風(fēng)沙地區(qū)低凈空橋梁下部流場結(jié)構(gòu)及積沙特征分析

師景瑞,石 龍

(1.甘肅綜合鐵道工程承包有限公司,蘭州 730030； 2.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院,成都 610031； 3.中鐵西北科學(xué)研究院有限公司,蘭州 730030)

風(fēng)沙流是氣流攜帶沙粒運(yùn)動(dòng)的一種氣固兩項(xiàng)流，也是形成風(fēng)沙災(zāi)害的主要原因。中國是世界上遭受風(fēng)沙災(zāi)害最嚴(yán)重的國家之一[1]，多個(gè)行業(yè)每年因此損失數(shù)上億元，尤其鐵路行業(yè)，輕則污染道床增加養(yǎng)護(hù)費(fèi)用，重則堵塞橋涵，甚至引起列車出脫軌[2]。

為減輕風(fēng)沙災(zāi)害對鐵路的影響，保障鐵路的安全運(yùn)行，國內(nèi)外學(xué)者通過理論分析、數(shù)值模擬、風(fēng)洞試驗(yàn)和現(xiàn)場監(jiān)測等手段開展了大量的相關(guān)研究，涉及的內(nèi)容主要包括風(fēng)沙流特征[3-6]、防沙工程優(yōu)化與效益評價(jià)[7-13]、鐵路工程結(jié)構(gòu)沙害形成機(jī)理[14-18]、風(fēng)沙災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)性評估[19-20]、風(fēng)沙荷載計(jì)算[21]等。然而，關(guān)于橋梁風(fēng)沙災(zāi)害的研究成果卻很少，忽視了風(fēng)沙災(zāi)害對橋梁的影響。王奭等[22]通過現(xiàn)場調(diào)研和數(shù)值模擬，探討了格庫鐵路青海段橋梁沙害成因，遺憾的是該研究采用純氣流場分析積沙形成機(jī)理，實(shí)際上風(fēng)沙流屬于典型的氣固流，采用兩相流模擬更加合理。此外，該文獻(xiàn)中的橋梁凈空較高，一般對風(fēng)沙流的擾動(dòng)能力較弱，中間梁體下方產(chǎn)生積沙的可能性非常小，積沙通常集中在氣流擾動(dòng)強(qiáng)烈的路橋過渡段，這也在該研究的現(xiàn)場調(diào)查中得到證實(shí)。然而，低凈空橋梁積沙與上述研究存在差異，積沙不僅發(fā)生在路橋過渡段，還可能發(fā)生在中間梁體正下方。例如，李良英等[23]研究成果中的青藏鐵路巴索曲特大橋就屬于低凈空橋梁，積沙幾乎堵塞梁底。該研究依然采用純氣流場預(yù)測橋下積沙的可能性，無法直觀地反映橋下積沙演化規(guī)律，故存在一定片面性。

鑒于此，基于計(jì)算流體力學(xué)軟件，構(gòu)建歐拉雙流體非穩(wěn)態(tài)模型，結(jié)合現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)，剖析低凈空橋梁周圍的風(fēng)沙流場演化規(guī)律，揭示其沙害形成機(jī)理，并提出相關(guān)建議，以期為類似地區(qū)工程建設(shè)提供參考。

1 現(xiàn)場測試

本次測試地點(diǎn)位于風(fēng)沙地區(qū)某低凈空橋梁處，梁體類型為T梁，梁底凈空約3.0 m。監(jiān)測設(shè)備主要為風(fēng)杯式風(fēng)速風(fēng)向儀，具體參數(shù)如下：風(fēng)速傳感器的起動(dòng)風(fēng)速約0.5 m/s，風(fēng)速監(jiān)測范圍為0～50 m/s，精度±0.1 m/s；風(fēng)向傳感器的量程在0～360°之間，精度±5°。測試高度距地表0.8 m，風(fēng)況監(jiān)測時(shí)間約為1.0 h，取其2 min的平均值作為該點(diǎn)的監(jiān)測風(fēng)速值。為保證數(shù)據(jù)的即時(shí)性，在風(fēng)況監(jiān)測期間，同時(shí)布設(shè)7套風(fēng)速傳感器，測點(diǎn)布置如圖1所示。

圖1 橋梁風(fēng)況監(jiān)測點(diǎn)布置(單位：m)

