龐巧東,程建軍,蔣富強,李凱崇

(1.石河子大學水利建筑工程學院,石河子 832003；2.中鐵西北科學研究院有限公司,蘭州 730000)

新疆戈壁強風區(qū)具有大風活動頻繁,風速高、風期長、季節(jié)性強、風向穩(wěn)定、起風速度快等特點[1]。尤其是阿拉山口風區(qū)、煙墩風區(qū)、三十里風區(qū)、百里風區(qū),它們是中國內陸風力最為強勁的地區(qū)之一。新疆戈壁鐵路多次發(fā)生列車被大風吹翻的重大事故。為此,在鐵路迎風側修建擋風墻是一項對列車運行安全防護的重要措施。王學楷[2]、王曉剛[3]分別對蘭新鐵路和南疆鐵路沿線的擋風墻的設計與施工進行了詳細說明。

戈壁鐵路受到風沙危害的主要原因是這些地區(qū)氣候干旱、大風頻繁且鐵路附近有大量豐富的沙源[4]。實地測試結果表明擋風墻高度為3.0 m時,列車傾覆力矩系數(shù)減小95%以上,風速為24 m/s時有效遮蔽范圍超過了38 m[5]。姜翠香、梁習峰[6]等人通過數(shù)值模擬對起始風速為20.1 m/s條件下對擋風墻的高度與位置進行了計算,最后得到擋風墻距離車軌中心線的最佳設置位置與最佳高度之間呈三次方關系。黃寧[7]通過計算得到列車在彎道上和在直道上所受到的風力幾乎相等,都可以通過修建擋風墻解決。

以上都是關于擋風墻對列車安全防護方面的研究,而對不同形式擋風墻背風側的流場關注較少,對其擋風的原因認識存在不足,特別是對高風速條件下的擋風墻功效的探索欠缺,這就使得雖然戈壁鐵路采取了各種形式的擋風墻對列車進行防護,但每年仍然有大量列車因大風問題造成停運,并且在泄風式和土堤式擋風墻背風側造成了嚴重的積沙問題[9]。本文對不同形式擋風墻背風側流場進行模擬計算,指出其流場一些特征,并對大風遮蔽系數(shù)進行了計算,為鐵路的設計和安全運營提供一些參考。

1 戈壁地區(qū)鐵路沿線擋風墻類型

1.1 對拉式擋風墻

對拉式擋風墻設置于線路迎風側,寬1.5 m,高3.0 m,基礎厚0.5 m,寬2.1 m。墻面板為十字形C20鋼筋混凝土預制板,板幅1.00 m×1.00 m,板厚0.15 m,墻內就地填筑圓礫土,人工夯實,采用0.25 m厚混凝土板封頂,見圖1。

圖1 對拉式擋風墻斷面(單位：m)

對拉式擋風墻結構比較復雜,施工也較為復雜,但其穩(wěn)定性、安全性、可靠性均較好,造價相對也比較低廉,且左右對稱不受風向影響,適用于路堤高度較高的路段。

1.2 “L”形擋風墻

“L”形擋風墻高3.0 m,厚0.4 m,基礎埋深0.5 m,長1.8 m,厚0.5 m,采用C20鋼筋混凝土現(xiàn)澆,見圖2。

圖2 “L”形擋風墻(單位：m)

“L”形擋風墻占地面積小,施工比較靈活,質量容易得到保證,結構合理,但造價比較高,適用于路堤填料匱乏的路段。

1.3 土堤式擋風墻

土堤式擋風墻高度為3.0 m,頂寬為1 m,邊坡左右對稱,其邊坡坡率都為1∶1.5,為了防止擋風墻的風蝕,兩邊側均采用C15混凝土預制混凝土面板防護,其尺寸為500 mm×500 mm×8 mm,見圖3。

圖3 土堤式擋風墻斷面(單位：m)

土堤式擋風墻的造價比較低廉,可以就地取材,施工方便,結構簡單,穩(wěn)定性比較好,且維修比較方便。但是,其占地面積比較大,填方量多,適用于當?shù)夭牧媳容^多路基較低的路段。

