可调式铁路挡沙墙防沙性能研究

党海明,赵耀军,扎西邓珠,杨 林,李 勇

(1.青藏集团有限公司格尔木工务段,青海格尔木 816000； 2.中铁西北科学研究院有限公司,兰州 730070)

中国是世界上铁路运营里程最长的国家之一，也是遭受铁路风沙灾害最严重的国家之一，如兰新高速铁路、兰新铁路、青藏铁路、临策铁路、包兰铁路等[1-5]。受风沙灾害影响，铁路相关部门每年需要投入大量的人力、财力和物力保障铁路安全畅通。为减轻风沙灾害对铁路造成的影响，国内外学者利用现场监测[6-8]、风洞试验[9-11]和数值模拟[12-14]等手段进行大量研究，剖析了区域风沙环境和铁路风沙灾害形成机理[15-16]，并提出了多种风沙防护措施，部分应用在实际工程中，取得了良好的防沙效果[17-19]。

总体来看，铁路风沙防治措施可大致分为两类：生物防沙和机械防沙[20]。前者是利用植物进行防沙，具有一劳永逸和改善生态环境的优点，但对植被的立地条件要求高，前期需要机械防沙保持其成活率，并且需长期灌溉维养，相应的工程费用也较高。后者是利用钢筋混凝土、芦苇把子、HDPE网、石棉瓦、卵石、黏土、化学材料等进行防沙，具有见效快、施工便捷、不受环境制约、工程费用相对较低等优点，但需通过定期清除周围积沙保持其高效性。由于铁路工程属于线性建筑，沿线穿越多种微地貌，具有跨度空间大的特点，西北荒漠区新建铁路沿线满足植物治沙条件的区段较少，因此，大部分路段均采用机械防沙。然而，气流受到机械防沙措施的扰动作用后，会在其顶部形成气流加速区，导致部分沙粒越过挡沙墙，一定程度上降低了防沙效率。倘若能够降低防沙措施顶部的气流速度，则可能削弱该区域气流的携沙能力，从而提高防沙措施的阻沙效率。

针对上述问题，提出一种新型的可调式挡沙墙，即通过风能自动调整其底部挡板的开口角度，从而削弱顶部气流的速度，达到提高其防沙效率的目的；同时，基于数值模拟和风洞试验，研究可调式挡沙墙的防沙性能，并对其设计参数进行优化，以期为防沙工程的设计提供参考和新思路。

1 风洞试验

本次试验在宁夏沙坡头中科院寒旱所风洞实验室进行，风洞总长38 m，试验段长21 m，来流风速可在0～40 m/s内调整。风洞试验中可调式挡沙墙模型如图1所示，主要由2根立柱、4块挂板和1块挡板构成。其中，1号挂板、2号挂板和挡板固定在立柱上，3号挂板和4号挂板可以随转轴自由旋转。挡沙墙高60 cm，挂板长、宽、高为107.7 cm×11.25 cm×0.7 cm，挡板长、宽、高为107.7 cm×10.0 cm×0.7 cm，4号挂板与挡板之间存在5 cm空隙。

图1 风洞试验中可调式沙墙模型示意(单位：cm)

风洞试验主要监测挡沙墙周围的风速变化情况，风速数据采用皮托管进行收集，风速监测点分别布置在迎风侧0.3H(H为挡沙墙高度)、0.5H、0.8H、1.0H、1.5H、2.0H、2.5H、3.0H、3.5H、4.0H、4.5H、5.0H、7.0H、9.0H、12.0H、15.0H以及背风侧0.3H、0.5H、0.8H、1.0H、1.5H、2.0H、2.5H、3.0H、3.5H、4.0H、4.5H、5.0H、7.0H、10.0H处，皮托管的监测高度分别为6，9，13，16，27，63，121，202，353，499，600 mm，入流风速分别取10，15，20 m/s。

2 数值模拟

2.1 模型建立

仿真模型计算域尺寸为100 m(长)×30 m(宽)，挡沙墙距离入口25 m，其尺寸与风洞试验中的挡沙墙模型相似比为1∶3，即数值模拟中挡沙墙高度为1.80 m。计算域中采用非结构化网格，网格单元总数均超过65万个。仿真模型入口边界定义为Velocity-inlet，出口边界定义为Out-flow，壁面边界条件定义为Wall。

2.2 控制方程

本研究中的风沙流采用欧拉双流体模型进行模拟，其控制方程主要包括质量方程和动量方程，相应的表达式如下。

质量方程

(1)

式中，当j=1时为气相，当j=2时为固相；βj为第j相的体积分数，其中，β1+β2=1；ρj为第j相的密度；vj为第j相的速度。

动量方程

气相

-β1∇p+∇·τ1+β1ρ1g+I12(v1-v2)

(2)

固相

∇·τ2+β2ρ2g+I21(v2-v1)(3)

式中，τ1和τ2分别为气相、固相应力应变张量；p为气相和固相共享压力；g为重力加速度；I12=I21为两相动量交换系数；p2为固相压力。

2.3 计算参数

风沙流模型中将空气设置为稀相，密度1.225 kg/m3；沙粒设置为固相，密度2 600 kg/m3；风沙流中沙粒体积分数取为0.02，固相设置为球形，粒径取为0.125 mm。在CFD软件中，同时实现挂板的转动和风沙两相流的耦合，对计算机的性能要求特别高。为节约计算资源，本文将3号和4号挂板分别固定为10°，15°，20°，研究不同风速环境下不同挂板角度的挡沙墙周围风沙流运动特性。

