大風(fēng)區(qū)鐵路沿線擋風(fēng)墻積沙機(jī)理及優(yōu)化措施的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)研究1)

辛國(guó)偉 黃 寧 張 潔,2)

?(西部災(zāi)害與環(huán)境力學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州 730000)

?(蘭州大學(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院，蘭州 730000)

引言

中國(guó)是世界上風(fēng)區(qū)鐵路分布線路最廣的國(guó)家之一，其中位于蘭州至新疆的蘭新高鐵也是世界上首條穿越大風(fēng)區(qū)的高速鐵路[1].蘭新高鐵在新疆段穿越了著名的煙墩風(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)，風(fēng)區(qū)段鐵路里程長(zhǎng)達(dá)462.4 km，占新疆段線路總長(zhǎng)的65.1%[2-6].四大風(fēng)區(qū)大風(fēng)頻發(fā)、風(fēng)速極高，部分區(qū)段年均大于8 級(jí)大風(fēng)的天氣達(dá)208 d，最大速度達(dá)60 m/s，大風(fēng)對(duì)鐵路的運(yùn)營(yíng)、養(yǎng)護(hù)和運(yùn)輸造成很大危害[7-9].

為了抵御大風(fēng)對(duì)通行列車的危害，蘭新高鐵在各大風(fēng)區(qū)內(nèi)修筑了以路基擋風(fēng)墻、橋梁擋風(fēng)屏、防風(fēng)明洞為主要類型的防風(fēng)工程，工程規(guī)模位居世界高速鐵路首位[10-11]，其中路基式擋風(fēng)墻是風(fēng)區(qū)鐵路最常見(jiàn)的防風(fēng)構(gòu)筑物.蘭新高鐵在各風(fēng)區(qū)路基迎風(fēng)側(cè)修筑了高3.5 m 至4.3 m 的擋風(fēng)墻，并根據(jù)不同區(qū)域的風(fēng)力、風(fēng)向、頻率、地形及線路條件，因地制宜設(shè)計(jì)了懸臂式、扶臂式、柱板式等鋼筋混凝土擋風(fēng)墻[12].

圖1 蘭新高鐵煙墩風(fēng)區(qū)路基擋風(fēng)墻積沙情況Fig.1 Sand particle accumulation over railway subgrade with wind-break wall along the LanXin high-speed railway II in Yan Dun wind zone

由于大風(fēng)區(qū)地處戈壁荒漠地區(qū)，氣候干旱少雨，土質(zhì)較為松散，地表顆粒資源豐富，沙顆粒在風(fēng)的驅(qū)動(dòng)下極易形成強(qiáng)風(fēng)沙流，因此大風(fēng)區(qū)通常也是沙塵活動(dòng)頻繁的地區(qū)[13-16].攜沙氣流途經(jīng)鐵路沿線擋風(fēng)墻時(shí)，氣流速度被重新分布，風(fēng)沙流平衡狀態(tài)遭到破壞，導(dǎo)致部分沙粒沉積在擋風(fēng)墻周圍及鐵路軌道上，造成嚴(yán)重的積沙危害[17].因此，緊貼線路的擋風(fēng)墻在發(fā)揮擋風(fēng)作用的同時(shí)(針對(duì)可以對(duì)列車造成危害的強(qiáng)風(fēng))，卻引來(lái)線路積沙問(wèn)題[18-19].鄭曉靜等[20]通過(guò)數(shù)值模擬梳理了擋風(fēng)墻背風(fēng)側(cè)的回旋氣流可導(dǎo)致沙粒被卷起并被反向氣流攜帶，然后沉積在路基鐵軌附近，并研究了車速與擋風(fēng)墻高度對(duì)列車臨界抗傾覆風(fēng)速的影響.蔣富強(qiáng)等[21]通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)將煙墩風(fēng)區(qū)擋風(fēng)墻下部進(jìn)行開(kāi)口，利用聚風(fēng)效應(yīng)來(lái)清除線路積沙，但現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明擋風(fēng)墻下部開(kāi)口后只是將支撐層臺(tái)階處的積沙搬運(yùn)到上行線軌道處，清沙效果并不明顯(圖1(c)).徐彬等[22]通過(guò)Openfoam 模擬了戈壁地區(qū)擋風(fēng)墻背風(fēng)側(cè)積沙形成的機(jī)理，結(jié)果表明軌道線路的積沙是擋風(fēng)墻背風(fēng)側(cè)回流區(qū)內(nèi)逆向氣流帶動(dòng)沙粒堆積而成.程建軍等[23]通過(guò)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，對(duì)擋風(fēng)墻外側(cè)的擋沙系統(tǒng)進(jìn)行分析，指出利用阻沙+固沙體系可有效凈化擋風(fēng)墻迎風(fēng)側(cè)來(lái)流風(fēng)沙，使線路積沙得到減輕，但外側(cè)的擋沙系統(tǒng)不能攔截全部的來(lái)流風(fēng)沙，仍有少部分沒(méi)有被擋住的流沙會(huì)隨風(fēng)運(yùn)動(dòng)至線路附近形成積沙.以上研究厘清了擋風(fēng)墻背風(fēng)側(cè)積沙的機(jī)理，也提出了相應(yīng)的解決方法，但受路基軌道及擋風(fēng)墻本身結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性以及積沙的時(shí)間累積性，直至目前，擋風(fēng)墻形成的積沙危害仍沒(méi)有較好的解決辦法.

