秦 旗

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，西安 710043)

阿聯(lián)酋鐵路路基風(fēng)沙防治措施數(shù)值分析及設(shè)計(jì)

秦 旗

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，西安 710043)

結(jié)合阿聯(lián)酋聯(lián)合鐵路工程背景，采用CFD技術(shù)對(duì)風(fēng)沙防治措施進(jìn)行模擬分析，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行風(fēng)沙防治措施設(shè)計(jì)，使設(shè)計(jì)更趨于合理化?；诎⒙?lián)酋風(fēng)沙實(shí)際情況，分別利用GAMBIT軟件和ANSYS軟件建立路基整體風(fēng)洞模型和阻沙柵欄二維模型，并用FLUENT軟件進(jìn)行求解，根據(jù)對(duì)比分析選取適宜的路基邊坡坡率、地表覆蓋物粒徑、阻沙柵欄疏透率等設(shè)計(jì)參數(shù)，進(jìn)行風(fēng)沙防治措施設(shè)計(jì)。結(jié)論：(1)風(fēng)沙路基應(yīng)采用放緩路基邊坡坡率的措施，路堤邊坡坡率以1∶2～1∶5為宜；(2)路基兩側(cè)應(yīng)平鋪礫石土覆蓋于沙地表面，粒徑不宜小于5 cm；(3)阻沙柵欄高度宜采用1.5m，按疏透度0.4采取適宜的布置形式。

阿聯(lián)酋鐵路；風(fēng)沙防治；CFD；數(shù)值模擬

目前我國(guó)沙漠地區(qū)鐵路運(yùn)營(yíng)總長(zhǎng)度已超過(guò)5 000 km，對(duì)于促進(jìn)荒漠地區(qū)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展起到了重要的作用。從最早包蘭鐵路開(kāi)創(chuàng)我國(guó)沙漠鐵路建設(shè)的先例開(kāi)始，50多年來(lái)我國(guó)鐵路建設(shè)者及相關(guān)科研人員在風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)規(guī)律及鐵路風(fēng)沙綜合防治等方面開(kāi)展了大量研究工作。如屈建軍等[1]曾對(duì)包蘭鐵路沙坡頭段的風(fēng)沙規(guī)律及其防護(hù)體系的相互作用進(jìn)行過(guò)深入的研究，為鐵路防沙設(shè)計(jì)提供了充足的理論支撐；李肖倫[2]從鐵路選線到路基本體防沙、路基兩側(cè)防沙及保護(hù)天然植被幾個(gè)方面對(duì)我國(guó)鐵路沙害的防治進(jìn)行了系統(tǒng)的總結(jié)，并對(duì)今后鐵路沙害防治提出建議與對(duì)策；錢(qián)征宇[3]也曾對(duì)鐵路沙害的形成、危害及其主要影響因素進(jìn)行了系統(tǒng)分析，并對(duì)鐵路沙害防治的基本原則、防治原理和應(yīng)用條件進(jìn)行了分析探討?？梢哉f(shuō)在風(fēng)沙形成、風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)規(guī)律、鐵路防風(fēng)沙設(shè)計(jì)要點(diǎn)等方面我國(guó)已取得了一些有效的經(jīng)驗(yàn)，掌握了工程阻沙、植物固沙、化學(xué)固沙以及綜合治沙的技術(shù)和方法，總結(jié)出了不同地區(qū)沙漠鐵路的防風(fēng)沙模式，能夠有效地指導(dǎo)沙漠鐵路的設(shè)計(jì)。

但是，目前為止我國(guó)大部分關(guān)于鐵路風(fēng)沙防治的科學(xué)研究及工程設(shè)計(jì)都是基于在我國(guó)的沙漠條件進(jìn)行的，我國(guó)的科研成果與國(guó)外鐵路項(xiàng)目結(jié)合的應(yīng)用實(shí)例還相對(duì)較少?；诎⒙?lián)酋聯(lián)合鐵路“SHAH-HABSH-RUWIS鐵路”項(xiàng)目對(duì)國(guó)外鐵路的風(fēng)沙防治措施的設(shè)計(jì)和相關(guān)CFD模擬分析進(jìn)行詳細(xì)探討。

