蘭新高鐵沿線插板式擋沙墻防沙性能研究

王大帥,耿文燕,石 龍

(1.鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院,鄭州 450052； 2.河南省高速鐵路運(yùn)營維護(hù)工程研究中心,鄭州 451460； 3.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院,成都 610031)

風(fēng)沙活動是指在風(fēng)力作用下地表松散物質(zhì)被吹蝕、搬運(yùn)和重新沉積的過程。而風(fēng)沙災(zāi)害是風(fēng)沙活動造成的一系列生態(tài)災(zāi)難，尤其在鐵路系統(tǒng)，災(zāi)害十分嚴(yán)重，給風(fēng)沙地區(qū)的鐵路運(yùn)營帶來了嚴(yán)重隱患。為保證列車的安全運(yùn)營，風(fēng)沙地區(qū)的鐵路系統(tǒng)大部分都配備了防沙系統(tǒng)，最具有代表性的當(dāng)屬包蘭鐵路、青藏鐵路、蘭新鐵路和林策鐵路[1-3]。

蘭新高速鐵路是我國大風(fēng)戈壁區(qū)的第一條高速鐵路，全長1 776 km，東起甘肅省蘭州市，西至新疆維吾爾自治區(qū)烏魯木齊市，沿線穿越多個著名風(fēng)區(qū)(例如百里風(fēng)速、煙墩風(fēng)區(qū)等)，瞬時風(fēng)速可達(dá)60 m/s[4]。由于風(fēng)區(qū)地處戈壁，沙源較為豐富，在強(qiáng)風(fēng)環(huán)境下，很容易形成風(fēng)沙流，風(fēng)沙活動較為強(qiáng)烈。此外，與風(fēng)沙地區(qū)的普速鐵路相比，蘭新高速鐵路列車速度快、質(zhì)量輕[5]，這在一定程度上放大了風(fēng)沙災(zāi)害對鐵路的危害，故在鐵路沿線配備了相應(yīng)的防沙系統(tǒng)。由于蘭新高速鐵路沿線的風(fēng)沙流屬于過境風(fēng)沙流，因此，防沙系統(tǒng)中主要以阻沙措施為主，固沙措施為輔，其中，插板式擋沙墻便是阻沙措施中的一種(圖1)。國內(nèi)外研究表明，局部風(fēng)速的降低以及循環(huán)泡的形成是擋沙墻能夠阻沙的主要機(jī)理，但其影響因素較多，如高度、孔隙率、孔隙形式、孔隙分布、相對風(fēng)向等[6-8]。其中，孔隙率的影響最為明顯，由于各種擋沙墻的孔隙結(jié)構(gòu)不同，最佳孔隙率依然存在爭議[9-13]。然而，受工期限制與工程造價(jià)制約，蘭新高速鐵路沿線插板式擋沙墻的孔隙率對其防沙性能的影響依然是未知的。此外，目前對于擋沙墻防沙性能的研究主要集中在周圍無積沙的情況[14-18]，對于擋沙墻周圍存在積沙的狀況未見相關(guān)文獻(xiàn)，這就導(dǎo)致對防沙措施的防沙性能存在高估現(xiàn)象，在防沙設(shè)計(jì)中可能會引起一定的誤判。為補(bǔ)充完善該方向的研究成果，進(jìn)行了專門性研究。

圖1 插板式擋沙墻

對于擋沙墻防沙性能的研究，主要包括現(xiàn)場監(jiān)測、風(fēng)洞試驗(yàn)和數(shù)值模擬3種[19-21]。現(xiàn)場監(jiān)測是最為理想的，但受監(jiān)測設(shè)備和費(fèi)用的限制，僅能獲取少量離散數(shù)據(jù)，對于流場結(jié)構(gòu)及氣動性研究較為困難(如循環(huán)泡的捕捉等)。風(fēng)洞試驗(yàn)可在一定程度上反映現(xiàn)場的實(shí)際情況，是較為理想的研究手段，被大多數(shù)學(xué)者所采用，但只能獲取短時間內(nèi)的數(shù)據(jù)，不能像現(xiàn)場測試一樣進(jìn)行長期監(jiān)測，對于多組工況的測試費(fèi)用也相對較高。數(shù)值模擬具有節(jié)約計(jì)算資源、計(jì)算速度較快等優(yōu)點(diǎn)，能夠模擬各種復(fù)雜情況下的風(fēng)場結(jié)構(gòu)和渦旋流，但無法較好的模擬風(fēng)沙相互作用，此外數(shù)值模擬結(jié)果的可靠性也是指導(dǎo)工程實(shí)踐的關(guān)鍵。因此，結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況，采用兩種或兩種以上方法，揚(yáng)長避短，對擋沙墻的氣動和防沙性能進(jìn)行研究，既可以減小測試費(fèi)用，也能夠達(dá)到滿意的效果，是較為合理的研究思路。

