沙漠鐵路固沙磚設計參數(shù)的數(shù)值模擬

王海龍,劉 暢,孫 婧,張 治,李玉龍

(河北建筑工程學院土木工程學院,河北張家口 075000)

風沙對于鐵路的主要危害表現(xiàn)為風蝕路基或堆積掩埋路基和軌道，除此之外還包括污染道砟、堵塞涵洞、兩軌電路短路信號紊亂和“風沙電”造成通訊不良等[1-3]。沙漠鐵路風沙災害防治分為植物治沙和工程治沙[4]。由于植物治沙常常受限于當?shù)貧夂?、土質等要求，工程治沙成為環(huán)境惡劣、植被生長困難的沙漠地區(qū)中的常用措施。工程治沙一般分為固沙工程、阻沙工程、輸導沙工程3類。其中，固沙工程主要通過在地表設置PE網(wǎng)、礫石、枝條等材料的障礙物以達到固沙的目的[5-7]。高永等[8]探究沙柳沙障不同規(guī)格的防護效益；張克存等[9]提出礫石方格對風速的削弱作用顯著；袁立敏等[10]研究了沙袋沙障對風沙及植被生長的影響。以上材料存在一些缺點，如沙柳沙障易倒伏、礫石沙障中原材料礫石需求大、現(xiàn)場可取材料不足、沙袋沙障中沙袋不易降解等。塑料方格沙障有防風固沙效果好、操作技術簡單、運輸方便等優(yōu)點，目前在線路風沙災害中廣泛應用[11-13]。塑料方格沙障具有一定的疏透性和通風性，可以有效提高沙障內(nèi)湍化程度，有利于風沙流中沙粒沉降。屈建軍等[14]通過提出上疏下密式孔隙結構的HDPE材料功能性沙障，可以有效提高沙障網(wǎng)間的有效防護距離，但HDPE材料存在不易降解、耐久性不足且容易沙埋、掏蝕的不足。目前，青海雅丹地貌區(qū)沙漠鐵路風沙防治措施仍然主要為塑料方格沙障，在當?shù)馗呷照?，低降水環(huán)境下，PE網(wǎng)易出現(xiàn)破損、失效，同時PE網(wǎng)材質對當?shù)丨h(huán)境易造成污染[15]。鑒于此，本文旨在討論不破壞當?shù)氐孛箔h(huán)境的新型固沙手段，并能保證其耐久性、有效性等功能指標。

1 工程概況和研究方法

青海省新建地方鐵路魚卡(紅柳)至一里坪線正線長度98.053 km，其中線路所經(jīng)雅丹地貌區(qū)和早期湖積盆地長度為51.44 km，該地區(qū)地表無植被生長，土壤鹽漠化嚴重，表土鹽漬化程度高。年平均氣溫2.9 ℃，極端最高氣溫35.4 ℃，極端最低氣溫-32.0 ℃，降水量稀少，海拔高，空氣稀薄，日照時間長；風速大，多風沙，一般3～5月是風暴、沙暴多發(fā)季節(jié)，最大瞬時風速31.1 m/s，最大定向風速為26.7 m/s。鐵路沿線采用的塑料方格沙障已經(jīng)出現(xiàn)不同程度的破壞，故根據(jù)魚卡(紅柳)至一里坪沿線地質條件、水文條件，氣候特征分析，解決原有固沙方式易被風沙掩埋和掏蝕等缺點[16]，采用當?shù)爻塞}漬土混合一定比例固沙材料制成固沙磚，代替原有PE網(wǎng)沙障。

目前對于固沙方格沙障，大多采用風洞試驗或現(xiàn)場原型試驗獲取數(shù)據(jù)分析結果，而應用數(shù)值模擬軟件分析固沙沙障的研究幾乎沒有。結合當?shù)仫L沙特點，利用ANSYS CFD數(shù)值仿真軟件FLUENT，對比不同磚高、不同排列情況和不同孔隙率(0、0.05、0.1、0.2、1.0)工況下，固沙磚鋪設區(qū)流場和風沙流結構的變化情況，并根據(jù)工程造價等實際情況，提出適合雅丹地貌區(qū)的最優(yōu)固沙磚設計參數(shù)。

