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        青藏鐵路不同防沙柵欄的布設位置研究

        2012-08-02 08:42:40郝曉杰熊治文蔣富強薛春曉李凱崇
        鐵道標準設計 2012年4期
        關鍵詞:沙障青藏鐵路防沙

        郝曉杰,熊治文,蔣富強,薛春曉,李凱崇

        (1.中國鐵道科學研究院,北京 100081; 2.中鐵西北科學研究院有限公司,蘭州 730000)

        青藏鐵路自通車以來,其安全運營受到了高原風沙災害的嚴重威脅[1-2]。氣候環(huán)境變化和人為因素的共同作用是造成青藏高原沙漠化的主要原因[3-5]。風沙對鐵路的危害主要包括風積和磨蝕[6-10]。所謂風積是指風沙流在受到鐵路路基干擾時,沙粒沉積在路基坡腳、路肩和道砟上的現(xiàn)象。另外,青藏鐵路多年凍土地段多采用片石氣冷和通風管結構,以保護多年凍土不受破壞。路基坡腳的積沙會堵塞片石和通風管的孔道,使其失去保護多年凍土的作用,嚴重影響了青藏鐵路路基的長期穩(wěn)定[11]。鐵路道砟上的積沙直接影響著列車的安全行駛,嚴重情況可能導致列車脫軌。磨蝕是指風沙流中的沙粒含有較大能量,對機車車輛及通信設備等進行撞擊而使其破壞。青藏高原由于其惡劣的氣候環(huán)境條件,目前完全通過植物防沙來保護鐵路的安全運營,技術仍不成熟,所以青藏鐵路防沙以工程措施為主[12-13]。工程防沙體系的建設都是由很多道沙障組成。但目前人們對防沙柵欄如何布置的問題認識還不夠深入,尤其對防沙柵欄間距的布置沒有理論上的研究。本文采用計算流體力學軟件Fluent,從數(shù)值模擬角度研究了防沙柵欄布置的合理間距問題,研究結果為青藏鐵路工程防沙體系的設計提供了有力支撐。

        1 青藏鐵路防沙體系中常見沙障介紹

        1.1 混凝土插板式擋沙墻

        混凝土插板式擋沙墻主要分布于青藏鐵路紅梁河和錯那湖地段,從現(xiàn)場調(diào)查情況來看,防沙效果較好?;炷敛灏迨綋跎硥Ω?.7 m,沙障由5塊帶有孔隙的鋼筋混凝土插板組裝而成。立柱間距2 m,立柱內(nèi)設有卡槽,鋼筋混凝土插板由卡槽固定,見圖1,風向垂直于墻面?;炷敛灏迨綋跎硥Φ哪途眯院?,使用周期較長,但造價較高。

        圖1 混凝土插板式擋沙墻(單位:m)

        1.2 混凝土掛板式擋沙墻

        混凝土掛板式擋沙墻主要分布于青藏鐵路紅梁河、北麓河和沱沱河地段,從現(xiàn)場調(diào)查情況來看,障后積沙較多,沙障防沙能力較強?;炷翏彀迨綋跎硥Ω?.7 m,沙障由4塊鋼筋混凝土掛板組裝而成,板厚0.06 m。立柱間距2 m,立柱上設有掛鉤,鋼筋混凝土板掛于立柱掛鉤上,見圖2。混凝土掛板式擋沙墻施工方便,耐久性好,但造價較高。

        圖2 混凝土掛板式擋沙墻(單位:m)

        1.3 高立式PE網(wǎng)沙障

        高立式PE網(wǎng)沙障分布于青藏鐵路的紅梁河、北麓河、秀水河、沱沱河和錯那湖等地段,是運用最廣泛的一種防沙柵欄。從現(xiàn)場調(diào)查情況來看,高立式PE網(wǎng)沙障前后都有較多積沙,阻沙能力較強。高立式PE網(wǎng)沙障高1.5 m,由木柱、鐵絲網(wǎng)以及PE網(wǎng)組成。柱間距為2 m,PE網(wǎng)的孔隙度為40%,見圖3。高立式PE網(wǎng)沙障,可工業(yè)化生產(chǎn),施工方便快速,造價低廉,但耐久性較差,容易被積沙壓垮或機械清沙時被機械破壞。

        圖3 高立式PE網(wǎng)沙障(單位:m)

        2 現(xiàn)場調(diào)查

        根據(jù)青藏鐵路紅梁河區(qū)段現(xiàn)場調(diào)查情況,混凝土插板式擋沙墻障后積沙范圍為28 m,混凝土掛板式擋沙墻障后積沙范圍為20.4 m,高立式PE網(wǎng)沙障障后積沙范圍為18 m。可見,現(xiàn)場調(diào)查時,沙障的積沙未達到飽和狀態(tài)。但從現(xiàn)場積沙角度比較,3種沙障對風場的影響范圍從大到小為,混凝土插板式擋沙墻、混凝土掛板式擋沙墻、高立式PE網(wǎng)擋沙墻。

