铁路路堤周围的风沙分布特征及堆积过程

崔嵩,杜礼明,牛波

(大连交通大学 交通运输工程学院，辽宁 大连 116028)

铁路路堤周围的风沙分布特征及堆积过程

崔嵩,杜礼明,牛波

(大连交通大学 交通运输工程学院，辽宁 大连 116028)

风沙地区的铁路面临风蚀和沙埋两种危害，严重影响着线路的正常运行.基于欧拉两相流模型，建立了铁路路堤风沙流运动的三维数值模型，分析了路堤周围的风沙流分布特征，研究了沙粒的堆积过程.结果表明：路堤周围流场速度分布沿着风速方向变大，且在迎风坡坡肩处最大值增加了25%；沙粒在铁路路堤堆积的过程可分为路堤坡面积沙阶段、路堤顶面积沙阶段、路堤坡面积沙滑落阶段、路堤坡脚积沙阶段；风沙流速度提高时，路堤顶端最大积沙体积分数增加且积沙区域增大.

铁路路堤；风沙流；沙粒堆积；欧拉两相流模型

0 引言

我国是被沙漠覆盖面积最广的国家之一，全国铁路通过荒漠化地区的线路总长度达 15 000 余公里[1].沙漠中产生的风沙流经过铁路路堤时，路堤会阻碍风沙的流动，使沙粒在路堤周围产生堆积.我国的研究人员在铁路风沙运动规律及风沙综合防治方面开展了大量研究.张军平等[2]研究戈壁大风地区铁路路基周围风沙流的运动特征 并对防风挡沙墙的合理高度进行了分析.武生智等[3]运用欧拉双流体模型着重分析了摩阻风速和颗粒粒径对流动特性的影响.王康龙等[4]从双流体模型的基本方程出发，把输沙量、沙粒浓度、输沙率等计算结果与既有数据作对比研究，确定了风沙运动研究中双流体模型参数的取值.石龙等[5]采用欧拉双流体模型，研究了铁路路堤周围风沙的运动情况，分析了风沙两相流对路基响应的规律，并将模拟结果与实际情况作对比.杜礼明等[6,7]采用欧拉双流体模型模拟列车在阵风和沙尘暴天气下的气动特性，分析了列车的安全性指标.黄勇[8]以酒额铁路为例，探讨了沙漠风沙流地区选线的基本规定，并探讨采取植被防沙和工程防沙相互结合的手段解决铁路路堤的风沙流风蚀危害.

基于欧拉两相流理论，本文建立了风沙流经过铁路路堤的三维仿真模型，研究斜向风作用下风沙两相流经过路基时周围流场的变化特点，揭示风沙侵蚀路堤的瞬态过程和路堤周围积沙规律，为铁路路基的防沙和治沙提供参考.

1 数值模型与计算方法

1.1 风沙流风蚀路堤模型及网格划分

计算模型的长度、宽、高分别为100、100和20 m，路基顶面宽度为8 m，路基高度为5 m，边坡坡率为1∶1.75，并忽略路堤上面的轨枕和轨道，模型满足我国铁路特殊路基的设计规范中风沙地区路堤设计的相关规定[9].计算区域如图1所示.

图1 计算区域及尺寸(单位：m)

为减小计算量又保证计算精度，模型上部网格划分比较稀疏，而模型下部网格划分比较稠密，划分后的网格数量为45.5万.

1.2 边界条件与数值方法

如图1所示，模型左侧和前侧入口边界定义为速度进口, 右侧和后侧边界为自由出口，壁面边界条件设置成壁面.空气相的上边界采用对称边界，下边界为无滑移边界.

速度进口一：位置为图1前侧，设置为含有沙粒的均匀风场，需根据现场资料设定沙粒的直径、体积浓度以及空气的湍流强度和水力直径等参数.

速度进口二：位置为图1左侧，沙粒和速度按照对数廓线给出μ=μ*/k·ln(y/y0) ，其中μ*为摩阻风速，y0为床面粗糙度，k为卡门常数(取值0.4)，且设定和速度进口一的相关系数.

