可調式鐵路擋沙墻防沙性能研究

黨海明,趙耀軍,扎西鄧珠,楊 林,李 勇

(1.青藏集團有限公司格爾木工務段,青海格爾木 816000； 2.中鐵西北科學研究院有限公司,蘭州 730070)

中國是世界上鐵路運營里程最長的國家之一，也是遭受鐵路風沙災害最嚴重的國家之一，如蘭新高速鐵路、蘭新鐵路、青藏鐵路、臨策鐵路、包蘭鐵路等[1-5]。受風沙災害影響，鐵路相關部門每年需要投入大量的人力、財力和物力保障鐵路安全暢通。為減輕風沙災害對鐵路造成的影響，國內外學者利用現場監測[6-8]、風洞試驗[9-11]和數值模擬[12-14]等手段進行大量研究，剖析了區域風沙環境和鐵路風沙災害形成機理[15-16]，并提出了多種風沙防護措施，部分應用在實際工程中，取得了良好的防沙效果[17-19]。

總體來看，鐵路風沙防治措施可大致分為兩類：生物防沙和機械防沙[20]。前者是利用植物進行防沙，具有一勞永逸和改善生態環境的優點，但對植被的立地條件要求高，前期需要機械防沙保持其成活率，并且需長期灌溉維養，相應的工程費用也較高。后者是利用鋼筋混凝土、蘆葦把子、HDPE網、石棉瓦、卵石、黏土、化學材料等進行防沙，具有見效快、施工便捷、不受環境制約、工程費用相對較低等優點，但需通過定期清除周圍積沙保持其高效性。由于鐵路工程屬于線性建筑，沿線穿越多種微地貌，具有跨度空間大的特點，西北荒漠區新建鐵路沿線滿足植物治沙條件的區段較少，因此，大部分路段均采用機械防沙。然而，氣流受到機械防沙措施的擾動作用后，會在其頂部形成氣流加速區，導致部分沙粒越過擋沙墻，一定程度上降低了防沙效率。倘若能夠降低防沙措施頂部的氣流速度，則可能削弱該區域氣流的攜沙能力，從而提高防沙措施的阻沙效率。

針對上述問題，提出一種新型的可調式擋沙墻，即通過風能自動調整其底部擋板的開口角度，從而削弱頂部氣流的速度，達到提高其防沙效率的目的；同時，基于數值模擬和風洞試驗，研究可調式擋沙墻的防沙性能，并對其設計參數進行優化，以期為防沙工程的設計提供參考和新思路。

1 風洞試驗

本次試驗在寧夏沙坡頭中科院寒旱所風洞實驗室進行，風洞總長38 m，試驗段長21 m，來流風速可在0～40 m/s內調整。風洞試驗中可調式擋沙墻模型如圖1所示，主要由2根立柱、4塊掛板和1塊擋板構成。其中，1號掛板、2號掛板和擋板固定在立柱上，3號掛板和4號掛板可以隨轉軸自由旋轉。擋沙墻高60 cm，掛板長、寬、高為107.7 cm×11.25 cm×0.7 cm，擋板長、寬、高為107.7 cm×10.0 cm×0.7 cm，4號掛板與擋板之間存在5 cm空隙。

圖1 風洞試驗中可調式沙墻模型示意(單位：cm)

風洞試驗主要監測擋沙墻周圍的風速變化情況，風速數據采用皮托管進行收集，風速監測點分別布置在迎風側0.3H(H為擋沙墻高度)、0.5H、0.8H、1.0H、1.5H、2.0H、2.5H、3.0H、3.5H、4.0H、4.5H、5.0H、7.0H、9.0H、12.0H、15.0H以及背風側0.3H、0.5H、0.8H、1.0H、1.5H、2.0H、2.5H、3.0H、3.5H、4.0H、4.5H、5.0H、7.0H、10.0H處，皮托管的監測高度分別為6，9，13，16，27，63，121，202，353，499，600 mm，入流風速分別取10，15，20 m/s。

2 數值模擬

2.1 模型建立

仿真模型計算域尺寸為100 m(長)×30 m(寬)，擋沙墻距離入口25 m，其尺寸與風洞試驗中的擋沙墻模型相似比為1∶3，即數值模擬中擋沙墻高度為1.80 m。計算域中采用非結構化網格，網格單元總數均超過65萬個。仿真模型入口邊界定義為Velocity-inlet，出口邊界定義為Out-flow，壁面邊界條件定義為Wall。

2.2 控制方程

本研究中的風沙流采用歐拉雙流體模型進行模擬，其控制方程主要包括質量方程和動量方程，相應的表達式如下。

質量方程

(1)

式中，當j=1時為氣相，當j=2時為固相；βj為第j相的體積分數，其中，β1+β2=1；ρj為第j相的密度；vj為第j相的速度。

動量方程

氣相

-β1?p+?·τ1+β1ρ1g+I12(v1-v2)

(2)

固相

?·τ2+β2ρ2g+I21(v2-v1)(3)

式中，τ1和τ2分別為氣相、固相應力應變張量；p為氣相和固相共享壓力；g為重力加速度；I12=I21為兩相動量交換系數；p2為固相壓力。

2.3 計算參數

風沙流模型中將空氣設置為稀相，密度1.225 kg/m3；沙粒設置為固相，密度2 600 kg/m3；風沙流中沙粒體積分數取為0.02，固相設置為球形，粒徑取為0.125 mm。在CFD軟件中，同時實現掛板的轉動和風沙兩相流的耦合，對計算機的性能要求特別高。為節約計算資源，本文將3號和4號掛板分別固定為10°，15°，20°，研究不同風速環境下不同掛板角度的擋沙墻周圍風沙流運動特性。

