高速列車(chē)作用下道床表面風(fēng)場(chǎng)特性研究

殷 浩，高 亮，蔡小培，徐 旸

(1.北京交通大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，北京 100044；2.北京交通大學(xué)軌道工程北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100044；3.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081)

有砟軌道作為最主要的軌道結(jié)構(gòu)形式之一，廣泛應(yīng)用于世界各國(guó)高速鐵路線路，具有造價(jià)低廉、易于維修、在不良地質(zhì)條件和極端氣候條件下適應(yīng)性強(qiáng)等不可替代的優(yōu)勢(shì)，有較大的潛在發(fā)展價(jià)值。但有砟軌道由特定級(jí)配的碎石道砟組成，具有散粒體結(jié)構(gòu)特性，隨著高速鐵路行車(chē)速度的提高，近年來(lái)道砟飛濺現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生[1-2]，造成車(chē)體、軌道、線路周邊設(shè)施的損壞，嚴(yán)重威脅高速鐵路列車(chē)的運(yùn)營(yíng)安全。

國(guó)內(nèi)外有關(guān)道砟飛濺的研究主要集中在試驗(yàn)研究和數(shù)值仿真兩個(gè)方面，試驗(yàn)研究主要分為現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和室內(nèi)試驗(yàn)。現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)通過(guò)在高速鐵路線路安裝視頻監(jiān)測(cè)或風(fēng)速測(cè)量設(shè)備，對(duì)道砟位移狀況、道床上方風(fēng)速變化情況等進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量[1-10]。進(jìn)行室內(nèi)風(fēng)洞試驗(yàn)，模擬道砟飛濺的產(chǎn)生、發(fā)展過(guò)程[2-3,11-12]；開(kāi)展其他室內(nèi)試驗(yàn)，研究軌枕類(lèi)型、結(jié)構(gòu)振動(dòng)、冰雪擊打等因素對(duì)道砟飛濺現(xiàn)象的影響[4,13-16]。試驗(yàn)研究能夠?qū)Φ理娘w濺現(xiàn)象進(jìn)行真實(shí)還原，但對(duì)道砟飛濺的原因、發(fā)展規(guī)律等相關(guān)機(jī)理研究存在缺陷。同時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的監(jiān)測(cè)、測(cè)量設(shè)備會(huì)對(duì)道床表面流場(chǎng)產(chǎn)生擾動(dòng)，而室內(nèi)試驗(yàn)多對(duì)現(xiàn)場(chǎng)條件進(jìn)行簡(jiǎn)化，二者均無(wú)法精確還原道床表面流場(chǎng)特性，且操作困難，成本較高。

采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)分析方法對(duì)軌道結(jié)構(gòu)表面流場(chǎng)特性進(jìn)行數(shù)值仿真研究，能夠克服上述缺點(diǎn)，從本質(zhì)上分析道砟飛濺機(jī)理。文獻(xiàn)[8]結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)建立整節(jié)高速鐵路列車(chē)數(shù)值模型，研究列車(chē)高速運(yùn)行時(shí)車(chē)體周?chē)鲌?chǎng)變化情況。文獻(xiàn)[17]建立數(shù)值模型對(duì)列車(chē)底部結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬，通過(guò)縮尺風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)比較網(wǎng)格尺寸、類(lèi)型、數(shù)量以及湍流模型等數(shù)值模型參數(shù)對(duì)計(jì)算精度的影響。文獻(xiàn)[18-19]通過(guò)建立簡(jiǎn)單的軌道結(jié)構(gòu)數(shù)值模型，研究軌枕間距、高度、壁面粗糙度等參數(shù)對(duì)道床表面流場(chǎng)的影響。文獻(xiàn)[10]通過(guò)建立動(dòng)車(chē)車(chē)廂-有砟軌道多孔介質(zhì)空氣動(dòng)力學(xué)分析模型，計(jì)算道床表面壓力分布情況。文獻(xiàn)[20]建立軌道結(jié)構(gòu)空氣動(dòng)力學(xué)仿真模型，針對(duì)嚴(yán)寒地區(qū)高速鐵路冰雪飛濺問(wèn)題進(jìn)行研究。已有的道砟飛濺數(shù)值研究雖已取得較大進(jìn)展，但車(chē)廂底部和軌道結(jié)構(gòu)形狀對(duì)道砟飛濺影響較大[6]，缺乏同時(shí)精確考慮二者外形的數(shù)值研究，無(wú)法精確還原道床表面流場(chǎng)。此外，已有的道砟飛濺防治措施多基于工程經(jīng)驗(yàn)對(duì)道床斷面尺寸進(jìn)行設(shè)置，缺乏從理論研究角度對(duì)道砟飛濺影響因素及其防治措施的定量分析。

