李鵬翔，白明洲,2，丁錄勝，邱樹茂

(1.北京交通大學土木與建筑工程學院，北京，100044；2.北京交通大學北京市軌道工程重點實驗室，北京，100044；3.新疆鐵道勘察設計院地質(zhì)路基設計分處，新疆維吾爾自治區(qū)烏魯木齊，830011)

修建鐵路工程會改變自然環(huán)境的地形地貌，其中路塹為較易產(chǎn)生積雪堆積的路基結(jié)構(gòu)形式，在線路內(nèi)形成的積雪會嚴重影響交通運營安全[1]。目前風吹雪災害的防治一般通過改變風雪場流向來實現(xiàn)，其中主要包括應用防雪柵(墻)、防雪林及防雪走廊等，實踐表明防雪林在風吹雪易發(fā)區(qū)域種植條件要求較高且難以維護[2]，防雪走廊入口處易產(chǎn)生積雪[3]，采用防雪柵來減輕積雪對道路的影響相對簡便有效的方法[4]。

懷俄明公路自1971年開始設置防雪柵以來，事故率減少75%，每年因積雪封閉道路時間減少近9 天，路面積雪堆積明顯減少[5]；近年來，國內(nèi)也已將防雪柵的應用在風雪災害易發(fā)區(qū)域，但由于早期工程建設的忽視，既有線路往往在出現(xiàn)災害后才考慮采取防治措施；近年新建的精伊霍鐵路[6]、克塔鐵路[7]、張呼鐵路[8]等風雪災害易發(fā)區(qū)域也有針對性地進行了風吹雪災害防護措施，但所采用的方法與布置形式較多基于經(jīng)驗選擇。目前研究主要集中于防雪柵自身結(jié)構(gòu)形式，包括不同柵欄孔隙率、高度、布置距離等因素[9]，并未將其與實際防護目標相結(jié)合，有關防雪柵兩側(cè)沉積雪量、防雪柵作用下對鐵路路塹內(nèi)風雪特征的影響也尚無統(tǒng)一定論。

目前，應用在交通工程方面的風吹雪災害防治研究主要集中于數(shù)值模擬，包括對不同結(jié)構(gòu)形式下的路基(尤其是路塹)內(nèi)的積雪分布[10]，從工程設計的角度對防雪柵的布設進行指導，對不同路基結(jié)構(gòu)形式和不同高度的防雪柵進行計算，確定合理的路基斷面形式與防雪柵組合設計方案[11]；并對防雪柵作用下不同路堤結(jié)構(gòu)形式的路堤斷面風雪流場分布特征進行研究[12]；但由于目前流體力學的Navier-Stokes 運動方程幾乎難以求解，而k?w，k?e，LES等常用的數(shù)值湍流模型各有長短，使得數(shù)值模擬所得結(jié)果的準確性還有待進一步分析[13]。

作為風吹雪現(xiàn)象常用的3種研究方法之一，相較于野外監(jiān)測，風洞試驗可以有效地控制風速、風向、雪量，而相對于目前數(shù)值模擬中多相流模型的不完善和過于理想化的模型假設，風洞試驗幾乎可以完全再現(xiàn)自然流場分布，并還原雪顆粒的受力及運動狀態(tài)。

20世紀學者們從起動風速、運動特征等方面為風洞試驗奠定了理論基礎，近年來，風洞試驗主要應用于分析包括階梯平屋頂(車站站場廠房)、大跨度屋面不均勻荷載(冬奧會場館)、建筑物(建筑群)風吹雪作用下的積雪分布，從風雪場初始條件、結(jié)構(gòu)幾何形態(tài)、風雪荷載分布形式及相關影響因素等方面進行研究[14?15]。