基于此，首先，通過風(fēng)洞試驗(yàn)對擋沙墻的風(fēng)速削減能力和阻沙效率進(jìn)行測試；然后，利用擋沙墻周圍的相對風(fēng)速驗(yàn)證了數(shù)值模擬結(jié)果的可靠性；最后，利用數(shù)值模擬對擋沙墻的流場結(jié)構(gòu)和防沙性能的關(guān)鍵影響因素進(jìn)行探討，以期為風(fēng)沙地區(qū)的沙害防治提供參考。

1 風(fēng)洞試驗(yàn)

本研究所用風(fēng)洞主要由動力段、整流段、試驗(yàn)段和擴(kuò)散段4部分組成，邊界層厚度約為0.5 m，入口風(fēng)速可在0～45 m/s內(nèi)調(diào)節(jié)，本次試驗(yàn)測試3種風(fēng)況，即入口風(fēng)速分別為12，18，24 m/s。數(shù)據(jù)收集主要在試驗(yàn)段進(jìn)行，擋沙墻模型及監(jiān)測元器件的布置見圖2。蘭新高鐵沿線插板式擋沙墻主要由基礎(chǔ)、立柱和插板組成，立柱上預(yù)留有固定插板的卡槽。現(xiàn)場擋沙墻高度約2.0 m，插板厚約10 cm，試驗(yàn)中相似比取為1∶10，即風(fēng)洞試驗(yàn)中擋沙墻模型的高度和厚度分別設(shè)置為0.2 m和1 cm，其他部件尺寸按照該比例相應(yīng)縮小。

圖2 風(fēng)洞試驗(yàn)擋沙墻模型及監(jiān)測元器件布置

試驗(yàn)內(nèi)容主要包括兩部分：擋沙墻的風(fēng)速衰減能力與阻沙效率，監(jiān)測設(shè)備分別為皮托管和臺階式積沙儀。風(fēng)速衰減能力監(jiān)測試驗(yàn)中，皮托管被安裝在距離擋沙墻迎風(fēng)側(cè)0.5H(H為擋沙墻高度)、1H、2H、5H、10H以及背風(fēng)側(cè)0.5H、1H、2H、5H、10H、15H、20H處。阻沙效率監(jiān)測試驗(yàn)中，沙源布置在擋沙墻迎風(fēng)側(cè)20H處，臺階式積沙儀安裝在背風(fēng)側(cè)20H處，其上包括10個截面0.2 cm×0.2 cm的方形沙樣收集器，沙樣器入口中心距離風(fēng)洞底部距離分別為1，3，5，7，9，11，13，15，17，19 cm。阻沙效率試驗(yàn)分為兩個階段：①撤掉擋沙墻模型，測定無擋沙墻擾動時不同高度處T時段內(nèi)沙粒質(zhì)量；②安裝擋沙墻模型，測定擋沙墻擾動時不同高度處T時段內(nèi)沙粒質(zhì)量。

2 風(fēng)洞試驗(yàn)

2.1 幾何模型

仿真模型尺寸太小，擋沙墻背風(fēng)側(cè)的湍流與出口邊界重合，影響計(jì)算結(jié)果；模型尺寸太大，對計(jì)算機(jī)的性能要求較高，浪費(fèi)計(jì)算資源。經(jīng)過試算，確定計(jì)算模型的最佳尺寸為100 m×20 m，擋沙墻在距離入口30 m的位置，擋沙墻高度取2.0 m。

通過現(xiàn)場調(diào)研，擋沙墻周圍的積沙形態(tài)接近三角形分布，迎風(fēng)側(cè)和背風(fēng)側(cè)積沙量差別不大，為方便建模，假設(shè)擋沙墻周圍的積沙形態(tài)為標(biāo)準(zhǔn)的三角形分布，相應(yīng)的簡化圖形見圖3。需要說明的是，除了在分析積沙體積對防沙性能影響的模型外，其余模型周圍均無積沙。

注：①α=38°；②β=9°；③Smax為擋沙墻周圍最大積沙厚度。圖3 積沙簡化模型示意

2.2 網(wǎng)格劃分及邊界條件

采用非結(jié)構(gòu)自動化法進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分類型Mixed，邊界層采用Robust(octree)，網(wǎng)格單元總數(shù)均超過60萬個。模型左側(cè)入口邊界定義為VELOCITY-INLET，右側(cè)出口邊界定義為OUT-LOW，壁面邊界條件定義為WALL。

