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        青藏鐵路涵洞周圍沙害形成機(jī)理的數(shù)值分析

        2021-10-14 05:06:06楊曉明賈海鋒周有祿
        鐵道建筑 2021年9期
        關(guān)鍵詞:風(fēng)速

        楊曉明 賈海鋒 周有祿

        1.中鐵西北科學(xué)研究院有限公司,蘭州730000;2.青海省凍土與環(huán)境工程重點(diǎn)試驗(yàn)室,青海格爾木816000

        隨著我國(guó)基礎(chǔ)建設(shè)的推進(jìn),風(fēng)沙地區(qū)道路工程急劇增加。風(fēng)沙地區(qū)由于干旱少雨、植被稀疏、大風(fēng)頻繁,極易形成風(fēng)沙流。在道路工程修建之前,風(fēng)沙流一般能夠順利通過(guò),但在道路工程修建以后,其存在破壞了風(fēng)沙流平衡狀態(tài),風(fēng)速增大的區(qū)域?qū)?huì)形成風(fēng)蝕現(xiàn)象,而在風(fēng)速衰減區(qū)域則形成積沙現(xiàn)象,給道路工程的正常運(yùn)行帶來(lái)了安全隱患。

        國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)道路工程風(fēng)沙災(zāi)害做了大量的研究,部分研究成果逐漸應(yīng)用在道路工程中。但前人的研究主要集中在風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)特征[1-3]、路基沙害形成機(jī)理[4-7]、防沙工程效益評(píng)價(jià)[8-15]等方面,而對(duì)風(fēng)沙地區(qū)涵洞的相關(guān)研究較少。涵洞工程作為道路工程的重要組成部分,起到過(guò)水和通行的作用,涵洞一旦被積沙所堵塞(圖1),輕則增加養(yǎng)護(hù)費(fèi)用,重則山洪爆發(fā)沖毀線路。因此,探究風(fēng)沙地區(qū)涵洞周圍的風(fēng)沙流場(chǎng)及沙害形成機(jī)理,不僅可以為既有線涵洞風(fēng)沙防治提供依據(jù),而且可以為新線的建設(shè)提供指導(dǎo)。

        本文以青藏鐵路一涵洞為研究對(duì)象,采用計(jì)算流體力學(xué)軟件構(gòu)建歐拉雙流體非穩(wěn)態(tài)模型,研究涵洞周圍的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)、積沙形成機(jī)理以及涵洞高度對(duì)其流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的影響。此外,利用超聲波風(fēng)速風(fēng)向儀測(cè)試涵洞中軸線處的風(fēng)速變化趨勢(shì),并與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,驗(yàn)證數(shù)值模型的可靠性。

        1 研究方法

        1.1 數(shù)值模擬

        1.1.1 控制方程

        風(fēng)沙流是氣體攜帶沙粒運(yùn)動(dòng)的一種自然現(xiàn)象,屬于典型的氣固兩相流。在計(jì)算過(guò)程中,需要遵循質(zhì)量方程和動(dòng)量方程。質(zhì)量方程為

        式中:t為時(shí)間;fj為第j相的體積分?jǐn)?shù),j=1表示氣相,j=2表示固相,且f1+f2=1;ρj為第j相的密度;vj為第j相的速度。

        氣相動(dòng)量方程為

        固相動(dòng)量方程為

        式中:p為氣相和固相共享壓力;τ1、τ2分別為氣相、固相的應(yīng)力應(yīng)變張量;g為重力加速度;C12為氣固相動(dòng)量交換系數(shù);p2為固相壓力。

        1.1.2 構(gòu)建模型

        數(shù)值分析中,計(jì)算域的大小對(duì)計(jì)算效率和結(jié)果的精確性具有較大的影響,過(guò)小計(jì)算結(jié)果誤差偏大,過(guò)大則所需時(shí)間較長(zhǎng)。因此,本文在多次試算后確定計(jì)算域的大小為100 m×20 m×20 m。計(jì)算域的邊界層采用robust,網(wǎng)格類型為tetra/mixed,網(wǎng)格單元總數(shù)約為200萬(wàn)。邊界條件見(jiàn)表1。