如何在不改變擋風(fēng)墻本身結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，提出可減少線路積沙的防護(hù)措施，并便于施工，是解決擋風(fēng)墻積沙問(wèn)題需要考慮的主要問(wèn)題.本文基于前人有關(guān)擋風(fēng)墻積沙形成機(jī)理的研究成果，提出了增設(shè)第二道擋墻的防沙思路，并利用蘭新高鐵路基擋風(fēng)墻的軌道特點(diǎn)建立縮比模型，采用風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)研究了增設(shè)擋墻后路基周圍風(fēng)沙流運(yùn)動(dòng)的規(guī)律和特點(diǎn)，通過(guò)分析單道擋風(fēng)墻與雙道擋風(fēng)墻周圍的凈風(fēng)風(fēng)速，沙粒水平速度、輸沙通量及軌道線上的沙粒沉積速率，明確了第二道擋墻設(shè)置位置對(duì)鐵路積沙效果的影響，同時(shí)進(jìn)一步明晰了第二道擋墻對(duì)緩解鐵路積沙的有效性和動(dòng)力學(xué)機(jī)理，以期為后期防風(fēng)沙工程的設(shè)計(jì)提供參考數(shù)據(jù).

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)置與方法

1.1 風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)

風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)在蘭州大學(xué)西部災(zāi)害與環(huán)境力學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室多功能環(huán)境風(fēng)洞進(jìn)行.該風(fēng)洞為直流下吹式，由動(dòng)力段、實(shí)驗(yàn)段和擴(kuò)散段三部分組成.全長(zhǎng)85 m，洞體長(zhǎng)55 m，實(shí)驗(yàn)段長(zhǎng)22 m，實(shí)驗(yàn)段截面積1.3 m(寬)×1.45 m(高)，風(fēng)速由4 m/s 至40 m/s 連續(xù)可調(diào)[24].

風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)布置如圖2 所示，擋風(fēng)墻模型分為A，B，C 三類，A 類為單道擋墻，B 類將第二道擋墻設(shè)立在背風(fēng)側(cè)坡腳處，C 類將第二道擋墻設(shè)立在背風(fēng)側(cè)坡頂處.擋風(fēng)墻高度為15.2 cm，路基軌道尺寸依據(jù)中國(guó)鐵路標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)規(guī)范制定，其與實(shí)際結(jié)構(gòu)比例為1:25，模型固定在距離沙源9 m 處.來(lái)流監(jiān)測(cè)皮托管設(shè)置在沙床前端，用來(lái)測(cè)量入口風(fēng)速變化.尖劈和粗糙元用來(lái)產(chǎn)生湍流邊界層，考慮到測(cè)試地表粗糙度對(duì)流場(chǎng)有一定的影響，且該實(shí)驗(yàn)?zāi)M戈壁風(fēng)沙流，故在風(fēng)洞底板鋪設(shè)紅褐色粗砂紙?jiān)黾哟植诙?為保證沙源供給充足，沙床沿流向供給長(zhǎng)度為3 m，實(shí)驗(yàn)開(kāi)始時(shí)持續(xù)吹沙約1 min，觀測(cè)各模型前后積沙范圍與積沙量，并將軌道線路不同位置的積沙進(jìn)行稱重，研究不同位置設(shè)置擋墻后軌道線路積沙變化[25-26].

