王大帥,耿文燕,石 龍

(1.鄭州鐵路職業(yè)技術學院,鄭州 450052； 2.河南省高速鐵路運營維護工程研究中心,鄭州 451460； 3.西南交通大學土木工程學院,成都 610031)

風沙活動是指在風力作用下地表松散物質被吹蝕、搬運和重新沉積的過程。而風沙災害是風沙活動造成的一系列生態(tài)災難，尤其在鐵路系統(tǒng)，災害十分嚴重，給風沙地區(qū)的鐵路運營帶來了嚴重隱患。為保證列車的安全運營，風沙地區(qū)的鐵路系統(tǒng)大部分都配備了防沙系統(tǒng)，最具有代表性的當屬包蘭鐵路、青藏鐵路、蘭新鐵路和林策鐵路[1-3]。

蘭新高速鐵路是我國大風戈壁區(qū)的第一條高速鐵路，全長1 776 km，東起甘肅省蘭州市，西至新疆維吾爾自治區(qū)烏魯木齊市，沿線穿越多個著名風區(qū)(例如百里風速、煙墩風區(qū)等)，瞬時風速可達60 m/s[4]。由于風區(qū)地處戈壁，沙源較為豐富，在強風環(huán)境下，很容易形成風沙流，風沙活動較為強烈。此外，與風沙地區(qū)的普速鐵路相比，蘭新高速鐵路列車速度快、質量輕[5]，這在一定程度上放大了風沙災害對鐵路的危害，故在鐵路沿線配備了相應的防沙系統(tǒng)。由于蘭新高速鐵路沿線的風沙流屬于過境風沙流，因此，防沙系統(tǒng)中主要以阻沙措施為主，固沙措施為輔，其中，插板式擋沙墻便是阻沙措施中的一種(圖1)。國內(nèi)外研究表明，局部風速的降低以及循環(huán)泡的形成是擋沙墻能夠阻沙的主要機理，但其影響因素較多，如高度、孔隙率、孔隙形式、孔隙分布、相對風向等[6-8]。其中，孔隙率的影響最為明顯，由于各種擋沙墻的孔隙結構不同，最佳孔隙率依然存在爭議[9-13]。然而，受工期限制與工程造價制約，蘭新高速鐵路沿線插板式擋沙墻的孔隙率對其防沙性能的影響依然是未知的。此外，目前對于擋沙墻防沙性能的研究主要集中在周圍無積沙的情況[14-18]，對于擋沙墻周圍存在積沙的狀況未見相關文獻，這就導致對防沙措施的防沙性能存在高估現(xiàn)象，在防沙設計中可能會引起一定的誤判。為補充完善該方向的研究成果，進行了專門性研究。

圖1 插板式擋沙墻

對于擋沙墻防沙性能的研究，主要包括現(xiàn)場監(jiān)測、風洞試驗和數(shù)值模擬3種[19-21]。現(xiàn)場監(jiān)測是最為理想的，但受監(jiān)測設備和費用的限制，僅能獲取少量離散數(shù)據(jù)，對于流場結構及氣動性研究較為困難(如循環(huán)泡的捕捉等)。風洞試驗可在一定程度上反映現(xiàn)場的實際情況，是較為理想的研究手段，被大多數(shù)學者所采用，但只能獲取短時間內(nèi)的數(shù)據(jù)，不能像現(xiàn)場測試一樣進行長期監(jiān)測，對于多組工況的測試費用也相對較高。數(shù)值模擬具有節(jié)約計算資源、計算速度較快等優(yōu)點，能夠模擬各種復雜情況下的風場結構和渦旋流，但無法較好的模擬風沙相互作用，此外數(shù)值模擬結果的可靠性也是指導工程實踐的關鍵。因此，結合現(xiàn)場實際情況，采用兩種或兩種以上方法，揚長避短，對擋沙墻的氣動和防沙性能進行研究，既可以減小測試費用，也能夠達到滿意的效果，是較為合理的研究思路。

基于此，首先，通過風洞試驗對擋沙墻的風速削減能力和阻沙效率進行測試；然后，利用擋沙墻周圍的相對風速驗證了數(shù)值模擬結果的可靠性；最后，利用數(shù)值模擬對擋沙墻的流場結構和防沙性能的關鍵影響因素進行探討，以期為風沙地區(qū)的沙害防治提供參考。

1 風洞試驗

本研究所用風洞主要由動力段、整流段、試驗段和擴散段4部分組成，邊界層厚度約為0.5 m，入口風速可在0～45 m/s內(nèi)調節(jié)，本次試驗測試3種風況，即入口風速分別為12，18，24 m/s。數(shù)據(jù)收集主要在試驗段進行，擋沙墻模型及監(jiān)測元器件的布置見圖2。蘭新高鐵沿線插板式擋沙墻主要由基礎、立柱和插板組成，立柱上預留有固定插板的卡槽?，F(xiàn)場擋沙墻高度約2.0 m，插板厚約10 cm，試驗中相似比取為1∶10，即風洞試驗中擋沙墻模型的高度和厚度分別設置為0.2 m和1 cm，其他部件尺寸按照該比例相應縮小。