1 阿聯(lián)酋地區(qū)風(fēng)沙條件概況

阿聯(lián)酋地區(qū)降水稀少，蒸發(fā)強(qiáng)烈，氣候干燥，溫差較大，地表植被稀疏，除綠洲區(qū)及人類(lèi)改造部分外，幾乎全為風(fēng)沙覆蓋。風(fēng)沙地段以新月形沙丘、沙丘鏈、沙壟為主，沙丘由西北向東南呈往復(fù)擺動(dòng)式前進(jìn)。一般高度在3～20 m，個(gè)別可達(dá)20～50 m。固定、半固定和流動(dòng)沙丘均有不同程度的分布，流動(dòng)沙丘主要分布于微丘區(qū)和丘陵區(qū)，固定、半固定沙丘僅分布在沙漠的邊緣和一些水流條件較好的溝谷附近。流動(dòng)沙丘受主導(dǎo)風(fēng)向及季風(fēng)影響較大，整體為NW-N向的大型沙壟及NE-E或近E-W向的橫向大型新月形沙丘鏈及鏈間橫向小沙丘，當(dāng)?shù)刈畲箫L(fēng)速12 m/s。

阿聯(lián)酋聯(lián)合鐵路由波斯灣南岸沿海平原區(qū)至內(nèi)陸沙漠區(qū)，地勢(shì)南高北低。大部分線路行進(jìn)于微丘陵區(qū)，地表多為半固定沙丘，分布少量移動(dòng)沙丘，隨著線路向南行進(jìn)，逐漸通向空曠的沙漠地區(qū)，地形起伏不斷加大，沙害越來(lái)越重，由北向南地形起伏越來(lái)越大，逐步進(jìn)入沙漠腹地，地表分布高大的新月形或格狀移動(dòng)沙丘，沙丘高度達(dá)20～50 m。

鐵路主要面臨風(fēng)蝕和沙埋兩種危害，將嚴(yán)重影響線路的正常運(yùn)行，故阿聯(lián)酋鐵路風(fēng)沙防治將是該鐵路建設(shè)的技術(shù)關(guān)鍵。

2 風(fēng)沙防治措施數(shù)值模擬

在進(jìn)行風(fēng)沙防治措施詳細(xì)設(shè)計(jì)之前分別對(duì)路基整體風(fēng)沙流場(chǎng)、地表覆蓋物固沙、阻沙柵欄阻沙進(jìn)行數(shù)值模擬，總結(jié)風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)規(guī)律的同時(shí)，得出防風(fēng)沙措施的相關(guān)參數(shù)，為后續(xù)設(shè)計(jì)提供參考。

2.1 路基整體風(fēng)沙流場(chǎng)數(shù)值模擬

利用GAMBIT軟件進(jìn)行流動(dòng)區(qū)域路堤幾何形狀的構(gòu)建、邊界類(lèi)型以及網(wǎng)格的生成，此模擬中邊界值按照風(fēng)洞參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，區(qū)域長(zhǎng)300 cm，寬100 cm，高60 cm。選取風(fēng)速12 m/s并按項(xiàng)目所在區(qū)域?qū)嶋H風(fēng)向，模擬路基與來(lái)流風(fēng)向呈30°、60°、90°三種情況下的風(fēng)沙流場(chǎng)，獲得路基表面風(fēng)速分布及其對(duì)風(fēng)蝕量的影響。然后應(yīng)用FLUENT軟件求解器對(duì)流動(dòng)區(qū)域進(jìn)行求解計(jì)算，最后利用TECPLOT軟件對(duì)輸出的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行后處理。模型構(gòu)架和表面網(wǎng)格劃分情況見(jiàn)圖1。

