蘭新線即有土堤式擋風(fēng)墻的改造形式對背風(fēng)側(cè)流場的影響

朱文智，程建軍，薛春曉，張?jiān)迄i

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

蘭新鐵路新疆線路段（簡稱蘭新線）多修建于沙漠戈壁，在該區(qū)域由于常年受西伯利亞冷空氣南下的影響，大風(fēng)頻繁并且風(fēng)速大，破壞力強(qiáng)，而且鐵路所經(jīng)處附近有大量沙源[1]，大風(fēng)攜帶砂礫對地表植被、構(gòu)筑物、線路上運(yùn)行的車輛破壞力大。蘭新線部分地段處，如山口、路塹與擋風(fēng)墻的交接處受到的風(fēng)沙災(zāi)害更為嚴(yán)重。對蘭新線影響較強(qiáng)的風(fēng)區(qū)主要有：蘭新線西段百里風(fēng)區(qū) （雅子泉至紅旗坎站間），南疆線前百公里風(fēng)區(qū)，吐魯番至魚兒溝站間。根據(jù)歷史資料，南疆線前百公里最大瞬時(shí)風(fēng)速達(dá)64 m/s，百里風(fēng)區(qū)最大瞬時(shí)風(fēng)速達(dá)60 m/s。唐士晟[2]對該地段大風(fēng)特征進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，該地區(qū)具有風(fēng)速大、風(fēng)期長、季節(jié)性強(qiáng)、風(fēng)起動速度快等規(guī)律。

我國蘭新線風(fēng)區(qū)鐵路長達(dá)525 km，占全線總長的54%。該線自1960-1993年，據(jù)統(tǒng)計(jì)大風(fēng)吹翻列車13起，共計(jì)翻車79輛[3]。大風(fēng)對鐵路運(yùn)輸?shù)陌踩?，國家?cái)產(chǎn)有很大的威脅。為此在上述線路段修筑了擋風(fēng)設(shè)施，既擋風(fēng)墻。現(xiàn)今蘭新鐵路上擋風(fēng)墻的種類有：土堤式擋風(fēng)墻、對拉式擋風(fēng)墻、柱板式擋風(fēng)墻、“L”式擋風(fēng)墻。擋風(fēng)墻的種類和類型決定擋風(fēng)的效果。

龐巧東[4]對不同種類的擋風(fēng)墻的擋風(fēng)效果進(jìn)行了數(shù)值模擬與野外試驗(yàn)，并進(jìn)行了詳細(xì)的對比，結(jié)果表明土堤式擋風(fēng)墻背風(fēng)側(cè)不能形成明顯的渦流區(qū)，同風(fēng)速下?lián)躏L(fēng)墻厚度與渦流區(qū)長度成正比。對拉式擋風(fēng)墻優(yōu)于“L”式擋風(fēng)墻優(yōu)于土堤式擋風(fēng)墻。劉風(fēng)華[5]對列車的氣動力進(jìn)行分析后得出相同結(jié)論。程建軍[6]對該地區(qū)戈壁鐵路沿線的風(fēng)沙地貌、線路沙害表現(xiàn)形式、即有防風(fēng)沙工程功效進(jìn)行實(shí)地調(diào)查與現(xiàn)場測試，分析擋風(fēng)墻后的風(fēng)速剖面變化與流場變化特征，結(jié)果表明:對于相同高度擋風(fēng)墻,其大風(fēng)遮蔽效應(yīng)系數(shù)會隨著擋風(fēng)墻后距離的增加而逐漸減弱,高點(diǎn)位高程水平向的速度衰減快于低點(diǎn)位高程水平向的風(fēng)速衰減。