實(shí)驗(yàn)采用粒子圖像測(cè)速技術(shù)(particle image velocimetry，PIV)測(cè)量背風(fēng)側(cè)顆粒速度場(chǎng)，并應(yīng)用CFD 數(shù)值模擬軟件求解擋墻周圍的凈風(fēng)場(chǎng)變化.PIV 系統(tǒng)由激光器、發(fā)射器、CCD 高分辨率相機(jī)、同步器以及帶有圖像采集卡的計(jì)算機(jī)構(gòu)成.激光發(fā)射器布置在風(fēng)洞頂部，激光片光與模型中軸線截面重合.激光器的頻率為5 Hz，單脈沖能量為120 mJ.兩個(gè)CCD 相機(jī)并列布置在風(fēng)洞側(cè)面，相機(jī)分辨率為2048 × 2048，單個(gè)CCD 相機(jī)拍攝視場(chǎng)面積約為21 cm(高)×21 cm(寬)，所拍攝位置為第一道擋風(fēng)墻背風(fēng)側(cè)范圍13 cm ～55 cm內(nèi)，所拍攝圖片經(jīng)拼接后使用粒子追蹤測(cè)速(particle tracking velocimetry，PTV)方法進(jìn)行處理，得到顆粒速度和數(shù)目分布[27].

圖2 風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)布置圖Fig.2 Configuration of wind-tunnel experiment

風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)中有諸多相似性的要求，如幾何相似、運(yùn)動(dòng)相似、動(dòng)力相似、熱力學(xué)相似等.但在具體的實(shí)施過(guò)程中難以滿足所有的相似條件，本文重點(diǎn)考慮模型的幾何相似，凈風(fēng)場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)相似及動(dòng)力相似.在針對(duì)風(fēng)沙流的風(fēng)洞測(cè)試中，難以協(xié)調(diào)模型尺寸，邊界層尺寸和顆粒尺寸與真實(shí)環(huán)境相應(yīng)尺寸的縮比，因此相應(yīng)的風(fēng)洞測(cè)試結(jié)果主要用于進(jìn)行機(jī)理性的分析工作，難以直接推廣到野外的實(shí)際工況中，這也是目前風(fēng)沙物理學(xué)研究中亟待解決的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題.

1.2 PTV圖像處理

PTV 是一種無(wú)接觸，瞬態(tài)，通過(guò)追蹤顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡獲得全場(chǎng)顆粒速度的方法[28-29].圖3 是根據(jù)灰度值及最近鄰域法匹配單顆顆粒的過(guò)程.本文通過(guò)自編程序?qū)崿F(xiàn)了顆粒的識(shí)別及匹配，并計(jì)算出所測(cè)范圍內(nèi)的沙粒數(shù)目、水平速度及輸沙通量的變化[30].為驗(yàn)證PTV 匹配算法的準(zhǔn)確性，我們應(yīng)用相位多普勒粒子分析儀(phase Doppler particle analyzer，PDPA)測(cè)量了空?qǐng)鲋猩沉Ｔ? 個(gè)高度處的速度，并與相應(yīng)條件下的PTV 結(jié)果進(jìn)行了比較(圖4).從圖4 可以看出，PTV 匹配算法與PDPA 所測(cè)結(jié)果的誤差均在5%以內(nèi)，由此可以說(shuō)明PTV匹配算法的準(zhǔn)確性.

