青藏鐵路涵洞周圍沙害形成機理的數(shù)值分析

楊曉明 賈海鋒 周有祿

1.中鐵西北科學(xué)研究院有限公司，蘭州730000；2.青海省凍土與環(huán)境工程重點試驗室，青海格爾木816000

隨著我國基礎(chǔ)建設(shè)的推進，風(fēng)沙地區(qū)道路工程急劇增加。風(fēng)沙地區(qū)由于干旱少雨、植被稀疏、大風(fēng)頻繁，極易形成風(fēng)沙流。在道路工程修建之前，風(fēng)沙流一般能夠順利通過，但在道路工程修建以后，其存在破壞了風(fēng)沙流平衡狀態(tài)，風(fēng)速增大的區(qū)域?qū)纬娠L(fēng)蝕現(xiàn)象，而在風(fēng)速衰減區(qū)域則形成積沙現(xiàn)象，給道路工程的正常運行帶來了安全隱患。

國內(nèi)外學(xué)者針對道路工程風(fēng)沙災(zāi)害做了大量的研究，部分研究成果逐漸應(yīng)用在道路工程中。但前人的研究主要集中在風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)特征［1-3］、路基沙害形成機理［4-7］、防沙工程效益評價［8-15］等方面，而對風(fēng)沙地區(qū)涵洞的相關(guān)研究較少。涵洞工程作為道路工程的重要組成部分，起到過水和通行的作用，涵洞一旦被積沙所堵塞（圖1），輕則增加養(yǎng)護費用，重則山洪爆發(fā)沖毀線路。因此，探究風(fēng)沙地區(qū)涵洞周圍的風(fēng)沙流場及沙害形成機理，不僅可以為既有線涵洞風(fēng)沙防治提供依據(jù)，而且可以為新線的建設(shè)提供指導(dǎo)。

本文以青藏鐵路一涵洞為研究對象，采用計算流體力學(xué)軟件構(gòu)建歐拉雙流體非穩(wěn)態(tài)模型，研究涵洞周圍的流場結(jié)構(gòu)、積沙形成機理以及涵洞高度對其流場結(jié)構(gòu)的影響。此外，利用超聲波風(fēng)速風(fēng)向儀測試涵洞中軸線處的風(fēng)速變化趨勢，并與數(shù)值模擬結(jié)果進行對比，驗證數(shù)值模型的可靠性。

1 研究方法

1.1 數(shù)值模擬

1.1.1 控制方程

風(fēng)沙流是氣體攜帶沙粒運動的一種自然現(xiàn)象，屬于典型的氣固兩相流。在計算過程中，需要遵循質(zhì)量方程和動量方程。質(zhì)量方程為

式中：t為時間；fj為第j相的體積分?jǐn)?shù)，j=1表示氣相，j=2表示固相，且f1+f2=1；ρj為第j相的密度；vj為第j相的速度。

氣相動量方程為

固相動量方程為

式中：p為氣相和固相共享壓力；τ1、τ2分別為氣相、固相的應(yīng)力應(yīng)變張量；g為重力加速度；C12為氣固相動量交換系數(shù)；p2為固相壓力。

1.1.2 構(gòu)建模型

數(shù)值分析中，計算域的大小對計算效率和結(jié)果的精確性具有較大的影響，過小計算結(jié)果誤差偏大，過大則所需時間較長。因此，本文在多次試算后確定計算域的大小為100 m×20 m×20 m。計算域的邊界層采用robust，網(wǎng)格類型為tetra/mixed，網(wǎng)格單元總數(shù)約為200萬。邊界條件見表1。

表1 邊界條件

1.2 現(xiàn)場測試

現(xiàn)場測試主要是利用風(fēng)速風(fēng)向儀，對涵洞周圍的流場進行定點監(jiān)測，進一步驗證數(shù)值模擬結(jié)果的可靠性，監(jiān)測設(shè)備的平面布置如圖2所示。風(fēng)場監(jiān)測設(shè)備主要采用英國生產(chǎn)的WindSonic超聲波風(fēng)速風(fēng)向儀，其主要參數(shù)為：風(fēng)速0～60 m/s，精度為±2%@12 m/s；分辨率0.01 m/s，反應(yīng)時間0.25 s，最低值為0.01 m/s；風(fēng)向0～360°（無死角），精度為±3°@12 m/s，分辨率1°。

圖2 涵洞周圍風(fēng)速風(fēng)向儀分布示意（單位：mm）

2 計算結(jié)果與分析

理想狀態(tài)下，在平坦的地面上，可認(rèn)為風(fēng)沙流處于一種動態(tài)平衡狀態(tài)，即非堆積搬運狀態(tài)。只要氣流的狀態(tài)不發(fā)生改變，風(fēng)沙流中的沙粒就不會沉積，從而不會產(chǎn)生風(fēng)積沙害。為了更直觀地分析這種狀態(tài)，利用波動指數(shù)（測點速度與來流速度的比值）來表征，當(dāng)波動指數(shù)大于1時，風(fēng)沙流處于風(fēng)積狀態(tài)，反之處于風(fēng)蝕狀態(tài)。風(fēng)沙流屬于一種貼近地表的氣固流，文獻［16］指出青藏鐵路沿線90%以上的固體顆粒在1 m以下。因此，研究近地表氣流的波動指數(shù)，對于了解風(fēng)沙的狀態(tài)十分重要。

2.1 涵洞中線波動指數(shù)