本文采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析方法，對(duì)高速鐵路列車(chē)底部-轉(zhuǎn)向架-車(chē)輪-鋼軌-軌枕-道床進(jìn)行外形精細(xì)化模擬，計(jì)算分析高速行車(chē)條件下道床頂面與車(chē)廂底部之間的流場(chǎng)特性，研究不同行車(chē)速度、道床斷面尺寸對(duì)道床表面流場(chǎng)的影響規(guī)律，為高速鐵路道砟飛濺的產(chǎn)生、發(fā)展機(jī)理及飛砟防治工作提供依據(jù)。

1 模型建立與驗(yàn)證

1.1 數(shù)學(xué)模型

道床表面流場(chǎng)會(huì)直接影響表層道砟受力狀態(tài)，導(dǎo)致道砟飛濺的產(chǎn)生。為精確還原道床表面流場(chǎng)特性，本文考慮列車(chē)與空氣的耦合作用關(guān)系，在所模擬行車(chē)速度條件下道床表面流場(chǎng)馬赫數(shù)均小于0.3，故數(shù)學(xué)模型采用不可壓縮流體的k-ε兩方程湍流模型。根據(jù)守恒定律在道床與車(chē)廂底部之間建立求解流場(chǎng)的控制方程[21]，連續(xù)方程為

( 1 )

動(dòng)量方程為

( 2 )

( 3 )

( 4 )

湍流動(dòng)能k的方程為

( 5 )

湍流動(dòng)能耗散率ε的方程為

( 6 )

式中:u、v和w是流場(chǎng)內(nèi)任意點(diǎn)流速在坐標(biāo)方向x、y、z的局部流速分量；ρ、P和υ分別為流體的密度、壓力和黏性系數(shù)；υT為有效黏性系數(shù)；G為湍流動(dòng)能k的產(chǎn)生項(xiàng)；σk、σε、C1、C2均為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)。

基于CFD數(shù)值軟件Fluent進(jìn)行計(jì)算，采用有限體積法的二階迎風(fēng)差格式對(duì)控制方程進(jìn)行離散，應(yīng)用SIMPLE系列算法對(duì)施加離散化初始條件和邊界條件的代數(shù)方程組求解[21]，以達(dá)到最佳求解精度和收斂速度，得到整個(gè)流場(chǎng)的數(shù)值解。

1.2 計(jì)算模型

列車(chē)高速運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)向架系統(tǒng)會(huì)對(duì)道床表面流場(chǎng)產(chǎn)生較大擾動(dòng)[6]，對(duì)應(yīng)的道床位置風(fēng)壓較大，更易發(fā)生道砟飛濺[10]。因此，為更具針對(duì)性地研究道砟飛濺機(jī)理，本文選取轉(zhuǎn)向架附近的車(chē)廂底部和有砟道床結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬，重點(diǎn)對(duì)車(chē)廂底部、轉(zhuǎn)向架、車(chē)輪、鋼軌、軌枕、道床等結(jié)構(gòu)的外形進(jìn)行精細(xì)化仿真，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)道床表面空氣流場(chǎng)的精確還原。

根據(jù)文獻(xiàn)[22]確定模型尺寸：道床頂面寬度為3.6 m，枕下厚度0.35 m，砟肩堆高0.15 m，邊坡坡度1∶1.75；共設(shè)置11根2.6 m長(zhǎng)的Ⅲ型軌枕，相鄰軌枕中心位置間隔0.6 m；道床頂面距軌枕承軌面40 mm，軌枕中部頂面高于道床表面；鋼軌類(lèi)型為60 kg/m，軌距1 435 mm。同時(shí)，為減小邊界效應(yīng)的影響，計(jì)算域邊界取在4倍模型特征長(zhǎng)度之外，計(jì)算域尺寸為18.6 m×2.727 5 m×2.18 m，幾何模型如圖1所示。