雖然風洞試驗可以較好地還原自然界中流場分布，但由于受到風洞設備尺寸限制，模型和顆粒材料的限制成為制約風洞試驗準確性的主要因素之一，并且由于雪顆粒的特殊性，大多數(shù)室內(nèi)常溫風洞試驗必須采用模擬材料代替雪顆粒，而在低溫風洞室內(nèi)進行的真雪試驗也多采用將室外積雪搬入室內(nèi)設備[16]，但這樣通常會破壞雪粒間主要的結(jié)構(gòu)狀態(tài)，對結(jié)果造成一定誤差。

為此，本文作者采用可移動風洞設備進行現(xiàn)場原狀雪試驗，采用模擬材料進行室內(nèi)風洞試驗，獲得鐵路路塹區(qū)域內(nèi)外的風雪場特征，并與現(xiàn)場試驗段路基內(nèi)外的積雪分布變化進行對比。

1 試驗方法

室外風洞試驗設備為中國科學院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所的可移動風洞，風洞試驗段長×寬×高為6 m×0.6 m×0.6 m，設備可連續(xù)調(diào)節(jié)風速范圍為0～30 m/s。風洞主要結(jié)構(gòu)包括風洞洞體、數(shù)據(jù)采集及控制系統(tǒng)，試驗流場的參考風速采用固定點位的皮托管和微壓計測量與監(jiān)控?？梢苿语L洞于2019年2月安裝在鐵路路塹工程區(qū)域風吹雪現(xiàn)場，室外風洞設備如圖1所示。

圖1 室外風洞設備Fig.1 Outdoor wind tunnel equipment

室內(nèi)風洞試驗在北京交通大學常溫多功能風洞實驗室進行，風洞試驗段長×寬×高為10.0 m×1.2 m×1.5 m，設備可連續(xù)調(diào)節(jié)風速范圍為0～20 m/s。設備構(gòu)造與室外可移動風洞相同，流場測量方式采用測架可移動的皮托管。室內(nèi)風洞設備如圖2所示。

圖2 室內(nèi)風洞設備Fig.2 Indoor wind tunnel equipment

1.1 相似條件

由于室內(nèi)外風洞試驗均為縮小比例的模型試驗，所以要遵循試驗的相似準則。本文總結(jié)20世紀60～80年代中的相關風洞試驗，其中風洞試驗的相似準則主要由起動條件、運動過程和堆積形態(tài)3個方面組成。

在起動條件相似方面，主要為保證顆粒的起動風速相似，風吹雪運動中雪粒起動的直接因素是顆粒受到的摩擦速度大于自身的閾值風速，試驗中顆粒受到摩擦速度如式(1)所示，表示顆粒的微觀起動風速。但在風洞試驗中由于摩擦速度測量困難，采用顆粒宏觀起動速度來近似代替上述條件，如式(2)所示，同時保證風洞試驗中的流場是完全發(fā)展的湍流場，如式(3)所示。

式中：τ為雪粒表面受到的剪切力；ρs為顆粒密度；u(H)為風洞出流口風速；ut(H)為顆粒宏觀起動風速；v為流場的運動黏度，在空氣流場中取值為1.45×10?5m2/s；g為重力加速度。

對于顆粒運動過程的相似，在滿足運動中顆粒受力狀態(tài)和運動軌跡相似的條件下即可認為顆粒運動過程是相似的。在流場中顆粒主要受到重力、黏力、曳力、馬格努斯力等，其中主要相似參數(shù)為弗勞德數(shù)Fr(Fr表示流體慣性力和重力的相對大小，如式(4)所示)和雷諾數(shù)Re(Re表示流體黏力和重力的相對大小，如式(5)所示)。

式中：u為流體速度；L為流場特征長度。

由以上風吹雪運動過程中需要滿足的相似條件可以看出，風洞試驗的相似準則主要集中在模型與原型間幾何尺寸、速度、粒子物理屬性、測試時間等方面。然而，在風洞試驗中不可能同時實現(xiàn)所有這些參數(shù)的相似性，如雪粒粒徑約為0.2 mm，如果按照幾何比，在風洞試驗中顆粒尺寸過小會導致顆粒在較弱的風場作用下變成懸移的粉塵狀態(tài)，無法達到試驗效果且損壞設備，但目前相關風洞試驗結(jié)果表明忽略了這一參數(shù)不會帶來明顯影響。而由Fr和Re的表達式也可以看出，二者在速度u的分量上是互相矛盾的，不可能同時滿足。

