铁路路基边坡结构对风沙流输运规律影响的数值模拟研究_徐建刚.pdf

第 37 卷第 8 期干旱区资源与环境Vol 37No 82023 年 8 月Journal of Arid Land esources and EnvironmentAug 2023文章编号:1003 7578(2023)08 089 08doi:10 13448/j cnki jalre2023189铁路路基边坡结构对风沙流输运规律影响的数值模拟研究*徐建刚1，2，黄宁2，3，4，张洁3，4，石广田2，5，张小安2，6(1 兰州交通大学铁道技术学院，兰州 730070;2 甘肃省轨道交通服役环境与智能运维重点实验室，兰州 730070;3 西部灾害与环境力学教育部重点实验室，兰州 730000;4 兰州大学土木工程与力学学院，兰州 730000;5 西安交通工程学院机电工程学院，西安 710300;6 兰州交通大学机电工程学院，兰州 730070)提要:沙区铁路遭受风沙灾害的严重威胁，为甄选有利于减少轨道积沙的路基边坡结构，开展铁路路基边坡与风沙流输运规律的研究。文中基于风沙两相流理论，结合铁路路基实际边坡结构，建立四种路基模型，模拟计算路基周围流场分布和积沙特性。研究结果表明:1)气流流经各路基模型形成相似的流场分区。2)在近轨道处，各模型的水平风速总体呈“V”形变化，并在背风侧形成大涡旋，其中模型 C(上沙下水泥坡路基)的回流区最小。3)由于各模型迎风坡结构不同，影响气流在坡面的减速效果，进而引起迎风坡流场分布产生较大差异:不管短期还是长期，模型 A(全沙坡路基)和 B(上砖下沙坡路基)在迎风坡和轨道处的沙粒体积分数均高于模型 C 和 D(拱形沙坡路基)，而且总体上模型 C 的沙粒体积分数最低，最不易发生积沙，输沙效果最佳。4)随着风速增大，沙粒逐渐由路基迎风侧输运至背风侧。总之，模型 C 有利于减少铁路轨道积沙、降低成本，能够为铁路沿线风沙防护工程实践提供理论依据。关键词:风沙;流场分布;积沙特性;铁路路基边坡;数值模拟中图分类号:U216 41+3文献标识码:A我国西部地区的多条干线铁路作为中欧班列正常运营的重要保障，在新时期将更好地服务于“一带一路”沿线国家和地区。其中，既有和新通车铁路包兰线、兰新线、青藏线及和若线等部分区段的自然环境恶劣，戈壁、沙漠广布，沙源丰富，加之春、冬季节大风频发，扬沙动力充足，使得风沙灾害严重影响铁路运营。为了减轻风沙危害，铁路沿线布设了多种风沙防治措施。目前，植物防沙、工程防沙措施及二者相结合的生态防沙系统得到大力推广和应用1 3。工程防沙措施按照空间位置4 可分为源头固沙(草方格、石方格5 6)、途中挡沙(插板式、HDPE 板挡沙墙7 10)和路基处减沙(挡风墙11)。然而，铁路路基边坡积沙、沙埋轨道的现象依然普遍存在，这不仅增加线路养护成本，而且易造成列车停运、甚至脱轨，严重危及列车运行安全。近些年，铁路路基及其防沙措施效能研究得到广泛关注，研究人员对路基风沙流特征12 13、路基横断面参数及结构影响14 15、输沙路基优化设计16、输沙轨道17 及挡风墙积沙机理18 等方面进行了深入研究，并取得了丰硕成果。但现有研究将路基边坡假定为同属性、单一斜面或曲面存在一定的局限性，忽略了距离轨道最近的路基边坡对线路积沙的直接影响。沙区铁路的路基边坡结构在不同区段存在较大差异，图 1(a)(d)依次给出了四种典型的路基迎风侧边坡:全沙坡、上砖下沙坡、上沙下水泥坡及拱形沙坡。因此，有必要系统开展不同边坡结构对铁路路基风沙流场特性的影响研究。文中基于风沙两相流理论，模拟风沙流经路基时，路基周围流场特性和积沙分布，对比分析有利于减少线路积沙的路基边坡结构，以期为铁路路基风沙防护提供理论基础。*收稿日期:2023 2 10;修回日期:2023 4 20。基金项目:国家自然科学基金重点项目(41931179);中铁集团科技研究开发项目(N2022G068);甘肃省自然科学基金项目(22J5A344);甘肃省教育厅青年博士基金项目(2022QB 063)资助。作者简介:徐建刚(1990 )，男，汉族，甘肃环县人，硕士，讲师，主要从事铁路风沙灾害及防治方面的研究。E mail:xujg mail lzjtu cn通讯作者:黄宁(1964 )，男，汉族，辽宁沈阳人，博士，教授，主要从事风沙环境力学及铁路风沙灾害防治工程研究。E mail:huangn lzu edu cn图 1铁路路基迎风侧边坡Figure 1 The windward side slope of the railway subgrade1模拟计算1 1理论基础空气吹扬沙粒形成运动气流的现象属于典型的风沙两相流。