戈壁风沙流地区有砟道床防沙盖板防沙效果及技术方案研究

冯威

（1. 中铁第一勘察设计院集团有限公司，陕西 西安 710043；2. 陕西省铁道及地下交通工程重点实验室（中铁一院），陕西 西安 710043）

1 概述

图1 太中银铁路植物防沙

早在1880年，在修建中亚细亚铁路过程中，就开始了铁路风沙危害防治的研究，提出在线路两侧建立植被的防护方案。后续国外西哈萨克斯坦铁路、伏尔加铁路和我国包兰铁路、青藏铁路、太中银铁路、兰新客专等项目修建过程中，在数值分析[1-3]、调研[4-5]、现场监测[6-7]、风洞试验[8-9]等方面做了大量工作，逐渐形成了“机械、化学或植物固沙，栅栏、挡风墙、防风林带阻沙，增加地表粗糙度积沙，运用空气动力学输沙，借用机械遮挡导沙，人工或机械除沙”等风沙地区铁路沿线防沙、治沙技术体系（见图1、图2）[10-11]，起到了良好的固沙、防沙、阻沙效果[12]。

图2 兰新客专路基阻沙

然而，由于铁路沙害控制难度大、发生形式多样化、土壤侵蚀量大、季节性强等特点，铁路沙害的控制措施和技术仍存在许多问题有待解决和研究[13-14]，尤其是线路积沙影响行车安全、道床积沙降低线路质量、轨头落沙缩短钢轨使用寿命等线路服役性能研究工作开展较少[15]。

一般戈壁风沙流地区路基防沙工程措施以减少路基边坡积沙为主[16]，为此，进一步做好道床防沙措施对于保障行车安全、缓解道床积沙、延长养护维修周期十分必要。

2 防沙盖板防沙效果数值分析

2.1 数值模拟

2.1.1 风场数值模拟[13，17]

模拟的风场考虑湍流、无热交换且不可压缩。基于流场质量守恒方程和动量守恒方程，将湍流运动看作由时间平均流动和瞬时脉动流动的叠加，并在此基础上引入张量的指标记号，将质量守恒方程和动量守恒方程改写为：

式中：ρ为空气密度；μ为动力黏度；S为广义源项；i为自由指标，j为哑指标（i和j取值范围为1，2，3）。进而应用k-ε湍流模型及其常数求解得出压力场和速度场。

2.1.2 沙粒数值模拟

沙粒在气流中所受的作用力主要包括：重力Fg、拖 曳 力FD、 升 力FL、Magnus力FM、Basset力FB、Saffman升力FS和静电力FE等，其受力示意见图3，图中up为沙粒速度、u为风速。

图3 沙粒受力示意图

2.2 模型及参数

借助集合了Fluent求解器的ANSYS平台，借助Fluent提供的离散相模型，可在Lagrangian坐标下模拟流场中离散的第二相[18]。由沙粒构成的第二相分布在连续相中，Fluent可计算这些沙粒的轨迹及由沙粒引起的质量传递。

2.2.1 模型

按照不同工况参数分别建立道床-路基实体模型，实体模型外围填充空气流场，流场高度为固体模型20 m，向前延伸32 m，向后延伸80 m，横向宽度3 m。

将流场分为4个部分，前、后和中间的上面部分采用六面体网格，中间的下面部分采用四面体网格以适应复杂的流场。整个流场网格自上而下逐步加密。

2.2.2 边界条件

轨道-路基实体及空气流场模型见图4，空气流场与轨道方向垂直，在各个算例中采用相容的来流风速以便于对比分析。

进口边界采用速度入口。主要考虑主风向的情况下，整个流场基本是沿风速对称的，故计算区域的两端和顶部的边界采用对称边界。底部边界为固壁边界，沙质地表，对沙粒反弹。出口边界为压力出口，对沙粒为逃逸边界。

图4 轨道-路基实体及空气流场模型

2.2.3 沙粒设置

模拟中视沙粒为球体，沙粒入口处为实体模型前1 m处垂直于风速的平面。为了节省计算量，预先应用大涡模拟程序计算出该入口风速下平地上的风沙流结构（见图5），其中横坐标为单位时间内单位面积的沙粒质量，纵坐标为高程。

图5 空气流场入口沙粒沿高程分布情况

2.3 模型分析

仿真模型分别采用普通有砟轨道实体模型和轨道道床顶面设置防沙盖板的有砟轨道实体模型（见图6中红线区域），通过对不同条件下道床表面风沙流速度云图、速度矢量图和沙粒轨迹图等进行对比，定性分析风沙流运动、沉积规律。

