風(fēng)沙流對(duì)蘭新高鐵擋風(fēng)墻的響應(yīng)規(guī)律

韓 峰，石 龍，李凱崇

(1.蘭州交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070；2.西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，四川 成都 610031；3.中鐵西北科學(xué)研究院有限公司，甘肅 蘭州 730000)

蘭新高速鐵路東起甘肅省蘭州市，西至新疆自治區(qū)烏魯木齊市，全長(zhǎng)1 776 km。沿線經(jīng)過(guò)安西風(fēng)區(qū)、煙墩風(fēng)區(qū)、百里風(fēng)區(qū)、三十里風(fēng)區(qū)及達(dá)坂城風(fēng)區(qū)[1]。由于上述風(fēng)區(qū)內(nèi)沙源豐富、植被稀疏、風(fēng)力強(qiáng)勁，極易形成強(qiáng)風(fēng)沙流，輕則導(dǎo)致列車(chē)停輪，重則吹翻列車(chē)，嚴(yán)重威脅著列車(chē)的安全運(yùn)行。因此，為保證線路安全暢通，鐵路建設(shè)期間在大風(fēng)區(qū)迎風(fēng)側(cè)路肩和路塹部位修建了鋼筋混凝土擋風(fēng)墻?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)表明，擋風(fēng)墻背風(fēng)側(cè)風(fēng)速發(fā)生明顯的衰減，起到了較好的防風(fēng)效果。但由于擋風(fēng)墻的工作原理類(lèi)似于不透風(fēng)沙障，導(dǎo)致沙粒沉積在線路上形成沙害，影響列車(chē)的安全運(yùn)營(yíng)。

針對(duì)不同地區(qū)的鐵路沙害，國(guó)內(nèi)外學(xué)者從風(fēng)沙流活動(dòng)規(guī)律[2-6]、不同路基的沙害形成機(jī)理[7-9]和沙障防沙效益[10-15]等方面做了大量的研究，極大地提高了鐵路系統(tǒng)風(fēng)沙災(zāi)害防治水平。但對(duì)高速鐵路設(shè)置擋風(fēng)墻后線路積沙問(wèn)題的研究基本處于空白狀態(tài)。鑒于此，本文基于現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和數(shù)值模擬，研究煙墩風(fēng)區(qū)風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)特征和擋風(fēng)墻周?chē)e沙特點(diǎn)。

1 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，試驗(yàn)段選址于煙墩風(fēng)區(qū)，線路里程為DK1228+200—DK1228+300，線路為直線，走向?yàn)楸逼?5°(烏魯木齊方向)，路基斷面形式為路堤。試驗(yàn)段位于天山東脈北山山前剝蝕平原區(qū)，屬典型的溫帶大陸性氣候，干旱少雨、蒸發(fā)強(qiáng)烈、空氣干燥、植被稀少。年降水量平均為33.8 mm，年蒸發(fā)量為3 300 mm，年平均風(fēng)速為4.6～5.9 m·s-1，瞬時(shí)最大風(fēng)速為27～28.0 m·s-1。主導(dǎo)風(fēng)向主要為NE和ENE，分別占全年風(fēng)向的21%和26%，靜風(fēng)頻率為1.36%，如圖1所示。

由于傳統(tǒng)的風(fēng)沙監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要適合于風(fēng)速相對(duì)較低的沙漠地區(qū)，具有監(jiān)測(cè)高度低、積沙器通透性差且不能隨風(fēng)向轉(zhuǎn)動(dòng)等缺點(diǎn)。考慮到戈壁地區(qū)風(fēng)力強(qiáng)勁，風(fēng)沙流攜沙高度大，試驗(yàn)段采用新型自旋式積沙儀(圖2)，主要由集沙器、集沙塔、地錨、底座等器件構(gòu)成，主塔高3.5m，積沙器分布在7個(gè)高度，高度分別為0.05，0.5，0.75，1，1.5，2和3 m，觀測(cè)周期約為1 a。

