劉慶寬，何書(shū)勇，賈婭婭，李海飛，馮耀恒，李飛強(qiáng)

(1.石家莊鐵道大學(xué) 省部共建交通工程結(jié)構(gòu)力學(xué)行為與系統(tǒng)安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，石家莊 050043；2.河北省風(fēng)工程和風(fēng)能利用工程技術(shù)創(chuàng)新中心，石家莊 050043；3.石家莊鐵道大學(xué) 土木工程學(xué)院，石家莊 050043)

雪災(zāi)被認(rèn)為是當(dāng)今世界面臨的十大災(zāi)害之一[1]。風(fēng)吹雪災(zāi)害能夠引起道路積雪、能見(jiàn)度降低、交通阻塞和道路結(jié)冰等問(wèn)題，從而導(dǎo)致交通事件頻發(fā)。道路雪災(zāi)害不僅威脅到行人的交通安全、增加了抗災(zāi)救災(zāi)的難度，也損失了大量的人力物力，嚴(yán)重制約了當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)的發(fā)展。我國(guó)雪災(zāi)害十分嚴(yán)重，且災(zāi)害地區(qū)分布較廣，尤其是近年來(lái)隨著一帶一路戰(zhàn)略的實(shí)施和西部地區(qū)鐵路的建設(shè)，道路風(fēng)吹雪災(zāi)害的問(wèn)題亟待解決，并且隨著全球氣候的變化，雪災(zāi)頻發(fā)，嚴(yán)重威脅了我國(guó)西北地區(qū)人們的正常生產(chǎn)和生活，所以針對(duì)道路的風(fēng)吹雪問(wèn)題和其防護(hù)措施的研究刻不容緩。

李楚鵬等[2]運(yùn)用數(shù)值模擬的方法對(duì)不同設(shè)置方式的防雪柵進(jìn)行研究，以此分析公路風(fēng)吹雪形成機(jī)理和擋雪板的防雪原理。李聰輝[3]通過(guò)Fluent軟件對(duì)三種不同邊坡坡率和三種不同高度下的路堤表面風(fēng)速進(jìn)行了數(shù)值模擬，得出了邊坡坡率及路堤高度對(duì)路堤表面風(fēng)速分布的影響。吳鵬等[4]運(yùn)用Fluent軟件，通過(guò)對(duì)防雪柵的水平距離、路堤高度以及邊坡坡率等參數(shù)的設(shè)定進(jìn)行研究，最終確定合適的模擬參數(shù)。王向陽(yáng)[5]采用Fluent軟件模擬路堤工程的風(fēng)雪流場(chǎng)，分析了路堤高度、邊坡坡率及入射風(fēng)速的變化對(duì)路堤風(fēng)速場(chǎng)的影響，結(jié)果表明：風(fēng)速模擬值與實(shí)際觀測(cè)值基本吻合，當(dāng)路堤高度處于一定高度范圍內(nèi)時(shí)，采用高路堤、小邊坡坡率等提高路堤面風(fēng)速措施可有效減輕路面風(fēng)吹雪災(zāi)害。Tabler[6]對(duì)縮尺比為1/30的防雪柵模型進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)模型積雪分布的實(shí)測(cè)結(jié)果與原型實(shí)測(cè)結(jié)果吻合較好。Anno[7]采用風(fēng)洞試驗(yàn)的方式對(duì)縮尺比1/300的防雪柵模型進(jìn)行風(fēng)雪流研究，認(rèn)為在躍移軌跡對(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響較小的情況下，可放松弗勞德數(shù)的要求，并提出時(shí)間尺度和速度比參數(shù)，并且提出在對(duì)陡峭障礙物后方積雪進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，來(lái)流湍流條件、地表粗糙度和粒子休止角等為重要相似參數(shù)。最終得到以活性黏土作為雪的模擬物可獲得較好的試驗(yàn)效果的結(jié)論。蘇國(guó)平[8]利用數(shù)值模擬的方法，模擬了路塹周邊以及擋雪墻背風(fēng)側(cè)流場(chǎng)，又研究了擋雪墻的不同設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)路塹周圍積雪的影響。