3 結果分析

3.1 流場結構

圖2為風速v=25 m/s，3號和4號掛板傾角(與垂直方向的夾角)分別為α3=10°和α4=20°工況下速度等值線。由圖2可以看出，可調式擋沙墻周圍速度分布形態與其他擋沙墻的類似，分別在擋沙墻迎風側、頂部和背風側形成減速區、加速區和紊流區。值得注意的是，在3號和4號掛板的背風側氣流速度略微增加，形成局部高速區，主要原因是氣流在通過3號和4號掛板空隙處過流斷面減小，在“狹管效應”作用下氣流速度得到加強。圖3為上述工況下對應的氣流流線，不難發現，擋沙墻周圍出現多個渦旋流，且背風側渦旋流的數量和尺寸遠大于迎風側。從渦旋流的發育程度分析，可調式擋沙墻背風側的沉沙效率遠高于迎風側。

注：1.L為距擋沙墻的距離，正值代表背風側，負值代表迎風側；2.H為距離地表的高度；3.風向從左到右； 下同。圖2 可調式擋沙墻周圍速度等值線

圖3 可調式擋沙墻周圍氣流流線

3.2 相對風速

圖4為擋沙墻周圍的相對風速變化趨勢，很容易看到，相對風速隨距離近似呈“V”形分布，風洞試驗和數值模擬結果基本吻合，說明數值模擬結果具有較高的可靠度。此外，根據相對風速的變化速率可大致分為4個段落：當-10h≤S≤-2h時，風速略微減小，減幅在20%范圍以內；當-2h

注：h為擋沙墻高度。圖4 距地表0.75h高度處相對風速變化趨勢

3.3 積沙分布特征

圖5為風速v=25 m/s，α3=10°和α4=20°工況下基于數值模擬的擋沙墻周圍積沙分布形態，很容易看到，積沙主要分布在背風側，迎風側幾乎無積沙，這與現場調查結果一致(圖6)，說明本文仿真模型能夠很好地模擬擋沙墻周圍的風沙流運動特征，具有較高可信度。此外，注意到背風側積沙與擋沙墻之間存在一定距離，主要原因在于3號和4號掛板的背風側存在氣流高速區，該區域氣流的攜沙能力得到加強，運動到此的沙粒很難沉積。

圖5 基于數值模擬的可調式擋沙墻周圍積沙分布形態

圖6 可調式擋沙墻周圍現場積沙分布形態

3.4 掛板設計參數優化

擋沙墻掛板的旋轉角度不僅與其質量有關，還與環境風速有關。通常情況下，區域風速比較穩定，在一定范圍之內，掛板的質量可以人為控制，因此，可通過調整擋板的質量來控制擋沙墻的防沙性能。

由于采用風沙兩相流計算擋沙墻周圍的積沙形態需大量的計算時間和計算資源，而前述分析表明通過擋沙墻周圍的流場結構和相對風速可以較好地預測擋沙墻的防沙性能。因此，為節約計算時間和計算資源，首先利用單相流模擬了多種工況下擋沙墻周圍氣流運動狀態；然后通過對比分析篩選出兩塊掛板角度大小的最優關系；最后利用氣固兩相流模型得出不同風速下最優的掛板夾角。

流場結構和相對風速分析表明，同等條件下可調式擋沙墻掛板角度α3≤α4時防沙性能優于α3>α4，故下述分析的擋沙墻模型掛板均在α3≤α4條件下進行。圖7～圖9為3種風速下掛板角度對擋沙墻周圍積沙形態的影響，可以看出，25 m/s風速下，3號掛板在10°～20°且4號掛板在15°～20°時，擋沙墻防沙性能最佳；35 m/s風速下，3號和4號掛板均在15°～20°時，擋沙墻防沙性能最佳；45 m/s風速下，3號掛板在15°～20°且4號掛板在20°左右時，擋沙墻防沙性能最佳。實際工程中可先掌握區域環境風速，然后根據風力和掛板角度確定兩塊掛板的質量，使擋沙墻的防沙效率達到最優。

圖7 25 m/s風速下不同掛板角度的擋沙墻周圍積沙形態

圖8 35 m/s風速下不同掛板角度的擋沙墻周圍積沙形態

圖9 45 m/s風速下不同掛板角度的擋沙墻周圍積沙形態

4 結論

針對傳統擋沙墻存在的不足，提出一種新型可調式擋沙墻，并結合風洞試驗和數值模擬，對其防沙性能進行分析，同時優化了不同風速下掛板的設計參數，得到以下結論。

(1)氣流經過可調式擋沙墻時，速度重新分布，分別在擋沙墻迎風側、頂部和背風側形成減速區、加速區和紊流區，這與傳統擋沙墻的流場結構類似，但受“狹管效應”影響，在能夠自由轉動的掛板背風側形成局部氣流高速區。

(2)擋沙墻背風側渦旋流的尺寸和數量遠大于迎風側，風速衰減能力也遠強于迎風側，從渦旋流的發育程度和沙粒動能的來源分析，擋沙墻的背風側是主要沉沙區。

(3)可調式擋沙墻的積沙分布形態與風速和掛板角度相關，但積沙主要集中在背風側，且與擋沙墻存在一定的距離，而迎風側幾乎無積沙，這與現場調查結果相吻合。此外，數值模擬和風洞試驗得到的相對風速也基本一致，表明數值結果具有較高的可信度。

(4)可調式擋沙墻的防沙性能與掛板傾角和風力有關，在不同風速環境下，掛板的最優設計值如下：在25 m/s風速下，3號掛板和4號掛板傾角的最佳組合分別為10°～20°和15°～20°，35 m/s風速下，3號掛板和4號掛板傾角的最佳組合為均為15°～20°；45 m/s風速下，3號掛板和4號掛板傾角的最佳組合分別為15°～20°和20°。