鐵路高架橋?qū)值仫L(fēng)動(dòng)力的影響
——以敦格鐵路沙山溝為例

薛承杰， 張克存， 安志山,2， 張宏雪， 潘加朋

(1.中國(guó)科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院敦煌戈壁荒漠生態(tài)與環(huán)境研究站，甘肅 敦煌 736200；2.中國(guó)科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院沙漠與沙漠化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730000；3.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）

敦煌-格爾木鐵路（簡(jiǎn)稱敦格鐵路）是南連青藏鐵路、北接蘭新高鐵、西達(dá)庫(kù)格鐵路的重要樞紐，對(duì)于擴(kuò)大和完善西北鐵路網(wǎng)、促進(jìn)沿線地區(qū)及西藏經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)進(jìn)步具有重要意義［1］。該路段全長(zhǎng)約508 km，途經(jīng)沙山溝路段長(zhǎng)度約12.90 km。

沙山溝是阿爾金山的泄洪通道，整體呈“U”形寬谷。溝內(nèi)地形相對(duì)平坦，溝谷兩側(cè)分布有大片低矮的流動(dòng)沙丘及高大復(fù)合型沙丘，沙源物質(zhì)豐富。其主要的沙丘類(lèi)型有復(fù)合型新月形沙丘鏈、鏈狀沙丘、格狀沙丘及金字塔沙丘，沙丘高度普遍在10～150 m 之間。沙山溝區(qū)域內(nèi)旱風(fēng)同季，風(fēng)動(dòng)力條件也較為充足。為了更加安全的穿越沙山溝流動(dòng)沙丘路段，鐵路建設(shè)者采取“以橋代路”的方式加以解決?！耙詷虼贰钡姆绞皆谖鞅鄙衬貐^(qū)的鐵路、公路修建中應(yīng)用較為普遍，沙區(qū)高架橋盡可能地保證了輸沙通道的順暢，同時(shí)對(duì)當(dāng)?shù)卦猩鷳B(tài)環(huán)境也起到了很好的保護(hù)作用。但由于高架橋周邊沙粒大量堆積且流動(dòng)沙丘不斷地前移，鐵路高架橋也存在風(fēng)蝕、沙埋的潛在隱患［2-5］。

本文根據(jù)沙山溝特大橋東西兩側(cè)野外實(shí)測(cè)風(fēng)況、集沙儀數(shù)據(jù)，針對(duì)沙山溝特大橋的風(fēng)沙動(dòng)力環(huán)境特點(diǎn)加以研究分析，并模擬流動(dòng)沙丘前移對(duì)高架橋兩側(cè)流場(chǎng)分布的影響，以揭示高架橋兩側(cè)的風(fēng)沙活動(dòng)規(guī)律，為鐵路沙害的監(jiān)測(cè)與防治提供一定的理論依據(jù)。

1 資料來(lái)源及研究方法

研究資料源于2019 年12 月至2020 年12 月期間，在距高架橋東西兩側(cè)各30 m 處布設(shè)的HOBO 自動(dòng)氣象儀所獲取的風(fēng)速與風(fēng)向觀測(cè)資料及集沙儀獲取的積沙數(shù)據(jù)。HOBO 自動(dòng)氣象儀記錄數(shù)據(jù)為每10 min的平均值，觀測(cè)高度距離地面2 m（圖1）。

圖1 觀測(cè)實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)及儀器Fig.1 Observation experiment sites and instruments

本文在野外實(shí)測(cè)的基礎(chǔ)上借助歐拉雙流體模型，分別模擬了沙丘前緣距高架橋西側(cè)為30 m 和抵近梁底時(shí)的高架橋周?chē)鲌?chǎng)分布特征，以此說(shuō)明流動(dòng)沙丘對(duì)于高架橋周?chē)鲌?chǎng)的影響及潛在沙害問(wèn)題。

