蘭新高速鐵路擋風墻下部開口清沙試驗研究

石　龍，李來強，李凱崇，蔣富強(.中鐵西北科學研究院有限公司，甘肅蘭州　730000;.青藏鐵路公司，青海西寧　80007)

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蘭新高速鐵路擋風墻下部開口清沙試驗研究

石龍1，李來強2，李凱崇1，蔣富強1
(1.中鐵西北科學研究院有限公司，甘肅蘭州730000;2.青藏鐵路公司，青海西寧810007)

摘要:蘭新高速鐵路沿途穿越大風戈壁荒漠區(qū)，大風環(huán)境下極易形成強風沙流，為保證列車安全運營，在迎風側路肩部位設立了擋風墻，起到了較好的防風效果，但也帶來嚴重的風積沙害問題。為解決無砟軌道線路積沙難題，本文以蘭新高速鐵路擋風墻下部開口清沙試驗為工程背景，對不同開口形式下?lián)躏L墻周圍的流場進行了數(shù)值模擬，并對背風側積沙特征進行了現(xiàn)場觀測。數(shù)值模擬結果表明，擋風墻開口形式、來流風速和路堤高度對上下行線附近氣流速度影響不大，擋風墻開口后主要是將原有沉積在支撐層臺階處的積沙搬運至上行線附近，風速增大加快了積沙上道速度?，F(xiàn)場積沙試驗結果表明，擋風墻下部開口后，支撐層臺階處積沙量明顯減少，上行線軌道板上積沙量小幅度增加。擋風墻開口只是將支撐層臺階處原有積沙作了二次搬運和重新分配，加劇了上行線積沙量，其清沙作用不明顯。

關鍵詞:蘭新高速鐵路沙害擋風墻開口數(shù)值模擬清沙試驗

蘭新高速鐵路是一條橫貫中國西北甘肅、青海、新疆三省區(qū)的鐵路大動脈，全長1 776 km。鐵路沿途經(jīng)過多處風區(qū)。這些風區(qū)具有風速高、風期長、起風速度快等特點，尤其是百里風區(qū)和三十里風區(qū)，瞬時風速可達60 m/s以上。大風容易造成吹翻列車、車輛溜逸、車窗玻璃破損、鐵路行車設施損壞等事故及設備損壞。蘭新高速鐵路列車運行速度快，對運行環(huán)境要求高，強風將嚴重影響線路的正常運營。為防止大風吹翻列車，在大風區(qū)迎風側路肩和路塹部位修建了高達3.8 m或4.3 m的擋風墻。現(xiàn)場測試結果表明，擋風墻后面的風速大幅度衰減，風向也發(fā)生了明顯變化，車輛傾覆力矩大幅降低，起到了較好的防風效果，但擋風墻也給線路安全帶來一系列新的問題。由于風區(qū)地處戈壁荒漠地區(qū)，干旱少雨，地層較為松散，在大風作用下松散顆粒容易被氣流搬運，形成強風沙流。當風沙流途經(jīng)擋風墻時，周圍氣流速度重新分布，風沙流平衡狀態(tài)遭到破壞，導致部分沙粒跌落，堆積在線路路肩及道床上，造成線路積沙，影響列車安全運營。

國內外學者借助現(xiàn)場監(jiān)測［1-3］、風洞試驗［4］、數(shù)值模擬［5-9］等方法對鐵路風沙災害防治進行了大量研究，部分研究成果成功應用于工程建設中。雖然防沙工程措施能在一定程度上起到凈化風沙流的作用，使沙害得到了明顯的減輕，但受鐵路道砟與鋼軌的影響，風沙流中的部分沙粒仍然會跌落在線路上。由于沙害具有累積性，隨著時間的推移，線路積沙量會越來越多，最終還會威脅到列車的運行。

鑒于以上問題，結合無砟軌道的特點及現(xiàn)場實際情況，為解決無砟軌道線路積沙難題，本文以蘭新高速鐵路擋風墻下部開口疏導線路積沙試驗為工程背景，對不同工況下疏導線路積沙的效果進行了數(shù)值仿真分析，并與現(xiàn)場試驗結果進行了對比，評估了擋風墻下部開口清沙的可行性。

1　試驗段簡介

試驗段位于煙墩風區(qū)，線路路基形式均為路堤，總長300 m，分為3段，每段100 m。擋風墻下部開口設計參數(shù)見表1。

表1　擋風墻下部開口設計參數(shù)