文中模拟过程中采用欧拉双流体模型具体实现风沙两相流理论，该模型视计算域内气、沙两相物质为连续介质，均 满 足 质 量 和 动 量 守 恒 方程15，且两相间存在相互作用力。气相质量守恒方程:t(gg)+(ggg)=0(1)气相动量守恒方程:t(ggug)+(ggugug)=g p+g+ggg+fsg(2)沙相质量守恒方程:t(ss)+(sss)=0(3)沙相动量守恒方程:t(ssus)+(ssusus)=s p ps+s+ssg+fsg(4)气沙相间作用力:fsg=3CDssg4d|ur|ur2 65g(5)式中，g+s=1，g与 s为气、沙相的体积分数，其中 s取值 1 5%;g与 s为气、沙相的密度，值分别为 0 752kg/m3、2650kg/m3;t 为时间;g、s分别为气、沙相的速度矢量;ug、us分别为气、沙相的速度;p 为理想流体的压强;g、s分别为气、沙相的表面应力张量;s为沙相固体压力;g 为重力加速度，取值为9 81m/s2;CD为拖曳力系数;d 为沙粒当量直径，取值为 0 15mm;ur为气沙两相间的相对速度。文中近地表风沙流还需遵守标准 k 湍流模型，具体控制方程详见文献19。同时，气相最大来流速度为 25m/s，视为不可压缩流体。1 2模型建立与网格划分根据路基边坡实际结构，经合理简化，建立三维路基模型，主要由边坡、道床及钢轨组成，图 1 中(a)(d)依次对应模型 A、B、C 及 D。经过试算，计算域选取长 宽 高:143 2m 40m 80m，路基迎风侧坡脚距风沙流入口 40m，路基的高 顶宽 底宽:8 2m 4m 23 2m，还给出了各模型迎风侧边坡表面沙砾与混凝土分布(图 2)。此外，为了节省硬件资源，在充分反映路基主要特征的同时进行了结构简化，文中利用 ICEM 划分四面体为主的非结构网格，由于路基模型 D 的迎风侧边坡表面形状复杂、不规则，因而对路基迎风侧边坡和道床附近网格进行了局部加密，最小网格尺寸 0 01m，最终网格数约 170 万个，网格质量 Quality 为 0 43。1 3参数设置文中采用 Fluent 对路基周围风沙流场进行模拟计算。四种路基模型边坡结构不同，主要通过路基迎风侧边坡表面粗糙度进行区分，沙砾表面粗糙度为 0 0006m5，水泥和青砖表面为 0 000075m20。数值模型边界条件设置:流场进口 速度入口(Velocity inlet)、流场出口 自由流出口(Out flow)、两侧和顶部 对称边界(Symmetry)、地面和路基表面 无滑移边界(Wall)。同时，编写 UDF 描述流场进口对数风速廓线:(h)=*/ln(h/z0)，其中，(h)为高度 h 处的水平风速，*为摩阻风速，z0=1 3mm 为地表粗糙度，为卡门系数，取值0 4。模拟中采用 Phase Coupled SIMPLE 压强速度迭代算法和 Syamlal O Brien09干旱区资源与环境第 37 卷图 2路基模型及计算域示意图Figure 2 The schematic diagram of subgrade model and calculation domain图 3近地表风速廓线比较Figure 3 Comparison of near surface wind speed profiles曳力计算模型。1 4模型验证为了验证以上数值模型中参数设置的正确性，文中建立了与文献18 中风洞实验相同的计算域，并计算来流风速为 15m/s 时风洞实验段近地表风速廓线，结果对比(图3)。由图3 可知，文中数值模拟的风速廓线与风洞实验结果基本吻合，说明数值模型中参数设置是可靠的。2结果与分析2 1流场分布特性在风沙运动中气流是沙粒运动的源动力，对沙粒的扬起、输运及沉降过程起关键作用。文中模拟了铁路路基周围的流场分布，利用 Tecplot 进行可视化处理，图4 给出了四种路基模型的流场分布，以速度 v=15m/s，计算时间 t=25s 为例。由图4(a)可知，模型 A 中近地面气流流至路基迎风坡，受路基阻挡发生明显减速，形成减速区。紧接着，气流在路基迎风侧边坡不断汇集，压力持续升高;气流抬高至路肩时，压力迅速下降，快速通过轨道，并在轨道正上方形成加速区;同时，由于钢轨的阻挡，贴近轨道处气流减速并形成低速区。随后，气流运动至路基背风侧，大部分气流继续向前运动(前者)，逐渐恢复路基前的运动状态;另一部分靠近地面的气流(后者)在前者的压阻作用下反向(风速为负值)流回，并沿着背风侧边坡上升，再次被气流带回近地面，周而复始，出现涡旋，形成较大回流区。图 4 中模型 B 和 D 的流场分布与模型 A 类似，而模型 C 背风侧坡脚相对高速气流抬升，对回流区形成明显挤压，导致回流区范围缩小，且远离路基背风侧，不易发生积沙。