阿聯酋鐵路路基風沙防治措施數值分析及設計

秦 旗

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司，西安 710043)

阿聯酋鐵路路基風沙防治措施數值分析及設計

秦 旗

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司，西安 710043)

結合阿聯酋聯合鐵路工程背景，采用CFD技術對風沙防治措施進行模擬分析，并根據計算結果進行風沙防治措施設計，使設計更趨于合理化?；诎⒙撉躏L沙實際情況，分別利用GAMBIT軟件和ANSYS軟件建立路基整體風洞模型和阻沙柵欄二維模型，并用FLUENT軟件進行求解，根據對比分析選取適宜的路基邊坡坡率、地表覆蓋物粒徑、阻沙柵欄疏透率等設計參數，進行風沙防治措施設計。結論：(1)風沙路基應采用放緩路基邊坡坡率的措施，路堤邊坡坡率以1∶2～1∶5為宜；(2)路基兩側應平鋪礫石土覆蓋于沙地表面，粒徑不宜小于5 cm；(3)阻沙柵欄高度宜采用1.5m，按疏透度0.4采取適宜的布置形式。

阿聯酋鐵路；風沙防治；CFD；數值模擬

目前我國沙漠地區鐵路運營總長度已超過5 000 km，對于促進荒漠地區經濟的發展起到了重要的作用。從最早包蘭鐵路開創我國沙漠鐵路建設的先例開始，50多年來我國鐵路建設者及相關科研人員在風沙運動規律及鐵路風沙綜合防治等方面開展了大量研究工作。如屈建軍等[1]曾對包蘭鐵路沙坡頭段的風沙規律及其防護體系的相互作用進行過深入的研究，為鐵路防沙設計提供了充足的理論支撐；李肖倫[2]從鐵路選線到路基本體防沙、路基兩側防沙及保護天然植被幾個方面對我國鐵路沙害的防治進行了系統的總結，并對今后鐵路沙害防治提出建議與對策；錢征宇[3]也曾對鐵路沙害的形成、危害及其主要影響因素進行了系統分析，并對鐵路沙害防治的基本原則、防治原理和應用條件進行了分析探討。可以說在風沙形成、風沙運動規律、鐵路防風沙設計要點等方面我國已取得了一些有效的經驗，掌握了工程阻沙、植物固沙、化學固沙以及綜合治沙的技術和方法，總結出了不同地區沙漠鐵路的防風沙模式，能夠有效地指導沙漠鐵路的設計。

但是，目前為止我國大部分關于鐵路風沙防治的科學研究及工程設計都是基于在我國的沙漠條件進行的，我國的科研成果與國外鐵路項目結合的應用實例還相對較少?；诎⒙撉趼摵翔F路“SHAH-HABSH-RUWIS鐵路”項目對國外鐵路的風沙防治措施的設計和相關CFD模擬分析進行詳細探討。

1 阿聯酋地區風沙條件概況

阿聯酋地區降水稀少，蒸發強烈，氣候干燥，溫差較大，地表植被稀疏，除綠洲區及人類改造部分外，幾乎全為風沙覆蓋。風沙地段以新月形沙丘、沙丘鏈、沙壟為主，沙丘由西北向東南呈往復擺動式前進。一般高度在3～20 m，個別可達20～50 m。固定、半固定和流動沙丘均有不同程度的分布，流動沙丘主要分布于微丘區和丘陵區，固定、半固定沙丘僅分布在沙漠的邊緣和一些水流條件較好的溝谷附近。流動沙丘受主導風向及季風影響較大，整體為NW-N向的大型沙壟及NE-E或近E-W向的橫向大型新月形沙丘鏈及鏈間橫向小沙丘，當地最大風速12 m/s。

阿聯酋聯合鐵路由波斯灣南岸沿海平原區至內陸沙漠區，地勢南高北低。大部分線路行進于微丘陵區，地表多為半固定沙丘，分布少量移動沙丘，隨著線路向南行進，逐漸通向空曠的沙漠地區，地形起伏不斷加大，沙害越來越重，由北向南地形起伏越來越大，逐步進入沙漠腹地，地表分布高大的新月形或格狀移動沙丘，沙丘高度達20～50 m。

鐵路主要面臨風蝕和沙埋兩種危害，將嚴重影響線路的正常運行，故阿聯酋鐵路風沙防治將是該鐵路建設的技術關鍵。

2 風沙防治措施數值模擬

在進行風沙防治措施詳細設計之前分別對路基整體風沙流場、地表覆蓋物固沙、阻沙柵欄阻沙進行數值模擬，總結風沙運動規律的同時，得出防風沙措施的相關參數，為后續設計提供參考。