綜上所述，以往有關(guān)道路風(fēng)吹雪問(wèn)題及其防護(hù)措施的研究對(duì)象大多是單個(gè)防雪柵、單個(gè)路基，而對(duì)防雪柵與路基的組合研究較少，本文采用數(shù)值流體計(jì)算的方法，以防雪柵與路基組合為研究對(duì)象，計(jì)算得到與防雪柵不同布置間距下路基周圍的風(fēng)速和其表面的剪切速度，據(jù)此分析路基表面的積雪分布情況，并將計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比來(lái)驗(yàn)證數(shù)值模擬的正確性，為道路風(fēng)吹雪災(zāi)害的防治以及路基的建設(shè)提供理論基礎(chǔ)。

1 研究概況

1.1 模型參數(shù)和工況

Naaim-Bouvet[9]和武鶴等[10]研究結(jié)果均表明透風(fēng)率在50%～66%的防雪柵防雪效果最好?？紤]到現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)條件，選用高度較低的防雪柵模型在短時(shí)間內(nèi)更容易得到試驗(yàn)結(jié)果，因此，本文數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)均選用透風(fēng)率為60%，高為0.15 m的防雪柵模型。李鵬翔等[11-12]研究表明采用小邊坡坡度的路堤和路塹可有效的減弱路基表面的風(fēng)吹雪災(zāi)害，并且建議路基設(shè)計(jì)邊坡坡度采用1∶1.5。本次試驗(yàn)選用邊坡坡度為1∶1.5，高度(或深度)為0.2 m的路堤和路塹模型。

朱光耀[13]在《公路風(fēng)吹雪雪害形成機(jī)理與防治》中規(guī)定在平坦地段上透風(fēng)率為66%的防雪柵與道路距離應(yīng)取20H1～25H1，其中H1為防雪柵高度。Tabler[14]給出了平坦地面上防雪柵與路基的串列布置間距和錯(cuò)列布置間距公式。本文在參考上述文獻(xiàn)、結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)條件以及現(xiàn)場(chǎng)多次測(cè)試等前提下，最終以能夠在路基模型前后產(chǎn)生較好的積雪為依據(jù)而確定的布置間距，防雪柵與路基的布置間距分別定為1.5 m，2.0 m，2.5 m，3.0 m和4.0 m，即為10H1,13.33H1,16.67H1,20H1和26.67H1,其中H1為防雪柵高度。數(shù)值模擬的計(jì)算模型與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)模型一致。防雪柵尺寸如圖1所示，路基模型尺寸以及防雪柵與路基的組合工況如圖2所示。

圖1 防雪柵模型圖Fig.1 Snow fence model diagram

圖2 防雪柵與路基的組合工況圖Fig.2 Combined working condition diagram of snow fence and subgrade

1.2 數(shù)值模擬介紹

1.2.1 幾何建模與計(jì)算參數(shù)

為了進(jìn)一步分析防雪柵與路基間距對(duì)路基周圍流場(chǎng)的影響規(guī)律，應(yīng)用Fluent軟件對(duì)5種布置間距下的路基表面風(fēng)速進(jìn)行模擬。Standardk-ε是最常見(jiàn)的湍流計(jì)算模型，模型本身具有的穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性和比較高的計(jì)算精度，非常適合完全湍流的流動(dòng)過(guò)程模擬[15-19]，因此所以本文選用Standardk-ε湍流模型。在數(shù)值模擬中對(duì)殘差的設(shè)置主要是用來(lái)判斷計(jì)算收斂性的標(biāo)準(zhǔn)，理論上殘差越小越好，由于存在數(shù)值精度問(wèn)題，不可能得到0殘差，對(duì)于單精度計(jì)算一般應(yīng)低于10-3以下才好，本文在計(jì)算的過(guò)程中選用殘差為10-5。速度壓力耦合采用SIMPLEC方法求解，本文選用的壁面函數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)。

路堤和路塹計(jì)算域尺寸以及邊界條件的設(shè)置如圖3所示，入口邊界距防雪柵分別為路堤寬的20倍即21.34 m和路塹寬的20倍即16 m，出口邊界距路堤、路塹也為路堤、路塹寬的20倍，上下邊界距離取20倍的路堤、路塹高度，均為4 m。

圖3 路堤和路塹計(jì)算域及其邊界條件示意圖Fig.3 Schematic diagram of the computational domain and boundary conditions of embankment and cutting

考慮路基表面附近流場(chǎng)變化較為復(fù)雜，在近地面以及接近模型表面的一定高度范圍內(nèi)對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行加密。其中圖4～圖8為防雪柵與路基組合間距為3.0 m時(shí)模型周圍網(wǎng)格劃分情況，邊界層最小網(wǎng)格尺寸為0.015 m，網(wǎng)格總數(shù)約為11萬(wàn)。其余工況最小網(wǎng)格尺寸均為0.015 m且網(wǎng)格總數(shù)也差別不是很大。

