沙漠高速公路边坡风沙流场特征分析

喻国根，贾小龙，刘俊绿

（1.宁夏大学土木与水利工程学院，宁夏 银川 750021；2.宁夏交通建设股份有限公司，宁夏 银川 750004；3.宁夏道路养护工程技术研究中心，宁夏 银川 750004）

0 引言

乌玛高速公路是我国首条穿越沙漠腹地的高速公路，线路穿越腾格里沙漠东南腹地。而腾格里沙漠在我国沙漠面积排名第四，位于阿拉善高平原的东南，其中半流动型沙丘和流动型沙丘是主要的沙丘类型[1]。由于群山环绕，常年又受蒙古高压影响，每年平均降雨不足200mm，造成了恶劣的风沙环境，不仅如此，高速公路的路面设计宽度相对于其余等级公路更宽，这就导致了沙漠腹地高速公路更易遭受风蚀和沙埋两种沙害情况，给内蒙古乌海至青海玛沁行线的行车安全和运营维护带来了很大挑战[2]。

近年来，为解决沙漠交通困难的问题，有不少学者在沙漠沙丘形成演化规律、风沙运动规律等方向做了详细的研究，为探索风沙流运动奠定了良好的基础[3]；也有不少研究者针对腾格里沙漠气象、沙粒浓度等环境因素展开了研究，通过分析得到了腾格里沙漠气象规律、沙粒浓度分布及沙丘分布等环境因素分布特征[4]。随着时代进步，国内外学者开始通过风洞试验和数值模拟研究分析风沙流对不同结构物的影响，更清晰地分析了风沙流的运动特征[5]。

但目前对于沙漠腹地高速公路路基断面的研究分析尚不全面，而边坡坡度是影响风沙流场的重要参数，边坡坡度的合理设置能够提高路基阻沙和输沙能力，从而减少公路沙埋和风蚀危害，也能降低公路在风沙危害方面的养护投入。本文采用野外定点数据采集的方式采集乌玛高速公路腾格里沙漠段气象数据。以采集结果作为数值模拟参数条件，利用Fluent软件对乌玛高速公路不同坡度断面进行风沙流数值模拟。研究结论不仅对乌玛高速公路沿线边坡更新和完善具有重要的指导意义，更可为以后沙漠腹地高速公路建设提供参考。

1 工程概况

1.1 研究区概况

乌玛高速公路项目起点为K141+850，终点为K183+160.348，路线全长41.5km，路线起点与青铜峡段顺接，终点接定武高速（红卫车站约1.5km处），经过腾格里沙漠路的路段长约21km，设计时速为100km/h，公路等级为双向四车道高速公路，路基设计大部分路段为分离式路基，单幅行车道的宽度、硬路肩宽度和土路肩宽度总共13m，中央分隔带宽16m。路基断面简化如图1所示。

图1 沙漠公路乌玛高速公路路基断面简化图

1.2 气象数据采集

风沙运动与气象因子以及周围环境有着密切的关系，本文采用定点设立全自动气象仪进行气象数据采集。首先，在乌玛高速公路腾格里沙漠区域选定研究区域，并架设全自动气象仪，用于监测研究区域风速、风向和气温。1号气象仪位于乌玛高速ZK167+800m段；2号气象仪位于乌玛高速ZK176+00m路段，两台气象仪相距约8km，均设立在流动沙丘上，主要采集数据为空气温度、50cm处和150cm处的平均风速和瞬时最大风速，每隔1min进行数据采集，时间从2019年12月—2020年6月。由于1号仪器数据丢失，本文仅统计2号仪器的数据。数据结果表示，冬季平均温度为-14℃、夏季平均温度为25℃，春秋季平均温度为12℃；50cm处平均风速为4m/s，瞬时最大风速为14m/s；150cm处平均风速为4m/s，瞬时最大风速为20m/s。

1.3 实地观测

2020年7月，对乌玛高速公路K160+00—K167+00段进行了道路积沙观测，公路沿线实地考察积沙结果如表1所示。

表1 乌玛高速公路观测路段沙害情况

由观测结果可知，积沙路段多为坡脚、中央分隔带处，坡面会有少许积沙。

2 风沙数值模拟方法

风沙流场属于多物理耦合流场，基于前人对风沙流场的研究，常采用数值模拟的方法对位于风沙地区的交通设施进行研究[5-7]。本文将采用Fluent软件对不同边坡沙漠高速公路进行气流场分析。