多項(xiàng)研究顯示土堤式擋風(fēng)墻的效果不理想，為此有必要對即有土堤式擋風(fēng)墻進(jìn)行結(jié)構(gòu)改造，使其滿足大風(fēng)情況下列車的運(yùn)行安全。有研究表明，堅(jiān)實(shí)的墻壁和多孔風(fēng)柵欄附近的軌道車輛受到的風(fēng)荷載明顯減少[7]?，F(xiàn)階段，蘭新線大風(fēng)區(qū)域內(nèi)的鐵路沿線土堤式擋風(fēng)墻采用的改造形式是在即有擋風(fēng)墻的頂部中間位置加設(shè)高1m，寬0.15m的擋板[8]。本文在目前即有土堤式擋風(fēng)墻改造的研究基礎(chǔ)之上，首次提出并分析加高擋板分別布置在土堤式擋風(fēng)墻頂部的左側(cè)、右側(cè)時(shí)對背風(fēng)側(cè)流場特性的影響。加高擋板的布置形式會直接影響到改造工程的施工難度，工程造價(jià)，施工進(jìn)度。有可能會對背風(fēng)側(cè)的風(fēng)場造成不同影響，即在同風(fēng)速下有不同的大風(fēng)遮蔽效應(yīng)系數(shù)[5]。在背風(fēng)側(cè)的一線和二線上形成不同的風(fēng)速和風(fēng)壓。還有可能會對即有土堤式擋風(fēng)墻的迎風(fēng)側(cè)或者背風(fēng)側(cè)坡面造成影響，從而形成程度不一的破壞可能性。為了分析不同改造形式對背風(fēng)側(cè)流場的影響效果，為不斷提高土堤式擋風(fēng)墻的擋風(fēng)功效，對即有土堤式擋風(fēng)墻進(jìn)行合理優(yōu)化提供設(shè)計(jì)參數(shù)，本文結(jié)合現(xiàn)場實(shí)測風(fēng)況數(shù)據(jù)首次對土堤式擋風(fēng)墻不同加高形式進(jìn)行了數(shù)值模擬分析。

1 數(shù)值模擬的模型建立

1.1 模型樣式與尺寸

蘭新鐵路即有土堤式擋風(fēng)墻高度為3.0 m，頂部寬為1m，左右邊坡率都為1∶1.5，具體尺寸見圖1a。在其兩側(cè)邊坡都覆蓋有C15混凝土預(yù)制板，其尺寸為500 mm×500 mm×8 mm，用來防止大風(fēng)對擋風(fēng)墻的風(fēng)蝕作用。土堤式擋風(fēng)墻最初的改造形式是在其頂部的中部位置加設(shè)高度為1 m的柱板式擋墻，如圖1b。本文要對比分析的其余兩種加高類型的土堤式擋風(fēng)墻分別加高位置為其頂部的左側(cè)和右側(cè)，如圖1c、圖1d。因?yàn)閾躏L(fēng)墻的縱向長度與橫線長度的比例懸殊，故可以按照二維模型建立。蘭新線上的風(fēng)速未超過70 m/s，馬赫數(shù)小于0.3，計(jì)算時(shí)按照不可壓縮流來處理[9]。

1.2 控制方程

對擋風(fēng)墻背風(fēng)側(cè)的流場分析是單純的流動問題，無能量交換，忽略沙相對流場的影響，按照非定常（unsteady）單相流湍流模型進(jìn)行設(shè)置。湍流模型選用基于 SST（Shear Stress Transport）模型的 k-ω湍流方程。該湍流方程考慮了剪切應(yīng)力的傳輸，可以精確的預(yù)測流動的開始和負(fù)壓梯度條件下流體的分力量，并且考慮了湍流剪切應(yīng)力，從而不會對渦流粘度造成過度預(yù)測。其傳輸行為可由包含限制數(shù)的渦流粘度方程求得，具體內(nèi)容見參考文獻(xiàn)[10-16]。為了更加精確的與實(shí)際情況接近，在設(shè)置流體性質(zhì)的時(shí)候考慮空氣受到地球引力的作用，取重力加速度為-9.8 m/s2。

