兰新高速铁路挡风墙下部开口清沙试验研究

石　龙，李来强，李凯崇，蒋富强(.中铁西北科学研究院有限公司，甘肃兰州　730000;.青藏铁路公司，青海西宁　80007)



兰新高速铁路挡风墙下部开口清沙试验研究

石龙1，李来强2，李凯崇1，蒋富强1
(1.中铁西北科学研究院有限公司，甘肃兰州730000;2.青藏铁路公司，青海西宁810007)

摘要:兰新高速铁路沿途穿越大风戈壁荒漠区，大风环境下极易形成强风沙流，为保证列车安全运营，在迎风侧路肩部位设立了挡风墙，起到了较好的防风效果，但也带来严重的风积沙害问题。为解决无砟轨道线路积沙难题，本文以兰新高速铁路挡风墙下部开口清沙试验为工程背景，对不同开口形式下挡风墙周围的流场进行了数值模拟，并对背风侧积沙特征进行了现场观测。数值模拟结果表明，挡风墙开口形式、来流风速和路堤高度对上下行线附近气流速度影响不大，挡风墙开口后主要是将原有沉积在支撑层台阶处的积沙搬运至上行线附近，风速增大加快了积沙上道速度。现场积沙试验结果表明，挡风墙下部开口后，支撑层台阶处积沙量明显减少，上行线轨道板上积沙量小幅度增加。挡风墙开口只是将支撑层台阶处原有积沙作了二次搬运和重新分配，加剧了上行线积沙量，其清沙作用不明显。

关键词:兰新高速铁路沙害挡风墙开口数值模拟清沙试验

兰新高速铁路是一条横贯中国西北甘肃、青海、新疆三省区的铁路大动脉，全长1 776 km。铁路沿途经过多处风区。这些风区具有风速高、风期长、起风速度快等特点，尤其是百里风区和三十里风区，瞬时风速可达60 m/s以上。大风容易造成吹翻列车、车辆溜逸、车窗玻璃破损、铁路行车设施损坏等事故及设备损坏。兰新高速铁路列车运行速度快，对运行环境要求高，强风将严重影响线路的正常运营。为防止大风吹翻列车，在大风区迎风侧路肩和路堑部位修建了高达3.8 m或4.3 m的挡风墙。现场测试结果表明，挡风墙后面的风速大幅度衰减，风向也发生了明显变化，车辆倾覆力矩大幅降低，起到了较好的防风效果，但挡风墙也给线路安全带来一系列新的问题。由于风区地处戈壁荒漠地区，干旱少雨，地层较为松散，在大风作用下松散颗粒容易被气流搬运，形成强风沙流。当风沙流途经挡风墙时，周围气流速度重新分布，风沙流平衡状态遭到破坏，导致部分沙粒跌落，堆积在线路路肩及道床上，造成线路积沙，影响列车安全运营。

国内外学者借助现场监测［1-3］、风洞试验［4］、数值模拟［5-9］等方法对铁路风沙灾害防治进行了大量研究，部分研究成果成功应用于工程建设中。虽然防沙工程措施能在一定程度上起到净化风沙流的作用，使沙害得到了明显的减轻，但受铁路道砟与钢轨的影响，风沙流中的部分沙粒仍然会跌落在线路上。由于沙害具有累积性，随着时间的推移，线路积沙量会越来越多，最终还会威胁到列车的运行。

鉴于以上问题，结合无砟轨道的特点及现场实际情况，为解决无砟轨道线路积沙难题，本文以兰新高速铁路挡风墙下部开口疏导线路积沙试验为工程背景，对不同工况下疏导线路积沙的效果进行了数值仿真分析，并与现场试验结果进行了对比，评估了挡风墙下部开口清沙的可行性。

