风沙流对兰新高铁挡风墙的响应规律

韩 峰，石 龙，李凯崇

(1.兰州交通大学 土木工程学院，甘肃 兰州 730070；2.西南交通大学 土木工程学院，四川 成都 610031；3.中铁西北科学研究院有限公司，甘肃 兰州 730000)

兰新高速铁路东起甘肃省兰州市，西至新疆自治区乌鲁木齐市，全长1 776 km。沿线经过安西风区、烟墩风区、百里风区、三十里风区及达坂城风区[1]。由于上述风区内沙源丰富、植被稀疏、风力强劲，极易形成强风沙流，轻则导致列车停轮，重则吹翻列车，严重威胁着列车的安全运行。因此，为保证线路安全畅通，铁路建设期间在大风区迎风侧路肩和路堑部位修建了钢筋混凝土挡风墙。现场测试数据表明，挡风墙背风侧风速发生明显的衰减，起到了较好的防风效果。但由于挡风墙的工作原理类似于不透风沙障，导致沙粒沉积在线路上形成沙害，影响列车的安全运营。

针对不同地区的铁路沙害，国内外学者从风沙流活动规律[2-6]、不同路基的沙害形成机理[7-9]和沙障防沙效益[10-15]等方面做了大量的研究，极大地提高了铁路系统风沙灾害防治水平。但对高速铁路设置挡风墙后线路积沙问题的研究基本处于空白状态。鉴于此，本文基于现场试验和数值模拟，研究烟墩风区风沙流结构特征和挡风墙周围积沙特点。

1 现场试验

根据现场实际情况，试验段选址于烟墩风区，线路里程为DK1228+200—DK1228+300，线路为直线，走向为北偏西25°(乌鲁木齐方向)，路基断面形式为路堤。试验段位于天山东脉北山山前剥蚀平原区，属典型的温带大陆性气候，干旱少雨、蒸发强烈、空气干燥、植被稀少。年降水量平均为33.8 mm，年蒸发量为3 300 mm，年平均风速为4.6～5.9 m·s-1，瞬时最大风速为27～28.0 m·s-1。主导风向主要为NE和ENE，分别占全年风向的21%和26%，静风频率为1.36%，如图1所示。

由于传统的风沙监测系统主要适合于风速相对较低的沙漠地区，具有监测高度低、积沙器通透性差且不能随风向转动等缺点。考虑到戈壁地区风力强劲，风沙流携沙高度大，试验段采用新型自旋式积沙仪(图2)，主要由集沙器、集沙塔、地锚、底座等器件构成，主塔高3.5m，积沙器分布在7个高度，高度分别为0.05，0.5，0.75，1，1.5，2和3 m，观测周期约为1 a。

图1 烟墩风区风频玫瑰图

图2 现场风沙流观测装置

沙粒是形成风沙流的物质基础，积沙量的垂直分布曲线直接反映了风沙流结构特征，对掌握风沙流运动特征具有较为重要的意义。图3为烟墩风区天然地表原始风沙流携沙量垂直分布图，不难发现积沙量随高度呈负指数分布，高度0.75 m处为风沙流携沙量的转折点，<0.75 m范围内随着高度的增加携沙量急剧减少，>0.75 m范围内携沙量随高度的变化趋于平缓，说明风沙流中沙粒主要集中在近地表0.75 m范围以内。

图3 烟墩风区天然地表原始风沙流携沙量垂直分布曲线

沙的粒径范围和均匀程度可以直接反映形成沙的母岩性质，也可以在一定程度上反映沙搬运量的大小和搬运方式。图4给出了烟墩风区不同高度原始风沙流颗粒粒度分布，从图4可以看出，沙主要以细沙(粒径等小于0.25 mm)为主，中沙(粒径在0.25～0.5 mm)次之，粗沙(粒径等小于0.5～2 mm)最少。

图4 烟墩风区原始风沙流粒度分布

试验段选取5个观测断面，每个观测断面布设3个观测点，分别位于上行线、线路中心和下行线，共15个观测点。观测点周围积沙形态、积沙宽度、积沙厚度、积沙分布特点和积沙变化趋势主要通过现场图像采集和人工测量的方法获取。