风沙流中沙粒粒径一般在0.075～0.25 mm，本文取沙粒粒径为0.1 mm，取沙相体积分数为0.05，地表粗糙度取0.7,通常把瞬时风速达到或超过17 m/s 或风力大于8级的风称为大风，0.088～0.15 m沙粒的起动风速为5m/s，本文采用斜向风模拟自然风，速度进口一意图改变斜向风空气方向，故速度进口一空气速度取较小值，空气相速度为1、3 m/s.速度入口二意图增加斜向风空气速度，故用速度进口二的空气相平均初始速度摩阻风速为0.66、0.99 m/s.

2 结果与分析

2.1 计算方法适用性验证

鉴于文献[5]的工作在国内具有一定代表性，为确保计算模型和数值方法的适用性和准确性，选取该文献中初始速度为30 m/s的正交风，沙粒相体积分数0.02为参数，将路堤周围的空气相文献结果和模拟结果进行对比，如表1所示.

表1 文献结果和模拟结果对比 m/s

由表1可知，除了背风坡坡脚差值大于10%外，其他的差值都很小，模拟得到的风速分布等都与文献[5]非常吻合.可见，本文基于三维模型的模拟结果与目前国内的二维模拟结果是吻合的,表明本文的模型可以用于风沙颗粒流体体系的动力学特性研究.

2.2 铁路路堤在风沙流场速度分布特征

在速度进口二的空气相摩阻风速为0.66 m/s、沙粒相摩阻风速为0.15 m/s、速度进口一的空气相和沙粒相速度都为1 m/s、沙粒相体积分数为0.05、t=2 s情况下，研究路堤周围的流场特性.

2.2.1 斜向风作用下路堤截面附近风沙流场速度分布特征

距离速度进口一边界5、50、95 m处的三个路堤横截面路堤流场速度分布图见图2.

(a)x=5 m

(b)x=50 m

(c)x=95 m

由图2可知，距离速度进口一边界不同截面处的流场速度分布有明显区别.目前的二维模型的模拟结果只能从唯一路堤截面角度研究风沙流场速度分布特征，且只有设置一个风速入口，无法模拟自然风，也就无法揭示风沙运动对铁路路堤风蚀的真实机理.本文采用三维模型以及斜向风模拟风沙运动，可以更真实揭示风沙运动对铁路路堤风蚀过程.

从图2可以看出，空气遇到铁路路堤后，速度变化趋势大体一致.空气气流在迎风坡坡脚位置上速度变小.伴随迎风坡坡面升高，空气气流速度逐渐升高，并在迎风坡坡肩附近达到最大值.路堤顶面空气气流速度保持平稳.伴随背风坡坡面降低，空气气流速度逐渐降低并且整体气流速度减小区域远大于迎风坡坡面.

图2的各图之间也有明显区别，铁路路堤周围的流场速度沿着路堤方向增大.在迎风坡坡脚位置上速度变化为5.015、6.891、9.403 m/s，且低速区逐渐缩小.在迎风坡坡肩位置上速度变化为14.421、16.933、18.789 m/s，且速度值最大部分区域逐渐增大.在背风坡坡面逐渐产生漩涡，且漩涡区域范围逐渐增大.

2.2.2 斜向风作用下路堤上方流场速度分布特征

距离地面6、7、8 m处，路堤上方流场速度分布见图3.由图3中(c)可知，路堤对空气流场影响很大.空气经过在路堤上方时，空气速度急剧增加，空气速度平均从11.91 m/s变化到15.67 m/s.远离速度进口一时，路堤上方空气平均速度增加，在靠近自由出口一且迎风坡路肩上方时达到最高速度16.93 m/s.

(a)距离地面高度6 m

(b)距离地面高度7 m

(c)距离地面高度8 m

根据图3，随着距离路基顶面位置不同(路基距离地面高5 m)，路基周围气流速度不同.距离路基顶面越近，周围速度越大且速度最大值区域变大.再次证明在迎风坡路肩上方附近空气速度达到最大值.