1.2 試驗材料

1.2.1 試驗模型

試驗模型以實際工程結(jié)構(gòu)物為原型，主要包括鐵路路塹、防雪柵模型。路基模型采用拋光木板加工，柵欄采用單線鐵路路塹模型。原型深度為3 m，路基頂面寬為8 m，邊坡坡度為1:1.5，風吹雪區(qū)域鐵路路塹特有的積雪平臺寬為5 m；柵欄為可調(diào)節(jié)高度和孔隙率的插板式防雪柵，其中單個插板孔隙率為50%，單塊柵欄原型高度為0.5 m。圖3所示為室內(nèi)風洞試驗中6 塊插板所組成的柵欄，總高為10 cm，孔隙率為50%。室內(nèi)和室外風洞試驗模型縮小比例分別為1/30和1/60，其中室內(nèi)風洞阻塞率為3.9%，室外風洞阻塞率為4.8%。滿足JGJ/T 338—2014“建筑工程風洞試驗方法標準”對風洞試驗阻塞率的要求。

圖3 室內(nèi)風洞采用的插板式防雪柵欄Fig.3 Insert-type snow fence for indoor and outdoor wind tunnels

1.2.2 試驗顆粒

室外風洞采用現(xiàn)場降雪后的松軟雪顆粒，在搬運至風洞內(nèi)部過程中盡量減少對原狀雪的擾動?，F(xiàn)場雪粒測量密度為139 kg/m3，試驗均在白天陰處進行，環(huán)境溫度為?15～?10 ℃。

室內(nèi)風洞采用模擬材料代替雪粒，在試驗前選定幾種與雪粒外觀相近的顆粒，根據(jù)上述相似準則，結(jié)合對雪粒密度、粒徑、休止角、沉降速度等參數(shù)的研究，選擇包括人造雪、鹽粒以及不同級配的硅砂在內(nèi)的材料比較其物理性質(zhì)，然后通過預吹風試驗選定粒徑為0.2 mm 的細硅砂代替雪粒。表1所示為室內(nèi)風洞試驗選定的細硅砂顆粒和室外風洞所采用的鐵路路塹工程風吹雪現(xiàn)場雪粒的物理力學參數(shù)對比，其中硅砂來自于購買的商業(yè)化成品材料。

表1 雪粒和細硅砂參數(shù)Table 1 Parameters of snow particle and fine silica sand

1.3 試驗參數(shù)

在試驗前首先采用閉合劈尖調(diào)節(jié)流場分布，并改變風洞流場出口粗糙度，使其與風吹雪災害易發(fā)區(qū)域的B類地貌流場特征相吻合，調(diào)節(jié)后的流場湍流度沿路基高度范圍內(nèi)基本保持穩(wěn)定在11%左右，滿足GB 50009—2012“建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范”對B類地貌流場的要求。

鋪雪前緣與風洞出流口保持一定距離，室內(nèi)和室外試驗吹風前初始雪深鋪設分別為20 mm 和10 mm(均對應實際雪深600 mm)，計算域整體如圖4所示，其中黃色部分為鋪雪區(qū)域，為了避免風機設備對模型域內(nèi)流場的影響，鋪雪區(qū)域前緣與風機設備出流口保持一定距離。