现场监测表明，5个监测断面的积沙分布特点和变化趋势基本一致。因此，只选取DK1228+270断面进行分析。图5和图6分别为上下行线上不同时刻的现场积沙情况，表1和表2分别为相应的积沙量。从图5可以看出，线路积沙主要集中在上行线轨道板和支撑层与轨道板连接处(下文简称连接处)，下行线积沙较少。由表1和表2可见：随着时间的推移，上行线连接处的积沙量呈现递增的趋势，积沙面积由13.6 m2扩大到20 m2，最大积沙厚度则由11 cm 增加至25 cm，平均积沙宽度由68 cm增加至100 cm；而轨道板上的积沙量变化不大，只是积沙面积出现了少量的减少。以上分析表明，上行线连接处最易积沙，上行线轨道板次之，下行线最不易积沙，主要原因可能在于，越过挡风墙后，风速大幅度减少，气流携沙能力下降，沙粒在重力作用下做类平抛运动，大部分沙粒跌落在上行线附近，只有小部分细颗粒跌落在下行线附近。

图5 兰新高铁DK1228+270 断面上行线不同时间现场积沙情况

图6 兰新高铁DK1228+270 断面下行线不同时间现场积沙情况

表1 连接处积沙统计表

表2 上行线轨道板上的积沙统计表

2 数值模拟

2.1 建模

数值模拟采用CFD软件，通过试算并结合现场实际情况，模型尺寸取来流风向、线路方向和竖直方向分别为120，10和30 m，路堤高度2 m，边坡坡度为1∶1.5，挡风墙高度为3.8 m，来流风速分别取10，20，30和40 m·s-1。气流的稀相为空气，密度为1.225 kg·m-3；固相为沙粒，密度为2 650 kg·m-3；风沙流密度以沙粒体积分数区分，沙粒体积分数分别取 1%，2%，3%和4%。烟墩风区沙物质主要以细沙为主(粒径<0.25 mm)，固相取该粒组的平均粒径为0.125 mm，且假定沙粒为均匀球体。

网格划分类型Tetra/Mixed，边界层采用Robust(octree)，网格总单元数超过1 500万个。计算域左侧边定义为速度入口边界(velocity-inlet)，右侧边定义为压力出口边界(Out-flow)，两侧及顶部定义为对称边界(symmetry)，底面定义为固壁边界(wall)。

湍流模型采用标准k—ε两方程模型，求解模型采用欧拉双流体非稳态模型，求解算法采用基于压力耦合求解器的SIMPLEC算法。

由于计算时气流速度<50 m·s-1，可视作不可压缩流，故计算中气流密度可视为常数。

2.2 分析

2.2.1 挡风墙周围流场分布特征

图7给出了高度2 m、风速30 m·s-1时路堤周围气流速度分布等值线图。从图7可以看出：气流经过挡风墙，其速度发生了明显的分区现象，分别在挡风墙迎风侧、正上方和背风侧形成减速区、加速区和紊流区，且下行线气流衰减幅度明显小于上行线及连接处。主要原因在于，气流靠近挡风墙时，受到其阻碍作用，速度发生衰减；气流在通过挡风墙上方时，过流断面被压缩，速度得到加强；过了挡风墙以后，过流断面突然增大，气流发生扩散，并在挡风墙背风侧形成涡旋流。气流分区现象表明挡风墙背风侧位于风积区，容易形成积沙，且沙害程度上行线及其连接处明显大于下行线。

图7 路堤周围气流速度分布等值线图(单位：m·s-1)

图8为挡风墙后路堤特征点处的风速廓线图。从图8可以看出：挡风墙与上行线之间的风速廓线随高度呈现先增大后减小的趋势，5 m范围内均出现了回流现象；上行线中心线处的风速廓线随高度变化趋势基本一致，均呈现先增大后减小再增大的趋势，但下行线变化幅度明显大于上行线，上、下行线中心线处的回流起始点分别在2.71和3.69 m处，上行线回流起始点大于下行线，风速廓线特点表明挡风墙与上行线之间最易积沙，上行线次之，下行线最不易积沙。

图8 挡风墙后路堤特征点处的风速廓线(单位：m·s-1)

上述仿真计算结果与现场积沙监测试验相一致，表明该模型能够较好的模拟挡风墙周围风沙两相流运动特性，具有较高的可靠度。

2.2.2 线路积沙形成特征

当风沙流途经路堤及挡风墙时，气流能量重新分布，风沙流平衡状态发生变化，致使路基周围产生风沙危害，具体表现为风蚀和风积。风蚀现象主要位于路基边坡，只要采用合理的工程措施就可以彻底解决，对列车的正常运行影响较小；风积主要位于轨道板上，列车以高速通过时，沙粒会随高速气流卷入车体，严重威胁高速列车运行安全性。因此，揭示轨道板上的积沙形成特征，有针对性地提出防护方案对高速铁路风沙危害防治具有指导意义。

