沙漠铁路固沙砖设计参数的数值模拟

王海龙,刘 畅,孙 婧,张 治,李玉龙

(河北建筑工程学院土木工程学院,河北张家口 075000)

风沙对于铁路的主要危害表现为风蚀路基或堆积掩埋路基和轨道，除此之外还包括污染道砟、堵塞涵洞、两轨电路短路信号紊乱和“风沙电”造成通讯不良等[1-3]。沙漠铁路风沙灾害防治分为植物治沙和工程治沙[4]。由于植物治沙常常受限于当地气候、土质等要求，工程治沙成为环境恶劣、植被生长困难的沙漠地区中的常用措施。工程治沙一般分为固沙工程、阻沙工程、输导沙工程3类。其中，固沙工程主要通过在地表设置PE网、砾石、枝条等材料的障碍物以达到固沙的目的[5-7]。高永等[8]探究沙柳沙障不同规格的防护效益；张克存等[9]提出砾石方格对风速的削弱作用显著；袁立敏等[10]研究了沙袋沙障对风沙及植被生长的影响。以上材料存在一些缺点，如沙柳沙障易倒伏、砾石沙障中原材料砾石需求大、现场可取材料不足、沙袋沙障中沙袋不易降解等。塑料方格沙障有防风固沙效果好、操作技术简单、运输方便等优点，目前在线路风沙灾害中广泛应用[11-13]。塑料方格沙障具有一定的疏透性和通风性，可以有效提高沙障内湍化程度，有利于风沙流中沙粒沉降。屈建军等[14]通过提出上疏下密式孔隙结构的HDPE材料功能性沙障，可以有效提高沙障网间的有效防护距离，但HDPE材料存在不易降解、耐久性不足且容易沙埋、掏蚀的不足。目前，青海雅丹地貌区沙漠铁路风沙防治措施仍然主要为塑料方格沙障，在当地高日照，低降水环境下，PE网易出现破损、失效，同时PE网材质对当地环境易造成污染[15]。鉴于此，本文旨在讨论不破坏当地地貌环境的新型固沙手段，并能保证其耐久性、有效性等功能指标。

1 工程概况和研究方法

青海省新建地方铁路鱼卡(红柳)至一里坪线正线长度98.053 km，其中线路所经雅丹地貌区和早期湖积盆地长度为51.44 km，该地区地表无植被生长，土壤盐漠化严重，表土盐渍化程度高。年平均气温2.9 ℃，极端最高气温35.4 ℃，极端最低气温-32.0 ℃，降水量稀少，海拔高，空气稀薄，日照时间长；风速大，多风沙，一般3～5月是风暴、沙暴多发季节，最大瞬时风速31.1 m/s，最大定向风速为26.7 m/s。铁路沿线采用的塑料方格沙障已经出现不同程度的破坏，故根据鱼卡(红柳)至一里坪沿线地质条件、水文条件，气候特征分析，解决原有固沙方式易被风沙掩埋和掏蚀等缺点[16]，采用当地超氯盐渍土混合一定比例固沙材料制成固沙砖，代替原有PE网沙障。

目前对于固沙方格沙障，大多采用风洞试验或现场原型试验获取数据分析结果，而应用数值模拟软件分析固沙沙障的研究几乎没有。结合当地风沙特点，利用ANSYS CFD数值仿真软件FLUENT，对比不同砖高、不同排列情况和不同孔隙率(0、0.05、0.1、0.2、1.0)工况下，固沙砖铺设区流场和风沙流结构的变化情况，并根据工程造价等实际情况，提出适合雅丹地貌区的最优固沙砖设计参数。

2 模型分析

2.1 物理模型

在数值模拟中，将在风沙环境下的固沙砖方格沙障作为数值模拟的计算模型。计算流域的大小会影响风沙流的湍化程度是否充分，也直接影响计算结果的可靠性和有效性。理论上，计算流域越大，固沙砖周围流场的湍化程度受流场边界的影响越小，计算结果越真实可靠，但计算量往往偏大，计算效率过低；若计算流域很小，计算量小，但是无法反映实际流场情况，导致误差较大。故选择合适的流场，既可以提高计算效率也可确保准确性。经过比较试算，应用ANSYS Workbench建立二维模型，固沙砖方格沙障铺设宽度为15 m，流场模型总体尺寸为40 m×4 m，且将迎风侧第一排固沙砖靠近风速入口5 m处，这样可以基本保持固沙砖沙障后面流场的充分发展。x轴为风沙流方向，y轴为垂直地面向上方向。将不同工况进行竖直模拟。