圖1 CFD數(shù)值仿真幾何模型

模型幾何外形較復(fù)雜，故采用四面體形狀的非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格對(duì)計(jì)算空間進(jìn)行劃分。道床表面流場(chǎng)特性直接關(guān)系到道砟飛濺的產(chǎn)生和發(fā)展，故除對(duì)道床、軌枕、鋼軌等結(jié)構(gòu)設(shè)置邊界層網(wǎng)格外，通過(guò)建立密度盒實(shí)現(xiàn)網(wǎng)格加密，以準(zhǔn)確模擬道床表面渦旋的產(chǎn)生和脫落；同時(shí),為防止計(jì)算時(shí)發(fā)生倒流現(xiàn)象，對(duì)流場(chǎng)入口、出口處的網(wǎng)格進(jìn)行適當(dāng)加密。最終生成約9 000 000網(wǎng)格單元，圖2為道床、軌枕、鋼軌等結(jié)構(gòu)表面網(wǎng)格劃分情況。

圖2 道床表面網(wǎng)格劃分(半模試驗(yàn)?zāi)Ｐ?

采用相對(duì)運(yùn)動(dòng)條件模擬列車(chē)底部附近流場(chǎng)，邊界條件在入口處為velocity-inlet，出口處為outflow；道床表面為無(wú)滑移壁面，壁面處理方式為適用于大多數(shù)高雷諾流動(dòng)問(wèn)題的標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法，設(shè)置壁面粗糙度厚度、粗糙度系數(shù)；計(jì)算域邊界對(duì)道床表面附近流場(chǎng)的影響較小，故計(jì)算域外圍邊界設(shè)定為無(wú)摩擦壁面條件。為保證計(jì)算精度，設(shè)置允許殘差值為1×10-4，經(jīng)過(guò)約3 000步迭代，計(jì)算趨于收斂。

1.3 模型驗(yàn)證

文獻(xiàn)[2]針對(duì)道砟飛濺問(wèn)題進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，得到道床表面不同水平、豎向位置處的風(fēng)速分布數(shù)據(jù)。本文將與該試驗(yàn)條件相同的參數(shù)作為模型輸入條件進(jìn)行計(jì)算分析，模型計(jì)算收斂后，通過(guò)分析得到流場(chǎng)的空間速度分布情況。

圖3為平均風(fēng)速的模型計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比情況。由圖3可知，計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)高度吻合，且風(fēng)速隨測(cè)點(diǎn)位置的不同而變化的規(guī)律也完全相同，表明模型準(zhǔn)確可靠。

圖3 模型計(jì)算與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試[2]風(fēng)速數(shù)據(jù)對(duì)比

2 流場(chǎng)特性分析

掌握道床表面流場(chǎng)特性對(duì)研究道砟飛濺的產(chǎn)生及防治意義重大，本章模擬行車(chē)速度為300 km/h，分析高速鐵路道床表面流場(chǎng)特性。

2.1 流場(chǎng)結(jié)構(gòu)分析

通過(guò)對(duì)CFD數(shù)值模型進(jìn)行計(jì)算，得到道床表面流場(chǎng)數(shù)值解， 圖4為轉(zhuǎn)向架正下方的軌道結(jié)構(gòu)風(fēng)場(chǎng)速度矢量圖，并對(duì)局部區(qū)域進(jìn)行了放大顯示。由圖4可知，靠近線路中心線部分道床表面流場(chǎng)密度較大且分布均勻，表示該處風(fēng)速較大?？諝饬鲃?dòng)經(jīng)過(guò)軌枕迎風(fēng)面時(shí)發(fā)生繞流，故流體在鋼軌下方道床表面區(qū)域、軌端砟肩區(qū)域變化劇烈，并存在局部渦旋，道砟顆粒穩(wěn)定性較其他區(qū)域明顯降低。

圖4 道床表面風(fēng)場(chǎng)速度矢量圖

為進(jìn)一步研究道床表面風(fēng)場(chǎng)變化情況，沿線路縱向截取4個(gè)截面，通過(guò)計(jì)算分別得到鋼軌外側(cè)、下部、內(nèi)側(cè)和線路中心線處道床表面的流體運(yùn)動(dòng)軌跡，截面位置和對(duì)應(yīng)流線如圖5所示。