2 2水平风速变化风沙流通过加重道床积沙进而影响铁路运输安全，因而有必要对近轨道处的流场变化进行研究。文中采用 Origin 绘制了四种模型近轨道处的水平风速沿程变化曲线(图 5)，距轨道高度分别为 0 1m 和0 5m。由图 5 可知，4 种模型在轨道处的水平风速变化趋势一致，呈现先减小后增大的“V”形变化，在轨道和背风坡可能发生积沙。图 5(a)中距轨道 0 1m 时，气流运动至迎风侧路肩处速度骤然下降为 0，随后模型 C 和 D 的风速快速增加，而模型 A 和 B 的风速在背风侧边坡降至最低，分别为 1 6m/s 和 0 2m/s，形成弱回流。图 5(b)中距轨道 0 5m 时，模型 A 和 B 的水平风速同样在背风侧边坡最低，但有所增加，分别为 1 8m/s 和 3 0m/s，未出现回流。19第 8 期徐建刚等铁路路基边坡结构对风沙流输运规律影响的数值模拟研究(a)模型 A(b)模型 B(c)模型 C(d)模型 D图 4四种模型路基周围流场分布(单位:m/s)Figure 4 Distribution of flow field around subgrade of four models(Unit:m/s)(a)距轨道 0 1m(b)距轨道 05m图 5轨道处水平风速沿程变化曲线Figure 5 Variation curves of horizontal wind speed along the track图 6 给出了路基关键位置迎、背风坡坡脚的风速廓线。图 6(a)迎风侧坡脚处在 0 2m 高度范围内，风速出现负值(与初始方向相反)，形成弱回流，沙粒易跌落沉积。图 6(b)中随着高度增加，背风侧坡脚处水平风速先减小后增大，主要原因在于路基的遮蔽效应导致背风侧 4 6m 范围内形成较大涡旋。各模型的涡流区有明显差别，模型 B 的反向回流速度最大 5 9m/s，而模型 C 的速度最小 3 0m/s，回流区最小，最不易在背风坡坡脚形成积沙。2 3积沙特性欧拉双流体模型通常采用沙粒体积分数直观地反映沙粒沉积情况，一般情况下沙粒体积分数最大约为0 63。图7 给出了四种路基模型初期(t=5s)的沙粒体积分数分布。由图7 可知，各模型迎风坡的沙粒体积分数明显高于背风坡，容易形成沙粒沉积。由于模型 A 和 B 的迎风坡下部为沙砾表面粗糙度较大，气流削弱效果显著，携沙能力降低，导致迎风坡中部形成带状积沙的可能性较高;同时，模型 A 和 B 在轨29干旱区资源与环境第 37 卷(a)迎风侧坡脚(b)背风侧坡脚图 6路基前后风速廓线Figure 6 Wind speed profiles on both sides of subgrade道处出现沙粒富集，沙粒体积分数较高，而模型 C 和 D 的沙粒体积分数较低，不易积沙。此外，各模型在迎风侧路肩处积沙较少，可能遭受风蚀危害。(a)模型 A(b)模型 B(c)模型 C(d)模型 D图 7路基周围沙粒体积分数分布(t=5s)Figure 7 Distribution of sand volume fraction around the subgrade(t=5s)注:红色表示沙粒体积分数大，沙粒易沉积;蓝色表示沙粒体积分数小，沙粒不易沉积;下同。图 8 给出了四种路基模型长期(t=25s)的沙粒体积分数分布。由图 8 可知，随着服役时间增长，各模型在路基迎、背风侧的沙粒体积分数均增加。从长期来看，模型 A、B 在路基迎风坡和轨道处的沙粒体积分数明显高于模型 C 和 D，主要原因在于各模型迎风侧边坡结构不同，表面粗糙度分布存在差异，引起近坡面气流的减速效果不一，进而改变迎风坡和轨道处的沙粒沉积状态。总体上模型 C 发生积沙的可能性39第 8 期徐建刚等铁路路基边坡结构对风沙流输运规律影响的数值模拟研究最低，有助于沙粒输运，也能够减少轨道积沙。另外，与模型 D 相比，模型 C 的边坡结构简单，施工方便，有利于降低建设成本。(a)模型 A(b)模型 B(c)模型 C(d)模型 D图 8路基周围沙粒体积分数分布(t=25s)Figure 8 Distribution of sand volume fraction around the subgrade(t=25s)(a)6 m/s(b)12 m/s(c)20 m/s(d)25 m/s图 9不同风速下路基周围沙粒体积分数分布Figure 9 Distribution of sand volume fraction around the subgrade under different wind speeds49干旱区资源与环境第 37 卷2 4风速对积沙特性的影响风速对路基周围积沙分布的影响显著13，因此图 9 给出了不同来流风速下模型 C 的沙粒体积分数云图，风速分别取 6、12、20 及 25m/s。