青藏铁路涵洞周围沙害形成机理的数值分析

杨晓明 贾海锋 周有禄

1.中铁西北科学研究院有限公司，兰州730000；2.青海省冻土与环境工程重点试验室，青海格尔木816000

随着我国基础建设的推进，风沙地区道路工程急剧增加。风沙地区由于干旱少雨、植被稀疏、大风频繁，极易形成风沙流。在道路工程修建之前，风沙流一般能够顺利通过，但在道路工程修建以后，其存在破坏了风沙流平衡状态，风速增大的区域将会形成风蚀现象，而在风速衰减区域则形成积沙现象，给道路工程的正常运行带来了安全隐患。

国内外学者针对道路工程风沙灾害做了大量的研究，部分研究成果逐渐应用在道路工程中。但前人的研究主要集中在风沙流结构特征［1-3］、路基沙害形成机理［4-7］、防沙工程效益评价［8-15］等方面，而对风沙地区涵洞的相关研究较少。涵洞工程作为道路工程的重要组成部分，起到过水和通行的作用，涵洞一旦被积沙所堵塞（图1），轻则增加养护费用，重则山洪爆发冲毁线路。因此，探究风沙地区涵洞周围的风沙流场及沙害形成机理，不仅可以为既有线涵洞风沙防治提供依据，而且可以为新线的建设提供指导。

本文以青藏铁路一涵洞为研究对象，采用计算流体力学软件构建欧拉双流体非稳态模型，研究涵洞周围的流场结构、积沙形成机理以及涵洞高度对其流场结构的影响。此外，利用超声波风速风向仪测试涵洞中轴线处的风速变化趋势，并与数值模拟结果进行对比，验证数值模型的可靠性。

1 研究方法

1.1 数值模拟

1.1.1 控制方程

风沙流是气体携带沙粒运动的一种自然现象，属于典型的气固两相流。在计算过程中，需要遵循质量方程和动量方程。质量方程为

式中：t为时间；fj为第j相的体积分数，j=1表示气相，j=2表示固相，且f1+f2=1；ρj为第j相的密度；vj为第j相的速度。

气相动量方程为

固相动量方程为

式中：p为气相和固相共享压力；τ1、τ2分别为气相、固相的应力应变张量；g为重力加速度；C12为气固相动量交换系数；p2为固相压力。

1.1.2 构建模型

数值分析中，计算域的大小对计算效率和结果的精确性具有较大的影响，过小计算结果误差偏大，过大则所需时间较长。因此，本文在多次试算后确定计算域的大小为100 m×20 m×20 m。计算域的边界层采用robust，网格类型为tetra/mixed，网格单元总数约为200万。边界条件见表1。

表1 边界条件

1.2 现场测试

现场测试主要是利用风速风向仪，对涵洞周围的流场进行定点监测，进一步验证数值模拟结果的可靠性，监测设备的平面布置如图2所示。风场监测设备主要采用英国生产的WindSonic超声波风速风向仪，其主要参数为：风速0～60 m/s，精度为±2%@12 m/s；分辨率0.01 m/s，反应时间0.25 s，最低值为0.01 m/s；风向0～360°（无死角），精度为±3°@12 m/s，分辨率1°。

图2 涵洞周围风速风向仪分布示意（单位：mm）

2 计算结果与分析

理想状态下，在平坦的地面上，可认为风沙流处于一种动态平衡状态，即非堆积搬运状态。只要气流的状态不发生改变，风沙流中的沙粒就不会沉积，从而不会产生风积沙害。为了更直观地分析这种状态，利用波动指数（测点速度与来流速度的比值）来表征，当波动指数大于1时，风沙流处于风积状态，反之处于风蚀状态。风沙流属于一种贴近地表的气固流，文献［16］指出青藏铁路沿线90%以上的固体颗粒在1 m以下。因此，研究近地表气流的波动指数，对于了解风沙的状态十分重要。