對(duì)三類擋墻下所拍一對(duì)圖像中的沙粒數(shù)密度、平均水平速度和輸沙通量按下面方法計(jì)算.

沙粒水平速度

沙粒數(shù)密度[31]

圖3 PTV匹配顆粒示意圖Fig.3 Schematic diagram of PTV matching particles

圖4 PTV結(jié)果與PDPA結(jié)果對(duì)比Fig.4 Comparison of optimized PTV calculation results and PDPA testing results

水平輸沙通量[31]

式中，Lx為一對(duì)照片中顆粒沿x方向的位移，?t為連續(xù)兩幀圖像曝光的時(shí)間間隔，即110μs (u?=0.774 9 m/s)，170μs(u?=0.639 5 m/s)，250μs(u?=0.475 6 m/s)；n(z)為高度z處長(zhǎng)方體區(qū)域內(nèi)的沙粒總數(shù)目，?x，?y，?z為長(zhǎng)方體區(qū)域的3 個(gè)邊長(zhǎng)，?x和?y都為0.01 m，?z為測(cè)量區(qū)域內(nèi)激光片光源的厚度，約為1 mm，d為沙粒平均粒徑，取值為190μm，ρ 為沙粒密度，取值為2650 kg/m3.

同時(shí)，對(duì)軌道線路上I,II,III 處的沙粒沉積量進(jìn)行稱重測(cè)量，并根據(jù)下列公式計(jì)算沙粒沉積率

式中，λ 為不同位置處的沙粒沉積率，m為不同位置沙?？偝练e量，t為吹沙時(shí)間，si分別為I,II,III 處的面積.

1.3 數(shù)值模擬

本文的數(shù)值模擬工作主要用于補(bǔ)充三類擋風(fēng)墻背風(fēng)側(cè)的凈風(fēng)場(chǎng)信息，其計(jì)算區(qū)域與風(fēng)洞的試驗(yàn)段尺寸相同，并用CFD 流體計(jì)算軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分及數(shù)值模擬(Fluent).入口條件為Velocity-inlet，出口條件為Pressure-outlet，其他邊界均為Wall.入口風(fēng)速廓線采用風(fēng)洞中測(cè)得的無(wú)模型時(shí)的廓線.計(jì)算域求解采用Reynolds-averaged Navier-Stokes，附加k-ε 湍流模型，求解計(jì)算采用SIMPLEC 算法[32-33].

2 結(jié)果分析

2.1 風(fēng)速廓線及粒徑分布

圖5 是空?qǐng)鰲l件下沿不同高度的水平風(fēng)速變化.不同顏色的點(diǎn)是觀測(cè)值，曲線為基于式(5)的擬合曲線.從圖5 可以看出，不同高度的水平風(fēng)速變化符合對(duì)數(shù)規(guī)律，由式(5)擬合可以得到風(fēng)場(chǎng)的兩個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，即摩阻風(fēng)速u?和地表粗糙度z0[34]

式中，u?為摩阻風(fēng)速，z0地表粗糙度，k為馮·卡門(mén)系數(shù)，取值0.4，z為高度，u(z)為高度z處的水平風(fēng)速.

圖5 風(fēng)速廓線圖Fig.5 Wind speed profiles

圖6 是沙床顆粒粒徑分布圖.從圖6 可以看出，沙粒粒徑在150 ～200μm 約 占55%，超過(guò)200μm 的沙粒約占20%左右，低于150μm 的沙粒約占25%左右，平均粒徑約為190μm.

