縱向沙丘環(huán)境對半填半挖路基風積及風蝕分布特征的影響

侯永剛 李偉群* 趙旭東 岳歡 尹文華

（1.寧夏公路勘察設(shè)計院有限責任公司 寧夏銀川 750001；2.中南大學(xué)土木工程學(xué)院 湖南長沙 410075）

風沙運動過程是沙粒起動、不斷移動與沉淀的一個實質(zhì)性變化過程。針對某一個地區(qū)實際情況，風沙流的運動狀態(tài)較多，主要表現(xiàn)為：對于沙粒數(shù)而言，其躍起明顯超過了跌落，那么便表現(xiàn)出風蝕狀態(tài)；若躍起數(shù)量低于跌落，那么便處于風積狀態(tài)［1］；若兩者之間差異較小，則處于平衡狀態(tài)，也叫作非堆積搬運狀態(tài)。對于這一運動而言，地形、地貌、風沙、風向、地表粗糙情況、沙源等均是常見的影響因素，以上所提到的3種狀態(tài)并不是固定的，而是根據(jù)因素的改變而不斷變化的［2-3］。對于一個大環(huán)境而言，其地形不斷地變化，在不同區(qū)域往往會出現(xiàn)兩三種風沙狀態(tài)；對于小環(huán)境而言，地形變化的幅度較小，往往只存在一種狀態(tài)的風沙［4-5］。

1 計算方法

1.1 氣固兩相流基本方程

對于這一方程而言，無需考慮氣體的壓縮性、源項因素。當氣流速度可視作不可壓縮流體時，考慮重力的影響［6］。建立連續(xù)性方程：

式中，ux、uy分別為速度在x、y方向的分量；φr、ρr為第r相體積分數(shù)與密度。

建立動量方程為：

式中，φg、ρg為氣相體積分數(shù)與密度；φs、ρs為固相體積分數(shù)與密度；φs+φg=1；fsg為氣相與固相之間的作用力；Ug與Us分別為氣相、固相速度；p為共享壓力；ps為固相壓力；g為重力加速度。

對此，本研究選擇標準k-?模型，將砂礫相設(shè)定為稀相，體積分數(shù)＜0.03，在風沙流湍流運動中氣體發(fā)揮著關(guān)鍵性作用，同時，也無需考慮氣體的壓縮性、源項因素。建立標準k-?模型運輸方程：

式中，kg為湍動能；μt為湍動粘度；εg為湍動耗散率；μt=為速度在x、y方向上的分量；為經(jīng)驗常數(shù)；σk、σε分別為湍動能和湍動耗散率對應(yīng)的普朗特數(shù)。

1.2 幾何模型和網(wǎng)格

通過文獻調(diào)查和反復(fù)實驗，確定整個計算域X、Y、Z分別為400m、40m、150m。路面寬44m，邊坡坡率1∶5。路塹寬度50m，路塹高度6.25m。網(wǎng)格采用最新的Fluent meshing 技術(shù)生成Poly-Hexcore 網(wǎng)格，設(shè)置7 層附面層；總體網(wǎng)格數(shù)量一千五百多萬。

1.3 Fluent求解模型

在這一模型中，選擇使用歐拉雙流體非定常模型。流場求解算法采用算法Phase Coupled SIMPLE。

1.4 邊界條件和計算參數(shù)

左邊入口邊界采用Velocity-inlet，右側(cè)出口邊界采用Pressure-outlet，頂部和兩側(cè)采用symmetry，底部采用wall，流動介質(zhì)采用空氣。

來流風速取10m/s。氣流的稀相為空氣，密度為1.225kg·m-3；固相設(shè)定為沙粒，密度設(shè)定為2600kg·m-3；對于風沙流密度而言，在這里選擇采取沙粒體積分數(shù)進行區(qū)分，并取值為3%；固相把沙?？紤]成粒徑均勻的沙粒，取該粒組的平均粒徑為0.1mm，假定沙粒為均勻球體。

