風沙地區(qū)鐵路路塹擋沙墻設計參數(shù)優(yōu)化與防護效果

劉 暢,王海龍,,孫 婧

(1.石家莊鐵道大學 交通運輸學院,石家莊 050043;2.河北省土木工程診斷、改造與抗災重點實驗室(河北建筑工程學院),河北 張家口 075132)

風沙地區(qū)的鐵路線路受到風沙災害影響,會造成如鋼軌磨蝕、沙埋,列車側翻等諸多問題。目前防沙措施主要采用植物治沙、機械治沙、化學治沙等方法,因不同區(qū)域的風力、風向、地形和線路條件的特殊性,往往需要因地制宜的設計防沙措施。具有建設周期短、見效快特點的機械治沙,成為惡劣環(huán)境中的首選防護措施[1]。關于機械措施的相關研究主要圍繞設計參數(shù)、防護效果等方面。文獻[2]通過研究風場風切變速度變化從而優(yōu)化防風沙障設計參數(shù)。文獻[3]根據(jù)歐拉雙流體模型得到土堤式擋沙墻和柱板式擋沙墻的流場分布特點和路基積沙的形態(tài),進而評價防風效果。文獻[4]設計HDPE材料提出新型功能沙障,并通過風洞試驗得到其有效防護距離和防護效果。文獻[5]采取數(shù)值模擬手段,針對西北荒漠地區(qū)最為常見的兩種工程措施——防風擋沙墻與草方格沙障進行深入研究,對其設計參數(shù)提出相應改進措施。文獻[6]通過Fluent對蘭新高鐵沿線風沙流場數(shù)值模擬得出,設置擋沙墻使得線路兩側防風效果較好,有效保障高鐵的運營安全。值得注意的是,目前工程問題普遍采用雷諾平均方法(Reynolds averaged Navier-Stokes equations,RANS)設計防護措施的結構參數(shù),通過模擬單相流場或采用歐拉雙流體方法獲得風沙流場特征,其中,歐拉雙流體將顆粒相視為連續(xù)相進行模擬計算[7]。而實際的風沙流場屬于非定常流動,在非定常流動下沙粒的運動分布是不均勻的,且在不同的風條件下輸沙率表現(xiàn)為“鋸齒型現(xiàn)象”[8]。因此本文采用大渦模擬(large eddy simulation,LES)獲得風沙流場的非定常脈動特性[9-10],并結合在歐拉-拉格朗日框架下的離散相模型(discrete phase model,DPM)模擬沙顆粒。LES大多被用來研究建筑風壓分布和氣動荷載的模擬、污染擴散以及山地風場的模擬等[11-12],而關于風沙躍移及防風固沙措施的研究較少。真實環(huán)境中沙塵(顆粒相)的體積分數(shù)小于10%,且顆粒會隨渦流運動聚集而并不是均勻分布[13],所以采用LES-DPM更適用于表現(xiàn)風沙流場特性。

在前期對青海省新建地方鐵路魚卡(紅柳)至一里坪線路的考察中發(fā)現(xiàn)[14],路塹的下凹結構更容易導致塹底線路積沙嚴重,成為鐵路產生沙害的主要原因。目前常見的風沙防護措施模擬方法多在平坦床面設計,因此,為分析在風沙環(huán)境下路塹工況下湍流與沙粒的相互作用規(guī)律,保護鐵路工程免受風沙災害,本文采用歐拉-拉格朗日法針對該工況進行模擬分析,研究湍流結構與顆粒運動的內在關系,并提出相應的防護結構,通過對比研究流場及積沙分布情況,可為鐵路路塹在工程應用中的風沙災害治理提供理論基礎。

1 風沙流場數(shù)值模型的建立

1.1 數(shù)值模型的建立

真實環(huán)境中,風場具有非定常脈動特性、不同沙顆粒的運動軌跡也并不相同。LES對大于濾波尺度的渦流可進行直接求解,獲得更多的湍流信息;DPM則可以求解每個顆粒的運動方程,獲得如速度、位置、路徑等信息,更易于表現(xiàn)沙顆粒的離散型和隨機性。因此采用LES結合DPM更加適合于風沙運動的模擬。