2 數(shù)學(xué)模型

2.1 幾何模型

幾何模型的尺寸影響著數(shù)值結(jié)果的準(zhǔn)確性，模型尺寸太大對計(jì)算機(jī)的性能要求較高，相應(yīng)的大幅度增加計(jì)算時(shí)間，尺寸太小可能使得梁體背風(fēng)側(cè)的渦流區(qū)與出口邊界相交，從而影響計(jì)算結(jié)果的精度。為提高計(jì)算精度并減少計(jì)算量，通過多次試算確定出較為合理的模型尺寸：長90 m、寬20 m。此外，在風(fēng)沙地區(qū)，現(xiàn)有橋梁大多采用T梁，故本次研究以T梁為主，僅在研究梁體類型對流場結(jié)構(gòu)和積沙形態(tài)對比時(shí)，建立了箱梁模型。考慮到按照實(shí)際梁體的幾何形狀建模，很難得到高質(zhì)量的網(wǎng)格，故在幾何建模過程中簡化了梁體的幾何形狀。

2.2 網(wǎng)格劃分及邊界條件

對計(jì)算域進(jìn)行非結(jié)構(gòu)自動(dòng)化網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分類型Quadrilateral Grids，近壁區(qū)域采用壁面函數(shù)法進(jìn)行處理，各工況下的網(wǎng)格單元總數(shù)均超過60萬個(gè)。模型的邊界條件見表1。

表1 模型邊界條件

2.3 控制方程

在模擬過程中需要求解質(zhì)量方程和動(dòng)量方程，其表達(dá)式分別見式(1)～式(3)。

質(zhì)量方程

(1)

動(dòng)量方程

氣相

-γ1?p+?·τ1+γ1ρ1g+F12(v1-v2)

(2)

固相

-γ2?p-?p2+?·τ2+γ2ρ2g+F21(v2-v1)

(3)

式中，當(dāng)m=1、2時(shí)分別代表氣相、固相；vm、τm和ρm分別為m相的速度、應(yīng)力應(yīng)變張量和密度；γm為第m相的體積分?jǐn)?shù)，且滿足γ1+γ2=1；p和p2分別為氣固兩相的共享壓力和固相的壓力，g為重力加速度；F12=F21為氣相和固相的動(dòng)量交換系數(shù)。

2.4 計(jì)算參數(shù)

采用計(jì)算流體力學(xué)軟件中的歐拉雙流體非穩(wěn)定模型對風(fēng)沙流的運(yùn)動(dòng)特征進(jìn)行模擬，其中，將氣相設(shè)置為主相，沙粒設(shè)置為稀相，密度分別取1.225 kg/m3和2 600 kg/m3，初始沙粒體積分?jǐn)?shù)取為2%，沙粒平均粒徑取為0.125 mm，且假設(shè)其為球體?，F(xiàn)場測試時(shí)間段的平均風(fēng)速約為14.2 m/s，為保持兩者一致性，數(shù)值模擬時(shí)入口風(fēng)速也取為該風(fēng)速值。

3 結(jié)果分析

3.1 數(shù)值結(jié)果與現(xiàn)場測試結(jié)果對比

圖2為梁底凈空3.0 m時(shí)數(shù)值模擬和現(xiàn)場測試的相對風(fēng)速(來流風(fēng)速/測點(diǎn)風(fēng)速)對比，可以觀察到兩種結(jié)果的變化趨勢基本吻合，說明所建模型能較好地模擬梁體周圍的風(fēng)速變化特征。值得注意的是，總體上數(shù)值模擬結(jié)果略高于現(xiàn)場測試結(jié)果，主要原因可能是所建模型計(jì)算域的高度是有限的，而現(xiàn)場實(shí)際在高度方向上是無限的，數(shù)值模擬中或多或少存在一定的阻塞效應(yīng)。另外，梁體幾何模型的簡化也是產(chǎn)生上述差異的原因。

注：距離的負(fù)值代表在梁體中線迎風(fēng)側(cè)，正值代表在梁體中線背風(fēng)側(cè)，下同。圖2 數(shù)值模擬與現(xiàn)場測試結(jié)果對比

3.2 T梁體周圍流場及積沙分布特征

圖3為T梁底不同高度處相對風(fēng)速曲線。從圖3可以看到，不同高度處相對風(fēng)速變化趨勢基本一致，曲線近似對稱于梁體中心。為便于歸納總結(jié)，以梁體為分界線將曲線劃分為3部分：①梁體迎風(fēng)側(cè)附近的相對風(fēng)速呈“先減小后增大”趨勢，谷值在-4h處，相對風(fēng)速在1.0以下；②梁體范圍內(nèi)的相對風(fēng)速近似呈“M”形分布，峰值和谷值分別在腹板和梁體中線處，相對風(fēng)速均大于1.0；③梁體背風(fēng)側(cè)附近的相對風(fēng)速呈“先減小后增大”趨勢，谷值在4h處，相對風(fēng)速基本在1.0以下。上述現(xiàn)象表明，梁體迎風(fēng)側(cè)和背風(fēng)側(cè)的風(fēng)速發(fā)生了明顯衰減(分別是梁體阻礙作用和氣流擴(kuò)散作用所致)，而梁體正下方的風(fēng)速得到了加強(qiáng)(主要是過流斷面被壓縮引起的“狹管效應(yīng)”所致)。