1　试验段简介

试验段位于烟墩风区，线路路基形式均为路堤，总长300 m，分为3段，每段100 m。挡风墙下部开口设计参数见表1。

表1　挡风墙下部开口设计参数

试验段观测断面每隔20 m分别布设3个观测点(观测点分别位于上下行线中心和线路中心)，主要是通过现场人工定点图像采集、人工测量等方法，对各观测点的积沙厚度、宽度、形态等进行定期测量。

2　数值仿真模型

2.1控制方程

流体的流动遵循质量方程、动量方程和能量方程。本模型不考虑热量交换，故不包含能量方程。具体方程参见文献［10-11］。

2.2计算域

为避免路堤背风侧涡旋流对出口边界条件的影响，通过试算，并结合现场试验段路堤参数，模型长、宽、高分别取为120，10，30 m。按照现场实测，路堤边坡与地面夹角取为30°，挡风墙高度取为3.8 m。挡风墙位于上风侧，路堤位于下风侧，上行线位于靠近挡风墙一侧。

2.3网格划分

所建模型较为复杂，模型网格数量较多，受时间所限，为减少生成网格过程中人工参与的工作量，提高工作效率，基于ICEM CFD软件对计算域进行非结构自动体网格划分。网格划分类型为Tetra/Mixed，边界层采用Robust(Octree)，网格总单元数超过150万。

2.4边界条件

入口边界定义为速度入口，按均匀流给定入口速度;出口边界定义为质量出口;壁面边界条件定义为无滑移边界。

2.5参数设置

来流风速分别取10，20，30 m/s，动力黏度取17.9×10－6Pa·s，气体密度取1.225 kg/m3，湍流强度取0.05。

3　仿真结果分析

风沙流是一种典型的气固两相流。一般情况，在平坦床面上，风沙流处于动态平衡状态，风沙流中跌落在床面的颗粒数量基本等于从床面进入风沙流中的颗粒数量。当气流受到扰动后，能量重新分布，风沙流的平衡状态被破坏，部分沙粒就会沉积下来，形成风积沙。风沙流中大部分沙粒集中在距地表约50 cm以下的范围内，因此对近地表气流变化的研究对认识风沙流状态具有指导意义。以下选取模型中的断面分析流场的分布和挡风墙开口的影响。

3.1流场分布特征

图1为挡风墙不同开口形式下路堤周围气流速度分布等值线图，可见气流途经路堤时，按气流速度大致可将流场分为5个区域:挡风墙不开口时，在挡风墙迎风侧形成气流减速区(A区)，挡风墙背风侧分别形成气流高速区(B区)与气流紊流区(C区);挡风墙开口时，在挡风墙迎风侧形成气流减速区(A区)，挡风墙背风侧分别形成气流高速区(B区)、气流紊流区(C区、D区)和气流加速区(E区)。

图1　不同开口形式下路堤周围气流速度分布等值线图

数值模拟结果表明，挡风墙不开口时背风侧处在气流低速紊流区，挡风墙开口后上行线支撑层台阶处变为集流加速区，而上下行线附近仍为低速紊流区。

3.2挡风墙开口形式对流场的影响

挡风墙不同开口形式下距床面0.1 m处风速变化趋势见图2。可见，挡风墙开口前，线路上背风侧近地表气流速度大幅度衰减，幅度达85%以上，但变化趋势较为平缓。而开口后，挡风墙与上行线之间的气流速度呈先增大后减小的趋势，上行线附近气流速度衰减幅度最大(达80%以上)，气流过了线路中心以后逐渐恢复至来流速度的20%～30%。对比挡风墙开口前后气流变化趋势可知，开口后背风侧气流速度整体上大于开口前，挡风墙与上行线间的气流速度增幅显著，但上下行线附近气流速度增幅很小。说明挡风墙开口后支撑层旁由风积区变为风蚀区，而上下行线仍处在风积区，挡风墙与上行线之间的原有积沙会被搬运至线路上重新沉积。

图2　挡风墙不同开口形式下距床面0.1 m处风速变化趋势(来流风速30 m/s)