故利用ANSYS Fluent仿真軟件,并采用用戶自定義函數(shù)(UDF)對邊界條件及顆粒設置進行修正,建立三維風沙流場模型,并對鐵路路塹流場進行分析。

1.2 計算區(qū)域與網格劃分

選擇某一單線鐵路路塹結構作為流場模型。其中,路基面寬度為8.6 m、邊坡坡率為1∶1.5,路基兩側設置高度為1 m的側溝,并在側溝外側設置2 m寬的平臺,路基面為有砟軌道單線直線軌道(對某些細部結構進行簡化),計算域的具體尺寸如圖1所示。流場整體計算域尺寸為429.6 m×100 m×60 m,來流風向垂直于線路方向。為滿足大渦模擬的網格要求,準確捕捉計算模型周圍流場的復雜湍流特性,對周圍網格需進行加密處理。網格增長率為1.1,通過網格無關性驗證,最終該計算域的總網格數(shù)為336.46萬。

圖1 計算域及邊界條件

1.3 邊界條件及求解算法設定

邊界條件如圖1所示,將流場入口設置為速度入口,并將NSRFG[15]作為LES模擬計算的入流邊界條件,生成湍流場所需的脈動風速信息,參考高度(10 m)的風速設置為10 m/s,采用UDF將其加載至速度入口的網格之中。路塹表面及平坦地面設置為無滑移壁面,流場頂面及兩側設置為對稱邊界,出口為壓力出口。速度壓力耦合方程采用SIMPLE法進行求解,非線性對流項為二階迎風格式離散,動量方程采用有界中心差分格式,時間離散為二階隱式格式,亞格子模型為壁面自適應局部渦粘模型(WALE)。收斂標準設置為10-5。模型計算時對入口邊界選取某一參考點進行監(jiān)測,可得到NSRFG所生成的脈動風速時程曲線(圖2)。

圖2 某一監(jiān)測點(35,7.5,0)流向風速時程

為構建風沙兩相流運動,需在路塹前z=50～80 m地面以較小速度0.1 m/s向流場注入顆粒(圖1),模擬地面積沙,同時在y=2 m高度以0.1 m/s向空中注入顆粒,模擬遠處的風攜沙。顆粒的邊界條件中,除了地面為反彈(reflect)外,其余壁面均為逃逸(escape)。計算時顆粒假定為球體,注入顆粒的粒徑需服從對數(shù)正態(tài)分布,根據(jù)實測數(shù)據(jù),將計算中的沙粒平均粒徑取2.5×10-4m,標準差為0.7×10-4。根據(jù)Box-Muller算法,通過UDF編譯可將DPM中的注入顆粒設定為滿足對數(shù)正態(tài)分布的隨機粒徑。

由于拉格朗日離散模型中顆粒運動軌跡強烈依賴湍流流場的流動特征,同時保證計算結果的有效性,需先對純流場進行LES瞬態(tài)計算。其中,時間步長取為0.05 s,計算時長40 s,當?shù)玫匠錆M不同尺度湍流的計算域后,向湍流流場內開始注入顆粒,此階段的時間步長為0.02 s。繼續(xù)模擬40 s后,顆粒在流場內充分運動,并得到相應的流場信息。

2 平衡態(tài)湍流風場的驗證

2.1 風洞試驗簡介

風洞試驗結果是參考在石家莊鐵道大學風工程研究中心STU-1風洞實驗室進行的風洞試驗。低速實驗段長24 m,寬4.4 m,高3 m,低速實驗段的可調最大風速為30 m/s。由于處于風沙災害的鐵路工程大多在沙漠或荒漠地區(qū),因此地貌粗糙度為A類。參考風速設置約為10 m/s。試驗中風場測試系統(tǒng)采用TFI眼鏡蛇三維脈動風速測量儀,精度為0.5 m/s,采樣頻率及時間分別為330 Hz和100 s。

2.2 驗證平衡態(tài)湍流風場

向流場內注入的顆粒的運動軌跡會強烈依賴所在流場的湍流結構,所以需要先保證流場滿足大氣邊界層風場特性,即對大氣邊界層空流域進行模擬驗證。圖3為采用NSRFG方法模擬得到的風場平均風速和湍流強度剖面與風洞實驗及《建筑結構荷載規(guī)范》(GB 50009—2012)[16]的對比結果。其中,Zg為梯度高度,Ug為梯度高度風速,Iu為順風向湍流強度,α為風剖面指數(shù)。圖3中模擬得到的平均風速與目標風速剖面基本保持一致,而流場中湍流強度剖面相較于規(guī)范值與風洞試驗值有一定的衰減。但總體而言,入口采用NSRFG方法生成的湍流流場基本滿足大氣邊界層目標湍流風場特性的要求,所構建的湍流流場可以準確模擬大氣邊界層的湍流特性。