圖6 沙床顆粒粒徑分布圖Fig.6 Particle size distribution of sand particles in sand bed

2.2 凈風(fēng)風(fēng)速變化

由于擋風(fēng)墻背風(fēng)側(cè)區(qū)域流場(chǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，難以利用一維皮托管獲取準(zhǔn)確的流動(dòng)信息，我們采用CFD 數(shù)值模擬的方法對(duì)相應(yīng)工況下的凈風(fēng)場(chǎng)信息進(jìn)行模擬，以補(bǔ)充風(fēng)洞測(cè)試中不完整的風(fēng)場(chǎng)信息[35-37].同時(shí)，我們將風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)中利用皮托管測(cè)量的擋風(fēng)墻高度上15 cm 處的沿程風(fēng)速與數(shù)值模擬結(jié)果比對(duì)，以驗(yàn)證數(shù)值模擬信息的可靠性(圖7).從圖7 可以看出，數(shù)值模擬的結(jié)果與風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)的測(cè)試結(jié)果相吻合，由此說(shuō)明了數(shù)值模擬的可靠性.

圖7 模擬結(jié)果與風(fēng)洞結(jié)果的比較(u?=0.774 9 m/s)Fig.7 The comparison between simulation and wind tunnel(u?=0.774 9 m/s)

圖8 是三類擋風(fēng)墻背風(fēng)側(cè)沿程水平風(fēng)速變化，風(fēng)向從左至右.從圖8 可以看出，A 類擋墻背風(fēng)側(cè)形成較大的回流渦，可將背風(fēng)側(cè)降落的沙?；鼐碇淋壍谰€路上，B 類擋墻阻擋了部分回流速度，致使只有部分渦流越過(guò)第二道擋墻運(yùn)動(dòng)至軌道，C 類擋墻中的第二道擋墻切斷了第一道擋墻形成的渦流，避免攜沙氣流在回流的作用下回到路基，而軌道線路上形成的回流渦來(lái)源于兩道擋風(fēng)墻內(nèi)部.

圖9 是三類擋風(fēng)墻背風(fēng)側(cè)的渦量云圖，摩阻風(fēng)速u?=0.774 9 m/s.從圖9 可以發(fā)現(xiàn)，三類擋墻在靠近軌道處的渦流強(qiáng)度不同，A 類擋墻的渦流強(qiáng)度最小，C 類擋墻的渦流強(qiáng)度最大，B 類擋墻的渦流強(qiáng)度介于二者之間，這表明C 類擋墻在設(shè)置第二道擋墻后可將鐵軌區(qū)域的風(fēng)速加強(qiáng)，沙粒不易直接沉積到軌道線路上.前人的研究也已說(shuō)明軌道線路的積沙主要是擋風(fēng)墻形成的回流渦把降落至背風(fēng)區(qū)域的沙粒回卷導(dǎo)致[20-22].因此，設(shè)置第二道擋墻可切斷背風(fēng)側(cè)的回流渦，避免沙粒在回流的作用下回到路基上，而在背風(fēng)側(cè)坡頂處設(shè)置第二道擋墻可達(dá)到此目的，并可利用兩道擋墻內(nèi)部形成的回流渦達(dá)到風(fēng)力清沙的效果.

圖8 背風(fēng)側(cè)沿程水平風(fēng)速(u?=0.774 9 m/s)Fig.8 Horizontal wind speed variation along the leeward side of numerical simulations(u?=0.774 9 m/s)

圖9 背風(fēng)側(cè)渦量云圖(u?=0.774 9 m/s)Fig.9 Vorticity contours along the leeward side of numerical simulations(u?=0.774 9 m/s)

2.3 不同位置處沙粒水平速度分布

圖10 為擋風(fēng)墻背風(fēng)側(cè)沿程的沙粒水平速度變化，高度H=0.1 m.從圖10 可以看出，A 類擋墻背風(fēng)側(cè)沙粒速度最大為8.08 m/s，B 類和C 類相較A 類減少7.5%和12.3%.同時(shí)，可以明顯看出三類擋墻在沿流向0.3 m 范圍內(nèi)速度變化趨勢(shì)幾乎一致，A 類和B 類擋墻速度值小于C 類，而在0.3 m 后C 類擋墻速度出現(xiàn)突變，呈現(xiàn)先負(fù)向增大后逐漸減小，其速度均小于A 類和B 類擋墻，其主要原因是C 類擋墻設(shè)置在背風(fēng)側(cè)坡頂處，前端為速度減速區(qū)，0.3 m 后的區(qū)域內(nèi)受此影響較大，沙粒水平速度出現(xiàn)減小.