注：L為距梁體中線的距離；h為梁下凈空；H為距地表的距離，下同。圖3 T梁梁底不同高度處相對風(fēng)速曲線

圖4為T梁周圍的氣流流線，不難發(fā)現(xiàn)，梁體兩側(cè)一定范圍之外(梁體兩側(cè)5h范圍外)未擾動(dòng)的氣流流線近似平行于地表，擾動(dòng)后氣流流線改變了方向，在梁底正下方的上層流線向梁頂發(fā)生了明顯的彎曲現(xiàn)象。

圖4 T梁周圍氣流流線

圖5為t=2 000 s時(shí)的沙相體積分布云圖，很明顯積沙主要集中在梁體迎風(fēng)側(cè)、背風(fēng)側(cè)，這種積沙形態(tài)主要與梁體周圍的流場結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。氣流相對風(fēng)速表明梁體迎風(fēng)側(cè)、背風(fēng)側(cè)和正下方的風(fēng)速分別發(fā)生衰減和加強(qiáng)，相應(yīng)地氣流的攜沙能力就會(huì)降低和增強(qiáng)，致使這些區(qū)域的風(fēng)沙流分別處于風(fēng)積和風(fēng)蝕狀態(tài)，從而產(chǎn)生沙粒堆積和地表風(fēng)蝕現(xiàn)象。值得注意的是，腹板間正下方的風(fēng)蝕區(qū)也出現(xiàn)了沙粒堆積，這與相對風(fēng)速的分析結(jié)果相矛盾，其主要原因是腹板間的氣流方向并非平行于地表，而是出現(xiàn)了繞流現(xiàn)象，部分質(zhì)量較輕的沙粒就會(huì)隨著氣流運(yùn)動(dòng)，使其與梁體碰撞而跌落在腹板間正下方。此外，梁底周圍逐漸增多的積沙改變流場結(jié)構(gòu)，也是影響梁底積沙的原因。

注：風(fēng)向從左到右。圖5 t=2 000 s時(shí)T梁周圍的沙相體積分布云圖

圖6為某低凈空橋梁(h≈1.0 m)現(xiàn)場積沙以及其提取的兩橋墩中間的積沙剖面，可以觀察到積沙形態(tài)及分布與數(shù)值模擬結(jié)果(圖5)基本吻合，說明所建數(shù)學(xué)模型能夠較好地反映梁體周圍的積沙演化特征。此外，注意到實(shí)際工程中橋梁背風(fēng)側(cè)與迎風(fēng)側(cè)的積沙量相當(dāng)，這與數(shù)值模擬結(jié)果存在差異，主要原因在于現(xiàn)場積沙是橋梁兩側(cè)多個(gè)風(fēng)向綜合作用的結(jié)果，而數(shù)值模擬結(jié)果僅僅是單一風(fēng)向作用的結(jié)果。

圖6 某低凈空橋梁現(xiàn)場積沙以及其剖面

3.3 T梁周圍積沙演化規(guī)律

圖7為T梁周圍沙相體積分布隨時(shí)間的變化規(guī)律，不難發(fā)現(xiàn)，當(dāng)t=200 s時(shí)，梁體迎風(fēng)側(cè)、背風(fēng)側(cè)及正下方的風(fēng)積沙堆相互獨(dú)立，隨著時(shí)間的推移，上述3個(gè)位置的積沙量及積沙范圍均呈遞增趨勢，但它們之間的凈距呈遞減趨勢，當(dāng)t=4 000 s時(shí)，積沙量和積沙范圍進(jìn)一步擴(kuò)展，使得上述3個(gè)沙堆有連成整體的趨勢。需要注意的是，梁體周圍的初始積沙主要是由于流場結(jié)構(gòu)引起的，但逐漸增加的沙堆體積會(huì)反過來再次影響流場結(jié)構(gòu)，從而加速沙堆體積增加的速率，如此反復(fù)形成惡性循環(huán)，最終堵塞橋梁，進(jìn)一步影響橋上列車的安全運(yùn)行。