圖2 風洞試驗擋沙墻模型及監(jiān)測元器件布置

試驗內(nèi)容主要包括兩部分：擋沙墻的風速衰減能力與阻沙效率，監(jiān)測設備分別為皮托管和臺階式積沙儀。風速衰減能力監(jiān)測試驗中，皮托管被安裝在距離擋沙墻迎風側0.5H(H為擋沙墻高度)、1H、2H、5H、10H以及背風側0.5H、1H、2H、5H、10H、15H、20H處。阻沙效率監(jiān)測試驗中，沙源布置在擋沙墻迎風側20H處，臺階式積沙儀安裝在背風側20H處，其上包括10個截面0.2 cm×0.2 cm的方形沙樣收集器，沙樣器入口中心距離風洞底部距離分別為1，3，5，7，9，11，13，15，17，19 cm。阻沙效率試驗分為兩個階段：①撤掉擋沙墻模型，測定無擋沙墻擾動時不同高度處T時段內(nèi)沙粒質量；②安裝擋沙墻模型，測定擋沙墻擾動時不同高度處T時段內(nèi)沙粒質量。

2 風洞試驗

2.1 幾何模型

仿真模型尺寸太小，擋沙墻背風側的湍流與出口邊界重合，影響計算結果；模型尺寸太大，對計算機的性能要求較高，浪費計算資源。經(jīng)過試算，確定計算模型的最佳尺寸為100 m×20 m，擋沙墻在距離入口30 m的位置，擋沙墻高度取2.0 m。

通過現(xiàn)場調研，擋沙墻周圍的積沙形態(tài)接近三角形分布，迎風側和背風側積沙量差別不大，為方便建模，假設擋沙墻周圍的積沙形態(tài)為標準的三角形分布，相應的簡化圖形見圖3。需要說明的是，除了在分析積沙體積對防沙性能影響的模型外，其余模型周圍均無積沙。

注：①α=38°；②β=9°；③Smax為擋沙墻周圍最大積沙厚度。圖3 積沙簡化模型示意

2.2 網(wǎng)格劃分及邊界條件

采用非結構自動化法進行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分類型Mixed，邊界層采用Robust(octree)，網(wǎng)格單元總數(shù)均超過60萬個。模型左側入口邊界定義為VELOCITY-INLET，右側出口邊界定義為OUT-LOW，壁面邊界條件定義為WALL。

2.3 控制方程

考慮到戈壁地區(qū)風速高于沙漠地區(qū)，且起沙風速在10～20 m/s之間[22]，文中除與風洞試驗結果進行比較的工況中風速采用18 m/s外，其余工況以30 m/s風速進行數(shù)值模擬，該速度產(chǎn)生的壓強變化引起的密度變化很小，故流體可視作不可壓縮流體。

連續(xù)性方程為

(1)

動量方程為

(2)

3 結果分析

3.1 數(shù)值模擬結果可靠性驗證

數(shù)值模擬雖然具有節(jié)約工程費用、能獲得完整數(shù)據(jù)、高效優(yōu)化設計等優(yōu)點，但要對其結果的可靠程度進行合理判斷，才能科學指導工程實踐。為驗證數(shù)值模擬結果的可靠性，將其與風洞試驗結果進行了對比。圖4為數(shù)值模擬與風洞試驗得到的擋沙墻周圍的相對風速(測點風速與入口風速)，可以看出，兩種方法得到的相對風速隨距離的變化趨勢基本一致，說明數(shù)值模擬結果具有較高的可靠性，可以較為準確地反映擋沙墻周圍的流場特性。

注：①H為擋沙墻高度；②L為距擋沙墻的距離，迎風側為正值，背風側為負值；③V0為入口風速；④VL為計算域中某點的風速；⑤V0/VL為相對風速。圖4 距地表高度0.8H處兩種試驗結果的相對風速