圖4 防雪柵局部網(wǎng)格圖Fig.4 Partial grid map of snow fence

圖5 路堤局部網(wǎng)格圖Fig.5 Partial grid map of embankment

圖6 防雪柵與路堤整體網(wǎng)格圖Fig.6 Overall grid of snow fence and embankment

圖7 路塹局部網(wǎng)格圖Fig.7 Partial grid of cutting

圖8 防雪柵與路塹整體網(wǎng)格圖Fig.8 Overall grid of snow fence and cutting

1.2.2 邊界條件

(1)計(jì)算域入口設(shè)置為速度入口(velocity-inlet)，其中平均風(fēng)速剖面、湍動(dòng)能和湍能耗散率均采用用戶自定義函數(shù)編程。風(fēng)剖面采用指數(shù)率

U(z)=U1.5×z0.15

(1)

式中:U(z)為z高度處的風(fēng)速；U1.5為1.5 m高度處風(fēng)速，大小為8.2 m/s，此風(fēng)速為現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)所得平均風(fēng)速；0.15為B類地貌的地面粗糙度指數(shù)。入口處的湍動(dòng)能與湍動(dòng)能耗散率的表達(dá)式分別為

(2)

(3)

(4)

式中:Cu為模型常數(shù)，大小為0.09；K為馮卡門(mén)常數(shù)，大小為0.42；Iu(z)為z高度處來(lái)流的紊流度；B類地貌下I10取0.14。

(2)計(jì)算域出口設(shè)置為壓力出口(pressure-outlet)。

(3)計(jì)算域上邊界設(shè)置為自由滑移壁面[20-22](slip wall)，對(duì)于本文數(shù)值模擬計(jì)算，上邊界距離計(jì)算模型足夠遠(yuǎn)，因此采用slip wall邊界條件，并在設(shè)置中將此邊界的剪切應(yīng)力設(shè)置為零，變更為無(wú)滑移壁面，故此邊界處法向速度和所有流動(dòng)變量的法向梯度為零，等價(jià)于symmetry邊界條件。

(4)計(jì)算域下邊界和防雪柵以及路基表面設(shè)置為無(wú)滑移壁面(no slip wall)。

1.2.3 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性檢驗(yàn)

在數(shù)值模擬時(shí)，一般均需進(jìn)行網(wǎng)格無(wú)關(guān)性檢驗(yàn)，當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量增加對(duì)模擬結(jié)果影響可以忽略不計(jì)時(shí)，網(wǎng)格無(wú)關(guān)性則滿足要求。本文采用4種不同數(shù)量的結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格來(lái)驗(yàn)證網(wǎng)格無(wú)關(guān)性，如表1所示。并采用布置間距為3.0 m工況的路堤周圍流場(chǎng)進(jìn)行比較，其結(jié)果如圖9所示。

表1 計(jì)算方案Tab.1 Computational cases

圖9可以看出4組方案計(jì)算所得路堤周圍流場(chǎng)的總體趨勢(shì)一致。隨著第一層網(wǎng)格高度的不斷減小，網(wǎng)格總數(shù)不斷增加，4組方案的計(jì)算結(jié)果基本一致，則證明了網(wǎng)格無(wú)關(guān)性的要求。考慮到計(jì)算時(shí)間等原因，本文中所有計(jì)算工況均采用方案2的第一層網(wǎng)格高度。

圖9 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性檢驗(yàn)Fig.9 The grid independence test

1.3 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)介紹

本文實(shí)測(cè)的試驗(yàn)場(chǎng)地位于新疆塔城鐵廠溝鎮(zhèn)附近，當(dāng)?shù)氐匦纹教归_(kāi)闊(屬于B類地貌)，雪源和風(fēng)力充足，能夠形成穩(wěn)定的風(fēng)雪流，滿足本次試驗(yàn)的條件，是合適的實(shí)測(cè)場(chǎng)地。實(shí)測(cè)模型采用木質(zhì)材料制作，模型端部設(shè)置有端板用來(lái)減小模型兩端氣流的繞流對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響。實(shí)測(cè)模型的尺寸以及模型之間的布置情況均與數(shù)值模擬的模型尺寸和布置情況完全一致，見(jiàn)圖1和圖2。實(shí)測(cè)模型放置如圖10所示，積雪的厚度由安裝在模型表面帶有刻度的鋼釬讀出。試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)的風(fēng)速由風(fēng)速風(fēng)向儀采集，如圖11所示。