輸沙勢(shì)是衡量該區(qū)域風(fēng)沙活動(dòng)強(qiáng)度的重要指標(biāo)之一，表示潛在的輸沙能力，即反映風(fēng)速統(tǒng)計(jì)中某一方向的風(fēng)向在一定時(shí)間內(nèi)的輸沙能力，在數(shù)值上以矢量單位VU 表示。目前，計(jì)算輸沙勢(shì)最廣泛的方法是Fryberger采用的萊托方程［6-7］。

式中：DP 為輸沙勢(shì)（矢量單位VU）；V為風(fēng)速（m·s-1）；Vt為起動(dòng)風(fēng)速（m·s-1），起沙風(fēng)速統(tǒng)一取5 m·s-1［8-10］；t為起沙風(fēng)作用時(shí)間，在統(tǒng)計(jì)表中以頻率（%）表示。

按照16 個(gè)方向輸沙勢(shì)方向矢量疊加的方法得到合成方向稱為合成輸沙方向（RDD），表示輸沙凈走向。合成輸沙方向的輸沙量稱為合成輸沙勢(shì)（RDP），表示各種風(fēng)向作用下的凈輸沙勢(shì)。合成輸沙勢(shì)與輸沙勢(shì)的比值稱為方向變率指數(shù)（RDP/DP），用來(lái)反映一個(gè)地區(qū)風(fēng)向組合情況［11-12］，起沙風(fēng)的方向變率越大，方向變率指數(shù)則越小。

2 結(jié)果與分析

2.1 平均風(fēng)速與起沙風(fēng)頻率

高架橋兩側(cè)平均風(fēng)速與起沙風(fēng)頻率變化趨勢(shì)基本一致，都呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)，5 月時(shí)兩者均達(dá)到最大值（圖2）。但由于受到高架橋的阻擋作用，高架橋東側(cè)平均風(fēng)速及起沙風(fēng)頻率均低于西側(cè)，高架橋東西兩側(cè)平均風(fēng)速衰減比率普遍在25%以上。其中，5—8 月春、夏季節(jié)是高架橋兩側(cè)風(fēng)速衰減最為強(qiáng)烈的時(shí)間段，此時(shí)段兩側(cè)的起沙風(fēng)頻率、平均風(fēng)速也均較高，說(shuō)明風(fēng)速越大，高架橋?qū)τ陲L(fēng)力的削弱作用越強(qiáng)烈，橋梁西側(cè)遭受風(fēng)蝕作用也進(jìn)一步增強(qiáng)。

圖2 沙山溝特大橋東西側(cè)平均風(fēng)速和起沙風(fēng)頻率月際變化Fig.2 Monthly variation of mean wind speed and frequency of sand-driving wind on the east and west sides of Shashangou Bridge

2.2 起沙風(fēng)況

起沙風(fēng)向有助于認(rèn)識(shí)高架橋兩側(cè)風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)的空間方向性。高架橋西側(cè)起沙風(fēng)向多變，尤其以夏季表現(xiàn)最為強(qiáng)烈。高架橋西側(cè)全年以SSE、WNW、NE三個(gè)方向的起沙風(fēng)為主，其三個(gè)主要風(fēng)向的起沙風(fēng)頻率占全年風(fēng)頻分別為14.15%、6.01%、5.74%（圖3a）。高架橋東側(cè)全年起沙風(fēng)向以NW、WNW、S 為主，三個(gè)主要風(fēng)向的總起沙風(fēng)頻率僅占全年風(fēng)頻的2%（圖3b）。根據(jù)起沙風(fēng)頻率數(shù)據(jù)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，高架橋西側(cè)年起沙風(fēng)頻率總體高于東側(cè)，即高架橋西側(cè)顯示出更易起沙的特點(diǎn)。

圖3 沙山溝特大橋東西側(cè)年起沙風(fēng)頻率分布玫瑰圖Fig.3 Shashangou Bridge on the east and west side of the sand wind rose in the year