圖1 路基模型表面網(wǎng)格

求解后得到路基沿XZ平面中央的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)圖(圖2)，迎風(fēng)坡頂端集流加速區(qū)出現(xiàn)的高度較高，密集地分布著平行于堤頂?shù)娘L(fēng)速等值線，背風(fēng)側(cè)形成的減速沉降區(qū)范圍較小。因?yàn)樘菪雾敳看嬖谝欢尉嚯x，氣流沿坡輻合到迎風(fēng)坡頂?shù)臅r(shí)候沒(méi)有立刻發(fā)生輻散分區(qū)，而是存在沿頂部爬行的一個(gè)過(guò)程，待氣流到頂部背風(fēng)側(cè)邊緣時(shí)開(kāi)始發(fā)生能量分散，由于能量在頂部爬行過(guò)程中的削弱，風(fēng)速等值線迅速下滑。

圖2 數(shù)值模擬路基模型XZ平面截面上的流場(chǎng)

圖3為YZ剖面的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)圖，分別取X為路基迎風(fēng)側(cè)、背風(fēng)側(cè)以及路堤典型部位，得出各典型位置流場(chǎng)結(jié)構(gòu)圖。路堤迎風(fēng)坡腳處出現(xiàn)低速區(qū)；到了迎風(fēng)半坡底層風(fēng)速繼續(xù)減弱，高層風(fēng)速出現(xiàn)加速區(qū)域；到了路基面頂部集流加速最為明顯；背風(fēng)半坡到背風(fēng)坡腳，底層風(fēng)速出現(xiàn)回流現(xiàn)象，湍流發(fā)育，路堤背風(fēng)側(cè)的有效防護(hù)距離內(nèi)，底層風(fēng)速均為低風(fēng)速區(qū)，這種現(xiàn)象隨著路堤邊坡坡率越陡，路堤高度越高，現(xiàn)象越明顯。

圖3 數(shù)值模擬路基模型YZ平面截面上的流場(chǎng)

線狀分布的路基與來(lái)流氣流方向垂直時(shí)，迎風(fēng)坡的氣流加速作用顯著，在迎風(fēng)坡路肩處達(dá)到最大；當(dāng)氣流與路基走向的夾角減小時(shí)，迎風(fēng)坡的加速作用和背風(fēng)坡的回流區(qū)強(qiáng)度均有所減弱；夾角減小到30°時(shí)，迎風(fēng)側(cè)的氣流沿坡面加速作用不明顯，頂部的風(fēng)速被削弱，背風(fēng)坡不產(chǎn)生回流，受風(fēng)蝕影響的實(shí)際面積反而小于水平面，如圖4所示。

圖4 不同風(fēng)向夾角路基表面us/ur分布

2.2 地表覆蓋物數(shù)值模擬

利用流體力學(xué)軟件FLUENT軟件對(duì)礫石表面的流體過(guò)程進(jìn)行模擬，研究不同礫石高度、直徑、蓋度、密度等礫石床面幾何參數(shù)，以及風(fēng)速、摩阻速度等流體特性對(duì)粗糙度的影響，建立礫石表面空氣動(dòng)力學(xué)粗糙度與相關(guān)參數(shù)的定量關(guān)系。從而確定礫石表面幾何參數(shù)的最佳形式，為礫石表面的風(fēng)沙防護(hù)功能提供理論依據(jù)。

2.3軟產(chǎn)道撕裂傷造成的大出血協(xié)助醫(yī)生予以修復(fù)縫合,如為陰道血腫則先切開(kāi)血腫,清除血塊,進(jìn)行縫合,并補(bǔ)充血容量。