圖10 現(xiàn)場(chǎng)模型放置圖Fig.10 Picture of the placement of model in the field

圖11 風(fēng)速風(fēng)向儀安裝和放置圖Fig.11 Picture of the installation and placement of anemometer

2 數(shù)值流體計(jì)算結(jié)果分析

2.1 流場(chǎng)結(jié)果及分析

在實(shí)際工程中，我們一般關(guān)注路堤和路塹周圍的積雪分布情況，所以本次計(jì)算我們分析了路堤和路塹周圍的流場(chǎng)分布。數(shù)值計(jì)算得到5種布置間距下路堤和路塹附近流場(chǎng)的風(fēng)速等值線云圖，如圖12所示，為了方便觀察計(jì)算結(jié)果，本文參考王向陽(yáng)研究中風(fēng)速減小區(qū)的規(guī)定方法，并結(jié)合本文數(shù)值計(jì)算結(jié)果以及實(shí)測(cè)積雪堆積區(qū)域，在此定義風(fēng)速小于2 m/s的區(qū)域?yàn)轱L(fēng)速減小區(qū)。

圖12 5種布置間距下路堤和路塹附近流場(chǎng)的風(fēng)速等值線云圖Fig.12 Cloud contours of wind velocity contours of the flow field near the embankment and the cutting in 5 arrangement spacings

對(duì)于路堤而言，隨著與防雪柵布置間距的增大，路堤上風(fēng)側(cè)和下風(fēng)側(cè)坡腳處的風(fēng)速減小區(qū)范圍均呈先增大后減小的變化趨勢(shì)，但下風(fēng)側(cè)坡腳處的風(fēng)速減小區(qū)均較上風(fēng)側(cè)坡腳處風(fēng)速減小區(qū)范圍大，當(dāng)布置間距為2.5 m時(shí)(即16.67H1)，風(fēng)速減小區(qū)范圍達(dá)到最大，此時(shí)路堤兩側(cè)坡腳處積雪堆積范圍也達(dá)到最大。此外，隨著路堤與防雪柵布置間距的增大，上風(fēng)側(cè)路肩處、路面、下風(fēng)側(cè)路肩處附近風(fēng)速基本保持不變。

對(duì)路塹而言，在與防雪柵5種布置間距下，路塹內(nèi)部風(fēng)速均較小，容易產(chǎn)生積雪堆積。隨著與防雪柵布置間距的增大，路塹內(nèi)風(fēng)速減小區(qū)的高度有輕微降低趨勢(shì)，但其內(nèi)部風(fēng)速減小區(qū)不易消除。

2.2 壁面剪切速度分析

《風(fēng)對(duì)結(jié)構(gòu)的作用》[23]定義雪顆粒開(kāi)始運(yùn)動(dòng)時(shí)雪顆粒表面的流動(dòng)剪切速度u*為閾值剪切速度u*t。當(dāng)u*>u*t時(shí)，雪顆粒才能移動(dòng)，路基表面積雪會(huì)發(fā)生侵蝕；當(dāng)u*=u*t時(shí)，雪顆粒處于將要移動(dòng)但并未移動(dòng)的臨界狀態(tài)；當(dāng)u*

(5)

式中：τ為壁面剪切力；ρ為空氣密度。

Kind[24]總結(jié)了不同狀態(tài)下雪的閾值剪切速度，如表2所示。

表2 雪顆粒閾值剪切速度Tab.2 Threshold shear speed of snow particles

為了進(jìn)一步研究不同防雪柵與路基間距對(duì)路基表面積雪的侵蝕與堆積的影響，計(jì)算得到與防雪柵5種布置間距下路堤、路塹表面的剪切速度，如圖13、圖14所示。圖15具體分析了與防雪柵5種布置間距下路堤、路塹表面的關(guān)鍵位置處的剪切速度，并與Kind總結(jié)的3種雪顆粒條件進(jìn)行對(duì)比，分析在3種雪顆粒條件下不同布置間距的路基表面雪顆粒堆積與侵蝕情況。

