馮威

（1. 中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，陜西 西安 710043；2. 陜西省鐵道及地下交通工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（中鐵一院），陜西 西安 710043）

1 概述

圖1 太中銀鐵路植物防沙

早在1880年，在修建中亞細(xì)亞鐵路過程中，就開始了鐵路風(fēng)沙危害防治的研究，提出在線路兩側(cè)建立植被的防護(hù)方案。后續(xù)國(guó)外西哈薩克斯坦鐵路、伏爾加鐵路和我國(guó)包蘭鐵路、青藏鐵路、太中銀鐵路、蘭新客專等項(xiàng)目修建過程中，在數(shù)值分析[1-3]、調(diào)研[4-5]、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)[6-7]、風(fēng)洞試驗(yàn)[8-9]等方面做了大量工作，逐漸形成了“機(jī)械、化學(xué)或植物固沙，柵欄、擋風(fēng)墻、防風(fēng)林帶阻沙，增加地表粗糙度積沙，運(yùn)用空氣動(dòng)力學(xué)輸沙，借用機(jī)械遮擋導(dǎo)沙，人工或機(jī)械除沙”等風(fēng)沙地區(qū)鐵路沿線防沙、治沙技術(shù)體系（見圖1、圖2）[10-11]，起到了良好的固沙、防沙、阻沙效果[12]。

圖2 蘭新客專路基阻沙

然而，由于鐵路沙害控制難度大、發(fā)生形式多樣化、土壤侵蝕量大、季節(jié)性強(qiáng)等特點(diǎn)，鐵路沙害的控制措施和技術(shù)仍存在許多問題有待解決和研究[13-14]，尤其是線路積沙影響行車安全、道床積沙降低線路質(zhì)量、軌頭落沙縮短鋼軌使用壽命等線路服役性能研究工作開展較少[15]。

一般戈壁風(fēng)沙流地區(qū)路基防沙工程措施以減少路基邊坡積沙為主[16]，為此，進(jìn)一步做好道床防沙措施對(duì)于保障行車安全、緩解道床積沙、延長(zhǎng)養(yǎng)護(hù)維修周期十分必要。

2 防沙蓋板防沙效果數(shù)值分析

2.1 數(shù)值模擬

2.1.1 風(fēng)場(chǎng)數(shù)值模擬[13，17]

模擬的風(fēng)場(chǎng)考慮湍流、無(wú)熱交換且不可壓縮。基于流場(chǎng)質(zhì)量守恒方程和動(dòng)量守恒方程，將湍流運(yùn)動(dòng)看作由時(shí)間平均流動(dòng)和瞬時(shí)脈動(dòng)流動(dòng)的疊加，并在此基礎(chǔ)上引入張量的指標(biāo)記號(hào)，將質(zhì)量守恒方程和動(dòng)量守恒方程改寫為：

式中：ρ為空氣密度；μ為動(dòng)力黏度；S為廣義源項(xiàng)；i為自由指標(biāo)，j為啞指標(biāo)（i和j取值范圍為1，2，3）。進(jìn)而應(yīng)用k-ε湍流模型及其常數(shù)求解得出壓力場(chǎng)和速度場(chǎng)。

2.1.2 沙粒數(shù)值模擬

沙粒在氣流中所受的作用力主要包括：重力Fg、拖 曳 力FD、 升 力FL、Magnus力FM、Basset力FB、Saffman升力FS和靜電力FE等，其受力示意見圖3，圖中up為沙粒速度、u為風(fēng)速。

圖3 沙粒受力示意圖

2.2 模型及參數(shù)

借助集合了Fluent求解器的ANSYS平臺(tái)，借助Fluent提供的離散相模型，可在Lagrangian坐標(biāo)下模擬流場(chǎng)中離散的第二相[18]。由沙粒構(gòu)成的第二相分布在連續(xù)相中，F(xiàn)luent可計(jì)算這些沙粒的軌跡及由沙粒引起的質(zhì)量傳遞。

2.2.1 模型

按照不同工況參數(shù)分別建立道床-路基實(shí)體模型，實(shí)體模型外圍填充空氣流場(chǎng)，流場(chǎng)高度為固體模型20 m，向前延伸32 m，向后延伸80 m，橫向?qū)挾? m。