1.3 計(jì)算區(qū)域

位于大氣邊界層的擋風(fēng)墻處在一個(gè)完全開口的來流風(fēng)場中，擋風(fēng)墻對來流空氣的影響具有一定范圍。數(shù)值模擬可以用有限的二維計(jì)算區(qū)域模擬實(shí)際的流動風(fēng)場。計(jì)算入口和出口都應(yīng)與擋風(fēng)墻保持一定距離，避免受到擋風(fēng)墻前繞流和背風(fēng)側(cè)尾流的干擾。而且擋風(fēng)墻受到橫風(fēng)的作用，為了使橫風(fēng)流場發(fā)展充分，綜合考慮，計(jì)算區(qū)域?yàn)?00 m（寬）×100 m（高）的矩形區(qū)域。所有類型擋風(fēng)墻數(shù)值模擬均采用該計(jì)算區(qū)域（圖2），以不加高型為例圖。

圖2 計(jì)算區(qū)域示意圖Fig2 The schematic diagram of calculation area

1.4 網(wǎng)格劃分

當(dāng)確定計(jì)算區(qū)域后，對計(jì)算區(qū)域進(jìn)行離散化。網(wǎng)格劃分的質(zhì)量直接影響計(jì)算的準(zhǔn)確性，對整個(gè)數(shù)值模擬過程都會有很大的影響。本次模擬采用四面體網(wǎng)格（Quad），對擋風(fēng)墻周邊區(qū)域進(jìn)行加密，對地面邊界層區(qū)域進(jìn)行邊界層網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格劃分稀疏不利于計(jì)算的準(zhǔn)確性，劃分太密計(jì)算時(shí)間過大[11]。綜合考慮，本次模擬計(jì)算區(qū)域的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)共有81898個(gè)，四邊形網(wǎng)格共有81277個(gè)。網(wǎng)格劃分示意圖如圖3。

圖3 網(wǎng)格劃分示意圖Fig.3 Meshing diagram

1.5 邊界設(shè)置

土堤式擋風(fēng)墻數(shù)值模擬的邊界條件包括：入口邊界條件，出口邊界條件，壁面邊界條件。具體設(shè)置如下所示。

入口邊界條件：（1）速度的模：風(fēng)的不同速度，（2）湍流定義方法：k-ω，（3）湍流動能：1 m2/s2，（4）湍動能耗散率：1 s-1。

出口邊界條件：（1）出口類型：出流形式，（2）出流百分比：1；

壁面邊界條件：（1）壁面剪切條件：無滑移，（2）粗糙度系數(shù)：0.5。

2 計(jì)算結(jié)果與分析

不同風(fēng)速下各類型土堤式擋風(fēng)墻背風(fēng)側(cè)速度矢量圖見圖4。由圖4可以看出：在擋風(fēng)墻背風(fēng)側(cè)并沒有形成明顯渦流區(qū)，大部分區(qū)域的風(fēng)速和風(fēng)向改變微弱。（2）隨著風(fēng)速增大，渦流區(qū)長度無明顯變化，驗(yàn)證了土堤式擋風(fēng)墻的擋風(fēng)效果不理想。（3）隨著風(fēng)速的提高，背風(fēng)側(cè)流場變化均較明顯。渦流區(qū)長度都有增大并且有向后移動的趨勢。說明不同加高形式的土堤式擋風(fēng)墻較未改造的土堤式擋風(fēng)墻在擋風(fēng)性能上有了較大的改善。

圖4 不同風(fēng)速下土堤式擋風(fēng)墻背風(fēng)側(cè)速度矢量圖Fig.4 Vectorgraph behind earth embankment wind-break wall in different wind speed（a:unimproved;b:left heightened;c:middle heightened;d:right heightened）

在風(fēng)速分別為 20m/s、30m/s、40m/s、50m/s、60m/s的作用下，將未改造類型、左側(cè)加高類型、右側(cè)加高類型土堤式擋風(fēng)墻背風(fēng)側(cè)一線二線上的流場性質(zhì)作對比，得到不同風(fēng)速下各類型土堤式擋風(fēng)墻背風(fēng)側(cè)一線二線風(fēng)速曲線，如圖5所示。

圖5 不同風(fēng)速下各類型擋風(fēng)墻背風(fēng)側(cè)一線（上）、二線（下）風(fēng)速曲線；Fig5 Wind speed curve on line1(up)and line2(down)about all types wind-break wall in different wind speed；（a:unimproved;b:left heightened;c:middle heightened;d:right heightened）