圖1 煙墩風(fēng)區(qū)風(fēng)頻玫瑰圖

圖2 現(xiàn)場(chǎng)風(fēng)沙流觀測(cè)裝置

沙粒是形成風(fēng)沙流的物質(zhì)基礎(chǔ)，積沙量的垂直分布曲線直接反映了風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)特征，對(duì)掌握風(fēng)沙流運(yùn)動(dòng)特征具有較為重要的意義。圖3為煙墩風(fēng)區(qū)天然地表原始風(fēng)沙流攜沙量垂直分布圖，不難發(fā)現(xiàn)積沙量隨高度呈負(fù)指數(shù)分布，高度0.75 m處為風(fēng)沙流攜沙量的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，<0.75 m范圍內(nèi)隨著高度的增加攜沙量急劇減少，>0.75 m范圍內(nèi)攜沙量隨高度的變化趨于平緩，說(shuō)明風(fēng)沙流中沙粒主要集中在近地表0.75 m范圍以內(nèi)。

圖3 煙墩風(fēng)區(qū)天然地表原始風(fēng)沙流攜沙量垂直分布曲線

沙的粒徑范圍和均勻程度可以直接反映形成沙的母巖性質(zhì)，也可以在一定程度上反映沙搬運(yùn)量的大小和搬運(yùn)方式。圖4給出了煙墩風(fēng)區(qū)不同高度原始風(fēng)沙流顆粒粒度分布，從圖4可以看出，沙主要以細(xì)沙(粒徑等小于0.25 mm)為主，中沙(粒徑在0.25～0.5 mm)次之，粗沙(粒徑等小于0.5～2 mm)最少。

圖4 煙墩風(fēng)區(qū)原始風(fēng)沙流粒度分布

試驗(yàn)段選取5個(gè)觀測(cè)斷面，每個(gè)觀測(cè)斷面布設(shè)3個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，分別位于上行線、線路中心和下行線，共15個(gè)觀測(cè)點(diǎn)。觀測(cè)點(diǎn)周?chē)e沙形態(tài)、積沙寬度、積沙厚度、積沙分布特點(diǎn)和積沙變化趨勢(shì)主要通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)圖像采集和人工測(cè)量的方法獲取。

現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)表明，5個(gè)監(jiān)測(cè)斷面的積沙分布特點(diǎn)和變化趨勢(shì)基本一致。因此，只選取DK1228+270斷面進(jìn)行分析。圖5和圖6分別為上下行線上不同時(shí)刻的現(xiàn)場(chǎng)積沙情況，表1和表2分別為相應(yīng)的積沙量。從圖5可以看出，線路積沙主要集中在上行線軌道板和支撐層與軌道板連接處(下文簡(jiǎn)稱連接處)，下行線積沙較少。由表1和表2可見(jiàn)：隨著時(shí)間的推移，上行線連接處的積沙量呈現(xiàn)遞增的趨勢(shì)，積沙面積由13.6 m2擴(kuò)大到20 m2，最大積沙厚度則由11 cm 增加至25 cm，平均積沙寬度由68 cm增加至100 cm；而軌道板上的積沙量變化不大，只是積沙面積出現(xiàn)了少量的減少。以上分析表明，上行線連接處最易積沙，上行線軌道板次之，下行線最不易積沙，主要原因可能在于，越過(guò)擋風(fēng)墻后，風(fēng)速大幅度減少，氣流攜沙能力下降，沙粒在重力作用下做類(lèi)平拋運(yùn)動(dòng)，大部分沙粒跌落在上行線附近，只有小部分細(xì)顆粒跌落在下行線附近。