將流場(chǎng)分為4個(gè)部分，前、后和中間的上面部分采用六面體網(wǎng)格，中間的下面部分采用四面體網(wǎng)格以適應(yīng)復(fù)雜的流場(chǎng)。整個(gè)流場(chǎng)網(wǎng)格自上而下逐步加密。

2.2.2 邊界條件

軌道-路基實(shí)體及空氣流場(chǎng)模型見圖4，空氣流場(chǎng)與軌道方向垂直，在各個(gè)算例中采用相容的來(lái)流風(fēng)速以便于對(duì)比分析。

進(jìn)口邊界采用速度入口。主要考慮主風(fēng)向的情況下，整個(gè)流場(chǎng)基本是沿風(fēng)速對(duì)稱的，故計(jì)算區(qū)域的兩端和頂部的邊界采用對(duì)稱邊界。底部邊界為固壁邊界，沙質(zhì)地表，對(duì)沙粒反彈。出口邊界為壓力出口，對(duì)沙粒為逃逸邊界。

圖4 軌道-路基實(shí)體及空氣流場(chǎng)模型

2.2.3 沙粒設(shè)置

模擬中視沙粒為球體，沙粒入口處為實(shí)體模型前1 m處垂直于風(fēng)速的平面。為了節(jié)省計(jì)算量，預(yù)先應(yīng)用大渦模擬程序計(jì)算出該入口風(fēng)速下平地上的風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)（見圖5），其中橫坐標(biāo)為單位時(shí)間內(nèi)單位面積的沙粒質(zhì)量，縱坐標(biāo)為高程。

圖5 空氣流場(chǎng)入口沙粒沿高程分布情況

2.3 模型分析

仿真模型分別采用普通有砟軌道實(shí)體模型和軌道道床頂面設(shè)置防沙蓋板的有砟軌道實(shí)體模型（見圖6中紅線區(qū)域），通過對(duì)不同條件下道床表面風(fēng)沙流速度云圖、速度矢量圖和沙粒軌跡圖等進(jìn)行對(duì)比，定性分析風(fēng)沙流運(yùn)動(dòng)、沉積規(guī)律。

由圖6可知，增設(shè)防沙蓋板增加了道砟上部流場(chǎng)風(fēng)速，沙粒躍過路基后受到的拖曳力更強(qiáng)，運(yùn)動(dòng)軌跡延長(zhǎng)從而導(dǎo)致沙粒不易落到道砟上；道砟頂部表面正向風(fēng)厚度增加且風(fēng)速增強(qiáng)明顯，顯著增加了清除道砟上表面沙粒的能力。

圖6 不同條件下道床表面風(fēng)沙流速度云圖

圖7 不同條件下道床表面風(fēng)沙流速度矢量圖

無(wú)防沙蓋板和增設(shè)蓋板條件下道床表面風(fēng)沙流速度矢量圖見圖7，可見，增設(shè)防沙蓋板后回流區(qū)厚度減小且風(fēng)場(chǎng)結(jié)構(gòu)紊亂，對(duì)低速沙粒的控制作用減弱，而地表正向風(fēng)顯著增強(qiáng)，降低了回流區(qū)的作用。

無(wú)防沙蓋板和增設(shè)蓋板條件下道床表面風(fēng)沙流沙粒軌跡見圖8，可見，增設(shè)防沙蓋板后降低了道床表面粗糙度，風(fēng)速增大進(jìn)而拖曳力增大，沙粒運(yùn)動(dòng)過程中獲得更大能量更不易沉積。另外，防沙蓋板增加了道床表面的光滑度和硬度，使沙粒反彈過程中損失的能量減小，沙粒的動(dòng)能更強(qiáng)，沉積的情況也會(huì)減少。

圖8 不同條件下道床表面風(fēng)沙流沙粒軌跡

可見，道床增設(shè)防沙蓋板有助于風(fēng)吹沙躍過道床，有助于提升道床表面風(fēng)速而清除表面沙粒，可增加道床光滑度和硬度進(jìn)而減少沙粒運(yùn)動(dòng)能量損失和沙粒沉積。