2.2 控制方程

风沙流在不考虑流体的热传导及扩散、不考虑流体的压缩性、忽略颗粒间相互碰撞作用的前提下[17]，同时认为大气流场属于紊流、稳态、绝热[18]，采用标准k-ε紊流模型[19]，控制方程如下。

(1)连续方程

(1)

(2)动量守恒方程

(2)

式中，Si为源项，其分为黏性损失和惯性损失

(3)

(3)标准k-ε模型的湍动能及耗散率方程

式中，Gk为平均速度梯度而产生的湍动能。

即

(4)

式中，C1ε，C2ε常取经验常数1.44、1.92；σk、σε为湍动能和湍流耗散率的Prandt1数，常取经验常数1、1.3。

湍动黏度μt可表示为

(5)

2.3 网格划分及边界条件设置

由于计算模型采用2D简化模型，且流场区域各个边界都与坐标轴平行，故网格主要采用结构化网格划分。为了加快计算效率和计算精度，本模型采用非均匀四边形网格划分，在风沙流易湍化区域对网格进行加密。计算模型网格数目为101 419，采用SIMPLE算法，收敛误差为10-5。

边界条件用于控制边界截面特性，对模拟结果至关重要[20]。边界条件设定如表1所示。

表1 边界条件设定

3 结果与讨论

3.1 固沙砖高度对固沙区流场影响

布置固沙沙障，可以增大地表粗糙度；同时由于沙障的遮蔽作用，当携沙风经过固沙区时，会发生绕流和渗流作用，影响固沙区前后不同位置流动断面的风速。固沙砖高度的选定会影响施工难度和流动断面的风速等，砖的高度越大，需要的抗倾覆力矩越大，相应的施工难度和造价也会越高[11]。以往工程中，塑料方格沙障一般设置高度为15～30 cm。结合当地风沙特点以及市面上制砖机的尺寸限制，拟采取高度为20、30、40 cm时的固沙砖沙障工况分别进行数值模拟分析，选取最大定向风速26.7 m/s为初始风速，结合分析结果中风压云图和速度矢量图，当固沙区来流风向2.5 m处垂直高度的风速廓线变化显著，其风速廓线如图1所示。其中，y轴为计算流域y方向坐标值。

图1 不同高度下固沙区2.5 m处风速垂直廓线

由图1可见，在固沙区铺设固沙砖比未铺设时，固沙区内部风速绝对值明显减小，最高降幅达到93.3%，但是砖高以上部分的风速却高于未铺设时的风速，这是由于铺设固沙砖会阻碍原先气流的方向，让携沙风在固沙砖前形成绕流风沿着砖壁向上运动并使其上部流场气流发生扰动；空气向上绕流，在固沙区上部聚集，风速增加，而固沙区内部气流减弱，风速骤降。沙粒起动风速一般为7～9 m/s，当固沙砖高度为20、30、40 cm时，地表风速均小于起动风速，说明铺设固沙砖能有效抑制固沙区表面流沙被吹到铁路路基从而掩埋铁轨。不同高度固沙砖的风速廓线变化趋势大致相同，基本为倒“S”形，且都呈现出在固沙砖1.5倍砖高左右时，风速较低，再向上区域风速急剧增大，且风沙流速较无固沙砖时更大；固沙区2.5 m处不同高度的两砖之间，在地面至1.5倍砖高范围内，当砖高为20、30 cm时，固沙区内风速有逐渐增大趋势，而当砖高为40 cm时，风速为先增大后减小再增大，这是由于固沙砖内形成了局部涡旋流动；涡流可以使来流携沙风贴附涡流方向向下流动，形成向下剪切力；同时涡流导致固沙区上下形成气压差，沙粒经过时会向下沉降，又因为地表风速小于沙粒起动风速，沙粒不会再被扬起，从而达到固沙阻沙目的。

由以上分析可知，当砖高为40 cm时，固沙区内部风速可以降低最高幅度为93.3%，可以有效降低近地表风速，有效遮蔽距离最大，有效遮蔽高度可达到0.6 m；结合速度矢量图，当高度为40 cm时，固沙区内大部分两砖间都出现了涡旋流动；由于涡流作用下，大部分沙粒会沉积在固沙区方格沙障内，起到净化携沙风的作用。