2 擋風墻數(shù)值分析的模型建立

戈壁鐵路沿線擋風墻的長度遠遠大于其橫向尺寸,當計算在大風作用下其背風側流場時,可將其視為二維問題處理。由于所研究的鐵路沿線橫向風速一般大于10 m/s,小于70 m/s,馬赫數(shù)小于0.3,故計算時可按不可壓縮流動問題處理[10]。另外,本模型不考慮熱量的交換,是單純流場問題,所以不用包含能量方程。描述擋風墻背風側流場的控制方程主要包括連續(xù)方程、動量方程和k-ε湍流模型方程,具體方程見參考文獻[11]。

通過風洞試驗和現(xiàn)場測試得到擋風墻的最佳高度為3.0 m[12],因此本模型擋風墻的高度設計為3.0 m。為了讓氣流的繞流和流場發(fā)展充分,計算區(qū)域的高度、寬度分別為100.5、200 m。如圖1～圖3所示,以墻體背風側與路基相交點為坐標原點,以擋風墻背風側路基方向為x軸,以垂直向上方向為y軸,路堤高度統(tǒng)一設為0.5 m。

模型的入口和出口分別采用速度入口和自由出口,地面和擋風墻采用固體壁面邊界。

3 計算結果與分析

計算結果顯示對拉式與“L”形擋風墻背風側流場相似,而土堤式與它們有著較大的區(qū)別,以對拉式和土堤式為例進行比較。

3.1 擋風墻背風側流場變化

在未設置擋風墻時,氣流在平坦的地面運動,其風向和風速等值線大致與地面平行,而擋風墻的設置則改變了這一平衡狀態(tài)。

如圖4所示,對拉式擋風墻背風側流場變化十分顯著,形成了一個巨大的渦流。氣流在渦流區(qū)內發(fā)生回旋,方向與迎風側相反。大風速率在背風側也發(fā)生了巨大變化,如圖5所示,風速等值線也不再是由一組近似平行的直線組成,而是發(fā)生了彎曲,形成了部分環(huán)狀等值線,并且大風速率在背風側的上部區(qū)域超過了起始風速。

圖4 對拉式擋風墻背風側流場

圖5 對拉式擋風墻背風側風速等值線(單位：m/s)

這是由于對拉式擋風墻是一種帶尖緣的鈍體,氣流在越過擋風墻時受到了擠壓,在尖端產生了分離,形成了一個很薄的強剪切層。剪切層兩側的壓差使流線向下彎曲,在接近地面時,氣流又返回了分離區(qū),補償了由于卷吸而帶走的那部分氣流,故在對拉式擋風墻背風側形成一個強大的渦流區(qū)。

土堤式擋風墻迎風側與地表之間存在一個比較平緩的坡度,這就使得土堤式與對拉式背風側的流場有著較大的區(qū)別。由于土堤式擋風墻迎風側的邊坡對氣流具有較強的導流作用,在背風側沒有形成明顯的渦流。由圖6和圖7可以看出，土堤式擋風墻背風側大風的方向和速率同樣發(fā)生了變化,但與對拉式相比變化比較小。大風速率在擋風墻頂端也超過了起始風速,大風方向與風速等值線也不再與地面平行,二者在背風側局部地區(qū)都變?yōu)橄蛳聝A斜。

圖6 土堤式擋風墻背風側流場

圖7 土堤式擋風墻背風側風速等值線(單位:m/s)

由于擋風墻的阻擋作用,大風的方向和速率在背風側局部地區(qū)發(fā)生了較大的變化,減小了大風對列車造成的側滾力矩,這是擋風墻能夠降低列車傾覆危險的主要原因。

3.2 擋風墻背風側風速變化

受對拉式擋風墻的影響,在背風側大風的風向發(fā)生變化的同時,大風速率的變化也比較顯著。圖8為高度分別為1、2、3、4 m位置風速隨距離變化曲線。由圖8可以看出,擋風墻高度以下位置,在墻體背風側x=0 m處大風速率都直接降為零。在水平方向同一高度,大風速率在相反方向隨著水平距離的增加先增大后減小,在渦流尾部減小到最小值,風向轉變?yōu)榕c迎風側相同,并且隨著水平距離的增加,大風速率迅速恢復到起始值。并且還可以看出,當起始風速為60 m/s時,在距離為75 m,即擋風墻高度25倍的距離處風速將完全恢復初始值。