圖6 不同蓋度礫石表面風(fēng)速廓線

首先利用前處理軟件GAMBIT完成對(duì)風(fēng)洞模型的建立，采用結(jié)構(gòu)與非結(jié)構(gòu)混合網(wǎng)格對(duì)風(fēng)洞進(jìn)行分塊網(wǎng)格劃分，如圖5(a)所示，將風(fēng)洞劃分為4部分，對(duì)礫石所在部分進(jìn)行網(wǎng)格加密，如圖5(b)所示，網(wǎng)格總數(shù)約為150萬(wàn)。礫石的形狀均用四面體替代，在礫石表面采用Tet/Hybird網(wǎng)格。入口為velocity-inlet邊界條件，速度入口為對(duì)數(shù)風(fēng)速廓線，出口為outflow邊界條件，礫石以及風(fēng)洞都為固壁條件，采用剪切壓力傳輸模型(SST)進(jìn)行流場(chǎng)的計(jì)算，SIMPLEC計(jì)算法則進(jìn)行壓力和速度耦合，二階迎風(fēng)格式計(jì)算氣流運(yùn)動(dòng)。

圖5 Gambit網(wǎng)格劃分

應(yīng)用FLUENT軟件模擬得到的直徑5 cm礫石不同蓋度表面的風(fēng)速廓線圖，可以看出，由于粗糙元的影響，風(fēng)速隨高度的對(duì)數(shù)分布規(guī)律在一定高度范圍內(nèi)(2.5～12.5 cm)滿足，風(fēng)速廓線在整體高度上不再遵循對(duì)數(shù)分布。如圖6所示。

通過(guò)對(duì)不同蓋度礫石表面風(fēng)洞試驗(yàn)的模擬，研究流體特性可知，風(fēng)速、摩阻速度，粗糙元的幾何性質(zhì)(密度、蓋度、高度、直徑)對(duì)表面空氣動(dòng)力學(xué)粗糙度均有影響，空氣動(dòng)力學(xué)粗糙度隨礫石高度、直徑的增大而增大，但高度較直徑對(duì)空氣動(dòng)力學(xué)粗糙度的影響作用更加顯著；當(dāng)蓋度較小時(shí)，直徑的影響作用并不明顯。另外，5 cm直徑床面粗糙度的增加幅度要明顯大于3 cm直徑床面。粗糙度隨密度的變化是先增加后減小。應(yīng)依據(jù)礫石的形狀特點(diǎn)選取最佳蓋度，以求達(dá)到最好的防治風(fēng)蝕的效果。

2.3 阻沙柵欄數(shù)值模擬

使用ANSYS軟件的CFD模塊對(duì)阻沙柵欄進(jìn)行阻沙效果的二維數(shù)值模擬。根據(jù)流體動(dòng)力學(xué)有限元算法求解特征，建立試驗(yàn)尺度的求解區(qū)域。區(qū)域長(zhǎng)45 m，高8 m，單排柵欄高1.5 m，厚0.05 m，位于距入口15 m處。柵欄的疏透度用矩形隔板的長(zhǎng)度和間隔表達(dá)。

適當(dāng)?shù)木W(wǎng)格劃分是有限元法算法取得合適解的保證。柵欄附近的網(wǎng)格隨模型邊界變化而調(diào)整和細(xì)化，以滿足求解的穩(wěn)定性和精確性需要；較遠(yuǎn)的區(qū)域采用較粗網(wǎng)格，以減少計(jì)算量。根據(jù)流場(chǎng)特征，分別采用不同尺度的網(wǎng)格進(jìn)行劃分，并對(duì)柵欄的隔板間隔進(jìn)行網(wǎng)格加密，保證在速度和壓力梯度較大的地方有足夠的計(jì)算精度(圖7)。

圖7 計(jì)算區(qū)域劃分及柵欄附近網(wǎng)格

圖10 不同風(fēng)速流場(chǎng)內(nèi)的最小風(fēng)速與最大風(fēng)速

柵欄周?chē)鷧^(qū)域的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)如圖8所示。疏透度β小于0.3時(shí)產(chǎn)生回流，大于0.3時(shí)回流區(qū)消失。由圖8可見(jiàn)，緊密結(jié)構(gòu)柵欄流場(chǎng)的最大風(fēng)速在柵后空間上部的增速區(qū)中心，最小風(fēng)速在柵后空間下部的回流區(qū)中心。疏透度β=0.1時(shí)頂部增速區(qū)強(qiáng)度已明顯減弱，最大風(fēng)速出現(xiàn)在柵欄頂部。由于疏透度β為0.1和0.2的柵欄空隙處間隔較小，射流作用強(qiáng)烈，因此最大風(fēng)速值最高。