通過(guò)對(duì)高架橋兩側(cè)起沙風(fēng)向的對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，5～6 m·s-1起沙風(fēng)速在全年所占比例均最大。但高架橋東西兩側(cè)年起沙風(fēng)向存在部分差異，其主要原因是高架橋兩側(cè)起沙風(fēng)向受高架橋影響發(fā)生偏轉(zhuǎn)。高架橋西側(cè)來(lái)自NW 方向的氣流由于受到橋梁的阻擋，導(dǎo)致部分氣流偏轉(zhuǎn)為SE 風(fēng)向，增大了SE 風(fēng)向的比例，使得高架橋西側(cè)年起沙風(fēng)向中SE風(fēng)向頻率高于東側(cè)；高架橋東側(cè)來(lái)自SE方向的起沙風(fēng)受到橋梁的阻礙作用偏轉(zhuǎn)為NW 方向，高架橋東側(cè)NW 方向的起沙風(fēng)頻率增加。

在高架橋兩側(cè)起沙風(fēng)向季節(jié)變化方面，高架橋兩側(cè)秋冬季起沙風(fēng)向均以SE、S風(fēng)為主，但在春夏季起沙風(fēng)向存在差異。在春季時(shí)，橋梁西側(cè)NE 起沙風(fēng)向所占比例偏大，而橋梁東側(cè)起沙風(fēng)向主要以NW 方向?yàn)橹?。夏季時(shí)，橋梁西側(cè)起沙風(fēng)向多變且WNW 起沙風(fēng)向所占比重明顯增加，橋梁東側(cè)起沙風(fēng)向較為單一，仍以NW起沙風(fēng)為主。

2.3 輸沙勢(shì)

沙山溝特大橋西側(cè)全年輸沙勢(shì)為284.19 VU，屬于中等風(fēng)能環(huán)境，合成輸沙勢(shì)為27.45 VU，合成輸沙風(fēng)向?yàn)?24°，方向變率指數(shù)為0.10，屬于小比率（圖4a）。在全年多風(fēng)向風(fēng)能環(huán)境中，來(lái)自NE 方向的風(fēng)能占19.83%，來(lái)自WWN 方向和W 方向的風(fēng)能分別占15.58%和11.44%，因此，沙山溝特大橋西側(cè)主要風(fēng)能來(lái)自東北和西北，且東北居多。東北方向輸沙能力最強(qiáng)，尤其以春季時(shí)段9～10 m·s-1風(fēng)速輸沙勢(shì)最大（圖5a）。在季節(jié)變化上，高架橋西側(cè)夏季輸沙勢(shì)最大，達(dá)到145.39 VU（圖5b）。春、夏季節(jié)風(fēng)向變率指數(shù)偏小，即風(fēng)向變化較多。秋冬季節(jié)風(fēng)向變率指數(shù)屬于中比率，風(fēng)向相對(duì)較為單一，主要以SE、S風(fēng)向?yàn)橹?。秋冬季?jié)WNW方向輸沙能力雖然也普遍較強(qiáng)，其中在7～8 m·s-1風(fēng)速條件下輸沙能力最強(qiáng)（圖5c），但冬季時(shí)SSE 方向和S 方向輸沙能力也逐漸增強(qiáng)，分別在5～6 m·s-1和8～9 m·s-1風(fēng)速時(shí)達(dá)到最大輸沙（圖5d）。

圖4 沙山溝特大橋東西側(cè)年輸沙勢(shì)Fig.4 Annual sediment transport potential on the east and west sides of Shashangou Bridge

圖5 沙山溝特大橋西側(cè)各季節(jié)輸沙勢(shì)Fig.5 Sediment transport potential in different seasons on the west side of Shashangou Bridge