圖8 對拉式擋風墻背風側水平方向上風速變化(起始風速為60 m/s)

土堤式與對拉式擋風墻結構上的不同導致其背風側風速在水平方向上的變化規(guī)律與對拉式也有著較大的區(qū)別。圖9為高度分別為1、2、3、4 m位置風速隨距離變化規(guī)律。由圖9可以看出,土堤式擋風墻背風側風速在水平方向上也發(fā)生了變化,但變化不如對拉式劇烈,風向無反向變化。同一高度上的大風速率隨著與擋風墻距離的增大而增大,最后風速達到起始值。在擋風墻背風側一段距離內大風速率與距離近似成線性關系,并且線性比例系數(shù)隨著高度的增加逐漸變小,當高度超過擋風墻時,比例系數(shù)由正值變?yōu)樨撝怠?/p>

圖9 土堤式擋風墻背風側水平方向上風速變化

同樣由于擋風墻的影響,在垂直方向上,背風側的風速變化規(guī)律也與無障礙物時不同,大風速率隨高度的變化不再為單一的指數(shù)關系。

圖10和圖11分別是距離擋風墻位置為3、9 m和15 m處風速在垂直方向上隨高度變化規(guī)律,即風速廓線。由于氣流在對拉式擋風墻背風側形成了渦流,且地面存在著摩擦作用,因此對拉式擋風墻背風側的大風速率隨高度的變化比較復雜。由圖10可以看出,在高度y=0 m的路基面上,風速由于摩擦作用直接降低為零。起始風速為60 m/s時,當高度低于0.4 m,在同一垂直面上,大風速率隨著高度的增加在相反方向迅速增大,在高度為0.4 m處達到渦流區(qū)內最大值；在0.4～4 m高度范圍內大風速率隨著高度增加而減小,方向同樣與起始方向相反,在高度為4 m位置速率減小為最小值,方向也發(fā)生了轉變,與起始方向相同。在4～8 m的高度范圍,隨著高度的增加大風速率又迅速增大,在高度為8 m的位置超過了起始風速；在8 m高度以上,隨著高度的增加大風速率緩慢減小,在高度為15 m處風速恢復到起始值。

圖10 對拉式擋風墻背風側風速廓線(起始風速為60 m/s)

圖11 土堤式擋風墻背風風速廓線

而在土堤式擋風墻的背風側的大風速率在垂直面上的變化規(guī)律也與對拉式不同。由圖11可以看出,在高度為y=0 m的路基面上,大風速率也直接降低為零。起始風速為60 m/s時,在同一垂直面上高度低于4 m時,大風速率隨著高度的增加而急劇增加。在高度為4 m位置風速基本回復初始值,當高度大于4 m后,風速隨高度增加緩慢；在高度為6 m位置風速達到最大值,并且超過了起始風速,隨著高度增加風速緩慢減小,在高度為20 m位置,風速基本恢復到起始風速。

3.3 渦流區(qū)特征

土堤式擋風墻背風側無明顯渦流,只有對拉式擋風墻背風側才形成了較大的渦流區(qū)。

渦流區(qū)長度是評價擋風墻擋風效果的一個重要指標,它決定著擋風墻遮蔽范圍的大小。渦流區(qū)長度與風速和擋風墻的寬度相關。如表1所示,當擋風墻寬度不變時,渦流區(qū)長度與起始風速成正比；當風速不變時,渦流長度與擋風墻寬度成正比。由于對拉式擋風墻寬度大于“L”形,當高度相同時,對拉式擋風墻背風側的渦流長度大于“L”形,遮蔽范圍也大于“L”形,擋風效果優(yōu)于“L”形擋風墻。