3 防沙蓋板防沙效果試驗(yàn)分析

3.1 試驗(yàn)方案

（1）試樣制備。試驗(yàn)采用一級(jí)道砟試樣分別分層裝入2個(gè)試驗(yàn)道砟盒，并在12.5 kPa的豎向壓力下側(cè)限固結(jié)，使顆粒充分接觸，在100.0 kPa豎向壓力下固結(jié)，后在1個(gè)道砟盒上層覆蓋防沙蓋（含蓋板接縫）。

（2）灑沙及模擬振動(dòng)。選取等質(zhì)量的細(xì)沙2份，并分別均勻?yàn)⒃谠嚇颖砻?，將試?yàn)試樣置于模擬列車運(yùn)營(yíng)環(huán)境的振動(dòng)臺(tái)上（見圖9），模擬振動(dòng)并不斷收集稱量細(xì)沙下滲量。

圖9 振動(dòng)臺(tái)振動(dòng)試驗(yàn)

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

普通有砟軌道試樣和設(shè)有防沙蓋板的有砟軌道試樣分別模擬沙粒滲落，其中工況一為普通道床，工況二為表層鋪設(shè)泡沫顆?；蛐☆w粒石子并噴灑道砟膠道床，具體試驗(yàn)操作過程包括：道砟取樣、封閉工況模擬、沙粒稱量、振動(dòng)臺(tái)模擬等。試驗(yàn)方案采集的數(shù)據(jù)匯總見表1，振動(dòng)過程中沙粒下滲量隨時(shí)間的變化曲線見圖10。可見,普通道床沙粒滲漏比例較高，設(shè)置防沙蓋板道床方案防治沙粒下滲效果較好。

表1 不同工況的試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比

圖10 振動(dòng)全程沙粒下滲隨時(shí)間變化規(guī)律

4 防沙蓋板技術(shù)方案

結(jié)合軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用Ⅱ型混凝土軌枕（1667根/km）、單層道床的戈壁風(fēng)沙流地段開展防沙蓋板技術(shù)方案研究。

4.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

防沙蓋板由道心板、砟肩板、坡面板三部分組成。各板縱向以1根或2根軌枕間距作為一塊單元板的寬度，板與板之間采用銷釘?shù)确绞竭M(jìn)行連接，蓋板厚度18～20 mm；道心板和砟肩板留出扣件作業(yè)空間；平鋪蓋板具有一定自質(zhì)量，采用銷釘?shù)确绞竭B接成整體結(jié)構(gòu)，并在起始點(diǎn)采取一定技術(shù)措施確保在行車及風(fēng)力作用下不掀起、不移位。各型防沙蓋板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)示意見圖11。

圖11 防沙蓋板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)示意圖

4.2 鋪裝

有砟道床防沙蓋板鋪裝設(shè)計(jì)見圖12。

考慮制造、運(yùn)輸、安裝、拆卸的可操作性，道心板、砟肩板、坡面板的板與板之間采用銷釘?shù)确绞竭B接后，坡面板在道床坡腳路基面上固定。

圖12 防沙蓋板鋪裝示意圖

5 結(jié)論與建議

基于戈壁風(fēng)沙流地區(qū)風(fēng)沙災(zāi)害特點(diǎn)及路基工程風(fēng)沙防治措施，開展了有砟道床防沙蓋板防沙效果及技術(shù)方案研究，得出以下結(jié)論：道床增設(shè)防沙蓋板有助于風(fēng)吹沙躍過道床；有助于提升道床表面風(fēng)速進(jìn)而清除表面沙粒；可增加道床光滑度和硬度進(jìn)而減少沙粒運(yùn)動(dòng)能量損失和沙粒沉積；有砟道床設(shè)置防沙蓋板試驗(yàn)結(jié)果為防治沙粒下滲效果較好，下滲量?jī)H為頂面灑沙率的2.8%。

基于有砟軌道道床表面鋪設(shè)防沙蓋板仿真及試驗(yàn)防沙效果分析，進(jìn)一步完成了采用Ⅱ型混凝土軌枕、單層道床鐵路線路的防沙蓋板方案設(shè)計(jì)，建議戈壁風(fēng)沙流地區(qū)鐵路項(xiàng)目建設(shè)按需選用。