沙山溝特大橋東側(cè)年輸沙勢(shì)為31.24 VU，屬于低風(fēng)能環(huán)境，合成輸沙勢(shì)為8.97 VU，合成輸沙風(fēng)向?yàn)?1°，方向變率指數(shù)為0.29，屬于中比率（圖4b），方向變率指數(shù)相對(duì)于高架橋西側(cè)偏大，風(fēng)向相對(duì)單一。在季節(jié)變化上，高架橋東側(cè)夏季時(shí)輸沙勢(shì)也達(dá)到最大，為13.78 VU。在多風(fēng)向風(fēng)能環(huán)境中，來(lái)自NW 方向的風(fēng)能占21.77%，來(lái)自S 方向和WNW 方向的風(fēng)能分別占14.88%和12.65%，因此，沙山溝特大橋東側(cè)主要風(fēng)能來(lái)自西北和偏南方向，且西北方向居多。春季方向變率指數(shù)較小，指示風(fēng)向多變，且春季S 方向輸沙能力最強(qiáng)，尤其以6～7 m·s-1風(fēng)速時(shí)輸沙勢(shì)最大（圖6a）。夏、秋、冬三個(gè)季節(jié)的風(fēng)向變率指數(shù)屬于中比率，其中，夏季時(shí)方向變率指數(shù)最大，指示風(fēng)向相對(duì)較為單一。夏季主要以WN 和WNW 風(fēng)向?yàn)橹髑襑NW 方向輸沙能力較強(qiáng)，其中，在7～8 m·s-1風(fēng)速條件下輸沙能力最強(qiáng)（圖6b）。秋、冬季節(jié)輸沙勢(shì)最小，但同樣顯示出S 及SSE 風(fēng)向輸沙作用增強(qiáng)的趨勢(shì)，尤其是7～8 m·s-1風(fēng)速時(shí)輸沙作用最為強(qiáng)烈（圖6c、圖6d）。

圖6 沙山溝特大橋東側(cè)各季節(jié)輸沙勢(shì)Fig.6 Sediment transport potential in different seasons on the east side of Shashangou Bridge

高架橋兩側(cè)年合成輸沙方向均以E 為主，這與高架橋周?chē)L(fēng)沙流實(shí)際運(yùn)動(dòng)方向較為一致，但兩側(cè)不同季節(jié)的合成輸沙方向略有不同。高架橋西側(cè)春季時(shí)的合成輸沙方向?yàn)镾SW，其他季節(jié)合成輸沙方向大致均為E；高架橋東側(cè)冬季時(shí)的合成輸沙方向?yàn)閃，而春、夏、秋三個(gè)季節(jié)的合成輸沙方向大致均為E。結(jié)合高架橋兩側(cè)的起沙風(fēng)分布情況，春季時(shí)，橋梁西側(cè)沙?？傮w往SW 方向聚集，橋梁東側(cè)沙粒總體往E方向運(yùn)動(dòng)，橋底架空區(qū)域不易積沙；冬季時(shí)，沙粒向橋底架空區(qū)域靠攏，積沙可能性增大。

3 高架橋兩側(cè)流場(chǎng)分布特征

研究區(qū)橋底凈空高度約11 m，橋面寬度為5.5 m，橋面厚度約0.5 m，橋梁底部寬2.5 m，橋梁外觀結(jié)構(gòu)屬于T 型梁。高架橋周邊流動(dòng)沙丘分布廣泛，流動(dòng)沙丘距高架橋水平距離約30 m，沙丘高度近10 m，沙丘底部寬度約60 m。根據(jù)前人對(duì)該區(qū)域風(fēng)速廓線的研究［5］，該區(qū)域摩阻風(fēng)速u(mài)*選定為0.37 m·s-1，粗糙度系數(shù)Z0為0.095 cm，卡曼常數(shù)k取0.4。結(jié)合前文高架橋東西兩側(cè)風(fēng)動(dòng)力環(huán)境特點(diǎn)，本文選取單一正交風(fēng)向條件下，流動(dòng)沙丘背風(fēng)側(cè)，即高架橋兩側(cè)流場(chǎng)分布特征進(jìn)行數(shù)值模擬研究［13-15］。