3.3风速对流场的影响

图3为不同来流风速下距床面0.3 m处气流速度变化曲线。可见，随着来流风速的增大，3种开口形式挡风墙背风侧近地表气流速度均呈现增大的趋势，但存在明显差异。开口前，挡风墙与线路中心之间气流速度增幅较为平缓，过了线路中心以后，气流速度增幅逐渐增大，说明挡风墙开口前，风速增大对下行线具有清沙作用，对上行线的清沙作用很小(根据现场调查，挡风墙开口前，积沙主要集中在上行线附近，下行线几乎没有积沙，这与数值模拟结果相吻合)。开口后，挡风墙与上行线之间的气流速度随风速的增大大幅度增加，但受支撑层台阶的阻碍作用，呈先增大后减小的趋势，而在上下行线附近气流速度增幅较为平缓。说明开口后，风速增大导致挡风墙与上行线之间的积沙将会更快更多地转移沉积在线路上，加剧线路的积沙速度。

3.4路堤高度对流场的影响

图4为不同路堤高度(h)下距床面0.1 m处风速变化曲线。可见，随着路堤高度的增加，背风侧气流速度整体呈递增趋势，但整体增幅很小。说明路堤高度增加对线路清沙作用几乎没有影响，但由于路堤高度的增加，势必会引起工程造价增大，因此不建议采用提高路堤高度的措施来清沙。

图3　不同来流风速下距床面0.3 m处风速变化曲线

图4　不同路堤高度下距床面0.1 m处风速变化曲线

4　现场清沙试验

试验观测时间为2014-04-21—05-21，观测期间风向与线路夹角15°～30°。由于试验段3种形式的挡风墙连续布设在一起，各段过渡处对试验误差影响较大。为减小试验误差，对比分析不同形式挡风墙后积沙特征时去掉了靠近各段过渡处试验观测点的数据。经现场观测，大部分沙粒集中在上行线附近，下行线附近积沙量很少，因此，下面主要以上行线附近积沙形态变化情况为例进行分析。

4.1挡风墙不开口段

上行线K1228 + 230断面线路积沙情况见图5，积沙统计见表2。由图5可见，上行线附近道床与支撑层台阶处积沙呈均匀连续分布状态，且随着时间的推移积沙量呈现明显增加趋势。由表2可知:轨道板上的积沙面积和最大厚度变化幅度很小，前者小幅度减小，后者小幅度增大，但积沙量呈递增趋势;支撑层旁积沙量明显增大，3项观测指标均大幅度增加。

图5　上行线K1228 + 230断面线路积沙情况

表2　上行线K1228 +230断面积沙统计

4.2挡风墙开口0.5 m高路段

上行线K1228 + 070断面线路积沙情况见图6，积沙统计见表3。

从图6可知，挡风墙开口前，上行线与支撑层旁的积沙形态都呈连续均匀分布，开口后轨道板上的积沙形态变化不大，但积沙厚度小幅度增大，而支撑层台阶处积沙形态由原来的连续性分布变为间断的岛状分布。由表3可知，开口前后支撑层台阶处的积沙量明显减少，而上行线轨道板上的积沙量小幅度增大。

4.3挡风墙开口1.0 m高路段

上行线K1228 + 110断面线路积沙情况见图7，轨道板处和支撑层旁积沙统计见表4。从图7可知:挡风墙开口前，轨道板与支撑层台阶处积沙严重，积沙呈均匀连续的分布;开口后轨道板上的积沙形态基本保持原状，而支撑层台阶处的积沙则变为间断的岛状分布。由表4可知，观测期间支撑层台阶处的积沙量大幅度减小，上行线轨道板上的积沙量小幅度增大。