圖4 試驗區(qū)域示意圖Fig.4 Schematic diagram of test area

在室外風洞中對原狀雪進行起動速度的測試，當開機風速為5.5 m/s 時仍有少量雪粒運動，考慮目測誤差等因素，認為開機風速為5 m/s時顆粒開始運動，此時距離地面50 mm 的皮托管測試點風速為3.5 m/s(三級微風)，根據(jù)近地面風場對數(shù)率剖面模型算得雪粒閾值風速為3.1 m/s，吹風15 min后運動雪粒明顯減少，考慮目視誤差將吹風時間定為20 min(1 200 s)。室內(nèi)風洞則通過調(diào)節(jié)硅砂的粒徑獲得與原狀雪較為一致的起動速度，試驗中設置為相同的吹風時間。吹風后采用精度1 mm的測雪尺進行雪深測量，并采用插值法得到模型域內(nèi)雪深分布。

預試驗中路塹模型線路方向的邊緣處出現(xiàn)強烈的氣流分離(類似平面屋頂邊緣出現(xiàn)的侵蝕現(xiàn)象)，雪深幾乎為0 m，而實際線路方向長度遠大于柵欄與路基距離，所以，測量時選擇邊緣無侵蝕區(qū)域。

2 試驗結(jié)果

在考慮實際雪量和柵欄占地面積的條件上，所有計算中保持路基形式不變，選定3種防護形式的防雪柵進行試驗，參數(shù)如表2所示，其中單排防雪柵的孔隙率與布置距離以Kumar 建立在Banihal山頂?shù)姆姥〇沤Y(jié)構(gòu)參數(shù)為基礎[17]。

表2 3種布置形式的防雪柵Table 2 Three forms of snow fences

在風吹雪相關研究中，通常以吹風前初始雪深為標準，將吹風后各點位雪量進行歸一化得到雪量系數(shù)，也表示風吹雪作用下計算域各處的堆積?侵蝕現(xiàn)象，雪量系數(shù)大于1表示該處產(chǎn)生堆積，雪量系數(shù)小于1表示發(fā)生侵蝕[18]，本文采用同樣的表示方法。

2.1 不同布置形式防雪柵

室內(nèi)風洞試驗路塹內(nèi)外橫截面平均雪量系數(shù)如圖5(a)所示。從圖5(a)可知：3 種布置形式的柵前最大雪量系數(shù)由大到小依次為1.516(單?5)>1.327(單?3)>1.316(雙?3，近入流口)>1.16(雙?3，近路基)，在緊貼柵欄兩側(cè)各工況下雪量系數(shù)急劇減小至0.6～0.8 區(qū)間，然后柵后雪量呈現(xiàn)出先增多后減少的趨勢，并在路塹邊坡頂部達到最小值。

室外風洞試驗路塹內(nèi)外橫截面平均雪量系數(shù)如圖5(b)所示。從圖5(b)可知：不同防雪柵布置形式下的積雪分布變化規(guī)律與室內(nèi)風洞試驗相同，但柵前最大雪量系數(shù)由大到小依次為1.827(單?5)>1.678(單?3)>1.527(雙?3，近入流口)>1.347(雙?3，近路基)，而在緊貼柵欄兩側(cè)各工況下雪量系數(shù)減小至0.4～0.6 區(qū)間。柵前和柵后的雪量變化范圍遠比室內(nèi)風洞試驗的大，柵欄對積雪重分布表現(xiàn)出更為明顯的作用。

圖5 不同柵欄防護形式下雪量系數(shù)Fig.5 Snow amount coefficient at different forms of snow fences

上述試驗結(jié)果中單?3的柵前雪量均比雙?3(近入流口)的大，這可能是由于風洞試驗時雙排柵欄間的距離相對計算域是不可忽略的，且雪量有限，所以單?3的沉積雪量較雙?3(近入流口)的沉積雪量有所增加。

由于室外風洞試驗皮托管測量架的移動距離限制，僅在室內(nèi)風洞試驗中對多點位流場進行測量。圖6所示為不同防雪柵布置形式下防雪柵兩側(cè)沿豎直方向的風速分布。由圖6可以看出：柵前流速分布在3 m高范圍內(nèi)幾乎一致，可見不同布置形式的柵欄對柵前流場的影響程度幾乎是相同的，單?5在緊貼柵前處的流速劇烈衰減區(qū)域同樣在3 m以下，3 m高度以上防雪柵對流場的影響并未與其他工況表現(xiàn)出較大差異，區(qū)別僅在于單?5 防雪柵對柵前5 m處的流速減弱作用略比其他工況的大。