3 结果分析

3.1 流场结构

图2为风速v=25 m/s，3号和4号挂板倾角(与垂直方向的夹角)分别为α3=10°和α4=20°工况下速度等值线。由图2可以看出，可调式挡沙墙周围速度分布形态与其他挡沙墙的类似，分别在挡沙墙迎风侧、顶部和背风侧形成减速区、加速区和紊流区。值得注意的是，在3号和4号挂板的背风侧气流速度略微增加，形成局部高速区，主要原因是气流在通过3号和4号挂板空隙处过流断面减小，在“狭管效应”作用下气流速度得到加强。图3为上述工况下对应的气流流线，不难发现，挡沙墙周围出现多个涡旋流，且背风侧涡旋流的数量和尺寸远大于迎风侧。从涡旋流的发育程度分析，可调式挡沙墙背风侧的沉沙效率远高于迎风侧。

注：1.L为距挡沙墙的距离，正值代表背风侧，负值代表迎风侧；2.H为距离地表的高度；3.风向从左到右； 下同。图2 可调式挡沙墙周围速度等值线

图3 可调式挡沙墙周围气流流线

3.2 相对风速

图4为挡沙墙周围的相对风速变化趋势，很容易看到，相对风速随距离近似呈“V”形分布，风洞试验和数值模拟结果基本吻合，说明数值模拟结果具有较高的可靠度。此外，根据相对风速的变化速率可大致分为4个段落：当-10h≤S≤-2h时，风速略微减小，减幅在20%范围以内；当-2h

注：h为挡沙墙高度。图4 距地表0.75h高度处相对风速变化趋势

3.3 积沙分布特征

图5为风速v=25 m/s，α3=10°和α4=20°工况下基于数值模拟的挡沙墙周围积沙分布形态，很容易看到，积沙主要分布在背风侧，迎风侧几乎无积沙，这与现场调查结果一致(图6)，说明本文仿真模型能够很好地模拟挡沙墙周围的风沙流运动特征，具有较高可信度。此外，注意到背风侧积沙与挡沙墙之间存在一定距离，主要原因在于3号和4号挂板的背风侧存在气流高速区，该区域气流的携沙能力得到加强，运动到此的沙粒很难沉积。

图5 基于数值模拟的可调式挡沙墙周围积沙分布形态

图6 可调式挡沙墙周围现场积沙分布形态

3.4 挂板设计参数优化

挡沙墙挂板的旋转角度不仅与其质量有关，还与环境风速有关。通常情况下，区域风速比较稳定，在一定范围之内，挂板的质量可以人为控制，因此，可通过调整挡板的质量来控制挡沙墙的防沙性能。

由于采用风沙两相流计算挡沙墙周围的积沙形态需大量的计算时间和计算资源，而前述分析表明通过挡沙墙周围的流场结构和相对风速可以较好地预测挡沙墙的防沙性能。因此，为节约计算时间和计算资源，首先利用单相流模拟了多种工况下挡沙墙周围气流运动状态；然后通过对比分析筛选出两块挂板角度大小的最优关系；最后利用气固两相流模型得出不同风速下最优的挂板夹角。

流场结构和相对风速分析表明，同等条件下可调式挡沙墙挂板角度α3≤α4时防沙性能优于α3>α4，故下述分析的挡沙墙模型挂板均在α3≤α4条件下进行。图7～图9为3种风速下挂板角度对挡沙墙周围积沙形态的影响，可以看出，25 m/s风速下，3号挂板在10°～20°且4号挂板在15°～20°时，挡沙墙防沙性能最佳；35 m/s风速下，3号和4号挂板均在15°～20°时，挡沙墙防沙性能最佳；45 m/s风速下，3号挂板在15°～20°且4号挂板在20°左右时，挡沙墙防沙性能最佳。实际工程中可先掌握区域环境风速，然后根据风力和挂板角度确定两块挂板的质量，使挡沙墙的防沙效率达到最优。

图7 25 m/s风速下不同挂板角度的挡沙墙周围积沙形态

图8 35 m/s风速下不同挂板角度的挡沙墙周围积沙形态

图9 45 m/s风速下不同挂板角度的挡沙墙周围积沙形态

4 结论

针对传统挡沙墙存在的不足，提出一种新型可调式挡沙墙，并结合风洞试验和数值模拟，对其防沙性能进行分析，同时优化了不同风速下挂板的设计参数，得到以下结论。

(1)气流经过可调式挡沙墙时，速度重新分布，分别在挡沙墙迎风侧、顶部和背风侧形成减速区、加速区和紊流区，这与传统挡沙墙的流场结构类似，但受“狭管效应”影响，在能够自由转动的挂板背风侧形成局部气流高速区。

(2)挡沙墙背风侧涡旋流的尺寸和数量远大于迎风侧，风速衰减能力也远强于迎风侧，从涡旋流的发育程度和沙粒动能的来源分析，挡沙墙的背风侧是主要沉沙区。

(3)可调式挡沙墙的积沙分布形态与风速和挂板角度相关，但积沙主要集中在背风侧，且与挡沙墙存在一定的距离，而迎风侧几乎无积沙，这与现场调查结果相吻合。此外，数值模拟和风洞试验得到的相对风速也基本一致，表明数值结果具有较高的可信度。

(4)可调式挡沙墙的防沙性能与挂板倾角和风力有关，在不同风速环境下，挂板的最优设计值如下：在25 m/s风速下，3号挂板和4号挂板倾角的最佳组合分别为10°～20°和15°～20°，35 m/s风速下，3号挂板和4号挂板倾角的最佳组合为均为15°～20°；45 m/s风速下，3号挂板和4号挂板倾角的最佳组合分别为15°～20°和20°。