图9为不同时刻线路上沙粒体积分数云图。从图9可以看出，线路积沙始于挡风墙底部，随着时间的推移，积沙逐渐增多，当积沙量达到一定程度后，局部流场发生改变，积沙逐渐向轨道板转移，受上行线轨道板和钢轨的阻碍作用，沙粒大部分沉积在上行线轨道板周围，仅有小部分沙粒离开上行线沉积在下行线周围。数值模拟的积沙形成特征和现场监测的积沙现象相吻合，再次验证了模型的可行性。

图9 来流速度10 m·s-1、沙粒体积分数3%工况下线路上沙粒体积分数云图

从线路积沙形成特征不难看出，线路沙害主要是既有积沙的二次转移，为保证列车的安全运营，应及时清理挡风墙与上行线之间的积沙。

2.2.3 风速对积沙分布的影响

风是风沙流形成的动力条件，也是影响风沙地区输沙量的关键指标之一。当风速大于临界起沙风速后，风速越大气流携沙能力越强，输沙量相应增大，反之，输沙量减小。图10为同时刻、不同风速条件下路基周围沙粒体积分数云图。从图10可以看出，随着风速的增大，挡风墙迎风侧积沙量逐渐减少，背风侧积沙量逐渐增大，且积沙分布区域逐渐向下行线转移。

出现上述积沙现象的主要原因在于气流携沙能力的变化，风速较小时，在减速区风沙流可能处于饱和状态，气流携沙能力降低，大部分沙粒将会沉降在挡风墙迎风侧，随着风速的增加，减速区的风沙流饱和程度降低，气流的携沙能力增强，沉积在挡风墙迎风侧的沙粒逐渐减少，跃过挡风墙的沙粒逐渐增加，相应的沉积在线路上的积沙量也逐渐增多，同时由于风速越大，沙粒从气流中获得的能量也越大，跃过挡沙墙跌落在线路上的沙粒也越靠近下行线。

图10 沙粒体积分数3%、时间15 s时路基周围沙粒体积分数云图

与小风速持续时间相比，烟墩地区大风速属于小概率事件，且沙害的形成具有累积性，因此，线路积沙主要受小风速控制，即线路沙害主要位于上行线附近，当遇大风天气，积沙分布区域有逐渐向下风向转移的趋势，但大风时持续时间较短，沉积在下行线的积沙量也较少，这与现场监测结果相吻合。

2.2.4 携沙量对积沙分布的影响

沙粒是风沙流形成的物质基础，其丰富程度不仅决定着风沙流的结构特征，也影响着区域的蚀积状态。风速一定，下垫面提供的沙源较少时，风沙流处于风蚀状态；当沙源丰富，风沙流过饱和时，风沙流就接近于风积状态，风速一旦发生衰减，沙粒就会沉积在地表。

图11为同时刻不同携沙量线路周围体积分数云图。从图11可以看出，风速一定时，随着携沙量的增大，沉积在线路周围的积沙量逐渐增多。原因在于挡风墙前后属于弱风区，当风沙流经过时，气流的携沙能力降低，原始风沙流中的携沙量越多，气流越容易饱和，相应的沉积在挡风墙前后的积沙量也越多，沙害越严重。

图11 来流速度20 m·s-1、时间15 s时路基周围体积分数云图

3 结 论

(1)兰新高铁烟墩风区风沙流携沙量随高度呈负指数分布，0.75 m是风沙流携沙量转折点，小于0.75 m范围内随着高度的增加携沙量急剧减少，大于0.75 m范围内携沙量随高度的变化趋于平缓；风沙流中沙颗粒主要以细沙为主，中沙次之，粗沙最少。

(2)风沙流经过挡风墙时，其迎风侧、正上方、背风侧分别处于气流减速区、加速区和紊流区；挡风墙与上行线之间的风速廓线随高度呈先增大后减小的趋势，上、行线中心线处的风速廓线随高度变化趋势基本一致，均呈现先增大后减小再增大的趋势，但下行线变化幅度明显大于上行线。

(3)现场试验和数值仿真计算均表明，线路沙害主要是既有积沙的二次转移，两者具有较好的一致性，数值仿真模型能够较好的模拟路基周围风沙两相流运动特性。

(4)携沙量一定时，随着风速的增大，挡风墙迎风侧积沙量逐渐减少，背风侧积沙量逐渐增大，且积沙分布区域逐渐向下行线转移；风速一定时，随着携沙量的增大，沉积在挡风墙前后的积沙量呈递增趋势。