由于風(fēng)沙流在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中主要受到水平和垂直兩個(gè)方向的作用力，因此，采用二維模型進(jìn)行模擬分析。本文為了更好地與高架橋周?chē)鷮?shí)際流場(chǎng)及積沙情況相吻合，按1:1 比例進(jìn)行高架橋幾何建模。其計(jì)算域尺寸為195.5 m×30 m，該計(jì)算域可以保證湍流充分發(fā)展（圖7）。計(jì)算域左側(cè)邊界為風(fēng)沙兩相流的入口，定義為速度進(jìn)口邊界條件（VELOCITY_INLET）；右側(cè)為風(fēng)沙流出口邊界，定義為湍流完全發(fā)展出流邊界條件（OUT_FLOW）；沙丘表面及地面定義為無(wú)滑移壁面（WALL），計(jì)算域頂部采用對(duì)稱邊界條件（SYMMETRY）；介質(zhì)類(lèi)型為FLUID。網(wǎng)格劃分類(lèi)型采用四邊形網(wǎng)格和三角形網(wǎng)格混合的形式（Quad/Tri），劃分方法采用Pave 法，即將區(qū)域劃分為非結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格。入口處風(fēng)速隨高程分布符合對(duì)數(shù)分布規(guī)律，滿足如下公式：

圖7 計(jì)算域Fig.7 Computing domain

式中：u為入口處不同高度處風(fēng)速（m·s-1）；u*為摩阻風(fēng)速，本文取值為0.37 m·s-1；k為卡曼常數(shù)，一般取值為0.4；Z代表不同風(fēng)速對(duì)應(yīng)的距離地面垂直高度（cm）；Z0代表粗糙度系數(shù)，本文取值為0.095 cm；入口處湍流強(qiáng)度設(shè)置為5%，入口處沙粒相體積分?jǐn)?shù)為0.02[16-18]。

風(fēng)沙流在流經(jīng)高架橋時(shí)，由于橋洞的導(dǎo)流作用加之受到橋洞底部“狹管效應(yīng)”的影響［19-22］，橋底凈空區(qū)域會(huì)形成加速區(qū)，其最大風(fēng)速約為14 m·s-1，因此，橋底凈空區(qū)域具有較強(qiáng)的輸沙能力（圖8a）。但由于沙丘背風(fēng)側(cè)為風(fēng)速減速區(qū)，風(fēng)速遠(yuǎn)低于起沙風(fēng)速，大量沙粒在越過(guò)沙丘之后逐漸堆積在沙丘前緣，容易造成橋洞堵塞，影響輸沙（圖8b）；隨著沙丘的前移，橋面風(fēng)速也逐漸降低導(dǎo)致橋面低速區(qū)范圍擴(kuò)大，橋面易出現(xiàn)積沙現(xiàn)象；同時(shí)，由于受到高架橋的阻礙作用，在高架橋兩側(cè)附近也分別會(huì)形成減速區(qū)，但范圍存在差異。高架橋迎風(fēng)側(cè)減速區(qū)范圍受沙丘前移影響程度較小，約0.5 m左右。高架橋背風(fēng)側(cè)減速區(qū)范圍隨沙丘的移動(dòng)從10 m擴(kuò)展到30 m，渦流區(qū)范圍變大，背風(fēng)側(cè)風(fēng)速降低程度更加明顯，渦流導(dǎo)致風(fēng)沙上軌的可能性也進(jìn)一步變大［23-25］。

圖8 高架橋兩側(cè)流場(chǎng)分布Fig.8 Flow field distribution on both sides of viaduct

結(jié)合高架橋周?chē)植加写罅啃略滦紊城鸺版湢钌城鸬牡匦翁攸c(diǎn)，沙丘的前移運(yùn)動(dòng)對(duì)于鐵路高架橋?qū)эL(fēng)、輸沙存在潛在威脅。鑒于此，需要有針對(duì)性的在流動(dòng)沙丘前緣布置阻沙柵欄、阻沙網(wǎng)、草方格沙障等阻沙措施［26-30］，并做好流動(dòng)沙丘動(dòng)態(tài)變化監(jiān)測(cè)工作。