2.1 路基整體風沙流場數值模擬

利用GAMBIT軟件進行流動區域路堤幾何形狀的構建、邊界類型以及網格的生成，此模擬中邊界值按照風洞參數進行設定，區域長300 cm，寬100 cm，高60 cm。選取風速12 m/s并按項目所在區域實際風向，模擬路基與來流風向呈30°、60°、90°三種情況下的風沙流場，獲得路基表面風速分布及其對風蝕量的影響。然后應用FLUENT軟件求解器對流動區域進行求解計算，最后利用TECPLOT軟件對輸出的計算結果進行后處理。模型構架和表面網格劃分情況見圖1。

圖1 路基模型表面網格

求解后得到路基沿XZ平面中央的流場結構圖(圖2)，迎風坡頂端集流加速區出現的高度較高，密集地分布著平行于堤頂的風速等值線，背風側形成的減速沉降區范圍較小。因為梯形頂部存在一段距離，氣流沿坡輻合到迎風坡頂的時候沒有立刻發生輻散分區，而是存在沿頂部爬行的一個過程，待氣流到頂部背風側邊緣時開始發生能量分散，由于能量在頂部爬行過程中的削弱，風速等值線迅速下滑。

圖2 數值模擬路基模型XZ平面截面上的流場

圖3為YZ剖面的流場結構圖，分別取X為路基迎風側、背風側以及路堤典型部位，得出各典型位置流場結構圖。路堤迎風坡腳處出現低速區；到了迎風半坡底層風速繼續減弱，高層風速出現加速區域；到了路基面頂部集流加速最為明顯；背風半坡到背風坡腳，底層風速出現回流現象，湍流發育，路堤背風側的有效防護距離內，底層風速均為低風速區，這種現象隨著路堤邊坡坡率越陡，路堤高度越高，現象越明顯。

圖3 數值模擬路基模型YZ平面截面上的流場

線狀分布的路基與來流氣流方向垂直時，迎風坡的氣流加速作用顯著，在迎風坡路肩處達到最大；當氣流與路基走向的夾角減小時，迎風坡的加速作用和背風坡的回流區強度均有所減弱；夾角減小到30°時，迎風側的氣流沿坡面加速作用不明顯，頂部的風速被削弱，背風坡不產生回流，受風蝕影響的實際面積反而小于水平面，如圖4所示。

圖4 不同風向夾角路基表面us/ur分布

2.2 地表覆蓋物數值模擬

利用流體力學軟件FLUENT軟件對礫石表面的流體過程進行模擬，研究不同礫石高度、直徑、蓋度、密度等礫石床面幾何參數，以及風速、摩阻速度等流體特性對粗糙度的影響，建立礫石表面空氣動力學粗糙度與相關參數的定量關系。從而確定礫石表面幾何參數的最佳形式，為礫石表面的風沙防護功能提供理論依據。

2.3軟產道撕裂傷造成的大出血協助醫生予以修復縫合,如為陰道血腫則先切開血腫,清除血塊,進行縫合,并補充血容量。

圖6 不同蓋度礫石表面風速廓線

首先利用前處理軟件GAMBIT完成對風洞模型的建立，采用結構與非結構混合網格對風洞進行分塊網格劃分，如圖5(a)所示，將風洞劃分為4部分，對礫石所在部分進行網格加密，如圖5(b)所示，網格總數約為150萬。礫石的形狀均用四面體替代，在礫石表面采用Tet/Hybird網格。入口為velocity-inlet邊界條件，速度入口為對數風速廓線，出口為outflow邊界條件，礫石以及風洞都為固壁條件，采用剪切壓力傳輸模型(SST)進行流場的計算，SIMPLEC計算法則進行壓力和速度耦合，二階迎風格式計算氣流運動。

圖5 Gambit網格劃分

應用FLUENT軟件模擬得到的直徑5 cm礫石不同蓋度表面的風速廓線圖，可以看出，由于粗糙元的影響，風速隨高度的對數分布規律在一定高度范圍內(2.5～12.5 cm)滿足，風速廓線在整體高度上不再遵循對數分布。如圖6所示。

通過對不同蓋度礫石表面風洞試驗的模擬，研究流體特性可知，風速、摩阻速度，粗糙元的幾何性質(密度、蓋度、高度、直徑)對表面空氣動力學粗糙度均有影響，空氣動力學粗糙度隨礫石高度、直徑的增大而增大，但高度較直徑對空氣動力學粗糙度的影響作用更加顯著；當蓋度較小時，直徑的影響作用并不明顯。另外，5 cm直徑床面粗糙度的增加幅度要明顯大于3 cm直徑床面。粗糙度隨密度的變化是先增加后減小。應依據礫石的形狀特點選取最佳蓋度，以求達到最好的防治風蝕的效果。