2.1 数值模拟方法

计算区域填充为连续介质，是随着时间变化而进行复杂气相和沙相的两相耦合运动，由于沙粒无太大能量传递，数值模拟过程中不考虑温度的影响。同时，计算区域为大自然环境，气流流动时，空气不会产生太大的压缩性，所以假设为不可压缩气流。计算域中每个网格都为求解域，求解过程中必须满足质量守恒、动量守恒以及能量守恒。湍流模型考虑K-epsilon模型，而近壁面区域采用标准壁面函数来增加计算精度，流场计算采用欧拉多相流模型，时间积分采用二阶隐式计算方法，求解器采用SIMPLE算法，湍流动能、动量等离散化问题均采用二阶计算格式。计算残差设立在10-6，收敛后可认为模拟结果准确[5]。

2.2 计算域及网格划分

计算域的尺寸关系到数值模拟的精确性以及经济性。根据前人的研究，数值模拟的计算域入口和出口边界应距离模型不小于4倍路基模型高度的距离、上壁面距离也是如此。网格采用非结构化网格，近壁面设立5层膨胀层。

2.3 计算参数及边界设置

经现场实际调查，腾格里沙漠积沙主要在0.075～0.25mm[2]，故在Fluent中设定沙粒粒径为0.1mm，沙粒密度为2 650kg·m-3，空气密度为1.225kg·m-3，压力设定成大气压，因为沙粒为稀相，故沙粒体积分数设置为0.1‰，初始沙粒浓度为0.03，一般在动力黏度和碰撞黏度计算设置都选用Gidaspow模型，摩擦黏度计算设置选择Schaeffer方式，沙床最大堆积率为0.63，碰撞恢复系数为0.9[5-7]。入口边界设置为速度入口，出口边界设置为压力出口、下壁面设置为壁面边界，上边界及左右边界设置为对称类边界。

3 沙漠高速公路坡度风沙流场分析

根据《公路路基设计规范》（JTG D30—2015）以及地方标准《内蒙古地区沙漠公路勘测设计规范》（DB 15/T 939—2015）中对于沙漠高速公路的边坡设计要求，路基边坡坡度应缓于1∶3[8-9]。本文采用乌玛高速公路的路基尺寸，针对边坡1∶3,1∶4,1∶5三种路基进行风沙流仿真模拟。

3.1 模型建立

路基模型建立有3种工况。工况1：设立填筑高度为8m，边坡坡度为1∶3；工况2设立填筑高度为8m，边坡坡度为1∶4的路基；工况3设立填筑高度为8m，边坡坡度1∶5的路基。初速度为14m/s，其余设置参照第二节。路基模型示意图以工况2为例（见图2）。

图2 边坡1∶4填方路基模型

3.2 气流场特征分析

（1）气流场运动特征

气流和沙粒以14m/s的初始速度从流场左侧平行于地表流入，路基的气流场速度分布如图3所示。从图3可以看出：气流遇到路基体后，其运动方向发生改变，在迎风侧坡脚位置、路面、中央分隔带表面及背风侧坡脚、坡面风速都逐渐减小，坡脚处风速最小。背风侧坡脚风速减小的程度要远大于迎风侧坡脚。受边坡角度的影响，风速沿坡面逐渐增加，在迎风侧路肩上方处风速达到最大，在路面有所下降，从中央分隔带过后风速再次提升至最大。气流经过路基体后，气流的速度和方向又逐渐下降恢复到初始风速，继续向前流动。整个气流沿路基迎风侧坡脚至背风侧坡脚呈“上升-下降-上升”的趋势，通过对不同边坡路面在相同风速作用下气流场的速度云图对比，不同边坡路面风沙流场的运动特征基本一致。