2 模型分析

2.1 物理模型

在數(shù)值模擬中，將在風沙環(huán)境下的固沙磚方格沙障作為數(shù)值模擬的計算模型。計算流域的大小會影響風沙流的湍化程度是否充分，也直接影響計算結果的可靠性和有效性。理論上，計算流域越大，固沙磚周圍流場的湍化程度受流場邊界的影響越小，計算結果越真實可靠，但計算量往往偏大，計算效率過低；若計算流域很小，計算量小，但是無法反映實際流場情況，導致誤差較大。故選擇合適的流場，既可以提高計算效率也可確保準確性。經(jīng)過比較試算，應用ANSYS Workbench建立二維模型，固沙磚方格沙障鋪設寬度為15 m，流場模型總體尺寸為40 m×4 m，且將迎風側第一排固沙磚靠近風速入口5 m處，這樣可以基本保持固沙磚沙障后面流場的充分發(fā)展。x軸為風沙流方向，y軸為垂直地面向上方向。將不同工況進行豎直模擬。

2.2 控制方程

風沙流在不考慮流體的熱傳導及擴散、不考慮流體的壓縮性、忽略顆粒間相互碰撞作用的前提下[17]，同時認為大氣流場屬于紊流、穩(wěn)態(tài)、絕熱[18]，采用標準k-ε紊流模型[19]，控制方程如下。

(1)連續(xù)方程

(1)

(2)動量守恒方程

(2)

式中，Si為源項，其分為黏性損失和慣性損失

(3)

(3)標準k-ε模型的湍動能及耗散率方程

式中，Gk為平均速度梯度而產(chǎn)生的湍動能。

即

(4)

式中，C1ε，C2ε常取經(jīng)驗常數(shù)1.44、1.92；σk、σε為湍動能和湍流耗散率的Prandt1數(shù)，常取經(jīng)驗常數(shù)1、1.3。

湍動黏度μt可表示為

(5)

2.3 網(wǎng)格劃分及邊界條件設置

由于計算模型采用2D簡化模型，且流場區(qū)域各個邊界都與坐標軸平行，故網(wǎng)格主要采用結構化網(wǎng)格劃分。為了加快計算效率和計算精度，本模型采用非均勻四邊形網(wǎng)格劃分，在風沙流易湍化區(qū)域對網(wǎng)格進行加密。計算模型網(wǎng)格數(shù)目為101 419，采用SIMPLE算法，收斂誤差為10-5。

邊界條件用于控制邊界截面特性，對模擬結果至關重要[20]。邊界條件設定如表1所示。

表1 邊界條件設定

3 結果與討論

3.1 固沙磚高度對固沙區(qū)流場影響

布置固沙沙障，可以增大地表粗糙度；同時由于沙障的遮蔽作用，當攜沙風經(jīng)過固沙區(qū)時，會發(fā)生繞流和滲流作用，影響固沙區(qū)前后不同位置流動斷面的風速。固沙磚高度的選定會影響施工難度和流動斷面的風速等，磚的高度越大，需要的抗傾覆力矩越大，相應的施工難度和造價也會越高[11]。以往工程中，塑料方格沙障一般設置高度為15～30 cm。結合當?shù)仫L沙特點以及市面上制磚機的尺寸限制，擬采取高度為20、30、40 cm時的固沙磚沙障工況分別進行數(shù)值模擬分析，選取最大定向風速26.7 m/s為初始風速，結合分析結果中風壓云圖和速度矢量圖，當固沙區(qū)來流風向2.5 m處垂直高度的風速廓線變化顯著，其風速廓線如圖1所示。其中，y軸為計算流域y方向坐標值。

