程建軍，智凌巖，薛春曉，蔣富強

(1.石河子大學(xué) 水利建筑工程學(xué)院，新疆 石河子　832003；2.中鐵西北科學(xué)研究院有限公司，甘肅 蘭州　730000)

我國是世界上鐵路通過風(fēng)沙地帶里程最長的國家，有多條線路處于風(fēng)沙地帶，發(fā)生風(fēng)沙災(zāi)害較為頻繁，因此研究鐵路沿線的風(fēng)沙治理十分必要。目前鐵路沿線風(fēng)沙災(zāi)害防治大體可分為植物治沙和工程治沙兩大類。其中的工程治沙從作用原理和功能一般分為固沙措施、阻沙措施和輸沙措施3種[1-2]。近年來學(xué)者們對阻沙、固沙措施已進行了全面的研究，景文宏等人[3]對枕軌式擋墻進行了全面研究，分析了其在風(fēng)沙流中的流場特性和積沙特征。朱文智等人[4]對土堤式擋風(fēng)墻加高擋板在風(fēng)沙流中的穩(wěn)定性進行了研究，確定了1種安全埋深計算方式。辛國偉等人[5]研究了鐵路沿線掛板式沙障開孔與風(fēng)沙流場的互饋影響。

阻沙固沙工程措施布置在鐵路沿線距離路基一定范圍之外，風(fēng)沙測試研究不影響通車，實施方便，因此研究較為成熟。而輸沙措施針對線路路基范圍，測試?yán)щy且影響列車通行，因此對輸沙工程措施的研究一直處于停滯狀態(tài)。近年來快速發(fā)展的數(shù)值計算方法使得針對該問題的研究出現(xiàn)新的進展。下導(dǎo)風(fēng)板(又稱聚風(fēng)板)是一種典型的輸沙工程措施。本文應(yīng)用CFD(Computational Fluid Dynamics)對下導(dǎo)風(fēng)板的風(fēng)沙流場特性和輸沙性能進行模擬研究。

1　下導(dǎo)風(fēng)板構(gòu)造及參數(shù)

根據(jù)原理不同，導(dǎo)風(fēng)板可分為下導(dǎo)風(fēng)板和側(cè)導(dǎo)風(fēng)板。本文以下導(dǎo)風(fēng)板為研究對象。

1.1　下導(dǎo)風(fēng)板構(gòu)造

下導(dǎo)風(fēng)板是借助于風(fēng)的動力作用，使風(fēng)沙流通過導(dǎo)風(fēng)板下口時，風(fēng)道斷面減小，速度增大，從而將積沙從線路上吹走，清除線路上的積沙。下導(dǎo)風(fēng)板的實際應(yīng)用如圖1所示。

圖1　前傾式下導(dǎo)風(fēng)板的工程應(yīng)用

下導(dǎo)風(fēng)板的形式按導(dǎo)風(fēng)板迎風(fēng)面與水平面的夾角不同可分為前傾式、后傾式和直立式3種。前傾式的導(dǎo)風(fēng)板迎風(fēng)面與水平面的夾角小于90°；后傾式的夾角大于90°，直立式的夾角為90°。本文對比研究前傾式下導(dǎo)風(fēng)板和直立式下導(dǎo)風(fēng)板。

前傾式下導(dǎo)風(fēng)板的構(gòu)造如圖2所示，直立式下導(dǎo)風(fēng)板的構(gòu)造圖如圖3所示。

圖2　前傾式下導(dǎo)風(fēng)板構(gòu)造圖

圖3　直立式下導(dǎo)風(fēng)板構(gòu)造圖

1.2　下導(dǎo)風(fēng)板參數(shù)確定

下導(dǎo)風(fēng)板的吹刮寬度D是指要防護的線路不產(chǎn)生積沙的寬度。吹刮寬度一般根據(jù)要求而定，也常把線路路基寬度定為吹刮寬度。吹刮寬度和板長及板與水平面的傾角有一定的關(guān)系。

吹刮寬度可由導(dǎo)風(fēng)板的長度和下口高度確定，計算式如下[6]。

D=CLsin(α-11°)sinγcosβ

(1)