圖5 蘭新高鐵DK1228+270 斷面上行線不同時(shí)間現(xiàn)場(chǎng)積沙情況

圖6 蘭新高鐵DK1228+270 斷面下行線不同時(shí)間現(xiàn)場(chǎng)積沙情況

表1 連接處積沙統(tǒng)計(jì)表

表2 上行線軌道板上的積沙統(tǒng)計(jì)表

2 數(shù)值模擬

2.1 建模

數(shù)值模擬采用CFD軟件，通過(guò)試算并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，模型尺寸取來(lái)流風(fēng)向、線路方向和豎直方向分別為120，10和30 m，路堤高度2 m，邊坡坡度為1∶1.5，擋風(fēng)墻高度為3.8 m，來(lái)流風(fēng)速分別取10，20，30和40 m·s-1。氣流的稀相為空氣，密度為1.225 kg·m-3；固相為沙粒，密度為2 650 kg·m-3；風(fēng)沙流密度以沙粒體積分?jǐn)?shù)區(qū)分，沙粒體積分?jǐn)?shù)分別取 1%，2%，3%和4%。煙墩風(fēng)區(qū)沙物質(zhì)主要以細(xì)沙為主(粒徑<0.25 mm)，固相取該粒組的平均粒徑為0.125 mm，且假定沙粒為均勻球體。

網(wǎng)格劃分類(lèi)型Tetra/Mixed，邊界層采用Robust(octree)，網(wǎng)格總單元數(shù)超過(guò)1 500萬(wàn)個(gè)。計(jì)算域左側(cè)邊定義為速度入口邊界(velocity-inlet)，右側(cè)邊定義為壓力出口邊界(Out-flow)，兩側(cè)及頂部定義為對(duì)稱邊界(symmetry)，底面定義為固壁邊界(wall)。

湍流模型采用標(biāo)準(zhǔn)k—ε兩方程模型，求解模型采用歐拉雙流體非穩(wěn)態(tài)模型，求解算法采用基于壓力耦合求解器的SIMPLEC算法。

由于計(jì)算時(shí)氣流速度<50 m·s-1，可視作不可壓縮流，故計(jì)算中氣流密度可視為常數(shù)。

2.2 分析

2.2.1 擋風(fēng)墻周?chē)鲌?chǎng)分布特征

圖7給出了高度2 m、風(fēng)速30 m·s-1時(shí)路堤周?chē)鷼饬魉俣确植嫉戎稻€圖。從圖7可以看出：氣流經(jīng)過(guò)擋風(fēng)墻，其速度發(fā)生了明顯的分區(qū)現(xiàn)象，分別在擋風(fēng)墻迎風(fēng)側(cè)、正上方和背風(fēng)側(cè)形成減速區(qū)、加速區(qū)和紊流區(qū)，且下行線氣流衰減幅度明顯小于上行線及連接處。主要原因在于，氣流靠近擋風(fēng)墻時(shí)，受到其阻礙作用，速度發(fā)生衰減；氣流在通過(guò)擋風(fēng)墻上方時(shí)，過(guò)流斷面被壓縮，速度得到加強(qiáng)；過(guò)了擋風(fēng)墻以后，過(guò)流斷面突然增大，氣流發(fā)生擴(kuò)散，并在擋風(fēng)墻背風(fēng)側(cè)形成渦旋流。氣流分區(qū)現(xiàn)象表明擋風(fēng)墻背風(fēng)側(cè)位于風(fēng)積區(qū)，容易形成積沙，且沙害程度上行線及其連接處明顯大于下行線。

圖7 路堤周?chē)鷼饬魉俣确植嫉戎稻€圖(單位：m·s-1)

圖8為擋風(fēng)墻后路堤特征點(diǎn)處的風(fēng)速廓線圖。從圖8可以看出：擋風(fēng)墻與上行線之間的風(fēng)速廓線隨高度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，5 m范圍內(nèi)均出現(xiàn)了回流現(xiàn)象；上行線中心線處的風(fēng)速廓線隨高度變化趨勢(shì)基本一致，均呈現(xiàn)先增大后減小再增大的趨勢(shì)，但下行線變化幅度明顯大于上行線，上、下行線中心線處的回流起始點(diǎn)分別在2.71和3.69 m處，上行線回流起始點(diǎn)大于下行線，風(fēng)速廓線特點(diǎn)表明擋風(fēng)墻與上行線之間最易積沙，上行線次之，下行線最不易積沙。

圖8 擋風(fēng)墻后路堤特征點(diǎn)處的風(fēng)速廓線(單位：m·s-1)

上述仿真計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)積沙監(jiān)測(cè)試驗(yàn)相一致，表明該模型能夠較好的模擬擋風(fēng)墻周?chē)L(fēng)沙兩相流運(yùn)動(dòng)特性，具有較高的可靠度。