图3 边坡1∶3路基表面气流场速度云图

（2）气流场速度分布特征

气流场速度大小会造成不同大小的气压与风压，是造成路基吹蚀和车辆侧翻的主要影响因素，所以研究路面周围气流场速度分布特征对探明沙害形成机理具有重要意义。

从图3可看出，在路肩和迎风坡上游处存在着大量的高速度空气颗粒，路肩存在着集流效应，导致速度突然增加，坡脚到坡肩处速度缓慢上升。模拟结果关键位置速度如表2所示。由表2可知，坡度为1∶3时坡脚处风速最小，路肩、路基表面和中央分隔带的速度相对其余边坡更大，坡面速度增长更快。坡度为1∶5的路基，坡脚处速度最大，路肩、路面和中央分隔带的速度相对其余边坡路基更小，坡面速度增长最慢。边坡1∶3的路基相对于边坡1∶4和边坡1∶5的路基在坡脚处风速降低了12%和15%，坡肩速度增加了4.5%和9%，路基表面增加了7.3%和10.5%，中央分隔带表面增加了6.3%和8.3%；边坡1∶4的路基相对于边坡1∶5的路基在坡脚处风速相对降低了3.8%，路肩速度增加了4.3%，路基表面增加了3%，中央分隔带表面增加了2%。

表2 路基不同坡度不同关键位置速度 单位：m/s

综上来看，坡度越陡，坡脚处速度降得越快，坡肩路基表面、中央分隔带的速度增加幅度越大。

3.3 沙流场特征分析

（1）沙粒速度分布特征

沙粒速度大小会产生不同程度的冲击力，是造成路基风蚀的主要原因。如图4所示，路肩处沙粒速度最大，路面其次，当风速过大时，这两处位置会产生较严重的风蚀。

图4 边坡1∶3路基表面沙粒速度云图

如表3所示，工况1相对于工况2和工况3坡脚沙粒速度下降11.9%和22.1%，路肩沙粒速度增长5.6%和8.6%，路面沙粒速度增长6.5%和9.8%，中央分隔带处增长5.9%和8.7%；工况2相对于工况3，坡脚沙粒速度下降7.7%，路肩处增速2.9%，路面增速3%，中央分隔带处增速2.7%。模拟数据表明，坡度越大，沙粒对路基坡脚产生的风蚀效果会越来越小；路肩、路基表面和中央分隔带风蚀情况越来越严重。

表3 不同坡度路基关键沙粒速度 单位：m/s

（2）沙粒体积分数分布特征

沙粒体积分数会体现该路况所含沙粒的数量级，数量过多将会造成沙埋等沙害。如图5所示，沙粒主要将会在迎风侧与背风侧的坡脚处和中央分隔带堆积，迎风侧和背风侧坡面及路面会有少许沙粒。因初始浓度为0.03，沙粒沉积量在10-3%变化，对不同位置沙粒体积分数变化情况计算如表4所示。从表4中可以看出，工况1相对于工况2和工况3，坡脚沙粒体积浓度变化增加10-3%和2×10-3%，迎风侧坡面增加了3×10-3%和1×10-3%，路肩减少了大部分沙粒，路面减少了3×10-3%和5×10-3%，中央分隔带左侧增加了3×10-3%和1×10-3%，中央分隔带右侧增加了4×10-3%和7×10-3%，路面几乎没变化，背风侧坡面增加了1×10-3%和4×10-3%，坡脚增加了1×10-3%和2×10-3%。

表4 路基不同坡度不同关键位置沙粒体积分数变化 单位：1×10-3%

图5 不同边坡坡度1∶3（A）1∶4（B）1∶5（C）的路基沙粒体积分数

综上来看，当坡度越陡，迎风侧和背风侧坡面和坡脚积沙情况加剧，迎风侧路面积沙程度消减，中央分隔带积沙量会越来越多，特别是近背风侧中央断层处会出现大量积沙。

4 结论

本文利用Fluent软件进行数值模拟，以乌玛高速公路模型为原型，结合腾格里沙漠气象环境参数，对不同坡度路基风沙流场速度和积沙特征进行了模拟分析，最终得到如下结论：

（1）风速不变的情况下，只改变坡度不会影响周围风沙流场运动特征。

（2）当坡度由1∶5变成1∶3时，坡度越陡，风速与沙粒速度下降越快，风蚀与吹蚀沙害情况下降，路肩、路基表面和中央分隔带沙粒速度将会增大，也更容易出现风蚀等沙害现象。应当在坡肩处对吹蚀这种沙害进行防护。

（3）当坡度由1∶5变成1∶3时，坡度越陡，坡脚处积沙率增加，迎风侧和背风侧坡面积沙也会增加，中央分隔带积沙增多，近背风侧中央分隔带处会出现大量积沙，这些位置相对更容易出现沙埋等现象。但在迎风侧路面积沙会有所下降，迎风侧坡面在边坡1∶4的路基积沙最小。