從圖13可以看出，5種布置間距下路堤表面的剪切速度變化趨勢(shì)基本一致，且均在路堤上風(fēng)側(cè)路肩和下風(fēng)側(cè)路肩處剪切速度達(dá)到極大值，在上風(fēng)側(cè)坡腳處、下風(fēng)側(cè)坡腳前后約0.8H處剪切速度達(dá)到極小值，其中H為路堤的高度。隨著與防雪柵布置間距的增大，路堤表面各部分的剪切速度均呈先增大后減小又增大的趨勢(shì)，且當(dāng)布置間距為2.5 m時(shí)，路堤周圍剪切速度達(dá)到最小。隨著路堤與防雪柵布置間距的變化對(duì)路堤下風(fēng)側(cè)邊坡的剪切速度影響較小。

圖13 5種布置間距下路堤表面的剪切速度圖Fig.13 Picture of shear velocity of embankment surface in 5 arrangement spacings

從圖14可以看出，5種布置間距下路塹表面的剪切速度變化趨勢(shì)基本一致，且均在路塹上風(fēng)側(cè)坡頂和下風(fēng)側(cè)坡頂處剪切速度達(dá)到極大值，在上風(fēng)側(cè)坡腳前約0.9H處、下風(fēng)側(cè)坡腳后約0.5H處剪切速度達(dá)到極小值，其中H為路塹的高度。隨著路塹與防雪柵布置間距的增大，除下風(fēng)側(cè)坡腳處剪切速度呈先增大后減小的趨勢(shì)外，路塹表面其余位置的剪切速度均呈增大趨勢(shì)。

圖14 5種布置間距下路塹表面的剪切速度圖Fig.14 Picture of shear velocity of cutting surface in 5 arrangement spacings

圖15(a)為5種布置間距下路堤表面關(guān)鍵位置的剪切速度圖，圖中虛線為Kind總結(jié)的三種條件下雪顆粒閾值剪切速度。隨著與防雪柵布置間距的增大，除路堤上風(fēng)側(cè)坡腳處的剪切速度是先減小后增大外，路堤其余4個(gè)關(guān)鍵位置處的剪切速度均呈先增大后減小又增大的趨勢(shì)，且均在布置間距為2.5 m(即16.67H1)的距離減到最小，此時(shí)路堤表面最容易產(chǎn)生積雪堆積，定義此間距為路堤與防雪柵組合的最不利間距。在這5種布置間距下，路堤表面剪切速度由小到大的位置分別是路堤上風(fēng)側(cè)坡腳、下風(fēng)側(cè)坡腳、路面中部、下風(fēng)側(cè)路肩和上風(fēng)側(cè)路肩處，所以路堤的兩個(gè)坡腳處最容易產(chǎn)生積雪堆積，而上風(fēng)側(cè)路肩處的剪切速度最大，最不易產(chǎn)生堆積。

參照Kind總結(jié)的雪顆粒閾值剪切速度并結(jié)合圖15(a)可知，在-2.5 ℃下的新鮮疏松的干燥雪和0 ℃的自然降雪這兩種情況下，路堤的兩個(gè)坡腳處的雪顆粒剪切速度均小于相應(yīng)的閾值剪切速度0.15 m/s和0.25 m/s，此時(shí)路堤的兩個(gè)坡腳處會(huì)產(chǎn)生雪顆粒堆積。而兩個(gè)路肩處和路面中部這三個(gè)位置雪顆粒的剪切速度均大于相應(yīng)的閾值剪切速度，這些位置不易積雪；同理，在0 ℃下降落幾個(gè)小時(shí)的雪時(shí)，5種布置間距下路堤的上風(fēng)側(cè)坡腳、下風(fēng)側(cè)坡腳以及路面中部的剪切速度均小于閾值剪切速度0.4 m/s，這些位置易產(chǎn)生積雪堆積。在上風(fēng)側(cè)路肩處不易積雪；而在下風(fēng)側(cè)路肩處，除布置間距為2.5 m時(shí)產(chǎn)生積雪堆積外，其余布置間距下均不易積雪。

圖15 5種布置間距下路堤和路塹表面關(guān)鍵位置剪切速度圖Fig.15 Picture of shear velocity of the key position of embankment and cutting surface in 5 arrangement spacings