        表1 邊界條件

        1.2 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

        現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試主要是利用風(fēng)速風(fēng)向儀,對(duì)涵洞周圍的流場(chǎng)進(jìn)行定點(diǎn)監(jiān)測(cè),進(jìn)一步驗(yàn)證數(shù)值模擬結(jié)果的可靠性,監(jiān)測(cè)設(shè)備的平面布置如圖2所示。風(fēng)場(chǎng)監(jiān)測(cè)設(shè)備主要采用英國(guó)生產(chǎn)的WindSonic超聲波風(fēng)速風(fēng)向儀,其主要參數(shù)為:風(fēng)速0~60 m/s,精度為±2%@12 m/s;分辨率0.01 m/s,反應(yīng)時(shí)間0.25 s,最低值為0.01 m/s;風(fēng)向0~360°(無(wú)死角),精度為±3°@12 m/s,分辨率1°。

        圖2 涵洞周圍風(fēng)速風(fēng)向儀分布示意(單位:mm)

        2 計(jì)算結(jié)果與分析

        理想狀態(tài)下,在平坦的地面上,可認(rèn)為風(fēng)沙流處于一種動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài),即非堆積搬運(yùn)狀態(tài)。只要?dú)饬鞯臓顟B(tài)不發(fā)生改變,風(fēng)沙流中的沙粒就不會(huì)沉積,從而不會(huì)產(chǎn)生風(fēng)積沙害。為了更直觀地分析這種狀態(tài),利用波動(dòng)指數(shù)(測(cè)點(diǎn)速度與來(lái)流速度的比值)來(lái)表征,當(dāng)波動(dòng)指數(shù)大于1時(shí),風(fēng)沙流處于風(fēng)積狀態(tài),反之處于風(fēng)蝕狀態(tài)。風(fēng)沙流屬于一種貼近地表的氣固流,文獻(xiàn)[16]指出青藏鐵路沿線90%以上的固體顆粒在1 m以下。因此,研究近地表氣流的波動(dòng)指數(shù),對(duì)于了解風(fēng)沙的狀態(tài)十分重要。

        2.1 涵洞中線波動(dòng)指數(shù)

        不同高度處沿涵洞中線的氣流波動(dòng)指數(shù)見(jiàn)圖3??芍河?jì)算值和實(shí)測(cè)值吻合良好。這說(shuō)明所建數(shù)學(xué)模型能夠較好地反映涵洞周圍的風(fēng)沙流場(chǎng)。氣流靠近涵洞時(shí),受涵洞的阻礙作用速度開(kāi)始逐漸減小,到迎風(fēng)側(cè)洞口時(shí)速度達(dá)到最小值,氣流進(jìn)入涵洞后,由于過(guò)流斷面減小氣流被壓縮,根據(jù)伯努利原理,氣流速度將會(huì)增大,到背風(fēng)側(cè)洞口時(shí)過(guò)流斷面突然增大,氣流發(fā)生擴(kuò)散,速度急劇減小。總體上看,距地表0.1 m處的氣流波動(dòng)指數(shù)明顯小于距地表0.5 m處的氣流波動(dòng)指數(shù),且兩者在洞中沿程變化趨勢(shì)也存在差異,距地表0.1 m的氣流波動(dòng)指數(shù)呈遞減趨勢(shì),而距地表0.5 m的氣流波動(dòng)指數(shù)呈遞增趨勢(shì)。這說(shuō)明越靠近地面,附面層對(duì)氣流的影響越大。

        圖3 不同高度處涵洞中線沿程氣流波動(dòng)指數(shù)

        2.2 涵洞流場(chǎng)分布特征

        風(fēng)速15 m/s時(shí),涵洞周圍氣流波動(dòng)指數(shù)等值線見(jiàn)圖4。可知,氣流在途經(jīng)涵洞時(shí),波動(dòng)指數(shù)在涵洞周圍重新分布。在迎風(fēng)側(cè)洞口周圍的波動(dòng)指數(shù)在1以下,說(shuō)明氣流速度有所衰減,氣流攜帶沙粒的能力降低,可能在該區(qū)域形成積沙。迎風(fēng)側(cè)路肩附近波動(dòng)指數(shù)在1以上,說(shuō)明該區(qū)域氣流速度有所增加,可能在該區(qū)域形成風(fēng)蝕現(xiàn)象。除了近地表,涵洞內(nèi)氣流波動(dòng)指數(shù)也在1以上,說(shuō)明涵洞內(nèi)的氣流速度也被加強(qiáng),氣流攜沙能力增強(qiáng),不易在涵洞內(nèi)形成積沙。背風(fēng)側(cè)路基波動(dòng)指數(shù)出現(xiàn)了大幅度衰減,說(shuō)明該區(qū)域處于弱風(fēng)區(qū),沙粒最容易在此沉積,但該區(qū)域下方的氣流在慣性力作用下和涵洞內(nèi)幾乎一致,且比原始風(fēng)速大,跌落在此處的沙??赡苤匦卤粴饬鲙ё?。另外,背風(fēng)側(cè)洞口在地表一定范圍內(nèi)(圖中A區(qū)域)也出現(xiàn)了弱風(fēng)區(qū),沙粒在此處沉積可能性較大。