圖7 T梁梁體周圍沙相體積分布隨時(shí)間的變化規(guī)律(縱橫比例尺為2∶1)

3.4 T梁凈空對積沙的影響

圖8為t=4 000 s時(shí)不同凈空條件下T梁周圍沙相分布，很容易看出，梁體周圍的積沙量對梁底凈空十分敏感，并隨著凈空增大呈遞減趨勢，當(dāng)凈空達(dá)到5.0 m時(shí)，梁體背風(fēng)側(cè)和正下方的沙堆消失，僅在迎風(fēng)側(cè)出現(xiàn)一處沙堆，且沙堆體積也非常小。主要原因有兩點(diǎn)：①隨著梁底凈空增大，梁體對風(fēng)沙流的擾動(dòng)能力變差，大部分沙?？梢皂樌ㄟ^，故積沙量呈遞減趨勢；②風(fēng)沙流中沙粒含量隨著高度呈遞減趨勢，因此腹板間繞流作用引起的積沙量也呈遞減趨勢。綜上所述，為減小或者消除梁體周圍產(chǎn)生的積沙，建議風(fēng)沙地區(qū)的梁底凈空不宜小于5.0 m。

圖8 不同凈空條件下箱梁和T梁底部積沙形態(tài)(縱橫比例尺為2∶1)

3.5 梁體類型對流場及積沙的影響

圖9為箱梁和T梁底部不同高度處相對風(fēng)速對比。很明顯，在梁體正下方同一高度處箱梁相對風(fēng)速明顯大于T梁，這說明箱梁底部氣流的加速效應(yīng)更加明顯，高速氣流使得箱梁底部積沙概率更低。此外，注意到在梁體背風(fēng)側(cè)附近(L=2.5h～7.5h)，箱梁的相對風(fēng)速略微大于T梁，這可能導(dǎo)致前者在該區(qū)域的積沙概率更高。

注：XL代表箱梁，TL代表T梁。圖9 箱梁和T梁底部不同高度處相對風(fēng)速對比

圖10為t=4 000 s箱梁和T梁底部積沙形態(tài)對比，可以看出箱梁底部的積沙量遠(yuǎn)小于T梁。此外，還可以觀察到，T梁正下方存在積沙現(xiàn)象，而箱梁正下方無積沙，這主要與梁體幾何形狀有關(guān)：箱梁底部是平面，不存在類似于T梁的繞流現(xiàn)象，一般不會(huì)在梁底產(chǎn)生積沙。上述分析表明，同等條件下箱梁周圍的積沙速率更低，在工程條件允許時(shí)，風(fēng)沙災(zāi)害嚴(yán)重的地區(qū)低凈空橋梁宜優(yōu)先使用箱梁。

圖10 t=4 000 s箱梁和T梁底部積沙形態(tài)對比(縱橫比例尺為2∶1)

4 結(jié)論

基于計(jì)算流體力學(xué)軟件，構(gòu)建歐拉雙流體非穩(wěn)態(tài)數(shù)值模型，對梁體周圍風(fēng)沙流的運(yùn)動(dòng)特征進(jìn)行深入剖析，并通過現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)驗(yàn)證了數(shù)值模型的可靠性，主要得到以下結(jié)論。

(1)T梁周圍的流場結(jié)構(gòu)表明，梁體在其迎風(fēng)側(cè)和背風(fēng)側(cè)附近由于風(fēng)速的衰減形成風(fēng)積區(qū)，而在梁底的正下方由于風(fēng)速加強(qiáng)形成風(fēng)蝕區(qū)。

(2)T梁周圍積沙主要分布在橋梁迎風(fēng)側(cè)、背風(fēng)側(cè)，而梁底正下方也存在少許積沙，且隨著時(shí)間的推移積沙量均呈遞增趨勢，前者積沙主要與氣流速度的衰減有關(guān)，而后者積沙主要與氣流的繞流有關(guān)。

(3)隨著T梁底部凈空增大，梁體周圍的積沙量呈遞減趨勢，當(dāng)凈空達(dá)到5.0 m時(shí)，僅在迎風(fēng)側(cè)出現(xiàn)一處體積很小的沙堆。為減小或消除梁體周圍產(chǎn)生積沙，建議風(fēng)沙地區(qū)的梁底凈空不宜小于5.0 m。

(4)與T梁相比，箱梁底部氣流的加速效應(yīng)更加明顯，相應(yīng)的積沙速率也相對較小，故在工程條件允許時(shí)，風(fēng)沙危害嚴(yán)重地區(qū)的低凈空橋梁宜優(yōu)先采用箱梁。