图6　上行线K1228 + 070断面线路积沙情况

表3　上行线K1228 +780断面积沙统计

图7　上行线K1228 + 110断面线路积沙情况

表4　上行线K1228 +110断面积沙统计

5　结论

1)挡风墙开口前背风侧气流处在气流低速区，挡风墙开口后上行线支撑层台阶处变为集流加速区，而上下行线附近仍为气流低速紊流区。挡风墙开口只是将支撑层台阶处的原有积沙二次搬运至线路上，加剧了线路积沙，线路清沙作用不明显。

2)随着来流风速的增大，挡风墙与上行线之间的气流显著增大，上下行线附近的气流虽然也呈递增趋势，但增幅较小。风速增大只是加速了既有积沙上道速度，对线路清沙作用不明显。

3)随着路堤高度的增大，挡风墙背风侧气流的速度整体呈递增趋势，但增幅极小。路堤高度增加几乎起不到清沙作用，反而增大工程造价。

4)挡风墙开口前，上行线轨道板和支撑层台阶处积沙量随时间的推移呈递增趋势;挡风墙开口后，上行线轨道板积沙量逐渐增大，支撑层台阶处积沙量明显减少。

5)挡风墙开口前，背风侧处在低速区，跃过挡风墙的大部分沙粒在重力作用下会跌落到线路上，挡风墙开口后支撑层台阶处原有积沙在加速气流的作用下被重新搬运，由于上下行线附近仍处于气流低速区，在钢轨的阻碍作用与沙粒的重力作用下，大部分沙粒将会跌落在上行线附近。挡风墙开口只是将支撑层台阶处的原有积沙进行了二次搬运，重新分配到上行线附近，加剧上行线沙害。挡风墙开口清沙效果不明显，故不建议采用该措施解决高速铁路线路积沙问题。

参考文献

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［11］朱红钧，林元华，谢龙汉.流体分析及仿真［M］.北京:人民邮电出版社，2010.

(责任审编李付军)

Test Research of Sand Removing through Opening at Bottom of Wind-shield Wall along Lanzhou－Xinjiang High Speed Railway

SHI Long1，LI Laiqiang2，LI Kaichong1，JIANG Fuqiang1

(1.Northwest Research Institute Co.，Ltd.of C.R.E.C.，Lanzhou Gansu 730000，China;2.Qinghai－Tibet Railway Company，Xining Qinghai 810007，China)

Abstract:Lanzhou－Xinjiang high speed railway passes through strong wind and Gobi desert area，which is very easy to form strong wind sandy flow under high wind environment.In order to ensure the safety of train operation，wind-shield wall was set up on the upwind side of road shoulder，which had a good effect on wind prevention and also brought serious aeolian sand disasters.For solving the difficult problems of aeolian sand on ballastless track，this paper made numerical simulation for the flow field around the wind-shield wall under different conditions and made the field observation for aeolian sand characteristics on the leeward side by combining with the sand cleaning test of bottom opening of wind-shield wall in Lanzhou－Xinjiang high speed railway.Numerical simulation results showed that the opening type of wind-shield wall，inflow wind speed and embankment height have little effect on air velocity around the up line and down line，main effect of the opening is that aeolian sand near the steps of supporting layer are transported to the up line and wind speed accelerates the speed of aeolian sand in railway.Field aeolian sand test showed that amount of aeolian sand in steps of supporting layer reduces significantly，the amount of aeolian sand in track board of the up line increases slightly after bottom opening of the breakwind，and the effect of windbreak opening is that original aeolian sand in steps of supporting layer are transported again and reallocated，and aggravates amount of aeolian sand in up line，the removing sand effect of which is not obvious.

Key words:Lanzhou－Xinjiang high speed railway;Sand damage;W ind-shield wall opening;Numerical simulation;Sand cleaning test

作者简介:石龙(1986—)，男，助理工程师。

基金项目:中国铁路总公司科研试验专项(Z2014-034)

收稿日期:2015-09-18;修回日期:2016-01-24

文章编号:1003-1995(2016)03-0122-05

中图分类号:U216.41+3

文献标识码:A

DOI:10.3969/j.issn.1003-1995.2016.03.30