        圖4 涵洞周圍波動(dòng)指數(shù)等值線

        2.3 涵洞周圍沙害形成機(jī)理

        風(fēng)速為15 m/s、固相初始體積分?jǐn)?shù)為0.1時(shí),不同時(shí)刻涵洞周圍沙積線見(jiàn)圖5。

        圖5 涵洞周圍沙積線隨時(shí)間變化情況

        由圖5可知:t=1 h時(shí)涵洞周圍的積沙僅分布在洞口兩側(cè),洞內(nèi)幾乎沒(méi)有積沙;但隨著時(shí)間的推移(t=2~3 h),積沙開(kāi)始向洞內(nèi)延伸長(zhǎng),但兩側(cè)洞口延伸的積沙并未連成一片;當(dāng)t=4 h時(shí)兩側(cè)洞口延伸的積沙連成一片。結(jié)合圖3、圖4分析其原因?yàn)椋猴L(fēng)沙流靠近涵洞時(shí),兩側(cè)洞口均有氣流衰減區(qū),此時(shí)沙粒開(kāi)始沉積在該區(qū)域,而涵洞內(nèi)部氣流受狹管效應(yīng)的作用,速率略高于原始風(fēng)速,故開(kāi)始時(shí)不存在積沙;隨著時(shí)間的推移洞口積沙逐漸增多,以至影響到洞內(nèi)風(fēng)速,洞內(nèi)部分區(qū)域風(fēng)速發(fā)生衰減,新形成的衰減區(qū)開(kāi)始逐漸積沙,如此反復(fù)循環(huán)使得整個(gè)洞內(nèi)均存在弱風(fēng)區(qū),最終積沙堵塞涵洞。

        2.4 涵洞高度對(duì)流場(chǎng)的影響

        涵洞寬度一定時(shí),高度影響洞中過(guò)流斷面的大小,進(jìn)而影響氣流的速度,間接影響涵洞周圍風(fēng)沙流場(chǎng)。風(fēng)速為15 m/s、距地表0.5 m時(shí),不同高度的涵洞周圍沿程氣流波動(dòng)指數(shù)見(jiàn)圖6。

        圖6 不同高度的涵洞周圍沿程氣流波動(dòng)指數(shù)

        由圖6可知,涵洞高度越大兩側(cè)洞口氣流波動(dòng)指數(shù)越大,當(dāng)涵洞高度為4 m時(shí)兩側(cè)洞口指數(shù)均大于1,說(shuō)明涵洞寬度一定時(shí),涵洞高度越高洞口的氣流衰減幅度越小,氣流的攜沙能力越強(qiáng),越不容易在洞口形成積沙。因此,在風(fēng)沙地區(qū)設(shè)計(jì)涵洞條件允許時(shí),建議提高涵洞高度,減少涵洞沙害。

        3 結(jié)論

        1)風(fēng)沙流途經(jīng)涵洞時(shí),氣流風(fēng)速重新分布,在涵洞口氣流速度發(fā)生衰減,形成相對(duì)弱風(fēng)區(qū),在迎風(fēng)側(cè)路肩,氣流速度得到加強(qiáng),形成相對(duì)強(qiáng)風(fēng)區(qū)。

        2)洞口氣流速度衰減是涵洞產(chǎn)生沙害的直接原因,在形成過(guò)程中積沙首先從洞口開(kāi)始,進(jìn)而影響到洞內(nèi)風(fēng)沙流場(chǎng),兩側(cè)洞口的積沙逐漸連成一片,最終堵塞涵洞。

        3)涵洞寬度一定時(shí),高度越高洞口氣流速度衰減幅度越小,越不容易引起積沙。在風(fēng)沙地區(qū)設(shè)計(jì)涵洞條件允許時(shí),建議提高涵洞高度。

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