試驗段觀測斷面每隔20 m分別布設3個觀測點(觀測點分別位于上下行線中心和線路中心)，主要是通過現(xiàn)場人工定點圖像采集、人工測量等方法，對各觀測點的積沙厚度、寬度、形態(tài)等進行定期測量。

2　數(shù)值仿真模型

2.1控制方程

流體的流動遵循質量方程、動量方程和能量方程。本模型不考慮熱量交換，故不包含能量方程。具體方程參見文獻［10-11］。

2.2計算域

為避免路堤背風側渦旋流對出口邊界條件的影響，通過試算，并結合現(xiàn)場試驗段路堤參數(shù)，模型長、寬、高分別取為120，10，30 m。按照現(xiàn)場實測，路堤邊坡與地面夾角取為30°，擋風墻高度取為3.8 m。擋風墻位于上風側，路堤位于下風側，上行線位于靠近擋風墻一側。

2.3網(wǎng)格劃分

所建模型較為復雜，模型網(wǎng)格數(shù)量較多，受時間所限，為減少生成網(wǎng)格過程中人工參與的工作量，提高工作效率，基于ICEM CFD軟件對計算域進行非結構自動體網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格劃分類型為Tetra/Mixed，邊界層采用Robust(Octree)，網(wǎng)格總單元數(shù)超過150萬。

2.4邊界條件

入口邊界定義為速度入口，按均勻流給定入口速度;出口邊界定義為質量出口;壁面邊界條件定義為無滑移邊界。

2.5參數(shù)設置

來流風速分別取10，20，30 m/s，動力黏度取17.9×10－6Pa·s，氣體密度取1.225 kg/m3，湍流強度取0.05。

3　仿真結果分析

風沙流是一種典型的氣固兩相流。一般情況，在平坦床面上，風沙流處于動態(tài)平衡狀態(tài)，風沙流中跌落在床面的顆粒數(shù)量基本等于從床面進入風沙流中的顆粒數(shù)量。當氣流受到擾動后，能量重新分布，風沙流的平衡狀態(tài)被破壞，部分沙粒就會沉積下來，形成風積沙。風沙流中大部分沙粒集中在距地表約50 cm以下的范圍內，因此對近地表氣流變化的研究對認識風沙流狀態(tài)具有指導意義。以下選取模型中的斷面分析流場的分布和擋風墻開口的影響。

3.1流場分布特征

圖1為擋風墻不同開口形式下路堤周圍氣流速度分布等值線圖，可見氣流途經(jīng)路堤時，按氣流速度大致可將流場分為5個區(qū)域:擋風墻不開口時，在擋風墻迎風側形成氣流減速區(qū)(A區(qū))，擋風墻背風側分別形成氣流高速區(qū)(B區(qū))與氣流紊流區(qū)(C區(qū));擋風墻開口時，在擋風墻迎風側形成氣流減速區(qū)(A區(qū))，擋風墻背風側分別形成氣流高速區(qū)(B區(qū))、氣流紊流區(qū)(C區(qū)、D區(qū))和氣流加速區(qū)(E區(qū))。

圖1　不同開口形式下路堤周圍氣流速度分布等值線圖

數(shù)值模擬結果表明，擋風墻不開口時背風側處在氣流低速紊流區(qū)，擋風墻開口后上行線支撐層臺階處變?yōu)榧骷铀賲^(qū)，而上下行線附近仍為低速紊流區(qū)。

3.2擋風墻開口形式對流場的影響

擋風墻不同開口形式下距床面0.1 m處風速變化趨勢見圖2?？梢?，擋風墻開口前，線路上背風側近地表氣流速度大幅度衰減，幅度達85%以上，但變化趨勢較為平緩。而開口后，擋風墻與上行線之間的氣流速度呈先增大后減小的趨勢，上行線附近氣流速度衰減幅度最大(達80%以上)，氣流過了線路中心以后逐漸恢復至來流速度的20%～30%。對比擋風墻開口前后氣流變化趨勢可知，開口后背風側氣流速度整體上大于開口前，擋風墻與上行線間的氣流速度增幅顯著，但上下行線附近氣流速度增幅很小。說明擋風墻開口后支撐層旁由風積區(qū)變?yōu)轱L蝕區(qū)，而上下行線仍處在風積區(qū)，擋風墻與上行線之間的原有積沙會被搬運至線路上重新沉積。