式中：C為與下導(dǎo)風(fēng)板規(guī)格類型參數(shù)k及風(fēng)速、吹沙量有關(guān)的系數(shù)；α為迎風(fēng)面板的水平傾角；γ為主導(dǎo)風(fēng)向和鐵路線路中線間的夾角；β為從鐵路線路起的山坡平均坡度角；11°為風(fēng)的擴散角；L為導(dǎo)風(fēng)板的長度。

考慮到各地風(fēng)速和吹沙量的不同，為可靠起見，應(yīng)將下導(dǎo)風(fēng)板的長度加大20%～25%計算。

下導(dǎo)風(fēng)板規(guī)格類型參數(shù)k的計算式為

(2)

2　數(shù)值計算模型及計算參數(shù)

2.1　模型網(wǎng)格

采用AutoCAD建立下導(dǎo)風(fēng)板及鐵路線路的三維模型，如圖4和圖5所示。計算域為長200 m、寬30 m、高60 m的矩形區(qū)域，下導(dǎo)風(fēng)板模型放置在距入口80 m處，如圖6所示。

圖4　前傾式下導(dǎo)風(fēng)板三維模型示意圖

圖5　直立式下導(dǎo)風(fēng)板三維模型示意圖

圖6　計算域模型示意圖

網(wǎng)格采用Tetrahedrons法，在模型底面采用Inflation加密，指定First Layer Height為Y+，加密網(wǎng)格層數(shù)為30，增長比率為1.2。網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖7所示。

2.2　計算參數(shù)

模擬工況為風(fēng)攜沙，設(shè)定入口邊界條件為速度入口(Velocity-Inlet)，入口設(shè)定沙的體積份數(shù)為0.35；出口邊界條件為壓力出口(Pressure-outlet)；計算域上邊界也設(shè)定為壓力出口(Pressure-outlet)，其壓差為0 Pa；下邊界條件為Wall，下邊界的粗糙度為2 mm；因計算模型僅選取了有限組導(dǎo)風(fēng)板，故為保證計算的準(zhǔn)確性，計算域左右邊界設(shè)定為對稱面(Symmetry)。

圖7　網(wǎng)格劃分結(jié)果

計算模型采用歐拉雙流體模型[7]并附加標(biāo)準(zhǔn)湍流模型，湍流強度I=0.05，湍流半徑R=1 m，并選取Syamlal-O’Brien曳力模型。方程組求解計算方法采用SIMPLEC算法。

3　數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1　不同類型下導(dǎo)風(fēng)板流場

在不同來流速度作用下，不同類型下導(dǎo)風(fēng)板周圍流場形態(tài)大致相似。流場分為降速區(qū)、作用區(qū)、渦流區(qū)、增速區(qū)和減速區(qū)，如圖8所示。

圖8　前傾式下導(dǎo)風(fēng)板流場特征(單位：m·s-1)

因?qū)эL(fēng)板下部開口，來流經(jīng)過下導(dǎo)風(fēng)板時，從開口部位經(jīng)過的來流風(fēng)速會明顯增加。定義此速度增大區(qū)域為作用區(qū)。其作用是使線路路面范圍的風(fēng)速增大，帶走線路路面上的積沙，進而使線路路面上無積沙，即作用區(qū)的風(fēng)速越大，其輸沙的效果越好。

評價不同類型下導(dǎo)風(fēng)板的輸沙功效，主要是對比分析其作用區(qū)的作用能力。因線路積沙僅在近地面處，故選取線路上1.5 m高度范圍內(nèi)作用區(qū)為研究對象，對比相同來流風(fēng)速下不同類型導(dǎo)風(fēng)板下線路上相同位置高度處的輸沙效果。圖9為不同來流風(fēng)速下2種下導(dǎo)風(fēng)板作用區(qū)風(fēng)速隨高度的變化曲線。