圖5 道床表面風(fēng)場(chǎng)流線圖(側(cè)視圖)

如圖5所示，列車(chē)風(fēng)以近似平行于道床的方向吹向軌枕時(shí)受到軌枕的阻擋作用，部分氣流將向上偏轉(zhuǎn)，使流線向上彎曲，并在軌枕迎風(fēng)側(cè)頂點(diǎn)處產(chǎn)生流動(dòng)分離現(xiàn)象。此時(shí)軌枕上表面處于負(fù)壓狀態(tài)，并伴有強(qiáng)烈的負(fù)壓脈動(dòng)，且軌枕表面較光滑，故散落在軌枕表面的道砟顆粒極易發(fā)生飛濺現(xiàn)象。

相對(duì)于其他區(qū)域，道心處(D截面)道床表面與軌枕頂面距離較小，該處流線最密，風(fēng)速最大，對(duì)表層道砟穩(wěn)定性影響較大。故軌枕的存在能降低道床表面風(fēng)速，從而減少飛砟發(fā)生概率。A、C截面軌枕后尾流區(qū)存在兩個(gè)大小不同的渦旋，使道床表面出現(xiàn)較大的吸力，其中靠近軌枕背風(fēng)側(cè)一面渦旋尺度較大，更易發(fā)生道砟飛濺；軌下區(qū)域(B截面)受流場(chǎng)空間限制存在流線紊亂現(xiàn)象，其流線比鋼軌兩側(cè)附近區(qū)域更密集，相對(duì)更易產(chǎn)生道砟飛濺。

由圖5分析可知，若改變軌枕尺寸，流場(chǎng)繞流特性也會(huì)發(fā)生變化：加高、加寬或加長(zhǎng)軌枕時(shí)，軌枕頂面的流動(dòng)分離區(qū)和靠近軌枕背風(fēng)側(cè)道床表面的尾流區(qū)吸力將減小，均能在一定程度上降低道床表面流場(chǎng)強(qiáng)度，起到降低道砟飛濺發(fā)生概率的作用。此外，改變軌枕頂面與側(cè)面間的傾斜角度，使其與流動(dòng)分離角度相近，從而改變流線再附點(diǎn)位置，也能夠降低尾流區(qū)流場(chǎng)強(qiáng)度。但是，軌枕加高會(huì)影響軌道上部設(shè)施結(jié)構(gòu)(如接觸網(wǎng))的標(biāo)高，軌枕加長(zhǎng)會(huì)影響線下基礎(chǔ)(如路基、橋梁)的寬度，軌枕加寬會(huì)影響原有養(yǎng)護(hù)維修作用中大機(jī)作業(yè)參數(shù)，且增大軌枕尺寸也會(huì)增加軌枕自重，使線路生產(chǎn)、施工成本增加，故在設(shè)計(jì)飛砟防治方案時(shí)需綜合考慮上述因素的影響。

2.2 道床表面風(fēng)壓分布

列車(chē)高速通過(guò)時(shí)，道床表面與車(chē)廂底部之間形成類(lèi)似管道形式的相對(duì)閉合空間，該區(qū)域風(fēng)速明顯大于區(qū)域外部，根據(jù)Bernoulli方程，道床表面風(fēng)壓亦低于包括道床內(nèi)部區(qū)域在內(nèi)的其他部分。故道床表面道砟顆粒上、下面間存在壓力差，當(dāng)該壓差產(chǎn)生的荷載大于道砟顆粒保持穩(wěn)定所需的最大荷載時(shí)，會(huì)出現(xiàn)道砟顆粒被“吸起”的現(xiàn)象，進(jìn)而導(dǎo)致道砟飛濺的產(chǎn)生。本節(jié)通過(guò)對(duì)道床表面風(fēng)壓分布進(jìn)行研究，尋找道砟飛濺易發(fā)生區(qū)域，分析道砟飛濺的產(chǎn)生、發(fā)展機(jī)理。