3.2 插板式擋沙墻周圍流場結構

圖5為基于數(shù)值模擬的擋沙墻周圍風場分布，不難發(fā)現(xiàn)，氣流遇到擋沙墻后能量發(fā)生了變化，導致氣流速度重新分布。按照速度大小及形成機理，大致可分為3個區(qū)域，減速區(qū)、加速區(qū)和尾流區(qū)。下面基于空氣動力學原理，結合墻體周圍的流線(圖6)，對上述3個區(qū)域形成的機理進行分析。減速區(qū)：氣流靠近擋沙墻時，受到墻體的阻塞效應，導致氣流速度出現(xiàn)小幅度衰減，形成減速區(qū)。加速區(qū)：氣流經(jīng)過墻體頂部時，過流斷面被壓縮而產(chǎn)生文丘里效應，導致氣流速度加強，形成加速區(qū)。尾流區(qū)：氣流通過擋沙墻以后，在逆壓梯度作用下，在墻體背后形成渦旋流，該區(qū)域速度大幅度降低，形成尾流區(qū)。此外，對比減速區(qū)和尾流區(qū)，發(fā)現(xiàn)尾流區(qū)速度衰減幅度更大，相應的減速范圍也較大，說明擋沙墻背風側的沉沙能力明顯強于迎風側。

注：風向從左到右。圖5 基于數(shù)值模擬的擋沙墻周圍風速分布

圖6 基于數(shù)值模擬的擋沙墻周圍氣流流線

3.3 插板式擋沙墻風速消減效果

為更直觀地分析墻體周圍風速的衰減趨勢，繪制了順風向風速的相對風速變化圖，可以反映氣流的衰減程度(圖7)。從圖7可以看出，相對風速曲線近似呈“V”形分布。當-10H≤L≤-2.5H時，速度衰減幅度較小，相對風速在0.8以上，速度衰減僅20%左右；當-2.5H

注：①圖中相對風速為負值時，代表氣流與入口氣流相反，出現(xiàn)了回流現(xiàn)象；②h為距地表高度。圖7 基于數(shù)值模擬的擋沙墻周圍相對風速變化

上述分析表明，擋沙墻隨氣流的影響范圍主要集中在迎風側5H到背風側15H，急劇影響范圍在迎風側2H到背風側7.5H(該區(qū)域相對風速在0.5以下，風速衰減達50%以上)。此外，值得注意的是，墻體對氣流的擾動具有分層性，即距離地表越遠，墻體對氣流的擾動能力越差，甚至達到某一高度后，曲線上相對風速均為正值，即回流現(xiàn)象消失。從沙粒在氣流中獲取能量的角度分析，積沙區(qū)域主要集中在氣流急劇影響范圍之內(nèi)，即迎風側2H到背風側7.5H，該區(qū)域氣流的攜沙能力大幅度下降，沙粒容易沉積在該范圍內(nèi)，這與現(xiàn)場調研結果一致。

3.4 插板式擋沙墻阻沙效率

阻沙率是評價擋沙墻阻沙性能的關鍵指標之一?？傋枭陈蔏可以反映擋沙墻的總體防沙效果，而累積阻沙率Kj可以反映擋沙墻分層阻沙效率，其計算公式如下

(3)

(4)

其中，K為總阻沙率，%；Kj為小于j高度的累積阻沙率，%；myi和mbi分別為擋沙墻迎風側和背風側i高度處收集的沙粒質量，g。

圖8為基于風洞試驗的擋沙墻總阻沙率和累積阻沙率，不難看出，累積阻沙率隨著高度呈現(xiàn)對數(shù)分布，并在12 cm(0.6H)處達到了90%以上，說明阻沙率隨著高度呈遞減趨勢，但高效區(qū)域分布在0.6H以下。此外，還可以發(fā)現(xiàn)，隨著風速的增加，同一高度處的累積阻沙率及總阻沙率呈遞減趨勢，說明擋沙墻的阻沙性能與風速密切相關，風速越大，阻沙性能越差。

圖8 基于風洞試驗的擋沙墻阻沙率

3.5 孔隙率對防沙性能的影響

大量研究成果表明，擋沙墻防沙的氣動性原理主要是局部風速的降低和氣流的循環(huán)泡(即渦旋流)[23]。孔隙率是指擋沙墻開口面積與總面積的比值，是影響防沙性能最為關鍵的因素之一，在擋沙墻優(yōu)化設計中極為重要[24]。為分析孔隙率對插板式擋沙墻氣動性能的影響，提取出擋沙墻周圍的流線及相對風速進行對比分析。

圖9為基于數(shù)值模擬的不同孔隙率擋沙墻周圍流線，從圖9很容易看到循環(huán)泡，且具有以下規(guī)律：當孔隙率較小時(n=10%)，擋沙墻迎風側和背風側均出現(xiàn)了循環(huán)泡，但背風側循環(huán)泡遠小于迎風側；隨著孔隙率的增加迎風側循環(huán)泡消失，背風側循環(huán)泡逐漸向下風向移動；此外，從圖9還可以看出，背風側循環(huán)泡的尺寸大小依次為：n=10%(約9 m×4 m)>n=20%(約8.5 m×4 m)>n=30%(約8 m×3 m)>n=40%(約5 m×2 m)。上述現(xiàn)象表明，孔隙率10%和20%的擋沙墻背風側沉沙效率相當，但前者迎風側的積沙量可能偏多，會導致?lián)跎硥^早被埋，失去防沙性能。故從循環(huán)泡角度分析，孔隙20%的擋沙墻阻沙效率最優(yōu)。