4 討論

沙山溝特大橋路段屬于干旱荒漠氣候區(qū)，秋冬季節(jié)相對(duì)濕度整體高于春夏季節(jié)，導(dǎo)致秋冬季節(jié)地表沙層含水量相對(duì)偏大，起沙風(fēng)風(fēng)速變大，同時(shí)秋冬季節(jié)平均風(fēng)速偏小，導(dǎo)致秋冬季節(jié)起沙風(fēng)頻率較低。相反春夏季時(shí)段，氣溫偏高、蒸發(fā)量大，沙層含水量較小，起沙風(fēng)速減小的同時(shí)平均風(fēng)速又偏大，導(dǎo)致起沙風(fēng)頻率相對(duì)偏高（圖9）。這與大橋兩側(cè)輸沙勢(shì)計(jì)算在春夏季時(shí)段較高的結(jié)果相一致。

圖9 沙山溝特大橋相對(duì)濕度和溫度月際變化Fig.9 Monthly variation of relative humidity and temperature of Shashangou Bridge

沙山溝特大橋兩側(cè)NW、W 方向的輸沙勢(shì)及輸沙通量均較大，即高架橋NW 方向輸沙能力較強(qiáng)，潛在沙害威脅也較大（圖10）。原因是鐵路高架橋西側(cè)毗鄰庫(kù)姆塔格沙漠，流動(dòng)沙丘分布廣泛，沙源極為豐富。同時(shí)，鐵路高架橋西側(cè)夏季多西北風(fēng)且夏季起沙風(fēng)頻率較大，空氣濕度較低即“風(fēng)旱同期”，為地表風(fēng)蝕及風(fēng)沙活動(dòng)提供了較為充足的動(dòng)力條件［30-33］。

圖10 沙山溝特大橋兩側(cè)輸沙通量Fig.10 Annual sediment transport quantity and flux of Shashangou Bridge

風(fēng)速的增加也使得流動(dòng)沙丘前移速率增大，高架橋周?chē)鲌?chǎng)發(fā)生變化即高架橋周?chē)退賲^(qū)、渦流區(qū)范圍變大，易造成橋底沙粒沉積、橋面風(fēng)沙上軌，嚴(yán)重時(shí)影響行車(chē)安全。根據(jù)風(fēng)沙流的時(shí)空分布特點(diǎn)，夏季時(shí)段是高架橋西側(cè)沙害高發(fā)期。

5 結(jié)論

（1）沙山溝特大橋兩側(cè)春夏季起沙風(fēng)向均以NW、WNW 風(fēng)向?yàn)橹?，秋冬季?jié)時(shí)起沙風(fēng)向以SSE、S風(fēng)向?yàn)橹?。兩?cè)的風(fēng)季都主要集中于夏季，且夏季時(shí)段大橋兩側(cè)都存在較強(qiáng)的輸沙勢(shì)及輸沙通量且以NW 方向?yàn)橹?。由于大橋西?cè)毗鄰庫(kù)姆塔格沙漠，沙源極為豐富，且西側(cè)的平均風(fēng)速、起沙風(fēng)頻率也均高于東側(cè)，導(dǎo)致大橋西側(cè)更易起沙，潛在沙害威脅較大。

（2）結(jié)合沙山溝特大橋周邊風(fēng)動(dòng)力環(huán)境及流場(chǎng)分布特征，借助數(shù)值模擬分析可以得出，隨時(shí)間推移，沙粒會(huì)大量在沙丘前緣堆積并逐漸向高架橋靠近，前移的流動(dòng)沙丘易造成橋洞通風(fēng)不暢及風(fēng)沙上軌。因此，對(duì)于周邊流動(dòng)沙丘應(yīng)鋪設(shè)草方格、阻沙柵欄，鐵路高架橋沿線宜設(shè)置擋沙墻等防護(hù)措施，并監(jiān)測(cè)流動(dòng)沙丘動(dòng)態(tài)變化。