風沙環境下高速公路路基風壓及沙粒沉積分析研究

王海峰 吳永祥 丁新建 李瑞杰

寧夏公路管理中心 寧夏銀川 750001

1 烏瑪高速風向及風力分析[3]

為了研究高速公路風沙環境及風力特征，在現場沿線布設氣象觀測站，本文通過一年周期的風力及風向分析研究路基在該氣候條件下的風積風蝕特征。

1.1 風向分析

根據2020年6月至2021年6月在高速公路廊道內采集的風向數據可知，夏季主要以ES及ESS風為主，其中ES風頻率為14.02%，ESS風頻率為13.99%，該區盛行東南風；進入秋季，該區風向由東南風逐漸變化為西北風，東南風相繼減小，其中NWN風頻率為11.76%，EES風頻率為12.79%；在冬季，該區域主要盛行西北風，其中NW風的頻率為13.1%、WNW風的頻率為14.3%；進入春季時，風向逐漸向東南風轉變，其中ES風頻率為10.8%，WNW、NW、NWN風頻率總計為23.59%。從數據可看出風向頻率存在季節性的變化，冬季主要以西北風及西西北風為主，夏季以東南風及南東南風為主，春秋兩季為過渡期。在該區年平均風向以WNW、NW、NWN風為主(其風向頻率總計為24.04%)，其次為ESE、ES、SES風(其風向頻率總計為22.46%)。

1.2 風速分析

圖2為騰格里沙漠地區的風速玫瑰圖，從圖中可以看出，夏季風速最強，其最大平均風速為4.88m/s，最小平均風速為1.02m/s，靜風頻率為8.45%；秋季風速最弱，其最大平均風速為2.73m/s，靜風頻率為7.21%；冬季風速較弱，其最大平均風速為3.88m/s，靜風頻率為14.87%；春季風速較大，其最大平均風速為4.09m/s，靜風頻率為6.78%。年平均風速值變化不大，最大值為3.57m/s，最小值為1.41m/s，靜風頻率為9.33%。

2 分析計算模型

數值模擬采用Fluent軟件，通過試算并結合現場實際情況，對K180+500斷面進行模擬分析，模型尺寸取來流風向、線路方向和豎直方向分別為337m、150m和40m，路堤高度4m，路面寬度44m。網格采用最新的Fluent meshing技術生成Poly-Hexcore網格，設置7層附面層，其他參數同上。圖3為公路斷面示意圖，圖4為數值建模模型示意圖，圖5為數值模型的邊界條件圖，通過對現場風速的分析采用以初始速度v=30m/s，沙粒相體積分數a=0.03進行計算。

3 計算結果分析

3.1 風沙流速度和壓力分析

圖6是沙漠公路(K180+500)風沙流速度云圖，在第一個防護路塹迎風側形成了一個風速的加速區。圖7是沙漠公路(K180+500)風沙流壓力云圖，同樣有云風速的加速，在路塹的迎風側有一個壓力增大區，其余壓力平穩。

3.2 風沙流沙粒沉積分析

圖8是沙漠公路(K180+500)風沙流，時間在6s時的沙粒體積分數云圖，可以看出風沙先吹到路塹左邊堆積，然后隨著時間的增加，沙粒緩緩從路塹左側滑落。

結語

沙粒運動影響了氣流的速度，氣流速度大于起沙風速并作用于沙粒時，風沙流密度逐漸增加，沙粒對氣流的阻礙作用增強，氣流開始減速，風沙流密度逐漸減小，此時部分沙粒的速度已超過氣流速度，這部分沙粒對氣流起加速作用，氣流速度又逐漸增大，表明沙粒運動通過影響風速來影響自身的速度與輸移特性，形成一種反饋機制。

正交單向來風條件下，風沙流途經路堤時，隨著風速的增大，迎風坡坡腳的積沙量不斷減小，背風坡坡腳的積沙量的增加，并且再次移動。