圖1 不同高度下固沙區(qū)2.5 m處風速垂直廓線

由圖1可見，在固沙區(qū)鋪設固沙磚比未鋪設時，固沙區(qū)內(nèi)部風速絕對值明顯減小，最高降幅達到93.3%，但是磚高以上部分的風速卻高于未鋪設時的風速，這是由于鋪設固沙磚會阻礙原先氣流的方向，讓攜沙風在固沙磚前形成繞流風沿著磚壁向上運動并使其上部流場氣流發(fā)生擾動；空氣向上繞流，在固沙區(qū)上部聚集，風速增加，而固沙區(qū)內(nèi)部氣流減弱，風速驟降。沙粒起動風速一般為7～9 m/s，當固沙磚高度為20、30、40 cm時，地表風速均小于起動風速，說明鋪設固沙磚能有效抑制固沙區(qū)表面流沙被吹到鐵路路基從而掩埋鐵軌。不同高度固沙磚的風速廓線變化趨勢大致相同，基本為倒“S”形，且都呈現(xiàn)出在固沙磚1.5倍磚高左右時，風速較低，再向上區(qū)域風速急劇增大，且風沙流速較無固沙磚時更大；固沙區(qū)2.5 m處不同高度的兩磚之間，在地面至1.5倍磚高范圍內(nèi)，當磚高為20、30 cm時，固沙區(qū)內(nèi)風速有逐漸增大趨勢，而當磚高為40 cm時，風速為先增大后減小再增大，這是由于固沙磚內(nèi)形成了局部渦旋流動；渦流可以使來流攜沙風貼附渦流方向向下流動，形成向下剪切力；同時渦流導致固沙區(qū)上下形成氣壓差，沙粒經(jīng)過時會向下沉降，又因為地表風速小于沙粒起動風速，沙粒不會再被揚起，從而達到固沙阻沙目的。

由以上分析可知，當磚高為40 cm時，固沙區(qū)內(nèi)部風速可以降低最高幅度為93.3%，可以有效降低近地表風速，有效遮蔽距離最大，有效遮蔽高度可達到0.6 m；結合速度矢量圖，當高度為40 cm時，固沙區(qū)內(nèi)大部分兩磚間都出現(xiàn)了渦旋流動；由于渦流作用下，大部分沙粒會沉積在固沙區(qū)方格沙障內(nèi)，起到凈化攜沙風的作用。

3.2 鋪設間距對固沙區(qū)流場影響

目前，塑料方格沙障大多采用1 m×1 m的方格規(guī)格，在實際工程均取得良好防沙效果[11]。其采用木楔或竹片為固定樁，易存在兜風現(xiàn)象，造成底部掏蝕進而倒伏，致使固沙效率降低[14]。在地面平整的情況下，固沙磚直接鋪砌在固沙區(qū)內(nèi)，通過固沙磚自身重力及密實度，可省去固定樁材料、節(jié)約成本，亦能有效防止底部掏蝕情況。由于固沙磚高度設置為40 cm，需對固沙磚的間距進行比較，選擇最優(yōu)鋪設間距。

青海雅丹地區(qū)風沙較大，固沙磚的排列間距對是否能有效阻風阻沙有著極大的影響。合適的間距可以使固沙磚間形成渦流，當攜沙風遇到低速渦流區(qū)時，一部分沙粒會因為向下剪切力而沉積，另一部分沙粒會被渦流帶到固沙磚背風側并逐漸積累。這樣攜沙風中的大部分沙粒都會因為渦流作用而沉積在固沙磚間內(nèi)部，從而減弱鐵路路堤受風蝕危害。為了探究固沙磚排列間距對固沙區(qū)流場的影響，分別對間距0.5、1、2 m三種工況進行數(shù)值模擬分析。通過圖2(a)可以直觀地看出，當間距為0.5 m時，兩磚間還未形成良好渦流，沙粒無法沉積且極易上揚翻越固沙磚；當間距為1 m時，兩磚間形成良好的低速渦流，沙?？梢栽趦纱u間大量沉積；當間距為2 m時，兩磚間雖然也存在兩個渦流，但是未形成速度差，無向下剪切力，攜沙風經(jīng)過固沙區(qū)時沙粒無法向下沉降。