圖9不同來流風(fēng)速下2種下導(dǎo)風(fēng)板作用區(qū)風(fēng)速隨高度變化曲線

由圖9可知：不同來流風(fēng)速條件下，2種導(dǎo)風(fēng)板作用區(qū)風(fēng)速隨高度變化的趨勢相似。前傾式下導(dǎo)風(fēng)板作用區(qū)的風(fēng)速隨高度先近似線性增大，僅在高度0.75 m處發(fā)生“錯位”，在1 m高度處達到最大值，之后風(fēng)速近似線性降低，在1.75 m處有小段曲線。而直立式下導(dǎo)風(fēng)板作用區(qū)的風(fēng)速隨高度先線性增大，在1.35 m高度處達到最大值，之后風(fēng)速下降。

對比同一來流風(fēng)速下2種下導(dǎo)風(fēng)板作用區(qū)風(fēng)速的變化曲線可知，前傾式下導(dǎo)風(fēng)板作用區(qū)風(fēng)速大于相同高度處直立式下導(dǎo)風(fēng)板作用區(qū)風(fēng)速，并且隨高度增加，前傾式下導(dǎo)風(fēng)板作用區(qū)風(fēng)速增長較快，明顯大于直立式下導(dǎo)風(fēng)板作用區(qū)風(fēng)速。前傾式下導(dǎo)風(fēng)板作用區(qū)風(fēng)速隨高度的增加而較快達到最大值，并且該最大值明顯大于直立式下導(dǎo)風(fēng)板作用區(qū)風(fēng)速最大值。

出現(xiàn)以上現(xiàn)象是因為線路和兩側(cè)導(dǎo)風(fēng)板結(jié)構(gòu)相對固定，僅來流風(fēng)速的改變并不影響導(dǎo)風(fēng)板周圍的流場特征和風(fēng)速變化，所以不同來流風(fēng)速下各導(dǎo)風(fēng)板作用區(qū)的風(fēng)速沿高度方向的變化曲線一致。

由于前傾式下導(dǎo)風(fēng)板向下傾斜更利于集聚氣流，使氣流經(jīng)過導(dǎo)風(fēng)板時聚集壓縮加速；而直立式下導(dǎo)風(fēng)板對氣流沒有聚集作用，對作用區(qū)風(fēng)速的加速作用僅是因?qū)эL(fēng)板的阻礙作用所致。故前傾式下導(dǎo)風(fēng)板的聚集作用使作用區(qū)的風(fēng)速及風(fēng)速最大值均明顯大于直立式下導(dǎo)風(fēng)板作用區(qū)的風(fēng)速和風(fēng)速最大值，并且其風(fēng)速沿高度增長迅速，能在較低位置處達到最大值，更有利于利用風(fēng)力除去鐵路路面上的積沙。

3.2　不同類型下導(dǎo)風(fēng)板輸沙效果

圖10和圖11分別給出了設(shè)置2種類型下導(dǎo)風(fēng)板時不同風(fēng)速下鐵路線路路面的積沙情況。

由圖10和圖11可知：下導(dǎo)風(fēng)板的輸沙功效僅在來流達到一定風(fēng)速時能發(fā)揮效果，隨風(fēng)速的增大，其輸沙功效越好；前傾式下導(dǎo)風(fēng)板在風(fēng)速較小時僅有較弱的輸沙能力，線路路面上會有一定量的積沙，隨風(fēng)速增大其輸沙能力增強，當(dāng)風(fēng)速大于12 m·s-1時，線路路面上的積沙很少，說明此時導(dǎo)風(fēng)板的輸沙能力發(fā)揮了較好的效果；直立式下導(dǎo)風(fēng)板在風(fēng)速較小時沒有發(fā)揮輸沙功效，線路路面上有大量的積沙，會影響列車的安全運行；隨風(fēng)速增大線路路面積沙有所減少，說明直立式下導(dǎo)風(fēng)板的輸沙功效開始發(fā)揮功效，當(dāng)風(fēng)速大于15 m·s-1時其輸沙能力才能發(fā)揮較好的效果。