2.2.2 線路積沙形成特征

當(dāng)風(fēng)沙流途經(jīng)路堤及擋風(fēng)墻時(shí)，氣流能量重新分布，風(fēng)沙流平衡狀態(tài)發(fā)生變化，致使路基周?chē)a(chǎn)生風(fēng)沙危害，具體表現(xiàn)為風(fēng)蝕和風(fēng)積。風(fēng)蝕現(xiàn)象主要位于路基邊坡，只要采用合理的工程措施就可以徹底解決，對(duì)列車(chē)的正常運(yùn)行影響較小；風(fēng)積主要位于軌道板上，列車(chē)以高速通過(guò)時(shí)，沙粒會(huì)隨高速氣流卷入車(chē)體，嚴(yán)重威脅高速列車(chē)運(yùn)行安全性。因此，揭示軌道板上的積沙形成特征，有針對(duì)性地提出防護(hù)方案對(duì)高速鐵路風(fēng)沙危害防治具有指導(dǎo)意義。

圖9為不同時(shí)刻線路上沙粒體積分?jǐn)?shù)云圖。從圖9可以看出，線路積沙始于擋風(fēng)墻底部，隨著時(shí)間的推移，積沙逐漸增多，當(dāng)積沙量達(dá)到一定程度后，局部流場(chǎng)發(fā)生改變，積沙逐漸向軌道板轉(zhuǎn)移，受上行線軌道板和鋼軌的阻礙作用，沙粒大部分沉積在上行線軌道板周?chē)瑑H有小部分沙粒離開(kāi)上行線沉積在下行線周?chē)?。?shù)值模擬的積沙形成特征和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的積沙現(xiàn)象相吻合，再次驗(yàn)證了模型的可行性。

圖9 來(lái)流速度10 m·s-1、沙粒體積分?jǐn)?shù)3%工況下線路上沙粒體積分?jǐn)?shù)云圖

從線路積沙形成特征不難看出，線路沙害主要是既有積沙的二次轉(zhuǎn)移，為保證列車(chē)的安全運(yùn)營(yíng)，應(yīng)及時(shí)清理?yè)躏L(fēng)墻與上行線之間的積沙。

2.2.3 風(fēng)速對(duì)積沙分布的影響

風(fēng)是風(fēng)沙流形成的動(dòng)力條件，也是影響風(fēng)沙地區(qū)輸沙量的關(guān)鍵指標(biāo)之一。當(dāng)風(fēng)速大于臨界起沙風(fēng)速后，風(fēng)速越大氣流攜沙能力越強(qiáng)，輸沙量相應(yīng)增大，反之，輸沙量減小。圖10為同時(shí)刻、不同風(fēng)速條件下路基周?chē)沉ｓw積分?jǐn)?shù)云圖。從圖10可以看出，隨著風(fēng)速的增大，擋風(fēng)墻迎風(fēng)側(cè)積沙量逐漸減少，背風(fēng)側(cè)積沙量逐漸增大，且積沙分布區(qū)域逐漸向下行線轉(zhuǎn)移。

出現(xiàn)上述積沙現(xiàn)象的主要原因在于氣流攜沙能力的變化，風(fēng)速較小時(shí)，在減速區(qū)風(fēng)沙流可能處于飽和狀態(tài)，氣流攜沙能力降低，大部分沙粒將會(huì)沉降在擋風(fēng)墻迎風(fēng)側(cè)，隨著風(fēng)速的增加，減速區(qū)的風(fēng)沙流飽和程度降低，氣流的攜沙能力增強(qiáng)，沉積在擋風(fēng)墻迎風(fēng)側(cè)的沙粒逐漸減少，躍過(guò)擋風(fēng)墻的沙粒逐漸增加，相應(yīng)的沉積在線路上的積沙量也逐漸增多，同時(shí)由于風(fēng)速越大，沙粒從氣流中獲得的能量也越大，躍過(guò)擋沙墻跌落在線路上的沙粒也越靠近下行線。