2.2.1 道床表面風(fēng)壓的水平分布

圖6為道床表面風(fēng)壓的水平分布云圖。由圖6可知，軌枕表面風(fēng)壓明顯低于道床表面，軌枕表面A、C截面位置處負(fù)壓相對(duì)較大，流場(chǎng)內(nèi)最大負(fù)壓出現(xiàn)在軌枕上表面最高位置處，原因?yàn)椋合鄬?duì)道床表面而言，軌枕頂面與車(chē)廂底部垂向距離較小，受列車(chē)風(fēng)影響較大，且軌枕面相對(duì)光滑，其表面風(fēng)速明顯大于道床表面。故軌枕表面最易發(fā)生飛砟現(xiàn)象，應(yīng)在道砟鋪設(shè)、列車(chē)運(yùn)營(yíng)、線路巡檢和搗固維修作業(yè)中，著重掃除軌枕表面道砟顆粒，降低道砟飛濺發(fā)生概率。

圖6 道床表面風(fēng)壓云圖

為進(jìn)一步分析道床表面風(fēng)壓分布，分別對(duì)圖6中5跨軌枕間道床表面的各數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行均值統(tǒng)計(jì)處理，得到圖7所示道床表面風(fēng)壓分布統(tǒng)計(jì)圖。

圖7 道床表面風(fēng)壓分布統(tǒng)計(jì)

圖7中道床表面風(fēng)壓在沿線路縱向上呈前高后低狀，表示靠近軌枕迎風(fēng)面一側(cè)道床表面風(fēng)壓為正，靠近背風(fēng)面一側(cè)風(fēng)壓為負(fù)，且負(fù)壓值明顯高于正壓值，由2.1節(jié)中分析的軌枕結(jié)構(gòu)對(duì)氣流的干擾作用導(dǎo)致。在線路橫向上，風(fēng)壓圖呈類(lèi)似馬鞍形分布，道心處平均負(fù)壓值較大，更易發(fā)生道砟飛濺；正壓幅值和負(fù)壓幅值均出現(xiàn)在鋼軌內(nèi)側(cè)；在距線路中心線約0.7 m處出現(xiàn)風(fēng)壓變化不連續(xù)的現(xiàn)象，是由于該處結(jié)構(gòu)位于鋼軌正下方，鋼軌底部與道床表面距離較小，故空氣流動(dòng)速度急劇增加，風(fēng)壓迅速降低。

道砟顆粒上、下表面間壓差產(chǎn)生的荷載是導(dǎo)致道砟飛濺的根本原因，故可通過(guò)降低道床表面負(fù)壓值、提高表層道砟穩(wěn)定性等措施來(lái)避免道砟飛濺。如通過(guò)增大道床面到車(chē)廂底部的距離、提升軌枕高度、控制軌枕間距等措施降低道床表面負(fù)壓值；采用增大道砟顆粒棱角系數(shù)、嚴(yán)格限制道砟密度、在表層鋪設(shè)大粒徑道砟、控制道床密實(shí)度等措施，提高表層道砟穩(wěn)定性，并對(duì)道床表面的負(fù)壓區(qū)域進(jìn)行重點(diǎn)關(guān)注。

2.2.2 道床表面風(fēng)壓空間分布

流場(chǎng)強(qiáng)度超過(guò)道砟顆粒保持穩(wěn)定所需荷載時(shí)就會(huì)發(fā)生道砟位移，之后道砟會(huì)受到空間流場(chǎng)的作用而加速飛起。故道床表面風(fēng)壓的空間分布會(huì)影響道砟顆粒飛起后的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，并決定了道砟飛濺的影響范圍。通過(guò)對(duì)道床表面空間范圍內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算，得到圖8所示道床表面風(fēng)壓空間分布云圖。

圖8 風(fēng)壓空間分布云圖

由圖8可知，軌枕上方空間均為負(fù)壓，軌枕表面處負(fù)壓值最大。隨著與道床表面距離的增加，負(fù)壓值呈現(xiàn)出先降低再升高的趨勢(shì)，轉(zhuǎn)向架與車(chē)廂底部之間區(qū)域負(fù)壓值也較大，但沒(méi)有超過(guò)軌枕表面負(fù)壓值。由于道床上方空間負(fù)壓較大，道砟顆粒極易被加速吸起，擊打車(chē)底的轉(zhuǎn)向架等結(jié)構(gòu)；此外，車(chē)輪附近負(fù)壓同樣較大，故道砟飛起后也易與車(chē)輪撞擊，并被高速轉(zhuǎn)動(dòng)的車(chē)輪彈出，擊打道床發(fā)生二次飛濺，或者擊打鋼軌等結(jié)構(gòu)造成輪軌傷損?？赏ㄟ^(guò)降低道床表面高度等措施來(lái)降低道床上部空間負(fù)壓幅值，防止道砟顆粒被加速吸起擊打車(chē)底或高速轉(zhuǎn)動(dòng)的車(chē)輪產(chǎn)生的一系列結(jié)構(gòu)傷損。