圖6 不同防雪柵布置形式下防雪柵兩側(cè)流場分布Fig.6 Distribution of flow field on both sides of snow fences under different forms

在柵后，單?5 防雪柵明顯增加了流速減弱范圍，但對柵后流場的影響范圍并沒有隨著柵欄高度增加而完全增加。單?5 防雪柵柵后緊貼柵欄處流速從約4 m高處即開始明顯恢復，而高度為3 m的柵欄其恢復高度基本在柵頂以上，這說明隨著防雪柵高度增加，柵后的流場減弱區(qū)域范圍是有限的，并不能隨著防雪柵高度增加而增加，多排布置形式的柵欄則直接增加了計算域內(nèi)的流場減弱范圍，并且各排柵欄兩側(cè)流場分布幾乎一致，說明該減速沉積范圍與柵欄排數(shù)呈倍數(shù)關系。

圖5中，雙?3防雪柵的兩排柵欄順風向表現(xiàn)出沉積雪量逐漸減小的趨勢，這可能是由于試驗中雪量有限，多排柵欄并未能充分發(fā)揮積雪沉積的作用。而在實際環(huán)境中計算域是足夠大的，且在來流雪量充足的情況下，可以認為單?3和雙?3(第一排)的沉積雪量是相同的，并且各排柵欄所致的沉積雪量也是一致的。

圖7所示為不同防雪柵布置形式下路塹內(nèi)距離地面1 m高度處風速分布。由圖7可以看出：在路基內(nèi)除了路塹邊坡外，整體流速基本低于0.5 m/s，風速由大到小總體分布為路基頂面、迎風側(cè)積雪平臺，背風側(cè)積雪平臺，流速最慢的背風側(cè)積雪平臺成為路塹內(nèi)積雪沉積量最大的地方。如果風吹雪區(qū)域路塹中不設置積雪平臺的話，由路塹外吹來的雪粒將會直接堆積于路基頂面上。

圖7 不同防雪柵布置形式下路塹內(nèi)風速分布Fig.7 Wind speed distribution in cutting under different forms

在單?5 防雪柵布置形式下，路塹邊坡頂部流速較其他柵欄布置形式下的流速降低了約0.5 m/s，流速的降低抑制了邊坡頂部的侵蝕作用，減少了路塹邊緣被加速吹向路塹內(nèi)的雪粒；路塹內(nèi)其余區(qū)域流速分布基本保持一致，并未隨路塹外防雪柵布置的形式出現(xiàn)明顯變化，即不同防雪柵布置形式下所導致的積雪分布不同，主要是由于防雪柵影響了路塹外的流場分布，使雪粒較多地沉積在路塹外，減少到達路塹內(nèi)的雪量。

2.2 不同來流風速

作為風吹雪的動力來源，風場是影響積雪分布的重要因素之一。選定單?3 防雪柵并改變風洞出流口風速。室內(nèi)風洞試驗路塹內(nèi)外橫截面平均雪量系數(shù)如圖8(a)所示。從圖8(a)可知：5.5 m/s風速下柵欄作用范圍內(nèi)最大和最小雪量系數(shù)分別為1.15和0.60，路塹外平均雪量0.73，柵欄上風側(cè)積雪堆積范圍約5m；當風速增加至11.5 m/s 時，柵欄作用范圍內(nèi)最大和最小雪量系數(shù)分別為1.65 和0.49，路塹外平均雪量系數(shù)0.45，柵欄上風側(cè)積雪堆積范圍增加至約35 m。室外風洞試驗路塹內(nèi)外橫截面平均雪量系數(shù)如圖8(b)所示。從圖8(b)可知：防雪柵兩側(cè)的積雪分布變化趨勢與室內(nèi)試驗相同。當來流風速為5.5 m/s 時，路塹外的平均雪量系數(shù)較來流速度為7.5 m/s 和9.5 m/s 時分別增加了18.54%和27.73%，而在路塹內(nèi)則相應地減小了9.53%和19.33%。