由图6可知，增设防沙盖板增加了道砟上部流场风速，沙粒跃过路基后受到的拖曳力更强，运动轨迹延长从而导致沙粒不易落到道砟上；道砟顶部表面正向风厚度增加且风速增强明显，显著增加了清除道砟上表面沙粒的能力。

图6 不同条件下道床表面风沙流速度云图

图7 不同条件下道床表面风沙流速度矢量图

无防沙盖板和增设盖板条件下道床表面风沙流速度矢量图见图7，可见，增设防沙盖板后回流区厚度减小且风场结构紊乱，对低速沙粒的控制作用减弱，而地表正向风显著增强，降低了回流区的作用。

无防沙盖板和增设盖板条件下道床表面风沙流沙粒轨迹见图8，可见，增设防沙盖板后降低了道床表面粗糙度，风速增大进而拖曳力增大，沙粒运动过程中获得更大能量更不易沉积。另外，防沙盖板增加了道床表面的光滑度和硬度，使沙粒反弹过程中损失的能量减小，沙粒的动能更强，沉积的情况也会减少。

图8 不同条件下道床表面风沙流沙粒轨迹

可见，道床增设防沙盖板有助于风吹沙跃过道床，有助于提升道床表面风速而清除表面沙粒，可增加道床光滑度和硬度进而减少沙粒运动能量损失和沙粒沉积。

3 防沙盖板防沙效果试验分析

3.1 试验方案

（1）试样制备。试验采用一级道砟试样分别分层装入2个试验道砟盒，并在12.5 kPa的竖向压力下侧限固结，使颗粒充分接触，在100.0 kPa竖向压力下固结，后在1个道砟盒上层覆盖防沙盖（含盖板接缝）。

（2）洒沙及模拟振动。选取等质量的细沙2份，并分别均匀洒在试样表面，将试验试样置于模拟列车运营环境的振动台上（见图9），模拟振动并不断收集称量细沙下渗量。

图9 振动台振动试验

3.2 试验结果

普通有砟轨道试样和设有防沙盖板的有砟轨道试样分别模拟沙粒渗落，其中工况一为普通道床，工况二为表层铺设泡沫颗粒或小颗粒石子并喷洒道砟胶道床，具体试验操作过程包括：道砟取样、封闭工况模拟、沙粒称量、振动台模拟等。试验方案采集的数据汇总见表1，振动过程中沙粒下渗量随时间的变化曲线见图10。可见,普通道床沙粒渗漏比例较高，设置防沙盖板道床方案防治沙粒下渗效果较好。

表1 不同工况的试验数据对比

图10 振动全程沙粒下渗随时间变化规律

4 防沙盖板技术方案

结合轨道结构设计采用Ⅱ型混凝土轨枕（1667根/km）、单层道床的戈壁风沙流地段开展防沙盖板技术方案研究。

4.1 结构设计

防沙盖板由道心板、砟肩板、坡面板三部分组成。各板纵向以1根或2根轨枕间距作为一块单元板的宽度，板与板之间采用销钉等方式进行连接，盖板厚度18～20 mm；道心板和砟肩板留出扣件作业空间；平铺盖板具有一定自质量，采用销钉等方式连接成整体结构，并在起始点采取一定技术措施确保在行车及风力作用下不掀起、不移位。各型防沙盖板结构设计示意见图11。

图11 防沙盖板结构设计示意图

4.2 铺装

有砟道床防沙盖板铺装设计见图12。

考虑制造、运输、安装、拆卸的可操作性，道心板、砟肩板、坡面板的板与板之间采用销钉等方式连接后，坡面板在道床坡脚路基面上固定。

图12 防沙盖板铺装示意图

5 结论与建议

基于戈壁风沙流地区风沙灾害特点及路基工程风沙防治措施，开展了有砟道床防沙盖板防沙效果及技术方案研究，得出以下结论：道床增设防沙盖板有助于风吹沙跃过道床；有助于提升道床表面风速进而清除表面沙粒；可增加道床光滑度和硬度进而减少沙粒运动能量损失和沙粒沉积；有砟道床设置防沙盖板试验结果为防治沙粒下渗效果较好，下渗量仅为顶面洒沙率的2.8%。

基于有砟轨道道床表面铺设防沙盖板仿真及试验防沙效果分析，进一步完成了采用Ⅱ型混凝土轨枕、单层道床铁路线路的防沙盖板方案设计，建议戈壁风沙流地区铁路项目建设按需选用。