圖2　擋風墻不同開口形式下距床面0.1 m處風速變化趨勢(來流風速30 m/s)

3.3風速對流場的影響

圖3為不同來流風速下距床面0.3 m處氣流速度變化曲線?？梢?，隨著來流風速的增大，3種開口形式擋風墻背風側近地表氣流速度均呈現(xiàn)增大的趨勢，但存在明顯差異。開口前，擋風墻與線路中心之間氣流速度增幅較為平緩，過了線路中心以后，氣流速度增幅逐漸增大，說明擋風墻開口前，風速增大對下行線具有清沙作用，對上行線的清沙作用很小(根據(jù)現(xiàn)場調查，擋風墻開口前，積沙主要集中在上行線附近，下行線幾乎沒有積沙，這與數(shù)值模擬結果相吻合)。開口后，擋風墻與上行線之間的氣流速度隨風速的增大大幅度增加，但受支撐層臺階的阻礙作用，呈先增大后減小的趨勢，而在上下行線附近氣流速度增幅較為平緩。說明開口后，風速增大導致?lián)躏L墻與上行線之間的積沙將會更快更多地轉移沉積在線路上，加劇線路的積沙速度。

3.4路堤高度對流場的影響

圖4為不同路堤高度(h)下距床面0.1 m處風速變化曲線?？梢姡S著路堤高度的增加，背風側氣流速度整體呈遞增趨勢，但整體增幅很小。說明路堤高度增加對線路清沙作用幾乎沒有影響，但由于路堤高度的增加，勢必會引起工程造價增大，因此不建議采用提高路堤高度的措施來清沙。

圖3　不同來流風速下距床面0.3 m處風速變化曲線

圖4　不同路堤高度下距床面0.1 m處風速變化曲線

4　現(xiàn)場清沙試驗

試驗觀測時間為2014-04-21—05-21，觀測期間風向與線路夾角15°～30°。由于試驗段3種形式的擋風墻連續(xù)布設在一起，各段過渡處對試驗誤差影響較大。為減小試驗誤差，對比分析不同形式擋風墻后積沙特征時去掉了靠近各段過渡處試驗觀測點的數(shù)據(jù)。經(jīng)現(xiàn)場觀測，大部分沙粒集中在上行線附近，下行線附近積沙量很少，因此，下面主要以上行線附近積沙形態(tài)變化情況為例進行分析。

4.1擋風墻不開口段

上行線K1228 + 230斷面線路積沙情況見圖5，積沙統(tǒng)計見表2。由圖5可見，上行線附近道床與支撐層臺階處積沙呈均勻連續(xù)分布狀態(tài)，且隨著時間的推移積沙量呈現(xiàn)明顯增加趨勢。由表2可知:軌道板上的積沙面積和最大厚度變化幅度很小，前者小幅度減小，后者小幅度增大，但積沙量呈遞增趨勢;支撐層旁積沙量明顯增大，3項觀測指標均大幅度增加。

圖5　上行線K1228 + 230斷面線路積沙情況

表2　上行線K1228 +230斷面積沙統(tǒng)計

4.2擋風墻開口0.5 m高路段

上行線K1228 + 070斷面線路積沙情況見圖6，積沙統(tǒng)計見表3。

從圖6可知，擋風墻開口前，上行線與支撐層旁的積沙形態(tài)都呈連續(xù)均勻分布，開口后軌道板上的積沙形態(tài)變化不大，但積沙厚度小幅度增大，而支撐層臺階處積沙形態(tài)由原來的連續(xù)性分布變?yōu)殚g斷的島狀分布。由表3可知，開口前后支撐層臺階處的積沙量明顯減少，而上行線軌道板上的積沙量小幅度增大。

4.3擋風墻開口1.0 m高路段

上行線K1228 + 110斷面線路積沙情況見圖7，軌道板處和支撐層旁積沙統(tǒng)計見表4。從圖7可知:擋風墻開口前，軌道板與支撐層臺階處積沙嚴重，積沙呈均勻連續(xù)的分布;開口后軌道板上的積沙形態(tài)基本保持原狀，而支撐層臺階處的積沙則變?yōu)殚g斷的島狀分布。由表4可知，觀測期間支撐層臺階處的積沙量大幅度減小，上行線軌道板上的積沙量小幅度增大。