由图 9 可知，随着来流风速的增加，沙粒逐渐由路基迎风侧运动至背风侧，道床附近沙粒富集减弱。图 9(a)中由于来流风速较小仅为 6m/s，气流动能较低，携沙能力较弱，大部分沙粒不能越过路基，导致路基迎风侧沙粒体积分数较高，同时少量沙粒运动至轨道但不能再次起动，进而造成沙粒富集。当风速为 12m/s 时，气流动能有所增加，携沙能力增强，部分沙粒越过轨道向路基背风侧运动，迎风侧沙粒体积分数降低，而背风侧增加。当风速增大至 20m/s 时，大部分沙粒被气流裹挟运动至路基背风侧后跌落沉积，路基背风侧沙粒体积分数明显高于迎风侧，而且轨道处几乎未形成沙粒富集。当风速为 25m/s 时，风沙流动能最大，沙粒几乎全部输运至路基背风侧，背风侧沙粒体积分数最高。3讨论通过对不同边坡结构下铁路路基周围风沙流场特征研究发现，路基边坡结构对路基的流场特性和积沙特性产生了显著影响，说明边坡结构应该在路基风沙流模拟中根据现场实际情况加以考虑。气流在各路基周围形成了类似的流场分区。在路基迎风侧气流运动受阻后速度降低，并在迎风侧坡脚形成回流区;近轨道处气流速度呈 V 形变化，而且在轨道处出现低速区;由于路基的遮蔽效应，路基背风侧形成了较大回流区。四种路基在上述气流低速区和回流区均可能发生沙粒沉积，而且迎风坡的积沙分布明显高于背风坡，这与石龙、孙兴林等13，16 的研究结论一致。模型 C 具有轨道积沙少和生产成本低的优势。与模型 A、B 相比，短期服役时模型 C 在轨道处并无积沙富集，同样长期服役时在轨道处和路基迎风侧积沙均较少;与模型 D 相比，总体上模型 C 的积沙较少，而且边坡结构简单。因此，模型 C 既有利于减少轨道积沙，延长防护周期，又可以减轻人力清沙负担，降低生产成本。但由于路基迎风侧路肩长期遭受风蚀危害，因而在铁路工程实践中可结合模型 C 和 B，即采用上砖中沙下水泥的路基边坡结构，这将更符合沙漠铁路的防风沙需求。研究还发现风速对路基周围积沙分布有较大影响:当风速大于 20 m/s 时，轨道处不易发生沙粒沉积，防沙必要性较弱，但需要提高迎风侧路肩的抗风蚀能力;当风速小于 12 m/s 时，轨道处容易形成积沙，应增设路基风沙防治措施，以减少沙粒上道、掩埋轨道现象，确保列车安全运营。4结论文中基于风沙两相流理论，模拟了不同边坡结构对路基周围风沙流输运规律的影响，对比分析了四种路基模型的流场分布、水平风速变化及积沙特性，得出如下结论:(1)在路基的阻碍作用和遮蔽效应下，从路基迎风侧到背风侧，气流依次形成减速区、低速区、回流区等，其中模型 C 的回流区最小。(2)距轨道 0 1m 和 0 5m 时，各模型的水平风速均呈“V”形变化，且模型 A 的水平风速最低，积沙可能性较大;各模型在背风侧均形成涡旋，其中模型 C 的反向风速最小，最不易形成积沙。(3)四种路基模型的迎风侧边坡结构和表面粗糙度不同，引起流场分布规律变化，导致路基周围风沙流输运规律产生较大差异;模型 C 的积沙明显低于其他模型，是一种轨道积沙少、成本低的路基边坡结构。(4)来流风速增大，沙粒逐渐由路基迎风侧输运至背风侧;尤其低风速时铁路轨道处出现严重沙粒富集，危及铁路运营安全。参考文献 1张克存，屈建军，鱼燕萍，等 中国铁路风沙防治的研究进展 J 地球科学进展，2019，34(6):573 583 2李生宇，雷加强，徐新文，等 中国交通干线风沙危害防治模式及应用 J 中国科学院院刊，2020，35(6):665 674 3屈建军，肖建华，韩庆杰，等 青藏铁路高寒风沙环境特征与防治技术 J 中国科学:技术科学，2021，51(9):1011 1024 4BUNO L，HOVAT M，AFFAELE L Windblown sand along railway infrastructures:A review of challenges and mitigation measuresJJournal of Wind Engineering Industrial Aerodynamics，2018，177:340 365 5XU B，ZHANG J，HUANG N，et al Characteristics of turbulent aeolian sand movement over straw checkerboard barriers and formationmechanisms of their internal erosion form J Journal of Geophysical esearch:Atmospheres，2018，123:6907 6919 