2.1 涵洞中线波动指数

不同高度处沿涵洞中线的气流波动指数见图3。可知：计算值和实测值吻合良好。这说明所建数学模型能够较好地反映涵洞周围的风沙流场。气流靠近涵洞时，受涵洞的阻碍作用速度开始逐渐减小，到迎风侧洞口时速度达到最小值，气流进入涵洞后，由于过流断面减小气流被压缩，根据伯努利原理，气流速度将会增大，到背风侧洞口时过流断面突然增大，气流发生扩散，速度急剧减小。总体上看，距地表0.1 m处的气流波动指数明显小于距地表0.5 m处的气流波动指数，且两者在洞中沿程变化趋势也存在差异，距地表0.1 m的气流波动指数呈递减趋势，而距地表0.5 m的气流波动指数呈递增趋势。这说明越靠近地面，附面层对气流的影响越大。

图3 不同高度处涵洞中线沿程气流波动指数

2.2 涵洞流场分布特征

风速15 m/s时，涵洞周围气流波动指数等值线见图4。可知，气流在途经涵洞时，波动指数在涵洞周围重新分布。在迎风侧洞口周围的波动指数在1以下，说明气流速度有所衰减，气流携带沙粒的能力降低，可能在该区域形成积沙。迎风侧路肩附近波动指数在1以上，说明该区域气流速度有所增加，可能在该区域形成风蚀现象。除了近地表，涵洞内气流波动指数也在1以上，说明涵洞内的气流速度也被加强，气流携沙能力增强，不易在涵洞内形成积沙。背风侧路基波动指数出现了大幅度衰减，说明该区域处于弱风区，沙粒最容易在此沉积，但该区域下方的气流在惯性力作用下和涵洞内几乎一致，且比原始风速大，跌落在此处的沙粒可能重新被气流带走。另外，背风侧洞口在地表一定范围内（图中A区域）也出现了弱风区，沙粒在此处沉积可能性较大。

图4 涵洞周围波动指数等值线

2.3 涵洞周围沙害形成机理

风速为15 m/s、固相初始体积分数为0.1时，不同时刻涵洞周围沙积线见图5。

图5 涵洞周围沙积线随时间变化情况

由图5可知：t=1 h时涵洞周围的积沙仅分布在洞口两侧，洞内几乎没有积沙；但随着时间的推移（t=2～3 h），积沙开始向洞内延伸长，但两侧洞口延伸的积沙并未连成一片；当t=4 h时两侧洞口延伸的积沙连成一片。结合图3、图4分析其原因为：风沙流靠近涵洞时，两侧洞口均有气流衰减区，此时沙粒开始沉积在该区域，而涵洞内部气流受狭管效应的作用，速率略高于原始风速，故开始时不存在积沙；随着时间的推移洞口积沙逐渐增多，以至影响到洞内风速，洞内部分区域风速发生衰减，新形成的衰减区开始逐渐积沙，如此反复循环使得整个洞内均存在弱风区，最终积沙堵塞涵洞。

2.4 涵洞高度对流场的影响

涵洞宽度一定时，高度影响洞中过流断面的大小，进而影响气流的速度，间接影响涵洞周围风沙流场。风速为15 m/s、距地表0.5 m时，不同高度的涵洞周围沿程气流波动指数见图6。

图6 不同高度的涵洞周围沿程气流波动指数

由图6可知，涵洞高度越大两侧洞口气流波动指数越大，当涵洞高度为4 m时两侧洞口指数均大于1，说明涵洞宽度一定时，涵洞高度越高洞口的气流衰减幅度越小，气流的携沙能力越强，越不容易在洞口形成积沙。因此，在风沙地区设计涵洞条件允许时，建议提高涵洞高度，减少涵洞沙害。

3 结论

1）风沙流途经涵洞时，气流风速重新分布，在涵洞口气流速度发生衰减，形成相对弱风区，在迎风侧路肩，气流速度得到加强，形成相对强风区。

2）洞口气流速度衰减是涵洞产生沙害的直接原因，在形成过程中积沙首先从洞口开始，进而影响到洞内风沙流场，两侧洞口的积沙逐渐连成一片，最终堵塞涵洞。

3）涵洞宽度一定时，高度越高洞口气流速度衰减幅度越小，越不容易引起积沙。在风沙地区设计涵洞条件允许时，建议提高涵洞高度。