3.2 铺设间距对固沙区流场影响

目前，塑料方格沙障大多采用1 m×1 m的方格规格，在实际工程均取得良好防沙效果[11]。其采用木楔或竹片为固定桩，易存在兜风现象，造成底部掏蚀进而倒伏，致使固沙效率降低[14]。在地面平整的情况下，固沙砖直接铺砌在固沙区内，通过固沙砖自身重力及密实度，可省去固定桩材料、节约成本，亦能有效防止底部掏蚀情况。由于固沙砖高度设置为40 cm，需对固沙砖的间距进行比较，选择最优铺设间距。

青海雅丹地区风沙较大，固沙砖的排列间距对是否能有效阻风阻沙有着极大的影响。合适的间距可以使固沙砖间形成涡流，当携沙风遇到低速涡流区时，一部分沙粒会因为向下剪切力而沉积，另一部分沙粒会被涡流带到固沙砖背风侧并逐渐积累。这样携沙风中的大部分沙粒都会因为涡流作用而沉积在固沙砖间内部，从而减弱铁路路堤受风蚀危害。为了探究固沙砖排列间距对固沙区流场的影响，分别对间距0.5、1、2 m三种工况进行数值模拟分析。通过图2(a)可以直观地看出，当间距为0.5 m时，两砖间还未形成良好涡流，沙粒无法沉积且极易上扬翻越固沙砖；当间距为1 m时，两砖间形成良好的低速涡流，沙粒可以在两砖间大量沉积；当间距为2 m时，两砖间虽然也存在两个涡流，但是未形成速度差，无向下剪切力，携沙风经过固沙区时沙粒无法向下沉降。

固沙砖间距为1 m时速度矢量图如图2(b)所示，固沙砖排列内部形成两个良好的低速涡流，当携沙风越过第一个固沙砖时，区域一与区域二的速度值相差较大。通过数值分析可知，区域一的风速为27～45.8 m/s，区域二的风速为0～18.3 m/s，形成了明显的速度梯度。沙粒经过区域一后因为相对速度差而向区域二移动，并随着两个低速涡流沉积在固沙砖背风侧位置。当在固沙区内排列一定范围的固沙砖后，携沙风经过时，沙粒会随着每排固沙砖的阻挡作用而风速减弱并依次沉积在固沙区内，起到良好的阻沙效果。因此，当固沙砖铺设为1 m×1 m的规格时，可以充分利用涡旋作用，使大部分沙粒沉积在固沙区内。

图2 不同间距固沙砖速度云图及速度矢量图

3.3 固沙砖孔隙率对流场的影响

固沙砖的孔隙率是影响阻沙固沙效果的重要参数之一。若孔隙率过小，来流风经过固沙区时会大部分绕流，导致上部区域气流加速，而固沙区内气流速度较低，两者形成很大的速度梯度[17]，无法在固沙砖之间形成良好的低速涡流；若孔隙率过大，空气通过固沙砖以渗流为主，近地面大量风沙经过孔隙进入固沙区，致使沙粒沉积，地表风速大于沙粒起动风速，而空气绕流少，固沙区上部风速增长不大，上下部无速度差，导致上部无沙粒沉积，固沙阻沙效果都不理想。

为了分析不同孔隙率的固沙砖在固沙区内阻沙固沙效果，同样设来流风速为26.7 m/s，x为计算流域中风速垂直面的坐标值，x=0的点位于来流风方向第一排固沙砖底部中心处，固沙砖间距为1 m。固沙区沿x方向长度为15 m；β表示固沙砖的孔隙率。研究表明，当铺设固沙砖作为固沙沙障时，可以削弱近地面来流风风速，从而影响固沙区内及其后一段距离垂直断面的风速值。另外，孔隙率的高低也会影响空气通过固沙区时绕流和渗流的比重大小。因此，分别在无孔及不同孔隙率(5%、10%、20%)情况下，选择距固沙区第一排砖0.5、10.5 m，以及经过固沙区后3 m(即18 m)处进行数值模拟分析，得到图3、图4的风速廓线图。计算结果表明：当x=0.5 m时，来流风向经过第一排砖，风速变化最为明显；x=10.5 m处，经过固沙砖一定距离的阻挡作用，在固沙区中后部分风速减弱区域稳定；研究固沙区后一定距离可以得出固沙区的有效防护距离，设计固沙区与铁路路基之间的距离。在5倍砖高以上区域，流场变化基本不受固沙区的影响，故将y轴坐标选择距地面2.5 m的区域之间。