2.3 控制方程

考慮到戈壁地區(qū)風(fēng)速高于沙漠地區(qū)，且起沙風(fēng)速在10～20 m/s之間[22]，文中除與風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較的工況中風(fēng)速采用18 m/s外，其余工況以30 m/s風(fēng)速進(jìn)行數(shù)值模擬，該速度產(chǎn)生的壓強(qiáng)變化引起的密度變化很小，故流體可視作不可壓縮流體。

連續(xù)性方程為

(1)

動量方程為

(2)

3 結(jié)果分析

3.1 數(shù)值模擬結(jié)果可靠性驗(yàn)證

數(shù)值模擬雖然具有節(jié)約工程費(fèi)用、能獲得完整數(shù)據(jù)、高效優(yōu)化設(shè)計(jì)等優(yōu)點(diǎn)，但要對其結(jié)果的可靠程度進(jìn)行合理判斷，才能科學(xué)指導(dǎo)工程實(shí)踐。為驗(yàn)證數(shù)值模擬結(jié)果的可靠性，將其與風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對比。圖4為數(shù)值模擬與風(fēng)洞試驗(yàn)得到的擋沙墻周圍的相對風(fēng)速(測點(diǎn)風(fēng)速與入口風(fēng)速)，可以看出，兩種方法得到的相對風(fēng)速隨距離的變化趨勢基本一致，說明數(shù)值模擬結(jié)果具有較高的可靠性，可以較為準(zhǔn)確地反映擋沙墻周圍的流場特性。

注：①H為擋沙墻高度；②L為距擋沙墻的距離，迎風(fēng)側(cè)為正值，背風(fēng)側(cè)為負(fù)值；③V0為入口風(fēng)速；④VL為計(jì)算域中某點(diǎn)的風(fēng)速；⑤V0/VL為相對風(fēng)速。圖4 距地表高度0.8H處兩種試驗(yàn)結(jié)果的相對風(fēng)速

3.2 插板式擋沙墻周圍流場結(jié)構(gòu)

圖5為基于數(shù)值模擬的擋沙墻周圍風(fēng)場分布，不難發(fā)現(xiàn)，氣流遇到擋沙墻后能量發(fā)生了變化，導(dǎo)致氣流速度重新分布。按照速度大小及形成機(jī)理，大致可分為3個區(qū)域，減速區(qū)、加速區(qū)和尾流區(qū)。下面基于空氣動力學(xué)原理，結(jié)合墻體周圍的流線(圖6)，對上述3個區(qū)域形成的機(jī)理進(jìn)行分析。減速區(qū)：氣流靠近擋沙墻時，受到墻體的阻塞效應(yīng)，導(dǎo)致氣流速度出現(xiàn)小幅度衰減，形成減速區(qū)。加速區(qū)：氣流經(jīng)過墻體頂部時，過流斷面被壓縮而產(chǎn)生文丘里效應(yīng)，導(dǎo)致氣流速度加強(qiáng)，形成加速區(qū)。尾流區(qū)：氣流通過擋沙墻以后，在逆壓梯度作用下，在墻體背后形成渦旋流，該區(qū)域速度大幅度降低，形成尾流區(qū)。此外，對比減速區(qū)和尾流區(qū)，發(fā)現(xiàn)尾流區(qū)速度衰減幅度更大，相應(yīng)的減速范圍也較大，說明擋沙墻背風(fēng)側(cè)的沉沙能力明顯強(qiáng)于迎風(fēng)側(cè)。

注：風(fēng)向從左到右。圖5 基于數(shù)值模擬的擋沙墻周圍風(fēng)速分布

圖6 基于數(shù)值模擬的擋沙墻周圍氣流流線

3.3 插板式擋沙墻風(fēng)速消減效果

為更直觀地分析墻體周圍風(fēng)速的衰減趨勢，繪制了順風(fēng)向風(fēng)速的相對風(fēng)速變化圖，可以反映氣流的衰減程度(圖7)。從圖7可以看出，相對風(fēng)速曲線近似呈“V”形分布。當(dāng)-10H≤L≤-2.5H時，速度衰減幅度較小，相對風(fēng)速在0.8以上，速度衰減僅20%左右；當(dāng)-2.5H

注：①圖中相對風(fēng)速為負(fù)值時，代表氣流與入口氣流相反，出現(xiàn)了回流現(xiàn)象；②h為距地表高度。圖7 基于數(shù)值模擬的擋沙墻周圍相對風(fēng)速變化