圖8 不同來流風速下的雪量分析Fig.8 Snow amount coefficient at different inflow velocities

圖9所示為室內(nèi)風洞試驗中，不同來流風速下防雪柵兩側(cè)沿豎直方向的風速分布。從圖9可以看出：在柵欄上風側(cè)，隨著來流風速增大，在遠離柵欄區(qū)域的風速也相應增大，更多更遠的雪粒在流場的裹挾下開始運動，緊貼柵欄兩側(cè)的風速幾乎都衰減為0，因此，雪粒在此減速并堆積。在柵后隨著距離增加防雪柵影響逐漸減弱，由柵后5 m處的風速對比可以看出，來流風速越大，柵后速度也較快恢復至雪粒的起動速度，使得更多的雪粒被吹向路塹內(nèi)。

圖9 不同來流風速下柵欄兩側(cè)流場分布Fig.9 Distribution of flow field on both sides of snow fences under different inflow velocities

圖10所示為不同來流風速下路塹內(nèi)距離地面1m高度處風速分布。從圖10可知：來流風速明顯影響路塹內(nèi)流場的分布，當來流風速為5.5 m/s時，路塹迎風側(cè)坡頂風速為1.9 m/s；當來流風速為11.5 m/s 時，路塹迎風側(cè)坡頂風速增大至4.9 m/s，路塹邊坡的侵蝕作用明顯加強，大量路塹外的雪粒被吹向路塹內(nèi)。同時在路塹內(nèi)，相對于來流風速為5.5 m/s時，來流風速為11.5 m/s時的路基頂面風速幾乎增大了一倍，但由于路塹內(nèi)流速本身衰減較為劇烈，即使在來流風速為11.5 m/s時，路基頂面的風速也并未超過1 m/s，因此，增大來流風速造成路塹外更多的雪粒被吹向路塹內(nèi)，而路塹內(nèi)雖然風速增長率很大，但由于風速較低，依舊造成了大量雪粒在此沉積。

圖10 不同來流風速下路塹內(nèi)風速分布Fig.10 Wind speed distribution in cutting at different inflow velocities

3 討論

3.1 鐵路風雪場分布特征

無論是柵欄還是路基，均是各結(jié)構(gòu)處流場的變化導致積雪分布的不同，對相同工況下的路基與柵欄模型進行建模得到全區(qū)域的流場分布圖，其中模型參數(shù)和計算參數(shù)設置與文獻[19]中的相同。

3.1.1 路基內(nèi)

圖11所示為來流風速為7.5 m/s 時，有無柵欄作用時的路基內(nèi)與軌道結(jié)構(gòu)處的流場矢量對比圖，其中柵欄布置形式為單?3。由圖11可以看出：路塹邊坡頂部區(qū)域由于受到流場分離作用出現(xiàn)明顯的加速，在路基內(nèi)整體流速基本低于1 m/s的情況下，路塹邊坡頂部的流速達到了2.5 m/s，因此，路基邊緣的雪會被吹向路塹內(nèi)，無柵欄時該侵蝕范圍約為20 m。當防雪柵存在時，可以看出路塹邊坡頂部的侵蝕作用明顯受到了抑制，因此吹向路塹內(nèi)的雪粒減少。而由于路基內(nèi)流速整體處于較小的范圍，防雪柵的存在對積雪平臺以及軌道結(jié)構(gòu)處的流場特征并未表現(xiàn)出較明顯的影響。