图3 无孔固沙砖在固沙区不同位置风速廓线

图3为当孔隙率为0时固沙区不同位置高度的风速变化，3个位置处的曲线都较为平缓，表明未形成涡流，结合速度矢量图说明无孔隙的固沙砖无法在固沙砖之间充分形成涡流。风沙的起动风速为7～9 m/s，当x=18 m时，近地面风速已达到9.14 m/s，地表的沙粒已经开始运动，表明固沙区的遮蔽距离太短。

无孔固沙砖阻沙固沙的效果并不理想，故将不同孔隙率(5%、10%、20%)在固沙区3个位置处的风速廓线进行比较。观察图4(a)可知，曲线都产生了震荡，这是因为涡旋流动的影响。β=20%时，近地表风速已超过沙粒起动风速，固沙区内的最大风速为27.74 m/s，固沙区上部风速为30.91 m/s，风速相差较小，未形成低速涡流；β=10%时，地表风速也已达到起动风速，且曲线震荡剧烈，幅度达到10 m/s，沙粒在固沙区内运动不易控制；当β=5%时，两砖之间形成了良好的低速涡流，风沙经过时，会因固沙区上下部的速度差和涡流而沉积在固沙区内。结合风压分布图可知，当孔隙率为5%时，固沙区上下部风压差较大，向下剪切力较大，有利于固沙区上部沙粒的沉降。图4(b)相较图4(a)，位于固沙区中后部的风速都有明显的减弱，最高降低幅度为50.46%，且孔隙率为5%时的风速最小，垂直方向上，在两砖之间，风速先从2.58 m/s增加至4.78 m/s，再反向降低至2.06 m/s，说明此时已经形成了低速涡流，且其风速都低于沙粒起动风速；而孔隙率为10%时，涡流已经不明显了。携沙风经过固沙区后，风速轮廓线已经基本呈现出对数规律，如图4(c)，在距地面高度0.9 m以下，同一高度时，孔隙率10%的风速最小，20%的风速最大。当孔隙率为20%时，地表近风速已经高于沙粒起动风速，故孔隙率5%和10%都较符合。又根据风压分布云图和整体风速矢量云图，可以得出5%孔隙率时，遮蔽距离最大。

图4 不同孔隙率的固沙砖在固沙区的风速廓线比较

通过综合对比，比较风压云图和速度矢量图，孔隙率为5%时，整体固沙区内两砖之间都能形成良好的低速涡流，且近地表风速都低于沙粒起动风速，固沙区的遮蔽距离也最大。

4 结论

(1)青海雅丹地貌区土壤盐漠化严重、气候条件恶劣、风速大、多风沙，现有固沙设施都无法满足耐久性和有效性等指标，因此提出一种不破坏当地地貌环境的新型固沙手段。本文采用当地盐渍土结合固化剂制成固沙砖，以代替原有固沙沙障，并根据实际情况，采用合理的固沙砖设计参数。

(2)固沙沙障的高度会影响固沙区周围的流场形态。通过对不同固沙砖高度进行数值模拟，得出不同高度固沙砖的风速廓线变化趋势大致相同，基本为倒“S”形；当高度为40 cm时，固沙阻沙效果较好，固沙砖之间产生局部涡流，大部分沙粒会沉积在固沙区方格沙障内，起到净化携沙风的作用；固沙区内部风速降低最高幅度为93.3%，近地表风速小于沙粒起动风速，有效遮蔽距离最大，有效遮蔽高度可达到0.6 m。

(3)青海雅丹地区风沙较大，当固沙砖铺设为1 m×1 m的规格时，可以充分利用涡旋作用，使大部分沙粒沉积在固沙区内；通过数值分析可知，固沙区内部与上部的速度差可以达到27.5 m/s，形成了明显的速度梯度，有利于携沙风中沙粒沉降。

(4)固沙砖的孔隙率是影响阻沙固沙效果的重要参数之一。当来流风速为26.7 m/s时，通过分析不同孔隙率的固沙砖在固沙区不同位置风速廓线得出，孔隙率为5%时，整体固沙区内两砖之间都能形成良好的低速涡流，且近地表风速都低于沙粒起动风速，固沙区的遮蔽效果最优。