6张克存，屈建军，牛清河，等 青藏铁路沿线砾石方格固沙机理风洞模拟研究 J 地球科学进展，2010，25(3)284 28959第 8 期徐建刚等铁路路基边坡结构对风沙流输运规律影响的数值模拟研究 7CHENG J J，LEI J Q，LI S Y，et al Disturbance of the inclined inserting type sand fence to wind sand flow fields and its sand controlcharacteristics J Aeolian esearch，2016，21:139 150 8周琪智，赵洋，高广磊，等 青藏铁路错那湖段挡沙墙风沙两相流数值模拟 J 中国沙漠，2020，40(6):22 32 9贾燕 荒漠区铁路风沙防治关键技术J 干旱区资源与环境，2021，35(12):86 92 10梁柯鑫，崔晓宁，王起才，等 新建格库铁路组装式多周期 HDPE 板防风沙机理研究 J 干旱区资源与环境，2019，33(3):195 201 11HUANG N，GONG K，XU B，et al Investigations into the law of sand particle accumulation over railway subgrade with wind break wallJThe European Physical Journal E，2019，42(11):145 12张军平，王引生，蒋富强 兰新铁路戈壁地区路基周围风沙流运动特征数值分析 J 中国铁道科学，2011，32(4):14 18 13石龙，蒋富强，韩峰 风沙两相流对铁路路堤响应规律的数值模拟研究 J 铁道学报，2014，36(5):82 87 14李驰，黄浩，孙兵兵 风沙环境下沙漠路基风蚀破坏数值模拟研究 J 岩土力学，2010，31(S2):378 382 15徐建刚，黄宁，石广田，等 铁路缓和式路堤的风沙流场数值模拟研究J 兰州交通大学学报，2021，40(3):78 85 16孙兴林，张宇清，张举涛，等 青藏铁路路基对风沙运动规律影响的数值模拟 J 林业科学，2018，54(7):73 83 17HOVAT M，BUNO L，KHIS S eceiver sand mitigation measures along railways:CWE based conceptual design and preliminaryperformance assessmentJ Journal of Wind Engineering Industrial Aerodynamics，2022，228:105109 18辛国伟，黄宁，张洁 大风区铁路沿线挡风墙积沙机理及优化措施的风洞实验研究J 力学学报，2020，52(3):635 644 19袁竹林，朱立平，耿凡，等 气固两相流动与数值模拟M 南京:东南大学出版社，2013:61 63;68 20甘磊，金洪杰，沈振中 混凝土表面粗糙度数字图像表征方法及应用 J 土木工程学报，2022，55(8):67 76Numerical simulation of the influence of railway subgrade slope structure ontransportation law of wind blown sand flowXU Jiangang1，2，HUANG Ning2，3，4，ZHANG Jie3，4，SHI Guangtian2，5，ZHANG Xiaoan2，6(1 School of ailway Technology，Lanzhou Jiaotong University，Lanzhou 730070;2 Key Laboratory of Service Environment and Intelligent Operation Maintenance of ail Transit，Lanzhou 730070;3 Key Laboratory of Mechanics on Disaster and Environment in Western China，the Ministry ofEducation of China，Lanzhou 730000;4 Department of Mechanics，School of Civil Engineering and Mechanics，Lanzhou University，Lanzhou730000;5 School of Mechanical Engineering，Xi an Traffic Engineering Institute，Xi