圖3 平均風速和湍流強度剖面對比

3 風沙流場特征分析

3.1 渦結構特性及流場特征分析

在風沙環(huán)境下,鐵路工程選擇路堤作為鐵路路基時,對鐵路及列車的防護手段多采用“阻隔遠處風攜沙,降低路基面風速”的思路。圖4為采用Q準則[17]作為判定方法所得到的路塹與路堤兩種路基形式下風沙流場的瞬時渦型圖對比,顯而易見,路基周圍的渦團結構大不相同。圖4(a)中路塹內多為復雜密實的渦旋結構,路塹上半部存在馬蹄渦,而鋼軌附近多為破碎低速渦團。而圖4(b)在路基面上多為附著在鋼軌附近的錐形渦,馬蹄渦則聚集在路堤后遮蔽區(qū)內。馬蹄渦所在區(qū)域會導致氣流流動方向反向(即形成回流),這些回流渦旋會增加鋼軌附近的積沙量并影響列車的正常運營及增加清沙維護成本。可見在風沙流場中,路塹結構的沙埋風險遠遠大于路堤結構,因此無法采用路堤結構所考慮的導沙、輸沙思路。

圖4 基于Q準則的瞬時渦結構對比(Q>3)

考慮到大渦模擬會反映湍流脈動的流場特征,圖5是某y-z截面的瞬時風速云圖。在參考高度風速為10 m/s的前提下,可以發(fā)現(xiàn)在路塹內部風速值基本不超過11 m/s,左邊坡附近風速均小于5.6 m/s;路塹的下凹形式對路基面形成天然阻風效果,導致距路基面一定高度內風速均小于3.6 m/s,形成低速區(qū)。

圖5 x=35 m的y-z截面風速云圖

3.2 流場顆粒分布規(guī)律

為直觀得到流場內運動顆粒的分布規(guī)律,將來流方向(z向)不同位置顆粒水平速度與顆粒粒徑分布進行統(tǒng)計得到圖6。由圖6可見,整個流場內分布不同速度的運動顆粒。研究發(fā)現(xiàn)最易躍移的沙粒粒徑為0.10～0.25 mm[18],在路塹前流場(即z=100～116 m)分布的大部分小粒徑顆粒(d≤0.267 mm)均保持低速運動,速度為0～4.70 m/s,而大粒徑顆粒運動距離基本保持在25～41 m之間。小粒徑顆粒運動至路塹內后,流向速度迅速增加,速度達到-7.31～14.90 m/s,說明顆粒會在路塹內開始反向運動并出現(xiàn)速度較大的反向運動顆粒。圖7中的藍色流線表示氣流的運動軌跡,可發(fā)現(xiàn)路塹內部的氣流流動方向交錯復雜,并且出現(xiàn)不同于流向方向的反向回流,即產生“窩風”現(xiàn)象;同時顆粒會因為紊流而“窩”在下凹結構內而很難再次輸導到路塹外,最終沉降在鐵路線路周圍。

圖6 顆粒速度與粒徑統(tǒng)計

圖7 流場內部分三維流線

另外,很多風沙災害地區(qū)的瞬時風速可達到每秒幾十米,會導致更多沙粒進入路塹內后難以輸導出去,鋼軌的掩埋風險更大。

4 防護措施設計參數(shù)優(yōu)化

由3.1節(jié)分析可知,針對存在路塹結構的風沙流場,防風固沙措施的設計應該著重在路面阻沙,防止來流風沙進入路塹內,對鐵路工程造成風蝕、沙埋等風沙危害。

4.1 單排擋沙墻防護效果分析

根據(jù)前期在青海紅一線的防護研究,擋沙墻可以改變流場分布,并在其后形成一定范圍的低速遮蔽區(qū)。遮蔽區(qū)有利于沙顆粒的沉降,防止沙顆粒再次起動。當擋沙墻布置較遠時,鐵路路基未處在低速遮蔽區(qū)的保護范圍內,路基附近的地表流沙易被再次揚起。同時,風沙地區(qū)90%的移動沙顆粒集中在地表高度30 cm以下,選擇2 m高的擋沙墻即可達到良好的防風阻沙效果。因此考慮顆粒起動條件、擋沙墻遮蔽區(qū)距離,探究擋沙墻布設位置對含路塹流場湍流結構分布的影響,將2 m高的擋沙墻分別設置在距離路塹0、10、20 m的不同位置處(圖8),作為工況1、工況2、工況3對比分析。