图4(a)为距离速度进口一95 m边界铁路路堤中心、迎风坡坡肩、背风坡坡肩位置处断面上的风速廓线图.从图中可以得出，迎风坡坡肩断面处气流速度从路肩表面起0.3 m范围内，迅速从零增加到18.789 m/s然后逐渐减小，最后趋于平稳.铁路路堤中心、背风坡坡肩断面处气流速度从表面增加到17.067、16.551 m/s之后缓慢减小趋于平稳.此外，三个断面高度达到4 m及以上时，风速廓线趋势变化大体相同且气体速度相对稳定.

图4(b)为不同截面处迎风坡坡肩风速廓线图.从该图可以得出，迎风坡坡肩处的气流速度轮廓线随高度呈“象鼻效应”.空气气流在坡肩上方0.3 m范围内，分别获得气流最大速度14.421、16.933 、18.789 m/s，然后气流速度逐渐减小.综上可知：远离速度就进口一时，空气气流在迎风坡坡肩处的最大风速不断增加，但流场中气流最大速度出现的位置相同.

(a)x= 95 m路堤上方不同断面处风速沿高度变化曲线

(b)不同截面处迎风坡坡肩风速廓线

2.3 路堤周围积沙形成特点

通过风沙流场速度分布可知，风是带动沙粒飞行的动力，当风的速度高于起风沙的速度时，沙粒伴随风开始移动.但空气和沙粒相互之间会产生阻力，重力的影响会使沙粒与床面发碰撞，从而使沙粒迁移速度变小.当风速不足以使沙粒再次启动时，就会产生积沙.沙粒在不同的堆积阶段，其堆移过程的特点也有所不同.

在速度进口一的空气相和沙粒相速度都为1 m/s、速度进口二的空气相摩阻风速为0.66 m/s、沙粒相摩阻风速为0.15 m/s、沙粒相体积分数为0.05工况下，研究铁路路堤在时间t的变化下沙粒在铁路路堤的堆积过程.

2.3.1 路堤坡面积沙阶段

风沙流经过铁路路堤时，由于路堤的阻碍使风沙流的平均速度下降，以至沙粒跌落在路堤和路堤周围的地面上.因为迎风坡阻碍风速最强，所以沙粒首先跌落在迎风坡坡面上.背风坡由于不能直接接触斜向风，故风速减小致使背风坡坡面沙粒逐渐累积.

从图5可知，空气中的沙粒沉积到迎风坡上，沙粒在迎风坡坡面堆积特别显著，随着时间的增长沙粒体积分数从18.7%增大到33.7%.在背风坡坡面且靠近背风坡坡肩附近开始堆积沙粒，最大体积分数从10.1%增大到18.4%.路堤周围地面沙粒分层堆积，距离路堤越近的地面沙粒堆积越多.

(a)t=1 s地面积沙 (b)t=2 s地面积沙

图5 路堤坡面积沙阶段沙粒体积分数

2.3.2 路堤顶面积沙阶段

风沙流经过迎风坡坡面到达坡顶时，没有跌落在迎风坡坡面的沙粒再一次受到阻力影响，致使空气气流的速度减小，故沙粒逐渐在路堤顶面堆积.由于背风坡坡脚附近产生回流致使风速较低，所以沙粒更容易在背风坡坡脚处堆积.风沙流中沙粒相与地面碰撞，沙粒的水平动量和机械能发生损失，故在速度进口处附近地面产生沙粒堆积现象.

从图6可知，路堤顶面的沙粒堆积明显，沙粒最大体积分数从36.3%增大到38.4%.背风坡坡脚开始积沙且随着时间的增长而变大，沙粒的体积分数从34.4%增大到37.8%.速度进口二处地面附近也产生沙粒堆积，这是由于风沙流中沙粒相与地面碰撞产生的.虽然这部分沙粒并没有直接对路堤堆沙产生影响，但是这些堆沙可以模拟路堤周围的砂层且影响附近风速，使到达路堤风速降低，符合自然规律.

(a)t=4 s地面积沙 (b)t=5 s地面积沙

图6 路堤顶面积沙阶段的沙粒体积分数

2.3.3 路堤坡面积沙滑落阶段

迎风坡坡面和背风坡坡面的沙粒受重力、空气回流等影响，随时间逐渐向各坡脚滑落，故迎风坡坡面和背风坡坡面未产生大量堆沙.这也是路堤具有防沙功能的主要原因.