an 710300;6 School of Mechanical Engineering，LanzhouJiaotong University，Lanzhou 730070，China)Abstract:The desert railway is seriously threatened by the wind blown sand disaster esearches on theinfluence of railway subgrade slope on the transportation law of wind blown sand flow are conducted to select thesubgrade slope structure which is conducive to reducing sand sedimentation around the track Based on the two phase flow theory of wind sand，combined with the actual slope structure of railway subgrade，four subgrademodels are established in this paper to calculate the flow field distribution and sand sedimentation characteristicsaround the subgrade The results show that:1)When air flows through the subgrade，the four models form similarflow field zones 2)The horizontal wind speed of all models near the track shows a shape“V”，and a large vortexis formed on the leeward side，in which the reflux area of model C(sand cement slope subgrade)is thesmallest 3)Due to the different structure of the windward slope of each model，the deceleration effect of air flowon the slope is affected，and the distribution of the windward slope flow field is greatly different:regardless ofshort term or long term service，the sand volume fraction on the windward slope and track in model A(fullsand slope subgrade)and B(brick sand slope subgrade)is higher than that of model C and D(arched sandslope subgrade)In general，model C has the lowest sand volume fraction，is the least prone to sedimentaccumulation，and has the best sand transport effect 4)With the increase of wind speed，sand particles aregradually transported from the windward side of subgrade to the leeward side In summary，model C is beneficialto reduce sand deposition and cost of railway track，which may provide theoretical basis for the practice of sandprotection engineering along railwaysKey words:wind blown sand;flow field distribution;sand sedimentation characteristic;railway subgradeslope;numerical simulation69干旱区资源与环境第 37 卷