圖10 背風(fēng)側(cè)沿程沙粒水平速度變化(u?=0.774 9 m/s，H=0.1 m)Fig.10 The sand particle horizontal speed along the leeward side(u?=0.774 9 m/s，H=0.1 m)

2.4 沙粒數(shù)密度及沙通量

圖11 沙粒數(shù)密度變化(u?=0.774 9 m/s)Fig.11 The sand particle number density(u?=0.774 9 m/s)

圖11 沙粒數(shù)密度變化(u?=0.774 9 m/s)(續(xù))Fig.11 The sand particle number density(u?=0.774 9 m/s)(continued)

沙粒數(shù)密度可反映風(fēng)載沙粒的空間分布特征.圖11 是不同高度處沿流向的沙粒數(shù)密度變化.從圖11 可以看出三類擋墻的沙粒數(shù)密度表現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)，并呈波狀變化，A 類擋墻數(shù)密度最大，C 類擋墻的數(shù)密度最小，B 類擋墻的數(shù)密度介于二者之間，B 較A 類擋墻在高度0.05 m，0.10 m 及0.15 m 處最大沙粒數(shù)密度分別減少59%，51%及45%，C 類減少79%，69%及72%，且隨高度的增大，沙粒數(shù)密度也逐漸變小，波動(dòng)幅度也相對(duì)變大，這說(shuō)明了較低高度處沙粒濃度較高，而在較高高度處沙粒濃度會(huì)減小.此外，還可以發(fā)現(xiàn)3 個(gè)高度處沙粒數(shù)密度整體上都呈兩邊小中間大，導(dǎo)致這種情況的原因可能是靠近兩擋墻處的激光強(qiáng)度較弱，由于拍攝過(guò)程中捕捉到的顆粒信息較少，對(duì)沙粒數(shù)目的統(tǒng)計(jì)出現(xiàn)一定的誤差.

圖12 是根據(jù)式(3)計(jì)算的不同高度處的輸沙通量變化，風(fēng)向從左至右.從圖12 可以看出，三類擋墻中A 類擋墻在軌道線上的輸沙通量最大，C 類擋墻最小，B 類擋墻介于二者之間，不同高度處的輸沙通量均呈波狀變化.在0.10 m 處，A，B，C類擋墻的最大輸沙通量均出現(xiàn)在距第一道擋風(fēng)墻背風(fēng)側(cè)0.3 m 處，其值達(dá)2.77 kg/(m2·s)，1.39 kg/(m2·s)，0.74 kg/(m2·s)，B 和C類相比A類分別減小49.8%和73.3%，而在0.15 m 處，A，B，C類擋墻的最大輸沙通量出現(xiàn)在距第一道擋風(fēng)墻背風(fēng)側(cè)0.31 m 處，其值達(dá)2.94 kg/(m2·s)，1.51 kg/(m2·s)，0.98 kg/(m2·s)，B，C 類相比A 類分別減小48.6%和66.7%.

由上述分析可知，C 類擋墻背風(fēng)側(cè)的沙粒水平速度，數(shù)密度及輸沙通量均小于A 類和B 類擋墻，說(shuō)明該區(qū)域內(nèi)沙粒濃度較低，沉積量較小.因此，在第一道擋風(fēng)墻背風(fēng)側(cè)坡頂處設(shè)置第二道擋墻，可有效減少線路的積沙.

圖12 水平輸沙通量變化(u?=0.774 9 m/s)Fig.12 Horizontal sand flux(u?=0.774 9 m/s)