圖8 不同疏透度柵欄周?chē)鲌?chǎng)形態(tài)變化(v=12 m/s)

由圖9可知，5個(gè)高度上各流場(chǎng)疏透度β=0.4的柵欄有效防風(fēng)距離(柵欄背風(fēng)側(cè)風(fēng)速恢復(fù)到自然風(fēng)速80%的距離)最大。

圖9 不同疏透度條件下各高度有效防風(fēng)距離

3種風(fēng)速條件下的最大最小風(fēng)速列于圖10。β<0.3時(shí)最小風(fēng)速隨疏透度增加而增加，回流區(qū)長(zhǎng)度差異不大，但強(qiáng)度隨β增加而減弱，到β=0.3時(shí)最小風(fēng)速達(dá)到最大，其絕對(duì)值最小，回流區(qū)中心消失，柵后下層空間有范圍較小的低速負(fù)風(fēng)區(qū)，最大最小風(fēng)速都出現(xiàn)在柵欄的射流區(qū)和背風(fēng)區(qū)附近。β=0.4時(shí)，柵欄空隙較大，射流作用減弱，因此最大風(fēng)速降低；柵后底部空間的負(fù)風(fēng)區(qū)已經(jīng)消失，因此不會(huì)造成嚴(yán)重的積沙現(xiàn)象。

根據(jù)數(shù)值分析顯示回流區(qū)的強(qiáng)度隨疏透度增加而減弱，到β=0.4時(shí)消失。緊密結(jié)構(gòu)柵欄的最大風(fēng)速在柵欄頂部的加速區(qū)中心；由于柵欄空隙的射流作用，β為0.1和0.2的柵欄最大風(fēng)速值最高，而β大于0.3以上時(shí)柵欄最大風(fēng)速降低且趨于穩(wěn)定。最小風(fēng)速隨疏透度增大而增大，到β=0.3時(shí)達(dá)到最大，其絕對(duì)值最?。沪麓笥?.3時(shí)，最小風(fēng)速出現(xiàn)在柵欄附近背風(fēng)區(qū)而趨于平穩(wěn)。根據(jù)有效防風(fēng)距離和最大最小風(fēng)速等方面數(shù)據(jù)確定，β=0.4為最佳疏透度。

3 風(fēng)沙防治措施設(shè)計(jì)

3.1 確定路基橫斷面

根據(jù)對(duì)不同形狀路基周?chē)恼w風(fēng)沙流場(chǎng)數(shù)值模擬比較分析得知，低緩的路基邊坡坡腳不易形成風(fēng)沙回流現(xiàn)象，極少形成坡腳積沙，有利于線路運(yùn)營(yíng)安全。故阿聯(lián)酋聯(lián)合鐵路采用了放緩路基邊坡坡率的防風(fēng)沙措施，對(duì)于小于3 m的低路堤采用了1∶3的邊坡坡率，大于3 m時(shí)采用1∶5的邊坡坡率，挖方路基采用路堤式路塹，即在底部按填方設(shè)置成1.1 m的填方路堤，路塹底部路堤兩側(cè)設(shè)置一定寬度的積沙平臺(tái)，挖方邊坡采用了1∶5～1∶10的邊坡坡率。典型路基斷面如圖11～圖12所示。

圖11 典型路堤斷面形式(單位：m)

圖12 典型路塹斷面形式(單位：m)

