風(fēng)沙環(huán)境下高速公路路基風(fēng)壓及沙粒沉積分析研究

王海峰 吳永祥 丁新建 李瑞杰

寧夏公路管理中心 寧夏銀川 750001

1 烏瑪高速風(fēng)向及風(fēng)力分析[3]

為了研究高速公路風(fēng)沙環(huán)境及風(fēng)力特征，在現(xiàn)場沿線布設(shè)氣象觀測站，本文通過一年周期的風(fēng)力及風(fēng)向分析研究路基在該氣候條件下的風(fēng)積風(fēng)蝕特征。

1.1 風(fēng)向分析

根據(jù)2020年6月至2021年6月在高速公路廊道內(nèi)采集的風(fēng)向數(shù)據(jù)可知，夏季主要以ES及ESS風(fēng)為主，其中ES風(fēng)頻率為14.02%，ESS風(fēng)頻率為13.99%，該區(qū)盛行東南風(fēng)；進入秋季，該區(qū)風(fēng)向由東南風(fēng)逐漸變化為西北風(fēng)，東南風(fēng)相繼減小，其中NWN風(fēng)頻率為11.76%，EES風(fēng)頻率為12.79%；在冬季，該區(qū)域主要盛行西北風(fēng)，其中NW風(fēng)的頻率為13.1%、WNW風(fēng)的頻率為14.3%；進入春季時，風(fēng)向逐漸向東南風(fēng)轉(zhuǎn)變，其中ES風(fēng)頻率為10.8%，WNW、NW、NWN風(fēng)頻率總計為23.59%。從數(shù)據(jù)可看出風(fēng)向頻率存在季節(jié)性的變化，冬季主要以西北風(fēng)及西西北風(fēng)為主，夏季以東南風(fēng)及南東南風(fēng)為主，春秋兩季為過渡期。在該區(qū)年平均風(fēng)向以WNW、NW、NWN風(fēng)為主(其風(fēng)向頻率總計為24.04%)，其次為ESE、ES、SES風(fēng)(其風(fēng)向頻率總計為22.46%)。

1.2 風(fēng)速分析

圖2為騰格里沙漠地區(qū)的風(fēng)速玫瑰圖，從圖中可以看出，夏季風(fēng)速最強，其最大平均風(fēng)速為4.88m/s，最小平均風(fēng)速為1.02m/s，靜風(fēng)頻率為8.45%；秋季風(fēng)速最弱，其最大平均風(fēng)速為2.73m/s，靜風(fēng)頻率為7.21%；冬季風(fēng)速較弱，其最大平均風(fēng)速為3.88m/s，靜風(fēng)頻率為14.87%；春季風(fēng)速較大，其最大平均風(fēng)速為4.09m/s，靜風(fēng)頻率為6.78%。年平均風(fēng)速值變化不大，最大值為3.57m/s，最小值為1.41m/s，靜風(fēng)頻率為9.33%。

2 分析計算模型

數(shù)值模擬采用Fluent軟件，通過試算并結(jié)合現(xiàn)場實際情況，對K180+500斷面進行模擬分析，模型尺寸取來流風(fēng)向、線路方向和豎直方向分別為337m、150m和40m，路堤高度4m，路面寬度44m。網(wǎng)格采用最新的Fluent meshing技術(shù)生成Poly-Hexcore網(wǎng)格，設(shè)置7層附面層，其他參數(shù)同上。圖3為公路斷面示意圖，圖4為數(shù)值建模模型示意圖，圖5為數(shù)值模型的邊界條件圖，通過對現(xiàn)場風(fēng)速的分析采用以初始速度v=30m/s，沙粒相體積分數(shù)a=0.03進行計算。

3 計算結(jié)果分析

3.1 風(fēng)沙流速度和壓力分析

圖6是沙漠公路(K180+500)風(fēng)沙流速度云圖，在第一個防護路塹迎風(fēng)側(cè)形成了一個風(fēng)速的加速區(qū)。圖7是沙漠公路(K180+500)風(fēng)沙流壓力云圖，同樣有云風(fēng)速的加速，在路塹的迎風(fēng)側(cè)有一個壓力增大區(qū)，其余壓力平穩(wěn)。

3.2 風(fēng)沙流沙粒沉積分析

圖8是沙漠公路(K180+500)風(fēng)沙流，時間在6s時的沙粒體積分數(shù)云圖，可以看出風(fēng)沙先吹到路塹左邊堆積，然后隨著時間的增加，沙粒緩緩從路塹左側(cè)滑落。

結(jié)語

沙粒運動影響了氣流的速度，氣流速度大于起沙風(fēng)速并作用于沙粒時，風(fēng)沙流密度逐漸增加，沙粒對氣流的阻礙作用增強，氣流開始減速，風(fēng)沙流密度逐漸減小，此時部分沙粒的速度已超過氣流速度，這部分沙粒對氣流起加速作用，氣流速度又逐漸增大，表明沙粒運動通過影響風(fēng)速來影響自身的速度與輸移特性，形成一種反饋機制。

正交單向來風(fēng)條件下，風(fēng)沙流途經(jīng)路堤時，隨著風(fēng)速的增大，迎風(fēng)坡坡腳的積沙量不斷減小，背風(fēng)坡坡腳的積沙量的增加，并且再次移動。