對比圖10和圖11可知：風(fēng)速較小時，在設(shè)置前傾式下導(dǎo)風(fēng)板時線路路面有一定量積沙，而在設(shè)置直立式下導(dǎo)風(fēng)時線路路面有大量的積沙，說明風(fēng)速較小時前傾式下導(dǎo)風(fēng)板有較小的輸沙能力，而直立式下導(dǎo)風(fēng)板不但無輸沙能力反而會使沙聚集在線路上；隨風(fēng)速的增大，前傾式下導(dǎo)風(fēng)板和直立式下導(dǎo)風(fēng)板的輸沙能力都逐步增強，但前傾式下導(dǎo)風(fēng)板的輸沙能力增長較為迅速，更能較快發(fā)揮較好的輸沙效果，而直立式下導(dǎo)風(fēng)板要發(fā)揮較好的輸沙效果需要較大的風(fēng)速。

圖10不同來流風(fēng)速時設(shè)置前傾式下導(dǎo)風(fēng)板條件下鐵路積沙云圖(單位：沙所占的體積分?jǐn)?shù))

圖11不同來流風(fēng)速時設(shè)置直立式下導(dǎo)風(fēng)板條件下鐵路積沙云圖(單位：沙所占的體積分?jǐn)?shù))

產(chǎn)生以上現(xiàn)象的原因是：風(fēng)速較小時，作用區(qū)雖然對來流有一定的加速效果，但由于線路路面高度較低位置的風(fēng)速仍然很小，來流很難使沙粒獲得足夠的速度能量越過線路[8]；直立式下導(dǎo)風(fēng)板作用區(qū)的風(fēng)速明顯小于前傾式下導(dǎo)風(fēng)板作用區(qū)的風(fēng)速，所以來流速度較小時直立式下導(dǎo)風(fēng)板更易使線路產(chǎn)生大量積沙。

4　現(xiàn)場試驗及結(jié)果分析

青藏線希格段伏沙梁地區(qū)為南北走向，線路長8.3 km(K712+000—K720+300)，以低路堤通過，每年風(fēng)季(3—7月)線路遭到沙埋。由于地處查爾汗鹽湖邊緣，地下水礦化度高，無天然植被，植物固沙無法進行，所以不得不定期人工清沙。

為解決鐵道線路沙埋問題，參考國內(nèi)外治沙經(jīng)驗[9-22]，在青藏線K715+900—K716+000范圍內(nèi)平行線路布置了下導(dǎo)風(fēng)板輸沙設(shè)施，如圖12所示，其中下導(dǎo)風(fēng)板的下開口高度根據(jù)試驗要求可上下移動0.3 m。

圖12　下導(dǎo)風(fēng)板輸沙工程措施布置斷面圖

4.1　風(fēng)速

圖13給出了設(shè)置下導(dǎo)風(fēng)板后線路附近風(fēng)速增減百分率等值線圖。

由圖13可知：線路上方強風(fēng)區(qū)的風(fēng)速明顯增大，弱風(fēng)區(qū)的風(fēng)速明顯降低，與前傾式下導(dǎo)風(fēng)板的數(shù)值模擬結(jié)果基本一致，說明了數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性。試驗線路上方的強風(fēng)區(qū)即為數(shù)值模擬結(jié)果中的作用區(qū)，而弱風(fēng)區(qū)即為數(shù)值模擬結(jié)果中的渦流區(qū)。

由試驗數(shù)據(jù)可知：

(1)1987年6月27日刮西北風(fēng)時，風(fēng)速小于該地區(qū)最大風(fēng)速，設(shè)置下導(dǎo)風(fēng)板后強風(fēng)區(qū)分布在道心，其風(fēng)速在道心增大128%，在右側(cè)鋼軌至下導(dǎo)風(fēng)板間達132%，在迎風(fēng)側(cè)為60%～70%，在左側(cè)坡腳外為40%～50%。

(2)1988年6月11日刮西北偏西風(fēng)時，風(fēng)速為該地區(qū)最大風(fēng)速，設(shè)置下導(dǎo)風(fēng)板后強風(fēng)區(qū)也分布在道心，其風(fēng)速在道心增大140%。

圖13　設(shè)置下導(dǎo)風(fēng)板后線路附近風(fēng)速增減百分率等值線圖(單位：%)

可見，設(shè)置前傾式下導(dǎo)風(fēng)板會在線路上形成較大的強風(fēng)區(qū)(作用區(qū))，該區(qū)域風(fēng)速會有明顯的加速效果。