圖10 沙粒體積分?jǐn)?shù)3%、時(shí)間15 s時(shí)路基周?chē)沉ｓw積分?jǐn)?shù)云圖

與小風(fēng)速持續(xù)時(shí)間相比，煙墩地區(qū)大風(fēng)速屬于小概率事件，且沙害的形成具有累積性，因此，線路積沙主要受小風(fēng)速控制，即線路沙害主要位于上行線附近，當(dāng)遇大風(fēng)天氣，積沙分布區(qū)域有逐漸向下風(fēng)向轉(zhuǎn)移的趨勢(shì)，但大風(fēng)時(shí)持續(xù)時(shí)間較短，沉積在下行線的積沙量也較少，這與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果相吻合。

2.2.4 攜沙量對(duì)積沙分布的影響

沙粒是風(fēng)沙流形成的物質(zhì)基礎(chǔ)，其豐富程度不僅決定著風(fēng)沙流的結(jié)構(gòu)特征，也影響著區(qū)域的蝕積狀態(tài)。風(fēng)速一定，下墊面提供的沙源較少時(shí)，風(fēng)沙流處于風(fēng)蝕狀態(tài)；當(dāng)沙源豐富，風(fēng)沙流過(guò)飽和時(shí)，風(fēng)沙流就接近于風(fēng)積狀態(tài)，風(fēng)速一旦發(fā)生衰減，沙粒就會(huì)沉積在地表。

圖11為同時(shí)刻不同攜沙量線路周?chē)w積分?jǐn)?shù)云圖。從圖11可以看出，風(fēng)速一定時(shí)，隨著攜沙量的增大，沉積在線路周?chē)姆e沙量逐漸增多。原因在于擋風(fēng)墻前后屬于弱風(fēng)區(qū)，當(dāng)風(fēng)沙流經(jīng)過(guò)時(shí)，氣流的攜沙能力降低，原始風(fēng)沙流中的攜沙量越多，氣流越容易飽和，相應(yīng)的沉積在擋風(fēng)墻前后的積沙量也越多，沙害越嚴(yán)重。

圖11 來(lái)流速度20 m·s-1、時(shí)間15 s時(shí)路基周?chē)w積分?jǐn)?shù)云圖

3 結(jié) 論

(1)蘭新高鐵煙墩風(fēng)區(qū)風(fēng)沙流攜沙量隨高度呈負(fù)指數(shù)分布，0.75 m是風(fēng)沙流攜沙量轉(zhuǎn)折點(diǎn)，小于0.75 m范圍內(nèi)隨著高度的增加攜沙量急劇減少，大于0.75 m范圍內(nèi)攜沙量隨高度的變化趨于平緩；風(fēng)沙流中沙顆粒主要以細(xì)沙為主，中沙次之，粗沙最少。

(2)風(fēng)沙流經(jīng)過(guò)擋風(fēng)墻時(shí)，其迎風(fēng)側(cè)、正上方、背風(fēng)側(cè)分別處于氣流減速區(qū)、加速區(qū)和紊流區(qū)；擋風(fēng)墻與上行線之間的風(fēng)速廓線隨高度呈先增大后減小的趨勢(shì)，上、行線中心線處的風(fēng)速廓線隨高度變化趨勢(shì)基本一致，均呈現(xiàn)先增大后減小再增大的趨勢(shì)，但下行線變化幅度明顯大于上行線。

(3)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和數(shù)值仿真計(jì)算均表明，線路沙害主要是既有積沙的二次轉(zhuǎn)移，兩者具有較好的一致性，數(shù)值仿真模型能夠較好的模擬路基周?chē)L(fēng)沙兩相流運(yùn)動(dòng)特性。

(4)攜沙量一定時(shí)，隨著風(fēng)速的增大，擋風(fēng)墻迎風(fēng)側(cè)積沙量逐漸減少，背風(fēng)側(cè)積沙量逐漸增大，且積沙分布區(qū)域逐漸向下行線轉(zhuǎn)移；風(fēng)速一定時(shí)，隨著攜沙量的增大，沉積在擋風(fēng)墻前后的積沙量呈遞增趨勢(shì)。