上述分析表明，擋沙墻隨氣流的影響范圍主要集中在迎風(fēng)側(cè)5H到背風(fēng)側(cè)15H，急劇影響范圍在迎風(fēng)側(cè)2H到背風(fēng)側(cè)7.5H(該區(qū)域相對風(fēng)速在0.5以下，風(fēng)速衰減達(dá)50%以上)。此外，值得注意的是，墻體對氣流的擾動具有分層性，即距離地表越遠(yuǎn)，墻體對氣流的擾動能力越差，甚至達(dá)到某一高度后，曲線上相對風(fēng)速均為正值，即回流現(xiàn)象消失。從沙粒在氣流中獲取能量的角度分析，積沙區(qū)域主要集中在氣流急劇影響范圍之內(nèi)，即迎風(fēng)側(cè)2H到背風(fēng)側(cè)7.5H，該區(qū)域氣流的攜沙能力大幅度下降，沙粒容易沉積在該范圍內(nèi)，這與現(xiàn)場調(diào)研結(jié)果一致。

3.4 插板式擋沙墻阻沙效率

阻沙率是評價(jià)擋沙墻阻沙性能的關(guān)鍵指標(biāo)之一。總阻沙率K可以反映擋沙墻的總體防沙效果，而累積阻沙率Kj可以反映擋沙墻分層阻沙效率，其計(jì)算公式如下

(3)

(4)

其中，K為總阻沙率，%；Kj為小于j高度的累積阻沙率，%；myi和mbi分別為擋沙墻迎風(fēng)側(cè)和背風(fēng)側(cè)i高度處收集的沙粒質(zhì)量，g。

圖8為基于風(fēng)洞試驗(yàn)的擋沙墻總阻沙率和累積阻沙率，不難看出，累積阻沙率隨著高度呈現(xiàn)對數(shù)分布，并在12 cm(0.6H)處達(dá)到了90%以上，說明阻沙率隨著高度呈遞減趨勢，但高效區(qū)域分布在0.6H以下。此外，還可以發(fā)現(xiàn)，隨著風(fēng)速的增加，同一高度處的累積阻沙率及總阻沙率呈遞減趨勢，說明擋沙墻的阻沙性能與風(fēng)速密切相關(guān)，風(fēng)速越大，阻沙性能越差。

圖8 基于風(fēng)洞試驗(yàn)的擋沙墻阻沙率

3.5 孔隙率對防沙性能的影響

大量研究成果表明，擋沙墻防沙的氣動性原理主要是局部風(fēng)速的降低和氣流的循環(huán)泡(即渦旋流)[23]。孔隙率是指擋沙墻開口面積與總面積的比值，是影響防沙性能最為關(guān)鍵的因素之一，在擋沙墻優(yōu)化設(shè)計(jì)中極為重要[24]。為分析孔隙率對插板式擋沙墻氣動性能的影響，提取出擋沙墻周圍的流線及相對風(fēng)速進(jìn)行對比分析。

圖9為基于數(shù)值模擬的不同孔隙率擋沙墻周圍流線，從圖9很容易看到循環(huán)泡，且具有以下規(guī)律：當(dāng)孔隙率較小時(n=10%)，擋沙墻迎風(fēng)側(cè)和背風(fēng)側(cè)均出現(xiàn)了循環(huán)泡，但背風(fēng)側(cè)循環(huán)泡遠(yuǎn)小于迎風(fēng)側(cè)；隨著孔隙率的增加迎風(fēng)側(cè)循環(huán)泡消失，背風(fēng)側(cè)循環(huán)泡逐漸向下風(fēng)向移動；此外，從圖9還可以看出，背風(fēng)側(cè)循環(huán)泡的尺寸大小依次為：n=10%(約9 m×4 m)>n=20%(約8.5 m×4 m)>n=30%(約8 m×3 m)>n=40%(約5 m×2 m)。上述現(xiàn)象表明，孔隙率10%和20%的擋沙墻背風(fēng)側(cè)沉沙效率相當(dāng)，但前者迎風(fēng)側(cè)的積沙量可能偏多，會導(dǎo)致?lián)跎硥^早被埋，失去防沙性能。故從循環(huán)泡角度分析，孔隙20%的擋沙墻阻沙效率最優(yōu)。

注：風(fēng)向從左到右。圖9 基于數(shù)值模擬的不同孔隙率擋沙墻周圍流線

圖10為基于數(shù)值模擬的不同孔隙率擋沙墻周圍的相對風(fēng)速曲線，不難發(fā)現(xiàn)，相對風(fēng)速與距離的關(guān)系均呈“V”形分布，且孔隙率越小，曲線的變化趨勢越陡峭；反之，曲線越平緩，說明擋沙墻孔隙率越小，風(fēng)速削減能力越強(qiáng)。但從相對風(fēng)速的分布范圍看，孔隙率越小，擾動范圍也越小(相對風(fēng)速<1.0)。此外，值得注意的是，孔隙率對回流區(qū)長度影響顯著，大小依次為n=10%(17 m)>n=20%(16 m)>n=30%(13 m)>n=30%(4 m)。

