鐵路沿線下導風板對風沙流場的控制規律

程建軍，智凌巖，薛春曉，蔣富強

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

我國是世界上鐵路通過風沙地帶里程最長的國家，有多條線路處于風沙地帶，發生風沙災害較為頻繁，因此研究鐵路沿線的風沙治理十分必要。目前鐵路沿線風沙災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]對土堤式擋風墻加高擋板在風沙流中的穩定性進行了研究，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，測試困難且影響列車通行，因此對輸沙工程措施的研究一直處于停滯狀態。近年來快速發展的數值計算方法使得針對該問題的研究出現新的進展。下導風板(又稱聚風板)是一種典型的輸沙工程措施。本文應用CFD(Computational Fluid Dynamics)對下導風板的風沙流場特性和輸沙性能進行模擬研究。

1　下導風板構造及參數

根據原理不同，導風板可分為下導風板和側導風板。本文以下導風板為研究對象。

1.1　下導風板構造

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

圖1　前傾式下導風板的工程應用

下導風板的形式按導風板迎風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。前傾式的導風板迎風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風板和直立式下導風板。

前傾式下導風板的構造如圖2所示，直立式下導風板的構造圖如圖3所示。

圖2　前傾式下導風板構造圖

圖3　直立式下導風板構造圖

1.2　下導風板參數確定

下導風板的吹刮寬度D是指要防護的線路不產生積沙的寬度。吹刮寬度一般根據要求而定，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系。

吹刮寬度可由導風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為與下導風板規格類型參數k及風速、吹沙量有關的系數；α為迎風面板的水平傾角；γ為主導風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°為風的擴散角；L為導風板的長度。

考慮到各地風速和吹沙量的不同，為可靠起見，應將下導風板的長度加大20%～25%計算。

下導風板規格類型參數k的計算式為

(2)

2　數值計算模型及計算參數

2.1　模型網格

采用AutoCAD建立下導風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的矩形區域，下導風板模型放置在距入口80 m處，如圖6所示。

圖4　前傾式下導風板三維模型示意圖

圖5　直立式下導風板三維模型示意圖

圖6　計算域模型示意圖

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

2.2　計算參數

模擬工況為風攜沙，設定入口邊界條件為速度入口(Velocity-Inlet)，入口設定沙的體積份數為0.35；出口邊界條件為壓力出口(Pressure-outlet)；計算域上邊界也設定為壓力出口(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風板，故為保證計算的準確性，計算域左右邊界設定為對稱面(Symmetry)。

圖7　網格劃分結果

計算模型采用歐拉雙流體模型[7]并附加標準湍流模型，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　數值模擬結果分析

3.1　不同類型下導風板流場

在不同來流速度作用下，不同類型下導風板周圍流場形態大致相似。流場分為降速區、作用區、渦流區、增速區和減速區，如圖8所示。

圖8　前傾式下導風板流場特征(單位：m·s-1)

因導風板下部開口，來流經過下導風板時，從開口部位經過的來流風速會明顯增加。定義此速度增大區域為作用區。其作用是使線路路面范圍的風速增大，帶走線路路面上的積沙，進而使線路路面上無積沙，即作用區的風速越大，其輸沙的效果越好。

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

圖9不同來流風速下2種下導風板作用區風速隨高度變化曲線

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

對比同一來流風速下2種下導風板作用區風速的變化曲線可知，前傾式下導風板作用區風速大于相同高度處直立式下導風板作用區風速，并且隨高度增加，前傾式下導風板作用區風速增長較快，明顯大于直立式下導風板作用區風速。前傾式下導風板作用區風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風板作用區風速最大值。

出現以上現象是因為線路和兩側導風板結構相對固定，僅來流風速的改變并不影響導風板周圍的流場特征和風速變化，所以不同來流風速下各導風板作用區的風速沿高度方向的變化曲線一致。

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

3.2　不同類型下導風板輸沙效果

圖10和圖11分別給出了設置2種類型下導風板時不同風速下鐵路線路路面的積沙情況。

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

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

圖10不同來流風速時設置前傾式下導風板條件下鐵路積沙云圖(單位：沙所占的體積分數)

圖11不同來流風速時設置直立式下導風板條件下鐵路積沙云圖(單位：沙所占的體積分數)

產生以上現象的原因是：風速較小時，作用區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]；直立式下導風板作用區的風速明顯小于前傾式下導風板作用區的風速，所以來流速度較小時直立式下導風板更易使線路產生大量積沙。

4　現場試驗及結果分析

青藏線希格段伏沙梁地區為南北走向，線路長8.3 km(K712+000—K720+300)，以低路堤通過，每年風季(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，參考國內外治沙經驗[9-22]，在青藏線K715+900—K716+000范圍內平行線路布置了下導風板輸沙設施，如圖12所示，其中下導風板的下開口高度根據試驗要求可上下移動0.3 m。

圖12　下導風板輸沙工程措施布置斷面圖

4.1　風速

圖13給出了設置下導風板后線路附近風速增減百分率等值線圖。

由圖13可知：線路上方強風區的風速明顯增大，弱風區的風速明顯降低，與前傾式下導風板的數值模擬結果基本一致，說明了數值模擬的準確性。試驗線路上方的強風區即為數值模擬結果中的作用區，而弱風區即為數值模擬結果中的渦流區。

由試驗數據可知：

(1)1987年6月27日刮西北風時，風速小于該地區最大風速，設置下導風板后強風區分布在道心，其風速在道心增大128%，在右側鋼軌至下導風板間達132%，在迎風側為60%～70%，在左側坡腳外為40%～50%。

(2)1988年6月11日刮西北偏西風時，風速為該地區最大風速，設置下導風板后強風區也分布在道心，其風速在道心增大140%。

圖13　設置下導風板后線路附近風速增減百分率等值線圖(單位：%)

可見，設置前傾式下導風板會在線路上形成較大的強風區(作用區)，該區域風速會有明顯的加速效果。

4.2　積沙

設置前傾式下導風板1年(1986年9月—1987年8月，全年平均風速小于往年平均風速)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；在左側下導風板的下風側，順風向從路肩開始出現積沙，寬度約8～14 m，厚度約5～15 cm，其年積沙量為1.0 m3·m-1；在右側下導風板的迎風側；逆風向從路肩開始出現積沙，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過1年(1987年9月—1988年10月，全年平均風速與往年平均風速持平)，道心積沙厚0～5 cm，其年積沙量為0.35 m3·m-1；左側下導風板下風側的積沙厚16 cm，寬8 m，其年積沙量為0.64 m3·m-1，右側下導風板迎風側的積沙寬6 m，厚8 cm，其年積沙量為0.28 m3·m-1。

布設下導風板前后各部位年積沙量對比如圖14所示。

圖14　布設下導風板前后年積沙量對比圖

4.3　綜合分析

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

5　結　論

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

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

(3)由前傾式下導風板現場的觀測數據結果可知，風速越大對其作用區風速的加速效果越明顯；隨風速增大，道心、線路下風側和迎風側的年積沙都有所減少，并且道心的年積沙量減少最為明顯，說明風速越大其輸沙效果越顯著。

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