由圖5可以看出：未加高的土堤式擋風(fēng)墻隨著風(fēng)速的增大，背風(fēng)側(cè)測點(diǎn)風(fēng)速也隨著測點(diǎn)位置的升高而增大（圖5a）。各加高類型的土堤式擋風(fēng)墻在一線和二線上隨高度的增加均會有明顯的風(fēng)速變化趨勢，都是先減小后增大，與速度矢量圖相符合（圖5b、c、d）。主要原因是背風(fēng)側(cè)出現(xiàn)了渦流區(qū)，渦流區(qū)中心風(fēng)速小于外部風(fēng)速。但將同風(fēng)速下的不同加高類型擋風(fēng)墻的速度矢量圖加以對比，背風(fēng)側(cè)流場變化差別很小，無法從圖中直觀看出，需要提取數(shù)據(jù)進(jìn)一步分析其差別。

圖6是20、60 m/s兩種風(fēng)速下的不同加高形式擋風(fēng)墻背風(fēng)側(cè)一線與二線的風(fēng)速變化規(guī)律。

由圖6可以看出，在20 m/s風(fēng)速下不同加高類擋風(fēng)墻的擋風(fēng)效果差異甚微,在60 m/s風(fēng)速下中間加高類型擋風(fēng)墻的擋風(fēng)效果稍好。

圖6 相同風(fēng)速下各類型擋風(fēng)墻背風(fēng)側(cè)一線（上）、二線（下）風(fēng)速曲線；Fig.6 Wind speed curve on line1(up)and line2(down)about all types wind-break wall in the same wind speed；（a:0m/s;b:60m/s）

取風(fēng)速為40 m/s對比不同加高類型擋風(fēng)墻大風(fēng)遮蔽效應(yīng)系數(shù)與未加高土堤式擋風(fēng)墻在一線二線不同高度的實(shí)測大風(fēng)遮蔽效應(yīng)系數(shù)見表1。

由表1可知：在一線位置，右加高類型擋風(fēng)墻的大風(fēng)遮蔽效應(yīng)系數(shù)最大，擋風(fēng)效果最好；在二線位置，中加高類型擋風(fēng)墻的大風(fēng)遮蔽效應(yīng)系數(shù)最大，但在4m以上的大風(fēng)遮蔽效應(yīng)系數(shù)均為負(fù)值，原因是背風(fēng)側(cè)渦流區(qū)隨加高擋板的位置不同發(fā)生了移動。

表1 大風(fēng)遮蔽效應(yīng)系數(shù)表Tab.1 The coefficient of the strong wind shadowing effect

4 結(jié)論

本文應(yīng)用數(shù)值模擬與現(xiàn)場實(shí)測相結(jié)合的方法對蘭新線即有土堤式擋風(fēng)墻進(jìn)行了流場分析及擋風(fēng)性能分析，對不滿足擋風(fēng)要求的即有土堤式擋風(fēng)墻提出2種改造優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。并對其進(jìn)行數(shù)值模擬，分析對比擋風(fēng)性能，結(jié)果表明：

1）即有土堤式擋風(fēng)墻背風(fēng)側(cè)各測點(diǎn)的大風(fēng)遮蔽效應(yīng)系數(shù)最大僅為0.69，不能形成明顯的渦流區(qū)，故擋風(fēng)性能差，表明即有土堤式擋風(fēng)墻不滿足列車安全運(yùn)行的要求，需要對此進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2）不同風(fēng)速條件下，3種優(yōu)化改造后的土堤式擋風(fēng)墻在擋風(fēng)性能上差別較小，都能在背風(fēng)側(cè)形成明顯的渦流區(qū)。背風(fēng)側(cè)各測點(diǎn)風(fēng)速隨高度的增加均呈現(xiàn)先減小而后增大的趨勢，且在4 m測點(diǎn)之下具有較大的大風(fēng)遮蔽效應(yīng)系數(shù)，為了施工便利，建議采用中部加高類型。優(yōu)化改造后的土堤式擋風(fēng)墻滿足外形參數(shù)的要求，滿足列車安全運(yùn)行的要求。可以為將來類似防風(fēng)沙工程優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考和依據(jù)。

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