上述分析表明，孔隙率越小對氣流的擾動能力越強(qiáng)，但影響范圍較小，擋沙墻周圍的積沙分布范圍相應(yīng)變小；孔隙率越大對氣流的擾動能力越弱，但影響范圍較大，積沙分布范圍也較大，但積沙厚度可能很小。從風(fēng)速削減能力分析，插板式擋沙墻的孔隙率最優(yōu)值在10%～20%。

由于擋沙墻孔隙率越低，工程造價(jià)越高，同時考慮到迎風(fēng)側(cè)積沙可能導(dǎo)致?lián)跎硥^早被埋，綜合考慮，建議擋沙墻的孔隙率設(shè)置為20%左右。

圖10 距地表0.5 m處不同孔隙率擋沙墻周圍相對風(fēng)速

3.6 積沙體積對防沙性能的影響

圖11為基于數(shù)值模擬積沙最大厚度Smax=0，50，100 cm三種工況下?lián)跎硥?n=20%)周圍的流線，從圖11可以發(fā)現(xiàn)，積沙對墻體周圍的氣動性影響顯著，隨著積沙量的增加，背風(fēng)側(cè)循環(huán)泡的面積在逐漸減小，并向下風(fēng)向移動，說明循環(huán)泡阻沙能力在逐漸減弱。圖12為上述3種工況的相對風(fēng)速曲線，可以看到，隨著墻體周圍的積沙量增加，曲線總體逐漸上移，說明墻體削弱風(fēng)速的能力在減弱，擾動氣流的范圍也在減小，這揭示了擋沙墻周圍沙量越大，擋沙墻的阻沙能力越弱。

注：①藍(lán)色線為積沙剖面和擋沙墻；②風(fēng)向從左到右。圖11 不同積沙量對擋沙墻周圍氣流流線的影響

圖12 不同積沙量對擋沙墻周圍相對風(fēng)速的影響

從上述現(xiàn)象可知，在一定風(fēng)速條件下，擋沙墻的氣動性并非是恒定的，它將會受周圍積沙量的影響而發(fā)生變化。現(xiàn)有設(shè)計(jì)規(guī)范未考慮擋沙墻阻沙性能的退化，建議在新的規(guī)范中增補(bǔ)該部分內(nèi)容，提高設(shè)計(jì)的合理性和科學(xué)性。此外，值得強(qiáng)調(diào)的是，為保證擋沙墻高效的工作，有必要及時清理擋沙墻周圍的積沙。

4 結(jié)論

利用風(fēng)洞試驗(yàn)和數(shù)值模擬，對插板式擋沙墻的防沙性能進(jìn)行了系統(tǒng)分析，同時分析了孔隙率、積沙量對其防沙性能的影響，主要得出以下結(jié)論。

(1)按照速度大小及形成機(jī)理，將插板式擋沙墻周圍的風(fēng)場劃分為3個特征區(qū)域：擋沙墻阻礙效應(yīng)引起的減速區(qū)，文丘里效應(yīng)引起的加速區(qū)以及渦旋流引起的尾流區(qū)。

(2)擋沙墻周圍的相對風(fēng)速近似呈“V”形分布，急劇影響區(qū)域在迎風(fēng)側(cè)2H到背風(fēng)側(cè)7.5H范圍內(nèi)，表明該范圍是插板式擋沙墻的主要沉沙區(qū)。

(3)插板式擋沙墻累積阻沙率隨高度呈遞減趨勢，高效阻沙區(qū)分布在高度0.6H以下。擋沙墻的阻沙性能與風(fēng)速密切相關(guān)，風(fēng)速越大，阻沙性能越差。

(4)孔隙率越大，擋沙墻背風(fēng)側(cè)循環(huán)泡尺寸越小，對氣流的擾動能力越強(qiáng)，但擾動范圍越小，綜合考慮工程造價(jià)、迎風(fēng)側(cè)積沙量和防沙效率，建議孔隙率取20%。

(5)隨著擋沙墻周圍積沙量的增加，背風(fēng)側(cè)循環(huán)泡的面積逐漸減小，削弱風(fēng)速的能力減弱，擾動氣流的范圍減小，這表明擋沙墻的防沙性能在減弱。為保證擋沙墻高效的工作，有必要及時清理擋沙墻周圍的積沙。