注：風向從左到右。圖9 基于數(shù)值模擬的不同孔隙率擋沙墻周圍流線

圖10為基于數(shù)值模擬的不同孔隙率擋沙墻周圍的相對風速曲線，不難發(fā)現(xiàn)，相對風速與距離的關系均呈“V”形分布，且孔隙率越小，曲線的變化趨勢越陡峭；反之，曲線越平緩，說明擋沙墻孔隙率越小，風速削減能力越強。但從相對風速的分布范圍看，孔隙率越小，擾動范圍也越小(相對風速<1.0)。此外，值得注意的是，孔隙率對回流區(qū)長度影響顯著，大小依次為n=10%(17 m)>n=20%(16 m)>n=30%(13 m)>n=30%(4 m)。

上述分析表明，孔隙率越小對氣流的擾動能力越強，但影響范圍較小，擋沙墻周圍的積沙分布范圍相應變??；孔隙率越大對氣流的擾動能力越弱，但影響范圍較大，積沙分布范圍也較大，但積沙厚度可能很小。從風速削減能力分析，插板式擋沙墻的孔隙率最優(yōu)值在10%～20%。

由于擋沙墻孔隙率越低，工程造價越高，同時考慮到迎風側積沙可能導致?lián)跎硥^早被埋，綜合考慮，建議擋沙墻的孔隙率設置為20%左右。

圖10 距地表0.5 m處不同孔隙率擋沙墻周圍相對風速

3.6 積沙體積對防沙性能的影響

圖11為基于數(shù)值模擬積沙最大厚度Smax=0，50，100 cm三種工況下?lián)跎硥?n=20%)周圍的流線，從圖11可以發(fā)現(xiàn)，積沙對墻體周圍的氣動性影響顯著，隨著積沙量的增加，背風側循環(huán)泡的面積在逐漸減小，并向下風向移動，說明循環(huán)泡阻沙能力在逐漸減弱。圖12為上述3種工況的相對風速曲線，可以看到，隨著墻體周圍的積沙量增加，曲線總體逐漸上移，說明墻體削弱風速的能力在減弱，擾動氣流的范圍也在減小，這揭示了擋沙墻周圍沙量越大，擋沙墻的阻沙能力越弱。

注：①藍色線為積沙剖面和擋沙墻；②風向從左到右。圖11 不同積沙量對擋沙墻周圍氣流流線的影響

圖12 不同積沙量對擋沙墻周圍相對風速的影響

從上述現(xiàn)象可知，在一定風速條件下，擋沙墻的氣動性并非是恒定的，它將會受周圍積沙量的影響而發(fā)生變化。現(xiàn)有設計規(guī)范未考慮擋沙墻阻沙性能的退化，建議在新的規(guī)范中增補該部分內(nèi)容，提高設計的合理性和科學性。此外，值得強調的是，為保證擋沙墻高效的工作，有必要及時清理擋沙墻周圍的積沙。

4 結論

利用風洞試驗和數(shù)值模擬，對插板式擋沙墻的防沙性能進行了系統(tǒng)分析，同時分析了孔隙率、積沙量對其防沙性能的影響，主要得出以下結論。

(1)按照速度大小及形成機理，將插板式擋沙墻周圍的風場劃分為3個特征區(qū)域：擋沙墻阻礙效應引起的減速區(qū)，文丘里效應引起的加速區(qū)以及渦旋流引起的尾流區(qū)。

(2)擋沙墻周圍的相對風速近似呈“V”形分布，急劇影響區(qū)域在迎風側2H到背風側7.5H范圍內(nèi)，表明該范圍是插板式擋沙墻的主要沉沙區(qū)。

(3)插板式擋沙墻累積阻沙率隨高度呈遞減趨勢，高效阻沙區(qū)分布在高度0.6H以下。擋沙墻的阻沙性能與風速密切相關，風速越大，阻沙性能越差。

(4)孔隙率越大，擋沙墻背風側循環(huán)泡尺寸越小，對氣流的擾動能力越強，但擾動范圍越小，綜合考慮工程造價、迎風側積沙量和防沙效率，建議孔隙率取20%。

(5)隨著擋沙墻周圍積沙量的增加，背風側循環(huán)泡的面積逐漸減小，削弱風速的能力減弱，擾動氣流的范圍減小，這表明擋沙墻的防沙性能在減弱。為保證擋沙墻高效的工作，有必要及時清理擋沙墻周圍的積沙。