固沙磚間距為1 m時速度矢量圖如圖2(b)所示，固沙磚排列內(nèi)部形成兩個良好的低速渦流，當攜沙風越過第一個固沙磚時，區(qū)域一與區(qū)域二的速度值相差較大。通過數(shù)值分析可知，區(qū)域一的風速為27～45.8 m/s，區(qū)域二的風速為0～18.3 m/s，形成了明顯的速度梯度。沙粒經(jīng)過區(qū)域一后因為相對速度差而向區(qū)域二移動，并隨著兩個低速渦流沉積在固沙磚背風側位置。當在固沙區(qū)內(nèi)排列一定范圍的固沙磚后，攜沙風經(jīng)過時，沙粒會隨著每排固沙磚的阻擋作用而風速減弱并依次沉積在固沙區(qū)內(nèi)，起到良好的阻沙效果。因此，當固沙磚鋪設為1 m×1 m的規(guī)格時，可以充分利用渦旋作用，使大部分沙粒沉積在固沙區(qū)內(nèi)。

圖2 不同間距固沙磚速度云圖及速度矢量圖

3.3 固沙磚孔隙率對流場的影響

固沙磚的孔隙率是影響阻沙固沙效果的重要參數(shù)之一。若孔隙率過小，來流風經(jīng)過固沙區(qū)時會大部分繞流，導致上部區(qū)域氣流加速，而固沙區(qū)內(nèi)氣流速度較低，兩者形成很大的速度梯度[17]，無法在固沙磚之間形成良好的低速渦流；若孔隙率過大，空氣通過固沙磚以滲流為主，近地面大量風沙經(jīng)過孔隙進入固沙區(qū)，致使沙粒沉積，地表風速大于沙粒起動風速，而空氣繞流少，固沙區(qū)上部風速增長不大，上下部無速度差，導致上部無沙粒沉積，固沙阻沙效果都不理想。

為了分析不同孔隙率的固沙磚在固沙區(qū)內(nèi)阻沙固沙效果，同樣設來流風速為26.7 m/s，x為計算流域中風速垂直面的坐標值，x=0的點位于來流風方向第一排固沙磚底部中心處，固沙磚間距為1 m。固沙區(qū)沿x方向長度為15 m；β表示固沙磚的孔隙率。研究表明，當鋪設固沙磚作為固沙沙障時，可以削弱近地面來流風風速，從而影響固沙區(qū)內(nèi)及其后一段距離垂直斷面的風速值。另外，孔隙率的高低也會影響空氣通過固沙區(qū)時繞流和滲流的比重大小。因此，分別在無孔及不同孔隙率(5%、10%、20%)情況下，選擇距固沙區(qū)第一排磚0.5、10.5 m，以及經(jīng)過固沙區(qū)后3 m(即18 m)處進行數(shù)值模擬分析，得到圖3、圖4的風速廓線圖。計算結果表明：當x=0.5 m時，來流風向經(jīng)過第一排磚，風速變化最為明顯；x=10.5 m處，經(jīng)過固沙磚一定距離的阻擋作用，在固沙區(qū)中后部分風速減弱區(qū)域穩(wěn)定；研究固沙區(qū)后一定距離可以得出固沙區(qū)的有效防護距離，設計固沙區(qū)與鐵路路基之間的距離。在5倍磚高以上區(qū)域，流場變化基本不受固沙區(qū)的影響，故將y軸坐標選擇距地面2.5 m的區(qū)域之間。

圖3 無孔固沙磚在固沙區(qū)不同位置風速廓線

圖3為當孔隙率為0時固沙區(qū)不同位置高度的風速變化，3個位置處的曲線都較為平緩，表明未形成渦流，結合速度矢量圖說明無孔隙的固沙磚無法在固沙磚之間充分形成渦流。風沙的起動風速為7～9 m/s，當x=18 m時，近地面風速已達到9.14 m/s，地表的沙粒已經(jīng)開始運動，表明固沙區(qū)的遮蔽距離太短。