        根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查,青藏鐵路北麓河及錯那湖地段鐵路兩側都有阻沙措施,路基下風向側的積沙位于防沙柵欄遠離路基側,可見路基下風向側的防沙柵欄起不到任何防沙作用,反而攔截了已經(jīng)越過路基的沙子,應予以拆除。沱沱河地段部分阻沙柵欄走向與主導風向不垂直。受微地形影響,沱沱河地段,風向多變,但防沙柵欄走向一致,部分防沙柵欄的阻沙能力沒有得到充分發(fā)揮。

        從現(xiàn)場調(diào)查結果來看,阻沙柵欄應在判斷主導風向的基礎上,布設在路基上風向側,并根據(jù)微地形地貌適當調(diào)整,使其走向垂直于風向。

        3 合理間距的確定方法

        沙障積沙堆積的斷面形態(tài)近似于沙障對風場影響范圍的斷面形態(tài),積沙的最大范圍不超過沙障對風場影響區(qū)域。沙障間距過小,容易造成第一道沙障之后的沙障被沙埋,不但防沙功能得不到充分發(fā)揮,而且積沙緊貼沙障不利于機械清沙。將沙障前后低于起沙風速的區(qū)域稱為影響區(qū)域,根據(jù)風洞試驗和現(xiàn)場試驗測得,青藏高原起沙風速為7 m/s左右。結合現(xiàn)場調(diào)查積沙情況認為,當?shù)谝坏郎痴系恼虾箫L場影響區(qū)域和第二道沙障的障前風場影響區(qū)域相貼,此時兩道沙障的間距即為合理間距。

        4 數(shù)值計算模型建立

        青藏鐵路防沙柵欄的長度遠遠大于其橫向尺寸,重點研究沙障的間距問題,可視其為二維問題處理。由于青藏鐵路沿線大風季節(jié)風速一般大于10 m/s,小于50 m/s,馬赫數(shù)小于0.3,故計算時可按不可壓縮流動及紊流問題處理[14-15]。另外,本模型不考慮熱量的交換,是單純流場問題,所以不包含能量方程。描述擋風墻背風側流場的控制方程主要包括連續(xù)方程、動量方程、和k-ε湍流模型方程,具體方程見文獻[16]。

        通過不同長度和高度的模型計算比較,當模型的計算長度大于100 m,高度大于15 m時,計算空間的高度和長度對沙障周圍流場產(chǎn)生的影響很小。其余尺寸和粗糙度的選取與實際情況保持一致。因此,流場的計算長度取為100 m,高度取為15 m。

        為模擬青藏高原低溫低氣壓條件下的風場情況,參數(shù)選取海拔約4 500 m左右的空氣狀態(tài)情況,青藏高原大風季節(jié)一般為每年10月到翌年3月,氣溫為-20℃,空氣密度和氣壓均取為標準狀態(tài)的55%[17]。由于空氣黏度和溫度有顯著的關系,但和氣壓幾乎沒有關系,所以空氣黏度選取溫度為-20℃時標準大氣壓的情況,黏度μ=1.628×105Pa·s。

        模型的入口和出口分別采用速度入口和自由出流,地面和擋風墻采用固體壁面邊界。

        5 計算結果分析

        5.1 防沙柵欄合理間距與柵欄形式的關系

        為便于分析青藏鐵路防沙柵欄的合理間距,文中統(tǒng)一風速為18 m/s。

        5.1.1 混凝土插板式擋沙墻

        混凝土插板式擋沙墻風速流場數(shù)值模擬結果見圖4,從風速矢量圖4(a)可以看出,沙障對風場有明顯的干擾作用,大量空氣穿過沙障的較大孔隙,在障后形成一個較大渦流區(qū)。渦流區(qū)中,風速明顯減弱,風沙流中的沙粒隨即沉積。模擬結果和現(xiàn)場調(diào)查障后形成較多積沙的情況吻合,說明模擬結果具有較高的準確性。

        從圖 4(b)、(c)、(d)間距分別為 30、40、50 m 情況下的風速云圖,深色區(qū)域為沙障對風場的影響范圍。從圖4中可以看出,間距為30 m情況下,2道沙障間的降速區(qū)域重疊;間距為40 m情況下,2道沙障間的降速區(qū)域略有重疊;間距為50 m情況下,2道沙障間的降速區(qū)域分離。按照相貼原則,混凝土插板式擋沙墻的合理間距為40~45 m。

        圖4 混凝土插板式擋沙墻風場圖

        5.1.2 混凝土掛板式擋沙墻

        混凝土掛板式擋沙墻風速流場數(shù)值模擬結果見圖5,從風速矢量圖5(a)可以看出,沙障對風場有明顯的干擾作用,大量空氣穿過沙障的較大孔隙,在障后被分成上下兩股,形成上下2個較大渦流區(qū)。渦流區(qū)中,風速明顯減弱,風沙流中的沙粒隨即沉積。模擬結果和現(xiàn)場調(diào)查障后形成較多積沙的情況基本吻合,說明模擬結果具有較高的準確性。

