风沙环境下高速公路路基风压及沙粒沉积分析研究

王海峰 吴永祥 丁新建 李瑞杰

宁夏公路管理中心 宁夏银川 750001

1 乌玛高速风向及风力分析[3]

为了研究高速公路风沙环境及风力特征，在现场沿线布设气象观测站，本文通过一年周期的风力及风向分析研究路基在该气候条件下的风积风蚀特征。

1.1 风向分析

根据2020年6月至2021年6月在高速公路廊道内采集的风向数据可知，夏季主要以ES及ESS风为主，其中ES风频率为14.02%，ESS风频率为13.99%，该区盛行东南风；进入秋季，该区风向由东南风逐渐变化为西北风，东南风相继减小，其中NWN风频率为11.76%，EES风频率为12.79%；在冬季，该区域主要盛行西北风，其中NW风的频率为13.1%、WNW风的频率为14.3%；进入春季时，风向逐渐向东南风转变，其中ES风频率为10.8%，WNW、NW、NWN风频率总计为23.59%。从数据可看出风向频率存在季节性的变化，冬季主要以西北风及西西北风为主，夏季以东南风及南东南风为主，春秋两季为过渡期。在该区年平均风向以WNW、NW、NWN风为主(其风向频率总计为24.04%)，其次为ESE、ES、SES风(其风向频率总计为22.46%)。

1.2 风速分析

图2为腾格里沙漠地区的风速玫瑰图，从图中可以看出，夏季风速最强，其最大平均风速为4.88m/s，最小平均风速为1.02m/s，静风频率为8.45%；秋季风速最弱，其最大平均风速为2.73m/s，静风频率为7.21%；冬季风速较弱，其最大平均风速为3.88m/s，静风频率为14.87%；春季风速较大，其最大平均风速为4.09m/s，静风频率为6.78%。年平均风速值变化不大，最大值为3.57m/s，最小值为1.41m/s，静风频率为9.33%。

2 分析计算模型

数值模拟采用Fluent软件，通过试算并结合现场实际情况，对K180+500断面进行模拟分析，模型尺寸取来流风向、线路方向和竖直方向分别为337m、150m和40m，路堤高度4m，路面宽度44m。网格采用最新的Fluent meshing技术生成Poly-Hexcore网格，设置7层附面层，其他参数同上。图3为公路断面示意图，图4为数值建模模型示意图，图5为数值模型的边界条件图，通过对现场风速的分析采用以初始速度v=30m/s，沙粒相体积分数a=0.03进行计算。

3 计算结果分析

3.1 风沙流速度和压力分析

图6是沙漠公路(K180+500)风沙流速度云图，在第一个防护路堑迎风侧形成了一个风速的加速区。图7是沙漠公路(K180+500)风沙流压力云图，同样有云风速的加速，在路堑的迎风侧有一个压力增大区，其余压力平稳。

3.2 风沙流沙粒沉积分析

图8是沙漠公路(K180+500)风沙流，时间在6s时的沙粒体积分数云图，可以看出风沙先吹到路堑左边堆积，然后随着时间的增加，沙粒缓缓从路堑左侧滑落。

结语

沙粒运动影响了气流的速度，气流速度大于起沙风速并作用于沙粒时，风沙流密度逐渐增加，沙粒对气流的阻碍作用增强，气流开始减速，风沙流密度逐渐减小，此时部分沙粒的速度已超过气流速度，这部分沙粒对气流起加速作用，气流速度又逐渐增大，表明沙粒运动通过影响风速来影响自身的速度与输移特性，形成一种反馈机制。

正交单向来风条件下，风沙流途经路堤时，随着风速的增大，迎风坡坡脚的积沙量不断减小，背风坡坡脚的积沙量的增加，并且再次移动。