圖11 路基內(nèi)流場矢量圖Fig.11 Vector of flow field in cutting

3.1.2 路基外

沒有防雪柵時路基外風速由地面向上基本保持均勻的對數(shù)率分布。圖12所示為單?3柵欄作用下，來流風速7.5 m/s 時柵欄兩側(cè)流場的矢量分布圖。由圖12可以看出：防雪柵存在時可以將柵兩側(cè)的流場變化分為柵前流速減弱區(qū)、柵頂流場分離區(qū)和柵后流速減弱區(qū)這3個區(qū)域。其中柵前流速減弱是由于柵欄實體部分直接的阻擋作用，而受到柵欄孔隙加速作用的流場和柵后原有的低風速流場相遇產(chǎn)生旋渦，旋渦的存在明顯減弱風速，雪粒在柵前和柵后的風速減弱區(qū)難以維持自身的運動，于是便產(chǎn)生沉積現(xiàn)象。試驗中，在相同的初始雪量下，路塹外柵欄所致的沉積雪量越多，路塹內(nèi)的雪量越少。

圖12 柵欄兩側(cè)流場矢量圖Fig.12 Vector of flow field on both sides of snow fence

3.2 對風雪場分布的影響

3.2.1 防雪柵布置形式

圖13所示為數(shù)值模擬得到的不同防雪柵布置形式下的計算模型中心截面的流場云圖。由圖13可以看出：柵前積雪沉積距離并未隨防雪柵布置形式的不同而明顯改變，而不同布置形式的柵欄則顯著影響柵后風速減弱區(qū)的范圍，柵欄高3 m時該區(qū)域長度約為30 m，柵欄高5 m時該距離增加至約為60 m，可以看出柵后積雪沉積區(qū)范圍至少大于柵欄高度的10 倍，這也是高度較大的防雪柵與路基設置距離較遠的原因。在高防雪柵作用下，與防雪柵距離較近的路基會處于柵后弱風區(qū)，造成路基內(nèi)積雪反而增多；防雪柵排數(shù)增加直接擴大了區(qū)域內(nèi)的弱風區(qū)范圍，柵欄兩側(cè)的風速減弱范圍與強度也基本保持一致。

圖13 不同防雪柵布置形式下流速等高線圖Fig.13 Contour of wind speed at different forms of snow fences

3.2.2 來流風速

圖14所示為不同來流風速下計算模型中心截面的流場云圖。由圖14可以看出：來流風速顯著改變路塹外的流場特性，而對流場內(nèi)的流速影響則相對較小，當風速從5.5 m/s 增加至11.5 m/s 時，路基內(nèi)近地面處的流速也基本處在0～1 m/s的流速區(qū)間，這與上述風洞試驗中不同來流風速下路基內(nèi)流場的測量結(jié)果也是一致的。

圖14 不同來流風速下流速等高線圖Fig.14 Contour of wind speed under different inflow velocities

在路基外，來流風速增加直接增大全區(qū)域內(nèi)的流速，當來流風速為5.5 m/s 時，區(qū)域內(nèi)最大風速為5.9 m/s，而當來流風速為11.5 m/s時，區(qū)域內(nèi)最大風速達到13.7 m/s，風速自地面向上顯著增加。由于雪粒自身的閾值風速(起動速度)不變，增加風速會增加雪粒表面受到的流場剪切力，增大雪粒表面的摩擦速度(如式(1)所示)，使更多的雪粒進入運動狀態(tài)，因此，風吹雪平衡狀態(tài)下的雪深減小。大風作用下更多的雪粒被裹挾進入風吹雪運動，而路塹內(nèi)風速較低，故風速越大，就會有越多的雪粒被吹進路塹內(nèi)進而沉積。

3.3 實例驗證

新建阿富準鐵路位于新疆維吾爾自治區(qū)阿勒泰地區(qū)境內(nèi)，線路地處阿爾泰山南麓，沿線區(qū)域氣候干燥。降雪期年均為5個月，最大積雪平均厚度達940 mm；年平均風速為1.95 m/s，最大瞬時風速為22.1 m/s，最大定時風速為19.5 m/s，年平均八級以上大風日數(shù)為19.8 d。根據(jù)前期現(xiàn)場調(diào)研選取阿富段DK145+500～DK146+600 段作為試驗段，該段內(nèi)風蝕作用強烈，坡面及地表低洼處局部可見有明顯吹蝕槽痕。阿富準鐵路試驗段區(qū)域如圖15所示。