        從圖5(b)、(c)、(d)間距分別為 30、40、50 m、情況下的風速云圖,深色區(qū)域為沙障對風場的影響范圍。從圖5中可以看出,間距為30 m情況下,2道沙障間的降速區(qū)域明顯重疊;間距為40 m情況下,2道沙障間的降速區(qū)域分開小段距離;間距為50 m情況下,2道沙障間的降速區(qū)域明顯分離。說明混凝土掛板式擋沙墻的合理間距為35~40 m。

        圖5 混凝土掛板式擋沙墻風場圖

        5.1.3 高立式PE網(wǎng)沙障

        高立式PE網(wǎng)沙障風速流場數(shù)值模擬結果見圖6。同樣從風速矢量圖6(a)可以看出,沙障對風場有明顯的干擾作用,空氣穿過PE網(wǎng)均勻而較小的孔隙,障后空氣流向的改變相對前2種沙障較小,沒有像前2種沙障形成明顯渦流區(qū)域。在PE網(wǎng)的干擾下,障后風速的降低非常明顯,風沙流中的沙粒同樣可以沉積,模擬結果和現(xiàn)場調(diào)查障后形成較多積沙的情況基本吻合,說明模擬結果具有較高的準確性。

        從圖 6(b)、(c)、(d)中,間距分別為 30、40、50 m情況下的風速云圖,深色區(qū)域為沙障對風場的影響范圍。從圖6中可以看出,間距為30 m情況下,2道沙障間的降速區(qū)域略有重疊;間距為40 m情況下,2道沙障間的降速區(qū)域分離;間距為50 m情況下,2道沙障間的降速區(qū)域明顯分離。說明高立式PE網(wǎng)沙障的合理間距為30~35 m。

        圖6 高立式PE網(wǎng)沙障風場圖

        綜上所述,防沙柵欄合理間距與柵欄形式有密切關系,障后形成的渦流區(qū)越大柵欄合理間距越大。

        5.2 防沙柵欄合理間距與風速的關系

        為研究不同風速情況下防沙柵欄的合理間距問題,模擬了10、18、26和34 m/s風速情況下上述3種防沙設施的合理間距,結果見表1。

        表1 不同風速條件下各種沙障的合理間距 m

        圖7為合理間距和風速的關系圖。從圖中可以看出,合理間距和風速大小具有較好的線性關系,3種沙障的合理間距都隨風速的增大而減小。風速為26 m/s時,3種沙障的合理間距相差不大,為30 m左右。插板式沙障合理間距受風速影響最大,高立式PE網(wǎng)沙障的合理間距受風速影響最小。

        根據(jù)圖7中擬合的各種沙障合理間距隨風速變化的線性關系公式,可以計算出風速大于10 m/s情況下,各種沙障在各種風速條件下的合理間距。從不同地區(qū)現(xiàn)場防沙體系設計中,可根據(jù)現(xiàn)場風速資料求得相應的合理間距。

        圖7 合理間距隨風速變化關系

        6 結論

        (1)從數(shù)值模擬角度對常見3種沙障的不同間距風場進行分析得到,大風季節(jié)最高風速18 m/s情況下,混凝土插板式擋沙墻的合理間距為40~45 m,混凝土掛板式擋沙墻的合理間距為35~40 m,高立式PE網(wǎng)沙障的合理間距為30~35 m。各種沙障間的合理間距隨風速增大而減小。

        (2)混凝土插板式擋沙墻障后形成1個較大渦流區(qū),混凝土掛板式擋沙墻障后形成上下2個小渦流區(qū),而高立式PE網(wǎng)沙障障后沒有形成渦流區(qū)??梢姡嗤L速下,防沙柵欄障后的渦流區(qū)越大,防沙柵欄的合理間距越大。

        (3)根據(jù)青藏鐵路紅梁河區(qū)段現(xiàn)場調(diào)查,從現(xiàn)場積沙角度比較,3種沙障對風場的影響范圍從大到小為,混凝土插板式擋沙墻、混凝土掛板式擋沙墻、高立式PE網(wǎng)擋沙墻。調(diào)查結果和數(shù)值模擬結果正相關,說明數(shù)值模擬結果是較可靠的。

        (4)根據(jù)北麓河和沱沱河現(xiàn)場調(diào)查,防沙體系路基下風向側防沙柵欄起不到任何防沙功能,應予拆除。防沙柵欄走向與主導風向不垂直時,防沙功效得不到充分發(fā)揮。所以防沙柵欄應布置在鐵路上風向側,且其走向應垂直于現(xiàn)場主導風向。

        鐵路不同防沙柵欄布設位置的影響因素較復雜,文中重點考慮了擋沙墻形式、風速、地表粗糙度等因素,對沙粒粒徑及微地形地貌等因素沒有考慮,研究結論有待在實踐中進一步檢驗和完善。

        防沙柵欄的合理間距研究結果,可直接為青藏鐵路防沙體系的設計提供支撐,也可以為其他地區(qū)鐵路防沙設計提供參考。

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