圖6　上行線K1228 + 070斷面線路積沙情況

表3　上行線K1228 +780斷面積沙統(tǒng)計

圖7　上行線K1228 + 110斷面線路積沙情況

表4　上行線K1228 +110斷面積沙統(tǒng)計

5　結論

1)擋風墻開口前背風側氣流處在氣流低速區(qū)，擋風墻開口后上行線支撐層臺階處變?yōu)榧骷铀賲^(qū)，而上下行線附近仍為氣流低速紊流區(qū)。擋風墻開口只是將支撐層臺階處的原有積沙二次搬運至線路上，加劇了線路積沙，線路清沙作用不明顯。

2)隨著來流風速的增大，擋風墻與上行線之間的氣流顯著增大，上下行線附近的氣流雖然也呈遞增趨勢，但增幅較小。風速增大只是加速了既有積沙上道速度，對線路清沙作用不明顯。

3)隨著路堤高度的增大，擋風墻背風側氣流的速度整體呈遞增趨勢，但增幅極小。路堤高度增加幾乎起不到清沙作用，反而增大工程造價。

4)擋風墻開口前，上行線軌道板和支撐層臺階處積沙量隨時間的推移呈遞增趨勢;擋風墻開口后，上行線軌道板積沙量逐漸增大，支撐層臺階處積沙量明顯減少。

5)擋風墻開口前，背風側處在低速區(qū)，躍過擋風墻的大部分沙粒在重力作用下會跌落到線路上，擋風墻開口后支撐層臺階處原有積沙在加速氣流的作用下被重新搬運，由于上下行線附近仍處于氣流低速區(qū)，在鋼軌的阻礙作用與沙粒的重力作用下，大部分沙粒將會跌落在上行線附近。擋風墻開口只是將支撐層臺階處的原有積沙進行了二次搬運，重新分配到上行線附近，加劇上行線沙害。擋風墻開口清沙效果不明顯，故不建議采用該措施解決高速鐵路線路積沙問題。

參考文獻

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(責任審編李付軍)

Test Research of Sand Removing through Opening at Bottom of Wind-shield Wall along Lanzhou－Xinjiang High Speed Railway

SHI Long1，LI Laiqiang2，LI Kaichong1，JIANG Fuqiang1

(1.Northwest Research Institute Co.，Ltd.of C.R.E.C.，Lanzhou Gansu 730000，China;2.Qinghai－Tibet Railway Company，Xining Qinghai 810007，China)

Abstract:Lanzhou－Xinjiang high speed railway passes through strong wind and Gobi desert area，which is very easy to form strong wind sandy flow under high wind environment.In order to ensure the safety of train operation，wind-shield wall was set up on the upwind side of road shoulder，which had a good effect on wind prevention and also brought serious aeolian sand disasters.For solving the difficult problems of aeolian sand on ballastless track，this paper made numerical simulation for the flow field around the wind-shield wall under different conditions and made the field observation for aeolian sand characteristics on the leeward side by combining with the sand cleaning test of bottom opening of wind-shield wall in Lanzhou－Xinjiang high speed railway.Numerical simulation results showed that the opening type of wind-shield wall，inflow wind speed and embankment height have little effect on air velocity around the up line and down line，main effect of the opening is that aeolian sand near the steps of supporting layer are transported to the up line and wind speed accelerates the speed of aeolian sand in railway.Field aeolian sand test showed that amount of aeolian sand in steps of supporting layer reduces significantly，the amount of aeolian sand in track board of the up line increases slightly after bottom opening of the breakwind，and the effect of windbreak opening is that original aeolian sand in steps of supporting layer are transported again and reallocated，and aggravates amount of aeolian sand in up line，the removing sand effect of which is not obvious.

Key words:Lanzhou－Xinjiang high speed railway;Sand damage;W ind-shield wall opening;Numerical simulation;Sand cleaning test

作者簡介:石龍(1986—)，男，助理工程師。

基金項目:中國鐵路總公司科研試驗專項(Z2014-034)

收稿日期:2015-09-18;修回日期:2016-01-24

文章編號:1003-1995(2016)03-0122-05

中圖分類號:U216.41+3

文獻標識碼:A

DOI:10.3969/j.issn.1003-1995.2016.03.30