4.2　積沙

設(shè)置前傾式下導(dǎo)風(fēng)板1年(1986年9月—1987年8月，全年平均風(fēng)速小于往年平均風(fēng)速)后，道心積沙厚5～10 cm，但軌底無積沙，其年積沙量為0.78 m3·m-1；在左側(cè)下導(dǎo)風(fēng)板的下風(fēng)側(cè)，順風(fēng)向從路肩開始出現(xiàn)積沙，寬度約8～14 m，厚度約5～15 cm，其年積沙量為1.0 m3·m-1；在右側(cè)下導(dǎo)風(fēng)板的迎風(fēng)側(cè)；逆風(fēng)向從路肩開始出現(xiàn)積沙，寬度約10～20 m，厚度約20～25 cm，其年積沙量為0.5 m3·m-1。1987年8月清除原有道心積沙后又經(jīng)過1年(1987年9月—1988年10月，全年平均風(fēng)速與往年平均風(fēng)速持平)，道心積沙厚0～5 cm，其年積沙量為0.35 m3·m-1；左側(cè)下導(dǎo)風(fēng)板下風(fēng)側(cè)的積沙厚16 cm，寬8 m，其年積沙量為0.64 m3·m-1，右側(cè)下導(dǎo)風(fēng)板迎風(fēng)側(cè)的積沙寬6 m，厚8 cm，其年積沙量為0.28 m3·m-1。

布設(shè)下導(dǎo)風(fēng)板前后各部位年積沙量對比如圖14所示。

圖14　布設(shè)下導(dǎo)風(fēng)板前后年積沙量對比圖

4.3　綜合分析

布設(shè)下導(dǎo)風(fēng)板后強風(fēng)區(qū)分布在道心，由于下導(dǎo)風(fēng)板的聚集氣流作用，在線路道心處風(fēng)速被提高28%～40%，且隨全年平均風(fēng)速的增大而增大。布設(shè)下導(dǎo)風(fēng)板后，道心處的年積沙量為0.035 m3·m-1，線路下風(fēng)側(cè)和迎風(fēng)側(cè)的年積沙量分別為0.28和0.64 m3·m-1；未布設(shè)下導(dǎo)風(fēng)板時，道心處的積沙量為0.078 m3·m-1，線路下風(fēng)側(cè)和迎風(fēng)側(cè)的年積沙量分別為0.5和1.0 m3·m-1，減小明顯，風(fēng)速越大，下導(dǎo)風(fēng)板的輸沙效果越顯著。

5　結(jié)　論

(1)不同類型下導(dǎo)風(fēng)板的流場分區(qū)大致相似，分為降速區(qū)、作用區(qū)、渦流區(qū)、增速區(qū)和減速區(qū)。前傾式下導(dǎo)風(fēng)板作用區(qū)的風(fēng)速明顯大于直立式下導(dǎo)風(fēng)板作用區(qū)的風(fēng)速，并且其作用區(qū)風(fēng)速最大值的位置高度(距路面1 m)明顯低于直立式下導(dǎo)風(fēng)板作用區(qū)風(fēng)速最大值的位置高度(距路面1.35 m)。

(2)不同類型下導(dǎo)風(fēng)板均需風(fēng)速達到一定速度時才能發(fā)揮其輸沙效果。風(fēng)速較小時反而更容易使線路上產(chǎn)生積沙。前傾式下導(dǎo)風(fēng)板達到較好輸沙效果所需的風(fēng)速(大于12 m·s-1)小于直立式下導(dǎo)風(fēng)板達到較好輸沙效果所需的風(fēng)速(15 m·s-1)，相同風(fēng)速下前傾式下導(dǎo)風(fēng)板的輸沙效果優(yōu)于直立式下導(dǎo)風(fēng)板的輸沙效果。

(3)由前傾式下導(dǎo)風(fēng)板現(xiàn)場的觀測數(shù)據(jù)結(jié)果可知，風(fēng)速越大對其作用區(qū)風(fēng)速的加速效果越明顯；隨風(fēng)速增大，道心、線路下風(fēng)側(cè)和迎風(fēng)側(cè)的年積沙都有所減少，并且道心的年積沙量減少最為明顯，說明風(fēng)速越大其輸沙效果越顯著。

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