纵向沙丘环境对半填半挖路基风积及风蚀分布特征的影响

侯永刚 李伟群* 赵旭东 岳欢 尹文华

（1.宁夏公路勘察设计院有限责任公司 宁夏银川 750001；2.中南大学土木工程学院 湖南长沙 410075）

风沙运动过程是沙粒起动、不断移动与沉淀的一个实质性变化过程。针对某一个地区实际情况，风沙流的运动状态较多，主要表现为：对于沙粒数而言，其跃起明显超过了跌落，那么便表现出风蚀状态；若跃起数量低于跌落，那么便处于风积状态［1］；若两者之间差异较小，则处于平衡状态，也叫作非堆积搬运状态。对于这一运动而言，地形、地貌、风沙、风向、地表粗糙情况、沙源等均是常见的影响因素，以上所提到的3种状态并不是固定的，而是根据因素的改变而不断变化的［2-3］。对于一个大环境而言，其地形不断地变化，在不同区域往往会出现两三种风沙状态；对于小环境而言，地形变化的幅度较小，往往只存在一种状态的风沙［4-5］。

1 计算方法

1.1 气固两相流基本方程

对于这一方程而言，无需考虑气体的压缩性、源项因素。当气流速度可视作不可压缩流体时，考虑重力的影响［6］。建立连续性方程：

式中，ux、uy分别为速度在x、y方向的分量；φr、ρr为第r相体积分数与密度。

建立动量方程为：

式中，φg、ρg为气相体积分数与密度；φs、ρs为固相体积分数与密度；φs+φg=1；fsg为气相与固相之间的作用力；Ug与Us分别为气相、固相速度；p为共享压力；ps为固相压力；g为重力加速度。

对此，本研究选择标准k-ϵ模型，将砂砾相设定为稀相，体积分数＜0.03，在风沙流湍流运动中气体发挥着关键性作用，同时，也无需考虑气体的压缩性、源项因素。建立标准k-ϵ模型运输方程：

式中，kg为湍动能；μt为湍动粘度；εg为湍动耗散率；μt=为速度在x、y方向上的分量；为经验常数；σk、σε分别为湍动能和湍动耗散率对应的普朗特数。

1.2 几何模型和网格

通过文献调查和反复实验，确定整个计算域X、Y、Z分别为400m、40m、150m。路面宽44m，边坡坡率1∶5。路堑宽度50m，路堑高度6.25m。网格采用最新的Fluent meshing 技术生成Poly-Hexcore 网格，设置7 层附面层；总体网格数量一千五百多万。

1.3 Fluent求解模型

在这一模型中，选择使用欧拉双流体非定常模型。流场求解算法采用算法Phase Coupled SIMPLE。

1.4 边界条件和计算参数

左边入口边界采用Velocity-inlet，右侧出口边界采用Pressure-outlet，顶部和两侧采用symmetry，底部采用wall，流动介质采用空气。

来流风速取10m/s。气流的稀相为空气，密度为1.225kg·m-3；固相设定为沙粒，密度设定为2600kg·m-3；对于风沙流密度而言，在这里选择采取沙粒体积分数进行区分，并取值为3%；固相把沙粒考虑成粒径均匀的沙粒，取该粒组的平均粒径为0.1mm，假定沙粒为均匀球体。

2 计算结果及分析

2.1 风沙环境下沙漠公路风场特征

以初始速度v=30m/s，沙粒相体积分数α=0.03为例，模拟风沙环境下沙漠公路风场特征。净风下的沙漠公路速度云图如图1所示，可以看到当风途经左侧路堑时，风速有一个减小，这是由于空间突然变大，从而压力减小和风速减小。

图1 净风下的沙漠公路速度云图

当有了沙粒之后，在路堑左右两侧坡脚形成了明显的低速区，且上面风速较大。路堑的左侧坡顶形成了明显的高速区，从流线图看出围绕路堑风速加速。净风和携风沙相比，携风沙在路堑的风速加速更加明显，沙粒运动快，路堑底部有两个低速区。

路堑右侧顶部速度云图如图2所示，风经过路堑坡顶之后有个加速作用，在路面上方形成一个风速高速区，然而在地面有一个低风速区，容易造成公路的风蚀和沙粒沉积，应采取防护。

图2 路堑右侧顶部速度云图

2.2 风蚀风积分布特征

据了解，同沙床面距离0～20cm 的沙粒而言，主要表现为蠕移、跃移运动方式。路堑作为沙粒运动的障碍物，能导致风沙流的运行速度降低，沙粒沉落，形成积沙现象。贴近地面的风速受到地面粗糙度的影响，风速急剧下降，小于起沙风速，故部分沙粒在路堑和路面沉积。

t=1s时，在路堑底部沙粒积聚到一定程度，随着风沿着坡脚的沙粒上移到公路路面。

t=5s时，在路堑的底部和右侧已经有很多积沙，而左侧由于重力和风速作用积沙很少运动，直接沉积在底部和右侧，然后接着上移到路面。

t=10s 时，在路堑左侧开始有风沙沉积，而底部和右侧路堑积沙已经大量沉积，路面积沙严重。此后沙粒一层层加厚，但是沙粒的堆积形态一直不变。在左右两侧坡顶，左侧沙粒由于受到重力和风作用很难沉积，都是再次跃移；右侧沙粒由于建筑物受风会导致风的加速作用，此处地面上部风速高于其他，而下面风速小，从路堑吹上来的沙粒跃依后沉积。

3 结语

（1）在净风条件下，风场在路堑处风速变低。在风沙条件下，风场在路堑左侧顶部出现了一个高速区，路堑底部两侧和公路左侧3个低速区。在公路左侧有一个加速区和减速区，在近地面速度降低，随着高度上升有个加速。

（2）沙粒在风的驱动下开始跃依。t=1s时，沙粒最开始在路堑底部沉积，当底部沙粒沉积到一定数量沙粒再次跃依。t=5s时，沙粒随着风跃上坡脚到公路，风沙开始在公路沉积。此时的坡底和路堑右侧沙粒已经大量沉积，沙粒持续移动。t=10s 时，路堑和公路积沙形态固定，只是一层层加厚。公路的左侧，有风速高速区，沙粒很难沉积，只会再次跃依。

（3）针对本工况，通过路堑开挖来保护公路，防止沙粒在公路沉积或者延迟沙粒在公路沉积的时间，可以在路堑的底部采取固沙措施，在底部右侧采取阻沙措施防止沙粒跃依上公路沉积。