3.2 地表及邊坡攤鋪礫石土

根據(jù)地表覆蓋物的數(shù)值模擬分析得知，在鐵路兩側(cè)覆以不同蓋度的礫石，可對(duì)表面空氣動(dòng)力學(xué)粗糙度產(chǎn)生顯著影響，能起到明顯的固沙效果。故在線路坡腳外20～50 m范圍內(nèi)，平鋪礫石土，覆蓋于沙地表面，厚度10 cm，粒徑不宜小于5 cm，起到固定當(dāng)?shù)馗∩车淖饔?，利用這類(lèi)材料的抗風(fēng)蝕能力保護(hù)地表及地基免遭風(fēng)蝕。

3.3 高立式阻沙柵欄

根據(jù)阻沙柵欄的數(shù)值模擬分析得知，疏透度為0.4的阻沙柵欄，搭配適當(dāng)?shù)姆里L(fēng)間距和阻沙高度效果最為顯著，故在此線路兩側(cè)均設(shè)置高立式阻沙柵欄，迎風(fēng)側(cè)距線路200 m處設(shè)置兩排阻沙柵欄，柵欄間距30 m，背風(fēng)側(cè)設(shè)置1道阻沙柵欄，柵欄高度均為1.5 m，按疏透度0.4采取適宜的布置形式。阻沙柵欄材料采用土工材料板。

4 結(jié)語(yǔ)

基于阿聯(lián)酋地區(qū)的實(shí)際沙漠條件，首次結(jié)合國(guó)外鐵路工程背景，采用CFD技術(shù)，從整體風(fēng)沙流場(chǎng)模擬、地表覆蓋物模擬和阻沙措施模擬等多角度，對(duì)風(fēng)沙防治措施進(jìn)行模擬分析，并成功將數(shù)值模擬結(jié)果引入風(fēng)沙防治措施設(shè)計(jì)當(dāng)中，使設(shè)計(jì)更趨于合理化，為今后我國(guó)的防沙技術(shù)應(yīng)用于國(guó)外項(xiàng)目提供了借鑒和參考。

同時(shí)鑒于阿聯(lián)酋聯(lián)合鐵路的實(shí)際運(yùn)營(yíng)情況及當(dāng)?shù)貧夂蛞蛩?，此次設(shè)計(jì)主要以工程防沙措施為主，其目的是在保證運(yùn)營(yíng)安全的前提下，減少初期投資，待鐵路建成運(yùn)營(yíng)后，結(jié)合沙漠綜合治理措施，在工程治沙防護(hù)的基礎(chǔ)上，分步驟實(shí)施植物固沙，從根本上解決鐵路沙害問(wèn)題。但在阿聯(lián)酋地區(qū)開(kāi)展大型微灌系統(tǒng)進(jìn)行植物固沙的技術(shù)和方法還有待后期的研究和探討。

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Numerical Analysis and Design of the UAE Railway Subgrade Sand Preventive Measures

Qin Qi

(China Railway First Survey and Design Institute Group Co.， Ltd.， Xi，an 710043， China)

The sand prevention measures， simulated with CFD technology in view of UAE railway engineering background， are calculated and designed to be more realistic. The wind tunnel model and sand fence two-dimensional model are established with GAMBIT and ANSYS software based on the actual situations in UAE. Based on the comparative analysis to select appropriate design parameters， such as particle size of surface coverage， subgrade slope rate， and resistance rate of sand fence， prevention measures are designed. It is concluded that (1) the measures to slow down subgrade slope rate should be adopted， and the suitable slope rate is around 1∶2 to 1∶5; (2) the surface on both sides of subgrade should be covered with sand gravel soil， and the particle size should not be less than 5 cm; (3) the height of sand fence should be 1.5 m with appropriate arrangement according to the resistance rate of 0.4．

UAE railway; Sand prevention; CFD; Numerical simulation

2014-01-08；

：2014-04-01

秦 旗(1981—)，男，工程師，2009年畢業(yè)于重慶交通大學(xué)

道路與鐵道工程專(zhuān)業(yè)，工學(xué)碩士，E-mail：452923297@qq.com。

1004-2954(2014)11-0052-05

U213.1+54

：A

10.13238/j.issn.1004-2954.2014.11.013