2.3 阻沙柵欄數值模擬

使用ANSYS軟件的CFD模塊對阻沙柵欄進行阻沙效果的二維數值模擬。根據流體動力學有限元算法求解特征，建立試驗尺度的求解區域。區域長45 m，高8 m，單排柵欄高1.5 m，厚0.05 m，位于距入口15 m處。柵欄的疏透度用矩形隔板的長度和間隔表達。

適當的網格劃分是有限元法算法取得合適解的保證。柵欄附近的網格隨模型邊界變化而調整和細化，以滿足求解的穩定性和精確性需要；較遠的區域采用較粗網格，以減少計算量。根據流場特征，分別采用不同尺度的網格進行劃分，并對柵欄的隔板間隔進行網格加密，保證在速度和壓力梯度較大的地方有足夠的計算精度(圖7)。

圖7 計算區域劃分及柵欄附近網格

圖10 不同風速流場內的最小風速與最大風速

柵欄周圍區域的流場結構如圖8所示。疏透度β小于0.3時產生回流，大于0.3時回流區消失。由圖8可見，緊密結構柵欄流場的最大風速在柵后空間上部的增速區中心，最小風速在柵后空間下部的回流區中心。疏透度β=0.1時頂部增速區強度已明顯減弱，最大風速出現在柵欄頂部。由于疏透度β為0.1和0.2的柵欄空隙處間隔較小，射流作用強烈，因此最大風速值最高。

圖8 不同疏透度柵欄周圍流場形態變化(v=12 m/s)

由圖9可知，5個高度上各流場疏透度β=0.4的柵欄有效防風距離(柵欄背風側風速恢復到自然風速80%的距離)最大。

圖9 不同疏透度條件下各高度有效防風距離

3種風速條件下的最大最小風速列于圖10。β<0.3時最小風速隨疏透度增加而增加，回流區長度差異不大，但強度隨β增加而減弱，到β=0.3時最小風速達到最大，其絕對值最小，回流區中心消失，柵后下層空間有范圍較小的低速負風區，最大最小風速都出現在柵欄的射流區和背風區附近。β=0.4時，柵欄空隙較大，射流作用減弱，因此最大風速降低；柵后底部空間的負風區已經消失，因此不會造成嚴重的積沙現象。

根據數值分析顯示回流區的強度隨疏透度增加而減弱，到β=0.4時消失。緊密結構柵欄的最大風速在柵欄頂部的加速區中心；由于柵欄空隙的射流作用，β為0.1和0.2的柵欄最大風速值最高，而β大于0.3以上時柵欄最大風速降低且趨于穩定。最小風速隨疏透度增大而增大，到β=0.3時達到最大，其絕對值最小；β大于0.3時，最小風速出現在柵欄附近背風區而趨于平穩。根據有效防風距離和最大最小風速等方面數據確定，β=0.4為最佳疏透度。

3 風沙防治措施設計

3.1 確定路基橫斷面

根據對不同形狀路基周圍的整體風沙流場數值模擬比較分析得知，低緩的路基邊坡坡腳不易形成風沙回流現象，極少形成坡腳積沙，有利于線路運營安全。故阿聯酋聯合鐵路采用了放緩路基邊坡坡率的防風沙措施，對于小于3 m的低路堤采用了1∶3的邊坡坡率，大于3 m時采用1∶5的邊坡坡率，挖方路基采用路堤式路塹，即在底部按填方設置成1.1 m的填方路堤，路塹底部路堤兩側設置一定寬度的積沙平臺，挖方邊坡采用了1∶5～1∶10的邊坡坡率。典型路基斷面如圖11～圖12所示。

圖11 典型路堤斷面形式(單位：m)

圖12 典型路塹斷面形式(單位：m)

3.2 地表及邊坡攤鋪礫石土

根據地表覆蓋物的數值模擬分析得知，在鐵路兩側覆以不同蓋度的礫石，可對表面空氣動力學粗糙度產生顯著影響，能起到明顯的固沙效果。故在線路坡腳外20～50 m范圍內，平鋪礫石土，覆蓋于沙地表面，厚度10 cm，粒徑不宜小于5 cm，起到固定當地浮沙的作用，利用這類材料的抗風蝕能力保護地表及地基免遭風蝕。

