng)速逐漸下降，管內(nèi)風(fēng)速受迎風(fēng)坡的擾動(dòng)更加明顯。通風(fēng)管埋設(shè)高度的增加導(dǎo)致進(jìn)風(fēng)口處流線夾角逐漸增加，但隨通風(fēng)管埋設(shè)高度的提升，管口處環(huán)境風(fēng)速也相應(yīng)增加，最終導(dǎo)致管內(nèi)風(fēng)速呈線性增加趨勢(shì)。當(dāng)通風(fēng)管高度為0.5 m時(shí)，3 m高路基較5 m高路基管內(nèi)風(fēng)速差值約為0.1 m·s-1，且這一差值隨通風(fēng)管高度的增加逐漸減小，當(dāng)通風(fēng)管高度達(dá)到2 m時(shí)，管內(nèi)風(fēng)速受路基高度的影響逐漸削弱，不同路基高度條件下管內(nèi)風(fēng)速逐漸趨向一致。以往研究表明，當(dāng)路基高度超過(guò)4 m后，坡前擾動(dòng)區(qū)的高度范圍差異逐漸減小。因此，當(dāng)通風(fēng)管高度達(dá)到2 m時(shí)，管內(nèi)風(fēng)速受路基高度的影響不在增加。

2.2 分幅通風(fēng)管路基管內(nèi)風(fēng)速模擬

利用青藏高原高海拔、高風(fēng)速、低氣溫的特點(diǎn)，在路基土體內(nèi)部埋設(shè)通風(fēng)管道可有效地增加路基土體與空氣的接觸面積，通過(guò)管道內(nèi)空氣與管壁間的強(qiáng)迫對(duì)流換熱來(lái)減少路基土體傳入路基下部的熱量，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)抬高多年凍土上限，維持路基土體穩(wěn)定的目的，是一種積極主動(dòng)的降溫措施。但目前管內(nèi)空氣流速的研究相對(duì)較少，為探究不同氣候條件下環(huán)境風(fēng)速的改變所導(dǎo)致的兩幅路基管內(nèi)風(fēng)速之間的差異性，首先通過(guò)對(duì)路基兩側(cè)不同位置處風(fēng)速監(jiān)測(cè)與模擬結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，再此基礎(chǔ)上結(jié)合管內(nèi)實(shí)測(cè)風(fēng)速與數(shù)值模擬結(jié)果，在兩者均達(dá)到較高耦合度的情況下開展分幅條件下兩幅路基管內(nèi)風(fēng)速的差異性分析研究。據(jù)2018年8月份北麓河試驗(yàn)段最新的管內(nèi)風(fēng)速測(cè)試點(diǎn)資料顯示，3 m高度處的平均風(fēng)速為3.46 m·s-1，本文對(duì)于通風(fēng)管內(nèi)部風(fēng)速特征研究選用通風(fēng)管管徑為0.4 m，外伸長(zhǎng)度1.3 m，距地面高度1.2 m，3 m高度處環(huán)境風(fēng)速為1～8 m·s-1進(jìn)行。路基兩側(cè)風(fēng)流場(chǎng)的實(shí)測(cè)模擬結(jié)果如圖11所示。

圖11 路基坡腳不同距離處數(shù)值模擬與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)風(fēng)速沿高度分布結(jié)果對(duì)比Fig.11 Field measured and numerical simulated wind speeds vs.height at different distances away from the embankment slope foot

由圖12可知，前幅路基管中平均風(fēng)速可達(dá)3 m高度處環(huán)境風(fēng)速的41%～58%。且隨環(huán)境風(fēng)速的增加，管內(nèi)風(fēng)速呈線性增加。環(huán)境風(fēng)速對(duì)第二幅路基的影響顯著，當(dāng)路基間距為2 m時(shí)，由于路基間距較小，前管與后管之間間距僅為3 m，因此受路基迎風(fēng)坡的影響，在兩幅路基之間與后幅路基背風(fēng)坡后形成低壓渦旋區(qū)，渦速最高值出現(xiàn)在靠近地表跟路基邊坡處，且從壓力云圖13可知，兩處渦旋壓力基本相等，因此進(jìn)入后管的氣流主要來(lái)源于前管中沖出的高速湍流，且受渦旋影響，后幅路基管內(nèi)風(fēng)速最大僅為0.2 m·s-1。隨著兩管之間間距的增加，前管沖出的高速湍流對(duì)后管的影響越來(lái)越小，當(dāng)路基間距達(dá)到5 m時(shí)，由靜壓云圖可知，后幅路基通風(fēng)管兩側(cè)氣壓值大致相同，但受前幅路基的遮擋，后幅路基坡前主要為低速渦流，而后幅路基坡后為高速渦流，導(dǎo)致后幅路基背風(fēng)坡后渦旋的一部分涌進(jìn)通風(fēng)管，造成管內(nèi)空氣逆流。

圖12 不同路基間距下后幅路基管內(nèi)風(fēng)速Fig.12 wind speed in ventilation duct under different spacing of the two separated embankments