2.5 沙粒沉積率變化

圖13(a)是軌道線路上不同位置處沙粒沉積率圖，圖13(b)是不同風(fēng)速下三類擋墻在軌道線路上的總沉積率分布圖.從圖13(a)可以看出，在摩阻風(fēng)速u?=0.639 5 m/s，三類擋墻在I,II,III 處的沉積率明顯不同.背風(fēng)側(cè)無(wú)第二道擋風(fēng)墻(A 類)時(shí)，軌道線路上I,II,III 處的沉積率最大，分別為9.9 g/min，9.7 g/min，6.7 g/min，在背風(fēng)側(cè)坡腳處設(shè)置第二道擋墻(B 類)時(shí)，沙粒沉積率較無(wú)擋墻時(shí)分別減小45%，31%，35%，而在坡頂處設(shè)置第二道擋墻(C 類)時(shí)，沙粒沉積率較無(wú)擋墻時(shí)分別減小54%，45%，44%.從圖13(b)可看出，不同風(fēng)速下A，B，C 類在軌道線路上沙?？偝练e率也不同，風(fēng)速越低，軌道線上沙粒沉積率越小，而風(fēng)速增大時(shí)，軌道線上沙粒沉積率明顯變大，主要原因是風(fēng)速較低時(shí)沙粒動(dòng)能較小，大部分沙粒被擋在第一道擋風(fēng)墻迎風(fēng)側(cè)，風(fēng)速變大時(shí)，沙粒能夠隨風(fēng)越過(guò)第一道擋風(fēng)墻，在背風(fēng)側(cè)回流影響下沉積在線路上.同時(shí)，可以看出在固定風(fēng)速下，A，B，C 類擋墻在軌道線路上的總沉積率呈現(xiàn)出明顯的遞減趨勢(shì)，A 類擋墻在u?=0.7749 m/s 下的總沉積率為10.73 g/min,B 類擋墻較A類減小26%，而C 類擋墻較A 類減小38%.由此可，在第一道擋風(fēng)墻背風(fēng)側(cè)坡頂處加設(shè)第二道擋墻，可有效減小線路的沙粒沉積量.

圖13 三類擋墻軌道線路上沙粒沉積率Fig.13 The sand deposition rate of three kinds of three wind-break wall

3 結(jié)論

本文通過(guò)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)研究了在擋風(fēng)墻背風(fēng)側(cè)不同位置處設(shè)置同高度的擋墻后軌道線路上沙粒水平速度，數(shù)密度，輸沙通量及沉積率的變化，得出以下結(jié)論：

(1) 三類擋墻在所測(cè)區(qū)域內(nèi)的沙粒水平速度均出現(xiàn)負(fù)向遞增，在高度0.1 m 處A 類擋墻的絕對(duì)速度最大，C 類最小，兩者速度相差約22%，而在高度0.15 m 處C 類擋墻速度出現(xiàn)突變，呈現(xiàn)先負(fù)向增大后逐漸減小，其絕對(duì)速度均小于A 類和B 類擋墻.

(2)三類擋墻在不同高度處的沙粒數(shù)密度均表現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)，并呈波狀變化，A 類擋墻數(shù)密度最大，C 類擋墻的數(shù)密度最小，B 類擋墻的數(shù)密度介于二者之間，且隨高度的增大，沙粒數(shù)密度也逐漸變小，這說(shuō)明了較低高度處沙粒濃度較高，而在較高高度處沙粒濃度會(huì)減小，C 類擋墻可有效減少線路積沙.

(3) A 類擋墻在軌道線上的輸沙通量最大，C 類擋墻最小，B 類擋墻介于二者之間，且不同高度處三類擋墻的輸沙通量均呈波狀變化.在0.10 m 處，B 和C 類擋墻的輸沙通量相比A 類分別減小49.8%和73.3%，而在0.15 m 處，B 和C 類擋墻的輸沙通量相比A 類分別減小48.6%和69.4%，輸沙通量的減小說(shuō)明該區(qū)域內(nèi)沙粒濃度較低，沉積量較少.

(4) 軌道線路的沙粒沉積率表明，A 類擋墻I,II,III 處的沉積率最大，B 類擋墻的沉積率較A 類減小45%，31%，35%，C 類減少54%，45%，44%；A 類擋墻的總沉積率最大，B 類較A 類減小26%，C 類減少38%.由此可知，在第一道擋風(fēng)墻背風(fēng)側(cè)坡頂處加設(shè)第二道擋墻，可有效減小線路的沙粒沉積量.