3 行車(chē)速度、道床斷面尺寸對(duì)流場(chǎng)影響分析

行車(chē)速度和道床斷面尺寸的變化會(huì)影響道床表面流場(chǎng)特性，對(duì)道砟飛濺影響明顯。由上文可知，軌道結(jié)構(gòu)表面最大負(fù)壓是道砟飛濺的關(guān)鍵控制因素，故本章分別討論行車(chē)速度、道床面高度、砟肩堆高對(duì)軌枕和道床表面負(fù)壓幅值的影響規(guī)律。

3.1 行車(chē)速度影響分析

行車(chē)速度的提高直接導(dǎo)致道砟飛濺現(xiàn)象。當(dāng)模擬速度分別取250、300、350、400 km/h時(shí)，通過(guò)對(duì)模型進(jìn)行計(jì)算、分析，得到表 1數(shù)據(jù)。

表1 行車(chē)速度與軌道結(jié)構(gòu)表面負(fù)壓幅值關(guān)系

由表1可知，行車(chē)速度提高時(shí)軌道結(jié)構(gòu)各觀測(cè)區(qū)域風(fēng)壓幅值均增大，車(chē)速每提高50 km/h，枕上風(fēng)壓幅值分別提升263.2、288.7、319.7 Pa，道床風(fēng)壓幅值提升226.2、278.9、315.9 Pa，說(shuō)明軌道結(jié)構(gòu)表面風(fēng)壓幅值的增大與行車(chē)速度的提高存在非線性正相關(guān)關(guān)系，隨著車(chē)速的提高，風(fēng)壓幅值的增加幅度也在增大。對(duì)該非線性關(guān)系進(jìn)行乘冪擬合，關(guān)系式中車(chē)速冪次為2，擬合確定系數(shù)R2≈1，即二者幾乎完全相關(guān)，其擬合曲線如圖9所示。

圖9 行車(chē)速度與軌道結(jié)構(gòu)表面負(fù)壓幅值擬合分析

構(gòu)造軌道結(jié)構(gòu)表面負(fù)壓幅值與行車(chē)速度之間的通用關(guān)系式

P=av2

( 7 )

式中：P為軌道結(jié)構(gòu)表面負(fù)壓幅值；a為與道床斷面尺寸等參數(shù)有關(guān)的擬合系數(shù)；v為行車(chē)速度。

由式( 7 )可知，軌道結(jié)構(gòu)表面負(fù)壓幅值與車(chē)速的平方成正比，即車(chē)速對(duì)道砟飛濺影響較明顯。故隨著行車(chē)速度的提高，需采取相應(yīng)防治措施以提高道砟顆粒穩(wěn)定性。此外，冬季時(shí)車(chē)廂內(nèi)外溫差較大，會(huì)導(dǎo)致車(chē)底結(jié)構(gòu)常懸掛冰雪，在高速行車(chē)條件下易出現(xiàn)其高速墜落引起的“冰雪飛砟”現(xiàn)象，故在冬季可考慮采取限速運(yùn)行等方式進(jìn)行防治。

3.2 道床斷面尺寸影響分析

文獻(xiàn)[22]中明確規(guī)定了道床斷面尺寸，但各尺寸多為經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，且其對(duì)道砟飛濺的影響尚不明確。如較高的道床面高度、砟肩堆高能提供較大的道床阻力，保持道床縱、橫向穩(wěn)定性。但砟肩堆高高于鋼軌內(nèi)側(cè)道床表面，若進(jìn)一步減少軌道結(jié)構(gòu)到車(chē)底的距離，會(huì)導(dǎo)致其受列車(chē)風(fēng)荷載影響更明顯，影響道床表面流場(chǎng)特性。當(dāng)模擬行車(chē)速度為300 km/h，道床表面距軌枕頂面高度分別設(shè)置為5、55、105、155 mm時(shí)，計(jì)算分析得到表2數(shù)據(jù)；砟肩堆高分別設(shè)置為0、50、100、150 mm時(shí)，得到表3數(shù)據(jù)。