圖8 擋沙墻與路塹布置間距示意圖

4.1.1 流場特征分析

圖9為3種工況流場某y-z截面的瞬時風速云圖(x=50 m)。可直觀看出,3種工況都會將氣流抬升一定高度,在路塹內形成更大范圍的低速區(qū);同時,工況2、3還會在擋沙墻后平坦區(qū)域形成低速區(qū)。隨著布設距離的增加,工況1中的氣流紊亂區(qū)(圖9(a)區(qū)域Ⅰ)會逐漸擴散至整個塹內,湍流結構也變得復雜。

圖9 3種工況下y-z截面風速云圖(x=50 m)

為進一步研究路塹內的湍流變化,將3種工況的路塹中心位置的垂直風速廓線進行對比得到圖10。路塹內出現(xiàn)的“S”型曲線表示此處存在紊流,沙粒在紊流作用下更易沉降堆積。由圖10可知,工況1中路塹內均為低速渦流,且低速區(qū)高度在11.7～12.7 m之間。工況2相對工況1,在相同高度下流向風速增大,紊流變化范圍也增大。工況3中流向速度變化范圍更大。這都表明,受擋沙墻抬升的氣流在路塹內開始下沉,并且隨著擋沙墻與路塹距離的增加,抬升氣流下沉位置會不斷提前。但是另一方面,結合圖9可見,當擋沙墻與路塹存在一定間距后,其后形成的遮蔽區(qū)會讓一部分越過擋沙墻的沙粒在遮蔽區(qū)沉降,減少了沙粒向路塹內移動的比重。因此還需探討3種工況下的顆粒運動分布規(guī)律。

4.1.2 防沙效果分析

圖11是計算40 s后的3種工況所在流場運動顆粒分布。工況1中塹內的顆粒數(shù)較多,并且已有部分顆粒沉降在鋼軌附近及側溝內。而工況2、3顆粒分布的一個明顯特點為:在區(qū)域一平坦路面上存在一定量的沉降顆粒,并且大部分聚集在靠近擋沙墻一側。

按照圖11將3種工況下流場內不同區(qū)域的運動顆粒進行統(tǒng)計得到圖12,其中,由于工況1中擋沙墻設置在路塹左邊坡頂,因此擋沙墻后平坦地面上無顆粒沉降,即顆粒數(shù)為0個。由圖12可見,隨著擋沙墻與路塹間距增加,在相同時刻下,區(qū)域一顆粒數(shù)量逐漸增加,區(qū)域二的顆粒數(shù)逐漸降低。工況2、工況3中,擋沙墻后的回流區(qū)導致沉降的顆粒占越過擋沙墻的總顆粒數(shù)的45.8%、76.0%。

圖12 3種工況下不同位置顆粒統(tǒng)計

因此,通過綜合對比擋沙墻在不同布置間距下的流場特征及防沙效果后發(fā)現(xiàn),在距路塹段一定距離內布置擋沙墻,通過擋沙墻對流場整體進行調節(jié),在擋沙墻阻擋大部分顆粒的基礎上,利用其后的低速回流區(qū),可使一部分通過抬升氣流而越過擋沙墻的顆粒隨渦旋運動并逐漸沉降在擋沙墻回流區(qū)的平坦地面上。而工況3在相同計算參數(shù)下,擋沙墻后沉積更多的顆粒,所以高度為2 m的擋沙墻布置在距路塹20 m時,相比于另外兩中工況,可產生良好的阻沙效果。

4.2 雙排擋沙墻防護效果分析

為進一步阻擋擋沙墻后遮蔽區(qū)內的空中懸移顆粒向路塹段移動,針對工況1、3中顆粒運動分布特點,在路塹左邊坡塹頂邊緣加設一排擋沙墻,可進一步增強擋沙墻的阻沙能力(圖13)。本節(jié)選擇兩種工況進行對比分析,分別為工況2-2:擋沙墻1高度為2 m,擋沙墻2高度為2 m;工況2-3:擋沙墻1高度為2 m,擋沙墻2高度為3 m,計算模型中其他計算參數(shù)均與4.1節(jié)相同。

圖13 雙排擋沙墻示意圖

4.2.1 流場特征分析

圖14為工況2-2、2-3在某y-z截面的流向風速云圖?？梢园l(fā)現(xiàn),處于路塹邊緣處的擋沙墻可以進一步抬升上部擠壓氣流,工況2-3明顯增大了回流區(qū)范圍。通過擋沙墻2與路塹邊坡的共同作用,使得在塹內路基面都存在一定范圍的低速回流區(qū),其流向風速小于5 m/s。對比發(fā)現(xiàn),工況2-3中擋沙墻2對路塹內的防護范圍要大于工況2-2,在路塹內有更大范圍的低速回流區(qū),可降低對鋼軌及運營列車的風沙威脅。