由图7可知，迎风坡坡面和背风坡坡面沙粒体积分数逐渐减小.迎风坡坡面沙粒主要从自由出口2沿着路堤逐渐变小且沙粒体积分数从19.6%降低为17.2%.背风坡坡面沙粒整体滑落且体积分数从31.4%降低为27.8%.在迎风坡坡面和背风坡坡面附近的地面产生大量的积沙，且迎风坡坡面积沙要多于背风坡坡面.

(a)t=8 s地面积沙(b)t=10 s地面积沙

图7 路堤坡面积沙滑落阶段的沙粒体积分数

2.3.4 路堤坡脚积沙阶段

风沙流经过铁路路堤，最终沙粒相脱离空气相在铁路路堤及其周围堆积，路堤的积沙主要集中在路堤坡脚附近地面和路堤坡顶.因为路堤迎风面和背风面沙子跌落到附近地面，故沙粒在坡面堆积较少并且路堤坡脚处逐渐堆积.

由图8可知，路堤顶面积沙逐渐增加，沙粒相最大体积分数为56.4%，且沙粒主要堆积在靠近速度进口一边界.迎风坡面和背风坡面沙粒逐渐滑落，沙粒相体积分数分别为9.4%、17.8%.迎风坡坡脚积沙逐渐增大，且最大积沙区域靠近自由出口一附近.背风坡坡脚沙粒堆积均匀，没有明显最大积沙区域.迎风坡坡脚沙粒堆积量大于背风坡坡脚.铁路路堤周围积沙地面逐渐扩大且积沙量逐渐增加.

(a)t=20 s地面积沙 (b)t=20 s(距离速度 进口一边界95 m)

图8 路堤坡脚积沙阶段的沙粒体积分数

2.3.5 路堤周围积沙体积分数变化规律

风沙流经过铁路路堤产生沙粒堆积，沙粒在路堤周围堆积并不随着时间增长而逐渐增多.由图9可知，迎风坡坡面和背风坡坡面的体积分数是逐渐变大然后逐渐变小，表明沙粒在此区域发生堆积和风蚀.迎风坡坡脚、路堤坡顶和背风坡坡脚的体积分数是逐渐变大，表明沙粒始终在此区域堆积.迎风坡坡面和背风侧坡面的数据可知，沙粒最先在迎风坡坡面达到最大值且沙粒体积分数变化速度快于背风坡坡面.对比t=2 s和t=20 s的各区域沙粒体积分数可知，风沙流遇到铁路路堤时坡面处积沙多于坡脚处积沙，但最终坡脚处积沙多于坡面处积沙.

图9 路堤周围不同区域的沙粒相体积分数变化图

2.4 速度进口对铁路路堤堆沙的影响

2.4.1 风沙速度方向对沙粒体积分数的影响

在速度进口二的空气相摩阻风速为0.66 m/s、沙粒相摩阻风速为0.15 m/s、沙粒相体积分数为0.05、t=10 s工况下，研究铁路路堤在速度进口一变化下(即改变风沙速度方向)沙粒在铁路路堤的堆积情况.

随着速度进口一的风沙流速度从1 m/s变化到3 m/s，虽然沙粒最大体积分数从61.1%到59.7%略有下降，但路堤顶部的体积分数从 44.3%变化到49.4 %并且区域明显增大.从路堤顶面可知，伴随速度进口一的风沙流速的增大，路堤顶面最大体积分数区域明显后移，并且体积分数最大区域也明显变大.伴随速度进口一的风沙流速的增大，迎风坡面沙粒慢慢跌落到地面的区域变小，表明随着速度进口一风沙流增加会使地面沙粒堆积坡脚过程变慢.从迎风坡坡面附近的地面可知，随着速度进口一的风沙流速的增大，沙粒堆积区域越远离速度进口一.

2.4.2 风沙速度大小对沙粒体积分数影响

在速度进口一的空气相和沙粒相均为1 m/s、沙粒相体积分数为0.05、t=10 s工况下，研究铁路路堤在速度进口二变化下(即改变风沙速度大小)沙粒在铁路路堤的堆积情况.