不同高度處沿涵洞中線的氣流波動指數(shù)見圖3?？芍河嬎阒岛蛯崪y值吻合良好。這說明所建數(shù)學(xué)模型能夠較好地反映涵洞周圍的風(fēng)沙流場。氣流靠近涵洞時，受涵洞的阻礙作用速度開始逐漸減小，到迎風(fēng)側(cè)洞口時速度達到最小值，氣流進入涵洞后，由于過流斷面減小氣流被壓縮，根據(jù)伯努利原理，氣流速度將會增大，到背風(fēng)側(cè)洞口時過流斷面突然增大，氣流發(fā)生擴散，速度急劇減小。總體上看，距地表0.1 m處的氣流波動指數(shù)明顯小于距地表0.5 m處的氣流波動指數(shù)，且兩者在洞中沿程變化趨勢也存在差異，距地表0.1 m的氣流波動指數(shù)呈遞減趨勢，而距地表0.5 m的氣流波動指數(shù)呈遞增趨勢。這說明越靠近地面，附面層對氣流的影響越大。

圖3 不同高度處涵洞中線沿程氣流波動指數(shù)

2.2 涵洞流場分布特征

風(fēng)速15 m/s時，涵洞周圍氣流波動指數(shù)等值線見圖4?？芍?，氣流在途經(jīng)涵洞時，波動指數(shù)在涵洞周圍重新分布。在迎風(fēng)側(cè)洞口周圍的波動指數(shù)在1以下，說明氣流速度有所衰減，氣流攜帶沙粒的能力降低，可能在該區(qū)域形成積沙。迎風(fēng)側(cè)路肩附近波動指數(shù)在1以上，說明該區(qū)域氣流速度有所增加，可能在該區(qū)域形成風(fēng)蝕現(xiàn)象。除了近地表，涵洞內(nèi)氣流波動指數(shù)也在1以上，說明涵洞內(nèi)的氣流速度也被加強，氣流攜沙能力增強，不易在涵洞內(nèi)形成積沙。背風(fēng)側(cè)路基波動指數(shù)出現(xiàn)了大幅度衰減，說明該區(qū)域處于弱風(fēng)區(qū)，沙粒最容易在此沉積，但該區(qū)域下方的氣流在慣性力作用下和涵洞內(nèi)幾乎一致，且比原始風(fēng)速大，跌落在此處的沙?？赡苤匦卤粴饬鲙ё?。另外，背風(fēng)側(cè)洞口在地表一定范圍內(nèi)（圖中A區(qū)域）也出現(xiàn)了弱風(fēng)區(qū)，沙粒在此處沉積可能性較大。

圖4 涵洞周圍波動指數(shù)等值線

2.3 涵洞周圍沙害形成機理

風(fēng)速為15 m/s、固相初始體積分?jǐn)?shù)為0.1時，不同時刻涵洞周圍沙積線見圖5。

圖5 涵洞周圍沙積線隨時間變化情況

由圖5可知：t=1 h時涵洞周圍的積沙僅分布在洞口兩側(cè)，洞內(nèi)幾乎沒有積沙；但隨著時間的推移（t=2～3 h），積沙開始向洞內(nèi)延伸長，但兩側(cè)洞口延伸的積沙并未連成一片；當(dāng)t=4 h時兩側(cè)洞口延伸的積沙連成一片。結(jié)合圖3、圖4分析其原因為：風(fēng)沙流靠近涵洞時，兩側(cè)洞口均有氣流衰減區(qū)，此時沙粒開始沉積在該區(qū)域，而涵洞內(nèi)部氣流受狹管效應(yīng)的作用，速率略高于原始風(fēng)速，故開始時不存在積沙；隨著時間的推移洞口積沙逐漸增多，以至影響到洞內(nèi)風(fēng)速，洞內(nèi)部分區(qū)域風(fēng)速發(fā)生衰減，新形成的衰減區(qū)開始逐漸積沙，如此反復(fù)循環(huán)使得整個洞內(nèi)均存在弱風(fēng)區(qū)，最終積沙堵塞涵洞。

2.4 涵洞高度對流場的影響

涵洞寬度一定時，高度影響洞中過流斷面的大小，進而影響氣流的速度，間接影響涵洞周圍風(fēng)沙流場。風(fēng)速為15 m/s、距地表0.5 m時，不同高度的涵洞周圍沿程氣流波動指數(shù)見圖6。

圖6 不同高度的涵洞周圍沿程氣流波動指數(shù)

由圖6可知，涵洞高度越大兩側(cè)洞口氣流波動指數(shù)越大，當(dāng)涵洞高度為4 m時兩側(cè)洞口指數(shù)均大于1，說明涵洞寬度一定時，涵洞高度越高洞口的氣流衰減幅度越小，氣流的攜沙能力越強，越不容易在洞口形成積沙。因此，在風(fēng)沙地區(qū)設(shè)計涵洞條件允許時，建議提高涵洞高度，減少涵洞沙害。

3 結(jié)論

1）風(fēng)沙流途經(jīng)涵洞時，氣流風(fēng)速重新分布，在涵洞口氣流速度發(fā)生衰減，形成相對弱風(fēng)區(qū)，在迎風(fēng)側(cè)路肩，氣流速度得到加強，形成相對強風(fēng)區(qū)。

2）洞口氣流速度衰減是涵洞產(chǎn)生沙害的直接原因，在形成過程中積沙首先從洞口開始，進而影響到洞內(nèi)風(fēng)沙流場，兩側(cè)洞口的積沙逐漸連成一片，最終堵塞涵洞。

3）涵洞寬度一定時，高度越高洞口氣流速度衰減幅度越小，越不容易引起積沙。在風(fēng)沙地區(qū)設(shè)計涵洞條件允許時，建議提高涵洞高度。