圖14 兩種工況y-z截面流向風速云圖(x=50 m)

4.2.2 防沙效果分析

圖15為進入流場內的顆粒運動40 s后顆粒的運動位置及其瞬時流向速度圖。工況2-2、2-3的顆粒分布規(guī)律均表現(xiàn)為:擋沙墻1可阻擋大部分入射顆粒;其余一部分空中顆粒或接觸壁面后的反彈顆粒會隨抬升氣流越過擋沙墻1,并因低速回流區(qū)和逆壓梯度影響而逐漸沉積在擋沙墻1和2之間;還有一部分顆粒在抬升氣流中獲得較大運動速度,未在擋沙墻1和2之間區(qū)域沉降,而是越過擋沙墻2后繼續(xù)向路塹段運動。并且工況2-3中路塹段內的顆粒數(shù)小于工況2-2。

圖15 顆粒運動位置與流向速度分布云圖

將雙排擋沙墻所在的路塹流場分為代表擋沙墻1、2之間的區(qū)域Ⅰ、代表路塹段內部的區(qū)域Ⅱ、代表路塹后的平坦地面的區(qū)域Ⅲ(圖15)。對工況2-2、2-3中顆粒所在位置進行統(tǒng)計,得到圖16。由圖16可見,在相同顆粒入射時間內,區(qū)域Ⅰ中工況2-3相較工況2-2顆粒數(shù)減少29.8%、區(qū)域Ⅱ中工況2-3相較工況2-2顆粒數(shù)減少43.9%、區(qū)域Ⅲ中工況2-3相較工況2-2顆粒數(shù)減少10.5%。

圖16 不同區(qū)域顆粒統(tǒng)計

另外,將工況2-2、2-3與4.1.2節(jié)中的3種工況的顆粒數(shù)占比(即路塹內的顆粒數(shù)與入射進流場的總顆粒數(shù)的比值)進行對比,得到圖17。由圖17可見,當采用不同高度的擋沙墻進行雙層防護后,可進一步改善整體流場特征、減少路塹內的運動顆粒。工況2-3中較高的擋沙墻2可防止處于較高位置、較大速度的顆粒向路塹段移動,因此該工況中進入路塹內的顆粒數(shù)量占比最小。本節(jié)只模擬了顆粒入射后40 s的顆粒運動情況,當計算時間增加后,工況2-2、2-3在區(qū)域Ⅱ內顆粒數(shù)量的差距還會更加明顯。

圖17 進入路塹內的顆粒數(shù)占比

5 結 論

路塹的下凹結構形式會導致其所在的流場特征及顆粒運動軌跡與凸起的路堤結構有所不同?；贚ES-DPM構建某單線鐵路路塹風沙流場,對其流場分布和顆粒運動軌跡進行了研究,討論了含路塹的流場的防護措施優(yōu)化設計。主要結論如下:

1)路塹內路塹內的紊流變化復雜,沙粒更易沉降、堆積在鋼軌內,沙埋風險大大增加;路塹邊坡對路基面形成天然阻風效果,路基面一定高度內風速均小于3.6 m/s,沉降沙粒不易輸導出去。

2)通過對顆粒運動軌跡及分布規(guī)律進行分析發(fā)現(xiàn),小粒徑顆粒會隨渦旋氣流在塹內運動,速度達到-7.31～14.90 m/s;而大粒徑顆粒基本在平坦地面上蠕移。因此粒徑越小越易在湍流場內持續(xù)獲得動能繼續(xù)運動。

3)針對路塹特有的流場特征將高度為2 m的擋沙墻設置在距路塹20 m處可獲得良好的防護效果。該工況下,擋沙墻可利用對流場的整體調節(jié)使部分顆粒沉積在平坦地面上,大大減少了沙粒向路塹內移動的比重,減少了鐵路被沙埋的風險。

4)在工程成本允許的前提下,可在路塹邊緣加設一排擋沙墻加強防風固沙的效果。間隔20 m的雙排擋沙墻利用高度差(2 m/3 m)可以增大回流區(qū)范圍,阻擋較高區(qū)域的運動顆粒,相比于單排擋沙墻可有效減少來流風攜沙運動至路塹內,降低對鋼軌及運營列車的風沙威脅。