圖15 阿富準鐵路風吹雪研究試驗段區(qū)域示意圖Fig.15 Schematic of snow-drifting test section of Altay—Fuyun railway line

在試驗段中布置3種不同布置形式的柵欄，如圖16所示。柵欄高度和孔隙率與上述室內(nèi)和室外風洞試驗的“單?3，雙?3，單?5”的柵欄原型中相同，主要區(qū)別為試驗段中柵欄采用菱形孔透風防雪柵欄，柵欄布置距離與試驗工況中的相同。

圖16 現(xiàn)場試驗段不同布置形式柵欄Fig.16 Different forms of snow fence in field test section

在2018年12月一次降雪后對試驗段進行雪深測量，采用精度為1 mm的量雪尺進行測量，測量范圍順主風向從路塹上風側(cè)120 m 至下風側(cè)50 m，沿線路方向長度為500 m。以初始雪量為標準將實測雪深歸一化后得到圖17。為減小地形影響，忽略實際雪深測量中劇烈突變及明顯不連續(xù)的雪深數(shù)據(jù)。由圖17可知：柵欄上風側(cè)的積雪沉積范圍為15～20 m，柵后積雪同樣增加，在路塹邊坡頂部邊緣處出現(xiàn)強烈的侵蝕作用。以路塹外120 m到路基邊坡頂部之間的距離計算路塹外柵欄作用范圍內(nèi)的平均雪量，室內(nèi)風洞中單?3、單?5和雙?3這3種工況下路塹外雪量較無防雪柵的雪量(0.771)分別增加14.52%，23.60%和19.70%，室外風洞中3種工況路塹外雪量較無防雪柵工況分別增加12.9%，18.5%和15.9%，而在現(xiàn)場試驗段中該測量值分別為12.13%，16.69%和14.85%。可以看出風洞實驗中的柵欄起到了更為明顯的作用。這可能是由于現(xiàn)場實測中來流風速風向多變，試驗段現(xiàn)場自建氣象站監(jiān)測到該區(qū)域平均風速小于6 m/s，且現(xiàn)場風向并不總是垂直于柵欄，而風洞試驗則是保持恒定的來流風速和流向垂直于柵欄與路基的狀態(tài)。這也說明了風速越小，防雪柵對積雪重分布的能力越弱，積雪分布越趨近于自然狀態(tài)下的積雪分布。

圖17 現(xiàn)場試驗段雪深系數(shù)Fig.17 Snow amount coefficient of field test section

4 結(jié)論

1)防雪柵主要影響路塹外的風雪場分布，并減少吹向路塹內(nèi)的雪粒。在路基邊緣存在約20 m長的劇烈侵蝕區(qū)域使雪粒吹向路塹內(nèi)，防雪柵的存在會抑制該侵蝕作用；路塹內(nèi)背風側(cè)積雪平臺流速最慢，雪量最大，在風吹雪區(qū)域路塹中有必要設置積雪平臺。

2)防雪柵與路基間的距離應該大于柵欄高度10 倍以上，而隨著防雪柵高度增加，其對風雪場的影響作用是趨于有限的；在試驗中，多排防雪柵順風向下各排柵欄作用效果遞減，而在實際環(huán)境中雪源充足的情況下，各排相同形式的柵欄所起的作用基本一致。

3)增大來流風速會減小風雪平衡狀態(tài)下的自然雪深，并且柵欄兩側(cè)和路塹內(nèi)會越快地產(chǎn)生積雪；由于路塹內(nèi)本身劇烈的風速衰減，六級強風下路塹內(nèi)積雪平臺也難以達到雪粒的起動風速，造成路塹外吹來的雪粒沉積于此。