無孔固沙磚阻沙固沙的效果并不理想，故將不同孔隙率(5%、10%、20%)在固沙區(qū)3個位置處的風速廓線進行比較。觀察圖4(a)可知，曲線都產(chǎn)生了震蕩，這是因為渦旋流動的影響。β=20%時，近地表風速已超過沙粒起動風速，固沙區(qū)內(nèi)的最大風速為27.74 m/s，固沙區(qū)上部風速為30.91 m/s，風速相差較小，未形成低速渦流；β=10%時，地表風速也已達到起動風速，且曲線震蕩劇烈，幅度達到10 m/s，沙粒在固沙區(qū)內(nèi)運動不易控制；當β=5%時，兩磚之間形成了良好的低速渦流，風沙經(jīng)過時，會因固沙區(qū)上下部的速度差和渦流而沉積在固沙區(qū)內(nèi)。結合風壓分布圖可知，當孔隙率為5%時，固沙區(qū)上下部風壓差較大，向下剪切力較大，有利于固沙區(qū)上部沙粒的沉降。圖4(b)相較圖4(a)，位于固沙區(qū)中后部的風速都有明顯的減弱，最高降低幅度為50.46%，且孔隙率為5%時的風速最小，垂直方向上，在兩磚之間，風速先從2.58 m/s增加至4.78 m/s，再反向降低至2.06 m/s，說明此時已經(jīng)形成了低速渦流，且其風速都低于沙粒起動風速；而孔隙率為10%時，渦流已經(jīng)不明顯了。攜沙風經(jīng)過固沙區(qū)后，風速輪廓線已經(jīng)基本呈現(xiàn)出對數(shù)規(guī)律，如圖4(c)，在距地面高度0.9 m以下，同一高度時，孔隙率10%的風速最小，20%的風速最大。當孔隙率為20%時，地表近風速已經(jīng)高于沙粒起動風速，故孔隙率5%和10%都較符合。又根據(jù)風壓分布云圖和整體風速矢量云圖，可以得出5%孔隙率時，遮蔽距離最大。

圖4 不同孔隙率的固沙磚在固沙區(qū)的風速廓線比較

通過綜合對比，比較風壓云圖和速度矢量圖，孔隙率為5%時，整體固沙區(qū)內(nèi)兩磚之間都能形成良好的低速渦流，且近地表風速都低于沙粒起動風速，固沙區(qū)的遮蔽距離也最大。

4 結論

(1)青海雅丹地貌區(qū)土壤鹽漠化嚴重、氣候條件惡劣、風速大、多風沙，現(xiàn)有固沙設施都無法滿足耐久性和有效性等指標，因此提出一種不破壞當?shù)氐孛箔h(huán)境的新型固沙手段。本文采用當?shù)佧}漬土結合固化劑制成固沙磚，以代替原有固沙沙障，并根據(jù)實際情況，采用合理的固沙磚設計參數(shù)。

(2)固沙沙障的高度會影響固沙區(qū)周圍的流場形態(tài)。通過對不同固沙磚高度進行數(shù)值模擬，得出不同高度固沙磚的風速廓線變化趨勢大致相同，基本為倒“S”形；當高度為40 cm時，固沙阻沙效果較好，固沙磚之間產(chǎn)生局部渦流，大部分沙粒會沉積在固沙區(qū)方格沙障內(nèi)，起到凈化攜沙風的作用；固沙區(qū)內(nèi)部風速降低最高幅度為93.3%，近地表風速小于沙粒起動風速，有效遮蔽距離最大，有效遮蔽高度可達到0.6 m。

(3)青海雅丹地區(qū)風沙較大，當固沙磚鋪設為1 m×1 m的規(guī)格時，可以充分利用渦旋作用，使大部分沙粒沉積在固沙區(qū)內(nèi)；通過數(shù)值分析可知，固沙區(qū)內(nèi)部與上部的速度差可以達到27.5 m/s，形成了明顯的速度梯度，有利于攜沙風中沙粒沉降。

(4)固沙磚的孔隙率是影響阻沙固沙效果的重要參數(shù)之一。當來流風速為26.7 m/s時，通過分析不同孔隙率的固沙磚在固沙區(qū)不同位置風速廓線得出，孔隙率為5%時，整體固沙區(qū)內(nèi)兩磚之間都能形成良好的低速渦流，且近地表風速都低于沙粒起動風速，固沙區(qū)的遮蔽效果最優(yōu)。