2 計算結(jié)果及分析

2.1 風沙環(huán)境下沙漠公路風場特征

以初始速度v=30m/s，沙粒相體積分數(shù)α=0.03為例，模擬風沙環(huán)境下沙漠公路風場特征。凈風下的沙漠公路速度云圖如圖1所示，可以看到當風途經(jīng)左側(cè)路塹時，風速有一個減小，這是由于空間突然變大，從而壓力減小和風速減小。

圖1 凈風下的沙漠公路速度云圖

當有了沙粒之后，在路塹左右兩側(cè)坡腳形成了明顯的低速區(qū)，且上面風速較大。路塹的左側(cè)坡頂形成了明顯的高速區(qū)，從流線圖看出圍繞路塹風速加速。凈風和攜風沙相比，攜風沙在路塹的風速加速更加明顯，沙粒運動快，路塹底部有兩個低速區(qū)。

路塹右側(cè)頂部速度云圖如圖2所示，風經(jīng)過路塹坡頂之后有個加速作用，在路面上方形成一個風速高速區(qū)，然而在地面有一個低風速區(qū)，容易造成公路的風蝕和沙粒沉積，應(yīng)采取防護。

圖2 路塹右側(cè)頂部速度云圖

2.2 風蝕風積分布特征

據(jù)了解，同沙床面距離0～20cm 的沙粒而言，主要表現(xiàn)為蠕移、躍移運動方式。路塹作為沙粒運動的障礙物，能導(dǎo)致風沙流的運行速度降低，沙粒沉落，形成積沙現(xiàn)象。貼近地面的風速受到地面粗糙度的影響，風速急劇下降，小于起沙風速，故部分沙粒在路塹和路面沉積。

t=1s時，在路塹底部沙粒積聚到一定程度，隨著風沿著坡腳的沙粒上移到公路路面。

t=5s時，在路塹的底部和右側(cè)已經(jīng)有很多積沙，而左側(cè)由于重力和風速作用積沙很少運動，直接沉積在底部和右側(cè)，然后接著上移到路面。

t=10s 時，在路塹左側(cè)開始有風沙沉積，而底部和右側(cè)路塹積沙已經(jīng)大量沉積，路面積沙嚴重。此后沙粒一層層加厚，但是沙粒的堆積形態(tài)一直不變。在左右兩側(cè)坡頂，左側(cè)沙粒由于受到重力和風作用很難沉積，都是再次躍移；右側(cè)沙粒由于建筑物受風會導(dǎo)致風的加速作用，此處地面上部風速高于其他，而下面風速小，從路塹吹上來的沙粒躍依后沉積。

3 結(jié)語

（1）在凈風條件下，風場在路塹處風速變低。在風沙條件下，風場在路塹左側(cè)頂部出現(xiàn)了一個高速區(qū)，路塹底部兩側(cè)和公路左側(cè)3個低速區(qū)。在公路左側(cè)有一個加速區(qū)和減速區(qū)，在近地面速度降低，隨著高度上升有個加速。

（2）沙粒在風的驅(qū)動下開始躍依。t=1s時，沙粒最開始在路塹底部沉積，當?shù)撞可沉３练e到一定數(shù)量沙粒再次躍依。t=5s時，沙粒隨著風躍上坡腳到公路，風沙開始在公路沉積。此時的坡底和路塹右側(cè)沙粒已經(jīng)大量沉積，沙粒持續(xù)移動。t=10s 時，路塹和公路積沙形態(tài)固定，只是一層層加厚。公路的左側(cè)，有風速高速區(qū)，沙粒很難沉積，只會再次躍依。

（3）針對本工況，通過路塹開挖來保護公路，防止沙粒在公路沉積或者延遲沙粒在公路沉積的時間，可以在路塹的底部采取固沙措施，在底部右側(cè)采取阻沙措施防止沙粒躍依上公路沉積。