表1 渦流區(qū)長度 m

在渦流區(qū)內大風方向與初始方向相反,在水平方向上,大風速率隨著與擋風墻距離的增大先增大后減小,在其間會達到一個最大值,將這個最大值稱為渦流最大風速。渦流最大風速的位置主要與擋風墻高度相關。風速不變時,渦流最大風速位置隨擋風墻高度增加而增加；擋風墻高度不變時,在渦流最大風速的位置隨風速變化較小。

3.4 擋風墻背風側大風遮蔽效應系數(shù)

3.4.1 大風遮蔽效應系數(shù)的計算

η=(v0-vt)/v0

式中η——大風遮蔽效應系數(shù)；

v0——起始風速，m/s；

vt——擋風墻背風側風速，m/s。

3.4.2 渦流最大風速遮蔽效應系數(shù)(表2)

如表2所示,擋風墻高度不變時,渦流最大風速遮蔽系數(shù)隨著風速的增加而降低；風速不變時,渦流最大風遮蔽效應系數(shù)隨著高度的增加而增加。

表2 對拉式擋風墻渦流區(qū)最大風速遮蔽效應系數(shù)

3.4.3 列車運行范圍內大風遮蔽效應系數(shù)(表3)

表3 對拉式擋風墻背風側大風遮蔽效應系數(shù)

由表2可以得到對拉式擋風墻渦流區(qū)遮蔽效應系數(shù)只有0.4,因此最大風速會達到起始風速的60%,但根據(jù)實際測量數(shù)據(jù)和圖8可以看出渦流最大風速的位置距離擋風墻比較遠,在30 m左右,而列車一般運行在擋風墻背風側3～9 m。因此,渦流最大風速不會影響列車的正常運行,而在列車運行范圍的風速才是影響列車安全運行關鍵因素。

在對拉式擋風墻背風側在列車運行范圍內,大風方向與起始方向相反,由表3可以看出,大風遮蔽效應系數(shù)都在0.75以上。當起始風速為60 m/s時,經(jīng)過擋風墻的阻擋作用后在列車運行區(qū)內風速可以降低到15 m/s,足以保障列車的安全行駛。

而土堤式擋風墻背風側列車運行范圍內風速并無反向變化。由表4可以看出,當水平距離不變時,大風遮蔽系數(shù)隨著高度的增加而減??；當高度不變時,大風遮蔽系數(shù)隨著水平距離的增大而減小。

表4 土堤式擋風墻背風側大風遮蔽效應系數(shù)

起始風速為60 m/s時,在高度為3 m的位置大風遮蔽效應系數(shù)僅為0.43,風速已經(jīng)恢復到起始風速的57%,擋風墻背風側風速還可以達到34 m/s。而圖9可以看出在高度為4 m位置,風速已經(jīng)恢復到起始值,而列車高度一般都超過4 m,因此列車依然存在傾覆的危險。為了滿足列車的安全需求,需要增加土堤式擋風墻的高度,這樣才能進一步降低背風側大風遮蔽效應系數(shù),減小大風對列車造成的側滾力矩。但是增加高度必然會增加工程量和建設成本。

由此可以看出,擋風墻高度相同時,對于對拉式擋風墻的防風效果明顯優(yōu)于土堤式；當擋風墻高度為3.0 m時,對拉式擋風墻能夠滿足要求,而土堤式不能。

4 結 論

在對拉式擋風墻背風側形成了一個大的渦流,渦流區(qū)內風向相反,大風速率變化顯著,起始風速為60 m/s時,遮蔽效應系數(shù)為0.75；土堤式擋風墻背風側風向風速也有所變化,變化相對較小,風向與風速等值線僅向下傾斜,在相同的起始風速條件下,大風遮蔽效應系數(shù)僅為0.42。擋風墻高度相同時,對拉式擋風效果優(yōu)于土堤式。當高度為3.0 m時,對拉式能夠滿足要求,而土堤式不能,需要加以改進。

同時,上述模擬計算結果與試驗測試結果基本一致,說明數(shù)值模擬的結果是可靠的,利用數(shù)值模擬進行的迭代求解是計算流場規(guī)律的有效方法之一,可以作為實測數(shù)據(jù)的補充為實際工程應用提供依據(jù),對今后鐵路防風有一定的借鑒作用。

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