圖15(b)為5種布置間距下路塹表面關(guān)鍵位置的剪切速度圖，圖中虛線為Kind總結(jié)的三種條件下雪顆粒閾值剪切速度。隨著與防雪柵布置間距的增大，路塹的上風(fēng)側(cè)坡頂、上風(fēng)側(cè)坡腳和下風(fēng)側(cè)坡頂處的剪切速度不斷增大。而路面中部和下風(fēng)側(cè)坡腳處的剪切速度先增大后減小。路塹表面的剪切速度由小到大依次是上風(fēng)側(cè)坡腳、下風(fēng)側(cè)坡腳、路面中部、上風(fēng)側(cè)坡頂和下風(fēng)側(cè)坡頂處。所以對(duì)于路塹來(lái)講，一般路塹的兩個(gè)坡腳處最容易產(chǎn)生積雪堆積，兩個(gè)坡頂處最不易產(chǎn)生積雪堆積。當(dāng)防雪柵與路塹的間距超過(guò)2.0 m時(shí)(即13.33H1)，隨著路塹與防雪柵布置間距的增大，路塹的路面中部和下風(fēng)側(cè)坡腳處的剪切速度不斷減小，則路塹內(nèi)的積雪堆積也會(huì)不斷減小。

參照Kind總結(jié)的雪顆粒閾值剪切速度并結(jié)合圖15(b)可知，在-2.5 ℃下的新鮮疏松的干燥雪和0 ℃的自然降雪這兩種情況下，路塹的上風(fēng)側(cè)坡腳、路面中部和下風(fēng)側(cè)坡腳處的雪顆粒剪切速度均小于相應(yīng)的閾值剪切速度0.15 m/s和0.25 m/s，此時(shí)路塹的兩個(gè)坡腳處和路面中部會(huì)產(chǎn)生積雪堆積。而上風(fēng)側(cè)坡頂和下風(fēng)側(cè)坡頂處雪顆粒的剪切速度均大于相應(yīng)的閾值剪切速度，這兩個(gè)位置均不易產(chǎn)生積雪堆積；同理，在0 ℃下降落幾個(gè)小時(shí)的雪這種情況下，5種布置間距下除了下風(fēng)側(cè)坡頂處的剪切速度大于相應(yīng)的閾值剪切速度0.4 m/s外，其余4個(gè)位置的剪切速度均小于相應(yīng)的閾值剪切速度，所以此時(shí)下風(fēng)側(cè)坡頂處不易積雪，其余位置均易產(chǎn)生積雪堆積。

3 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果驗(yàn)證

為了驗(yàn)證數(shù)值模擬的正確性，用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)中布置間距為3.0 m的工況結(jié)果與數(shù)值模擬中相應(yīng)工況結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。如圖16所示，其中圖16(c)為圖16(d)所對(duì)應(yīng)的路堤周圍積雪分布圖，圖16(c)中陰影區(qū)域?yàn)榉e雪堆積區(qū)域。

由圖16(a)知，由于氣流受到防雪柵的阻擋，在靠近防雪柵前后兩側(cè)的剪切速度有變小趨勢(shì)，在距路堤5H處，剪切速度趨于平緩且不發(fā)生明顯改變，但隨后在靠近迎風(fēng)坡腳處剪切速度急劇下降，并在迎風(fēng)坡腳處降到最低，迎風(fēng)坡腳處產(chǎn)生積雪堆積。路堤的兩個(gè)路肩處剪切速度較大，一般不產(chǎn)生積雪堆積。背風(fēng)側(cè)坡腳周圍的剪切速度相比迎風(fēng)坡腳處剪切速度小，所以背風(fēng)坡腳處產(chǎn)生的積雪較迎風(fēng)坡腳處多，以上分析結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)堆積結(jié)果一致。由圖16(b)和圖16(c)對(duì)比可知，圖16(b)中的風(fēng)速減小區(qū)范圍與圖16(c)中的積雪堆積區(qū)域有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