随着速度进口二的沙粒和空气的平均速度增大，虽然沙粒最大体积分数从61.1%略降至60.9%，但路堤顶部的体积分数从 44.3%增大到59.4%，且区域明显增大.从路堤顶面可知，随着速度进口二的沙粒和空气的平均速度增大，沙粒体积分数最大区域也明显变大，且堆沙区域的地方靠近迎风坡坡肩附近.随着速度进口二的沙粒和空气的平均速度增大，迎风坡面沙粒没有显著跌落到地面区域，会使沙粒易于堆积在迎风坡坡面，使地面沙粒堆积坡脚过程变慢.从迎风坡坡面附近的地面可以可知，随着速度进口二的沙粒和空气的平均速度增大，沙粒堆积区域越靠近路堤，这使迎风坡坡面坡脚处更易于堆沙.

3 结论

(1)风沙流经过铁路路堤时，空气气流在迎风坡路肩上方0.3 m处且最接近模型出口处产生风速最大值，与初始风速比较增加了25%，表明此处对路堤风蚀最厉害;

(2)根据沙粒在三维模型中积沙的特点，故堆积过程可分成四个阶段.分别为路堤坡面积沙阶段，路堤顶面积沙阶段，路堤坡面积沙滑落阶段，路堤坡脚积沙阶段;

(3)斜向风方向改变即速度进口一从1 m/s增大到3 m/s，使铁路路堤顶面沙粒体积分数增大了约12%.使路堤顶面最大积沙区域向后移动，并使地面堆沙过程变慢;

(4)斜向风速度大小改变即速度进口二的空气相摩阻风速0.66 m/s增大到0.99 m/s和沙粒相摩阻风速0.15 m/s增大到0.33 m/s，使铁路路堤顶面最大沙粒体积分数增加约34%.使路堤顶面的积沙区域增大，并且沙粒易于堆积在迎风坡坡脚处，造成铁路路堤侵蚀破坏.

[1]董治宝，郑晓静．中国风沙物理研究50a(Ⅱ)[J]．中国沙漠，2005,25(6):795- 815.

[2]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.

[3]武生智,任春勇.基于欧拉双流体模型的风沙运动模拟[J].兰州大学学报(自然科学版)，2012，48(1):104- 107.

[4]王康龙，武建军，罗生虎．风沙运动的欧拉双流体模型参数研究[J].中国沙漠，2014，34(6)：1461- 1468.

[5]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.

[6]李泉,杜礼明.突变阶跃型阵风作用下高速列车的气动性能分析[J].大连交通大学学报，2016,37(3):27- 31.

[7]杜礼明，倪守隆.降雨环境下大气底层边界型风场对列车气动性能影响[J].大连交通大学学报，2016,37(5):56- 61.

[8]黄勇.酒额铁路戈壁风沙流地区沙害成因及防治措施[J].铁道标准设计，2015,59(7)：32- 35.

[9]中华人民共和国铁道部.TB 10035—2006铁路特殊路基设计规范[S]．北京:中国铁道出版社，2006．

Distribution Characteristics and Accumulation Process of Sands around Railway Embankment

CUI Song,DU Liming,NIU Bo

(School of Traffic and Transportation Engineering,Dalian Jiaotong University,Dalian 116028,China)

Based on Euler two-phase model, a three-dimensional numerical model of sand flow moving over railway embankment was established. The sand-flow distribution characteristics were analyzed, and the accumulation process of sand grains was explored. The results show that the sand-flow velocity distribution around the embankment is increased along the wind direction, and the maximum velocity in the windward slope shoulder is increased by 25%. The accumulation process of sand grains on the railway embankment can be divided into embankment slope sand accumulation stage, embankment top surface sand accumulation stage, embankment slope sand slide stage and embankment toe sand accumulation stage. It also indicates that the maximum sand volume fraction increases on the embankment top surface, and sands accumulating area also increases with the wind-sand flow speed increasing.

railway embankment;wind-drift sand;sand accumulation;Euler two-phase model

1673- 9590(2017)04- 0098- 06

2016- 03- 16

崔嵩(1990-)，男，硕士研究生;杜礼明(1972-)，男，教授，博士，主要从事机车车辆流体动力学方面的研究E-mail:dlm@djtu.edu.cn.

A