表2 道床參數(shù)D與軌道結(jié)構(gòu)表面負(fù)壓幅值關(guān)系

注：D為道床頂面與軌枕中部表面的垂直距離。

表3 砟肩堆高與軌道結(jié)構(gòu)表面負(fù)壓幅值關(guān)系

根據(jù)表2、表3可知，道床面高度、砟肩堆高均對(duì)軌道結(jié)構(gòu)表面負(fù)壓幅值存在影響，隨著道床面高度和砟肩堆高的降低，軌枕和道床表面負(fù)壓幅值均降低：道床面高度每降低50 mm(即表2中D每增大50 mm)時(shí)，枕上風(fēng)壓幅值分別降低14.3、14.8、15.3 Pa，道床表面風(fēng)壓幅值分別降低27.8、31.5、28.8 Pa；砟肩堆高每降低50 mm時(shí)，枕上風(fēng)壓幅值分別降低7.3、7.6、8.5 Pa，道床表面風(fēng)壓幅值分別降低9.8、8.9、10.4 Pa，均表現(xiàn)出近似線性降低的現(xiàn)象。其擬合曲線如圖 10、圖11所示，所構(gòu)造的通用關(guān)系式分別為

P=b1+c1·D

( 8 )

P=b2+c2·H

( 9 )

式中：H為砟肩堆高；b1、c1、b2、c2均為擬合系數(shù)。

圖10 道床參數(shù)D與軌道結(jié)構(gòu)表面負(fù)壓幅值擬合分析

圖11 砟肩堆高與軌道結(jié)構(gòu)表面負(fù)壓幅值擬合分析

雖然降低道床面高度和砟肩堆高均能降低軌道結(jié)構(gòu)表面風(fēng)壓，但降低道床面高度的影響更明顯：道床面高度降低50 mm時(shí)，枕上、道床風(fēng)壓分別平均降低14.8 Pa、29.4 Pa；而砟肩堆高降低50 mm時(shí)，枕上、道床風(fēng)壓分別平均降低7.8 Pa、9.7 Pa，明顯低于前者，故降低道床面高度使軌道結(jié)構(gòu)表面風(fēng)壓降低效果更明顯，更利于降低道砟飛濺發(fā)生概率。值得注意的是，降低道床面高度、砟肩堆高，也會(huì)降低道床阻力和道床穩(wěn)定性，故在制定飛砟防治方案時(shí)需充分考慮其對(duì)道床穩(wěn)定性的影響。

4 結(jié)論

(1)模型計(jì)算表明：道床表面道心位置處風(fēng)速最大，距道心越遠(yuǎn)風(fēng)速越小；鋼軌下方、枕端砟肩處存在局部渦旋，會(huì)降低道砟顆粒的穩(wěn)定性。軌枕的存在能有效降低道床表面風(fēng)速，但散落在軌枕表面的道砟顆粒極易發(fā)生飛濺現(xiàn)象，應(yīng)及時(shí)掃除。

(2)枕間道床表面風(fēng)壓在沿線路縱向上呈前高后低狀分布，沿橫向呈類(lèi)似馬鞍狀分布，靠近軌枕背風(fēng)側(cè)風(fēng)壓為負(fù)，道心處負(fù)壓均值最大，更易發(fā)生道砟飛濺。道床上方空間均為負(fù)壓，隨著與道床表面距離的增加，負(fù)壓值先降低再升高。

(3)道床表面風(fēng)壓幅值與行車(chē)速度的平方成正比，與道床面高度、砟肩堆高分別成線性關(guān)系，二者均降低50 mm時(shí)，道床表面風(fēng)壓幅值分別降低29.4 Pa和9.7 Pa，即降低道床面高度使飛砟防治效果更明顯。

(4)制定飛砟防治方案時(shí)，若針對(duì)既有軌道結(jié)構(gòu)，建議通過(guò)調(diào)整道床斷面尺寸控制道床表面風(fēng)壓幅值，并提高表層道砟穩(wěn)定性；若采取新型軌道結(jié)構(gòu)，可考慮軌枕加長(zhǎng)、加高、加寬等方案，但需考慮其對(duì)線路施工和后期養(yǎng)護(hù)維修的影響。