圖16(d)為防雪柵與路堤周圍積雪分布圖，從圖中可清晰地看出防雪柵對(duì)積雪的阻擋效果，雪顆粒在防雪柵后一定距離處開(kāi)始堆積，并且堆積厚度先增大后變小，到距路堤一定位置處不再積雪，直到在靠近路堤上風(fēng)側(cè)坡腳處又開(kāi)始堆積。分析原因是由于風(fēng)雪流流經(jīng)防雪柵時(shí)，受到了防雪柵的阻擋，在防雪柵前風(fēng)速和剪切速度開(kāi)始下降，并在防雪柵后側(cè)形成風(fēng)速減小區(qū)，且此區(qū)域內(nèi)剪切速度也不斷降低，當(dāng)風(fēng)雪流遠(yuǎn)離防雪柵之后，受防雪柵影響越小，風(fēng)速和剪切速度逐漸恢復(fù)變大，積雪堆積厚度也越來(lái)越小，直到當(dāng)風(fēng)雪流流經(jīng)路堤時(shí)，風(fēng)雪流又受到路堤上風(fēng)側(cè)的阻擋，并在路堤上風(fēng)側(cè)坡腳處形成風(fēng)速減小區(qū)且剪切速度達(dá)到最小，產(chǎn)生積雪堆積。數(shù)值模擬結(jié)果很好地解釋了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)中積雪的堆積現(xiàn)象，驗(yàn)證了數(shù)值模擬的正確性。

圖16 3.0 m間距下路堤數(shù)值模擬結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果圖Fig.16 Numerical simulation results and field measured results of embankment at a distance of 3.0 m

4 結(jié) 論

本文主要應(yīng)用了數(shù)值模擬的方法研究了防雪柵與路基的布置間距對(duì)路基表面積雪分布的影響，最后再用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果來(lái)驗(yàn)證數(shù)值模擬結(jié)果，主要得到以下結(jié)論：

(1)對(duì)于路堤而言，5種布置間距下路堤周圍流場(chǎng)和其剪切速度有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。從流場(chǎng)角度分析，路堤表面積雪部位按堆積程度由大到小分別是路堤下風(fēng)側(cè)坡腳、上風(fēng)側(cè)坡腳、路面中部、下風(fēng)側(cè)路肩和上風(fēng)側(cè)路肩處。從剪切速度角度分析，根據(jù)路堤表面剪切速度的大小，可從雪顆粒運(yùn)動(dòng)機(jī)理上判斷路堤表面產(chǎn)生積雪堆積的先后順序分別是路堤上風(fēng)側(cè)坡腳、下風(fēng)側(cè)坡腳、路面中部、下風(fēng)側(cè)路肩和上風(fēng)側(cè)路肩處。隨著與防雪柵布置間距的增大，路堤兩個(gè)坡腳處的風(fēng)速減小區(qū)范圍均呈先增大后減小的變化趨勢(shì)；路基表面各部分的剪切速度均呈先增大后減小又增大的趨勢(shì)，所以當(dāng)透風(fēng)率為60%的防雪柵與路堤布置間距為16.67H1時(shí)，路堤周圍更易產(chǎn)生積雪堆積，定義此間距為該透風(fēng)率下的防雪柵與路堤的最不利組合間距。

(2)對(duì)于路塹而言，5種布置間距下路塹內(nèi)部均有風(fēng)速減小區(qū)，且路塹周圍流場(chǎng)和其剪切速度有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。從流場(chǎng)角度分析，路塹兩個(gè)坡腳處最容易產(chǎn)生積雪堆積，兩個(gè)坡頂處最不易產(chǎn)生積雪堆積。從剪切速度角度分析，路塹內(nèi)部產(chǎn)生積雪堆積的先后順序分別是路塹上風(fēng)側(cè)坡腳、下風(fēng)側(cè)坡腳、路面中部。隨著與防雪柵布置間距的增大，路塹內(nèi)的積雪堆積會(huì)不斷減小，但是路塹內(nèi)部積雪不易消除，因此防雪柵對(duì)路塹的擋雪效果不佳。

(3)運(yùn)用剪切速度從運(yùn)動(dòng)機(jī)理上能夠清晰地判斷路基表面的積雪堆積與侵蝕，目前把雪顆粒的運(yùn)動(dòng)機(jī)理與工程實(shí)際結(jié)合的研究較少，建議今后在風(fēng)吹雪災(zāi)害頻發(fā)地區(qū)修建鐵路前可先采用此方法并結(jié)合當(dāng)?shù)氐难╊w粒屬性以及氣象條件對(duì)工程表面的積雪堆積與侵蝕進(jìn)行預(yù)判斷，則可以合理確定防雪柵與路基的布置間距，減少不必要的經(jīng)濟(jì)損失。

(4)數(shù)值模擬結(jié)果的風(fēng)速減小區(qū)范圍和剪切速度與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)積雪堆積區(qū)域有很好的對(duì)應(yīng)，很好地驗(yàn)證了數(shù)值模擬結(jié)果的正確性。