圖13 路基周邊風(fēng)壓云圖Fig.13 Air static pressure field around the embankment

背風(fēng)坡后渦旋容易造成坡后風(fēng)沙聚集，導(dǎo)致背風(fēng)坡處風(fēng)積沙涌入管內(nèi)，堵塞通風(fēng)管，減弱通風(fēng)管降溫效果。當(dāng)路基間距大于5 m后，隨著路基間距和環(huán)境風(fēng)速的不斷增加，后幅路基管內(nèi)的風(fēng)速逐漸升高。當(dāng)路基間距一定時(shí)，隨環(huán)境風(fēng)速的增加，前幅路基與后幅路基之間的管內(nèi)風(fēng)速差值呈增加趨勢(shì)，受背風(fēng)坡后渦旋影響，隨環(huán)境風(fēng)速的增加，背風(fēng)坡后渦旋的橫向尺寸逐漸增大。且由模擬結(jié)果可知，當(dāng)環(huán)境風(fēng)速小于8 m·s-1時(shí)，路基間距達(dá)到50 m，后幅路基管內(nèi)風(fēng)速最小可達(dá)前幅路基管內(nèi)風(fēng)速的89%，且隨路基間距的增加后幅路基管內(nèi)風(fēng)速增量逐漸減小，在考慮現(xiàn)場(chǎng)修建對(duì)地表的破壞以及占用面積的情況下，可近似認(rèn)為當(dāng)兩幅路基的路基間距達(dá)到50 m后，兩幅路基的管內(nèi)風(fēng)速差異可忽略不計(jì)。

3 結(jié)論

通過(guò)利用現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，開展了高海拔凍土區(qū)通風(fēng)管路基在不同通風(fēng)管管徑、外伸長(zhǎng)度、埋設(shè)高度以及兩幅路基不同路基間距條件下管內(nèi)風(fēng)速分布特征研究，結(jié)論如下：

（1）通風(fēng)管路基管內(nèi)風(fēng)速受迎風(fēng)坡及管壁粗糙度的影響可以劃分為3個(gè)區(qū)域；即入口擾動(dòng)區(qū)（I）、中部平流區(qū)（II）、出口湍流區(qū)（III）。且管內(nèi)空氣流動(dòng)主要以II區(qū)為主，對(duì)于通風(fēng)管路基而言，其降溫機(jī)制主要依賴于管內(nèi)空氣與路基土體的強(qiáng)迫對(duì)流換熱，因此，掌握管內(nèi)風(fēng)速的大小（尤其是II區(qū)風(fēng)速）至關(guān)重要。

（2）在路基高度、通風(fēng)管外伸長(zhǎng)度、通風(fēng)管距地高度一定時(shí)，管內(nèi)風(fēng)速隨管徑的增加呈拋物線型增加，當(dāng)管徑達(dá)到0.6 m時(shí)，管中風(fēng)速基本保持不變，與0.4 m管徑相比，管內(nèi)風(fēng)速提升可達(dá)0.6 m·s-1。當(dāng)環(huán)境風(fēng)速保持不變時(shí)，隨管徑的增加，管內(nèi)最大風(fēng)速差值逐漸減小，管內(nèi)風(fēng)速整體趨向一致。

（3）通風(fēng)管外伸長(zhǎng)度的不同導(dǎo)致通風(fēng)管進(jìn)風(fēng)口處流線弧度、兩側(cè)管口處氣壓值都不相同，但由模擬結(jié)果可知，受管壁粗糙度、兩側(cè)管口氣壓差以及進(jìn)風(fēng)口處流線弧度三方面的共同影響下，管內(nèi)風(fēng)速隨通風(fēng)管外伸長(zhǎng)度的增加變化不大。

（4）管內(nèi)風(fēng)速受通風(fēng)管埋設(shè)高度影響較大，隨埋設(shè)高度的增加，管內(nèi)風(fēng)速呈線性增加，但受路基高度的影響，其增加幅度有所差異。當(dāng)通風(fēng)管埋設(shè)高度超過(guò)2 m后，管內(nèi)風(fēng)速受路基高度的影響不在增加。因此，結(jié)合通風(fēng)管的冷卻降溫效果與管內(nèi)風(fēng)速的變化，野外通風(fēng)管的布設(shè)高度不應(yīng)高于2 m.

（5）分離式路基管內(nèi)風(fēng)速受環(huán)境風(fēng)速、路基間距的影響最為明顯，當(dāng)路基間距小于5 m時(shí)，后幅路基受前幅路基的遮擋作用，管內(nèi)風(fēng)速較小（接近0）并出現(xiàn)逆流現(xiàn)象。當(dāng)路基間距達(dá)到10 m后，后幅路基管內(nèi)風(fēng)速隨環(huán)境風(fēng)速的增加呈線性增加。當(dāng)路基間距達(dá)到50 m后，后幅路基管內(nèi)風(fēng)速可達(dá)前幅路基管內(nèi)風(fēng)速的89%，可認(rèn)為后幅路基管內(nèi)風(fēng)速受前幅路基的遮擋所造成的管內(nèi)風(fēng)速下降可忽略不計(jì)。