3.3 高立式阻沙柵欄

根據阻沙柵欄的數值模擬分析得知，疏透度為0.4的阻沙柵欄，搭配適當的防風間距和阻沙高度效果最為顯著，故在此線路兩側均設置高立式阻沙柵欄，迎風側距線路200 m處設置兩排阻沙柵欄，柵欄間距30 m，背風側設置1道阻沙柵欄，柵欄高度均為1.5 m，按疏透度0.4采取適宜的布置形式。阻沙柵欄材料采用土工材料板。

4 結語

基于阿聯酋地區的實際沙漠條件，首次結合國外鐵路工程背景，采用CFD技術，從整體風沙流場模擬、地表覆蓋物模擬和阻沙措施模擬等多角度，對風沙防治措施進行模擬分析，并成功將數值模擬結果引入風沙防治措施設計當中，使設計更趨于合理化，為今后我國的防沙技術應用于國外項目提供了借鑒和參考。

同時鑒于阿聯酋聯合鐵路的實際運營情況及當地氣候因素，此次設計主要以工程防沙措施為主，其目的是在保證運營安全的前提下，減少初期投資，待鐵路建成運營后，結合沙漠綜合治理措施，在工程治沙防護的基礎上，分步驟實施植物固沙，從根本上解決鐵路沙害問題。但在阿聯酋地區開展大型微灌系統進行植物固沙的技術和方法還有待后期的研究和探討。

[1] 屈建軍，凌裕泉，井哲帆，張克存，俎瑞平.包蘭鐵路沙坡頭段風沙運動規律及其與防護體系的相互作用[J].中國沙漠，2007，27(4)：529-533.

[2] 李肖倫.我國鐵路沙害的防治[J].中國鐵路，2004(11)：28-30．

[3] 錢征宇.中國沙漠鐵路的風沙危害及其防治技術[J].中國鐵路，2003(10)：24-26．

[4] 中鐵第一勘察設計院集團有限公司.鐵路風沙防治CFD計算機模擬技術及阿聯酋地區治沙方案研究報告[R].西安：中鐵第一勘察設計院集團有限公司，2012.

[5] 李成，周學軍.臨河至策克鐵路防風治沙措施設計方案初步研究[J].中國沙漠，2006，26(6)：920-925．

[6] 鐵道部第一勘測設計院，等.鐵路工程設計技術手冊——路基[M].北京:中國鐵道出版社，1992．

[7] 中華人民共和國鐵道部.TB 10035—2006 鐵路特殊路基設計規范[S].北京：中國鐵道出版社，2006．

[8] 柳本立，張偉民，彭飛，譚立海.金字塔沙丘流場的三維數值模擬[J].中國沙漠，2011，31(2)：386-392．

[9] 金昌寧，董治寶，李吉均，陳廣庭.高立式沙障處的風沙沉積及其表征的風沙運動規律[J].中國沙漠，2005，25(5)：652-657．

[10] 程建軍，蔣富強，楊印海，薛春曉.戈壁鐵路沿線風沙災害特征與擋風沙措施及功效研究[J].中國鐵道科學，2010，31(5)：15-20．

[11] 王多青.鐵路風沙防治工程投資初步分析[J].鐵道標準設計，2012(6)：21-24．

[12] 汪耀華.吉查鐵路風沙特點及防治措施[J].鐵道標準設計，2013(2)：8-11．

Numerical Analysis and Design of the UAE Railway Subgrade Sand Preventive Measures

Qin Qi

(China Railway First Survey and Design Institute Group Co.， Ltd.， Xi，an 710043， China)

The sand prevention measures， simulated with CFD technology in view of UAE railway engineering background， are calculated and designed to be more realistic. The wind tunnel model and sand fence two-dimensional model are established with GAMBIT and ANSYS software based on the actual situations in UAE. Based on the comparative analysis to select appropriate design parameters， such as particle size of surface coverage， subgrade slope rate， and resistance rate of sand fence， prevention measures are designed. It is concluded that (1) the measures to slow down subgrade slope rate should be adopted， and the suitable slope rate is around 1∶2 to 1∶5; (2) the surface on both sides of subgrade should be covered with sand gravel soil， and the particle size should not be less than 5 cm; (3) the height of sand fence should be 1.5 m with appropriate arrangement according to the resistance rate of 0.4．

UAE railway; Sand prevention; CFD; Numerical simulation

2014-01-08；

：2014-04-01

秦 旗(1981—)，男，工程師，2009年畢業于重慶交通大學

道路與鐵道工程專業，工學碩士，E-mail：452923297@qq.com。

1004-2954(2014)11-0052-05

U213.1+54

：A

10.13238/j.issn.1004-2954.2014.11.013