龐巧東,程建軍,蔣富強(qiáng),李凱崇

(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)

新疆戈壁強(qiáng)風(fēng)區(qū)具有大風(fēng)活動(dòng)頻繁,風(fēng)速高、風(fēng)期長、季節(jié)性強(qiáng)、風(fēng)向穩(wěn)定、起風(fēng)速度快等特點(diǎn)[1]。尤其是阿拉山口風(fēng)區(qū)、煙墩風(fēng)區(qū)、三十里風(fēng)區(qū)、百里風(fēng)區(qū),它們是中國內(nèi)陸風(fēng)力最為強(qiáng)勁的地區(qū)之一。新疆戈壁鐵路多次發(fā)生列車被大風(fēng)吹翻的重大事故。為此,在鐵路迎風(fēng)側(cè)修建擋風(fēng)墻是一項(xiàng)對列車運(yùn)行安全防護(hù)的重要措施。王學(xué)楷[2]、王曉剛[3]分別對蘭新鐵路和南疆鐵路沿線的擋風(fēng)墻的設(shè)計(jì)與施工進(jìn)行了詳細(xì)說明。

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

以上都是關(guān)于擋風(fēng)墻對列車安全防護(hù)方面的研究,而對不同形式擋風(fēng)墻背風(fēng)側(cè)的流場關(guān)注較少,對其擋風(fēng)的原因認(rèn)識(shí)存在不足,特別是對高風(fēng)速條件下的擋風(fēng)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(fēng)墻對列車進(jìn)行防護(hù),但每年仍然有大量列車因大風(fēng)問題造成停運(yùn),并且在泄風(fēng)式和土堤式擋風(fēng)墻背風(fēng)側(cè)造成了嚴(yán)重的積沙問題[9]。本文對不同形式擋風(fēng)墻背風(fēng)側(cè)流場進(jìn)行模擬計(jì)算,指出其流場一些特征,并對大風(fēng)遮蔽系數(shù)進(jìn)行了計(jì)算,為鐵路的設(shè)計(jì)和安全運(yùn)營提供一些參考。

1 戈壁地區(qū)鐵路沿線擋風(fēng)墻類型

1.1 對拉式擋風(fēng)墻

對拉式擋風(fēng)墻設(shè)置于線路迎風(fēng)側(cè),寬1.5 m,高3.0 m,基礎(chǔ)厚0.5 m,寬2.1 m。墻面板為十字形C20鋼筋混凝土預(yù)制板,板幅1.00 m×1.00 m,板厚0.15 m,墻內(nèi)就地填筑圓礫土,人工夯實(shí),采用0.25 m厚混凝土板封頂,見圖1。

圖1 對拉式擋風(fēng)墻斷面(單位：m)

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

1.2 “L”形擋風(fēng)墻

“L”形擋風(fēng)墻高3.0 m,厚0.4 m,基礎(chǔ)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(fēng)墻(單位：m)

“L”形擋風(fēng)墻占地面積小,施工比較靈活,質(zhì)量容易得到保證,結(jié)構(gòu)合理,但造價(jià)比較高,適用于路堤填料匱乏的路段。

1.3 土堤式擋風(fēng)墻

土堤式擋風(fēng)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(fēng)墻的風(fēng)蝕,兩邊側(cè)均采用C15混凝土預(yù)制混凝土面板防護(hù),其尺寸為500 mm×500 mm×8 mm,見圖3。

圖3 土堤式擋風(fēng)墻斷面(單位：m)

土堤式擋風(fēng)墻的造價(jià)比較低廉,可以就地取材,施工方便,結(jié)構(gòu)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(dāng)?shù)夭牧媳容^多路基較低的路段。

2 擋風(fēng)墻數(shù)值分析的模型建立

戈壁鐵路沿線擋風(fēng)墻的長度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其橫向尺寸,當(dāng)計(jì)算在大風(fēng)作用下其背風(fēng)側(cè)流場時(shí),可將其視為二維問題處理。由于所研究的鐵路沿線橫向風(fēng)速一般大于10 m/s,小于70 m/s,馬赫數(shù)小于0.3,故計(jì)算時(shí)可按不可壓縮流動(dòng)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(fēng)墻背風(fēng)側(cè)流場的控制方程主要包括連續(xù)方程、動(dòng)量方程和k-ε湍流模型方程,具體方程見參考文獻(xiàn)[11]。

通過風(fēng)洞試驗(yàn)和現(xiàn)場測試得到擋風(fēng)墻的最佳高度為3.0 m[12],因此本模型擋風(fēng)墻的高度設(shè)計(jì)為3.0 m。為了讓氣流的繞流和流場發(fā)展充分,計(jì)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(fēng)側(cè)與路基相交點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn),以擋風(fēng)墻背風(fēng)側(cè)路基方向?yàn)閤軸,以垂直向上方向?yàn)閥軸,路堤高度統(tǒng)一設(shè)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(fēng)墻采用固體壁面邊界。

3 計(jì)算結(jié)果與分析

計(jì)算結(jié)果顯示對拉式與“L”形擋風(fēng)墻背風(fēng)側(cè)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(jìn)行比較。

3.1 擋風(fēng)墻背風(fēng)側(cè)流場變化

在未設(shè)置擋風(fēng)墻時(shí),氣流在平坦的地面運(yùn)動(dòng),其風(fēng)向和風(fēng)速等值線大致與地面平行,而擋風(fēng)墻的設(shè)置則改變了這一平衡狀態(tài)。

如圖4所示,對拉式擋風(fēng)墻背風(fēng)側(cè)流場變化十分顯著,形成了一個(gè)巨大的渦流。氣流在渦流區(qū)內(nèi)發(fā)生回旋,方向與迎風(fēng)側(cè)相反。大風(fēng)速率在背風(fēng)側(cè)也發(fā)生了巨大變化,如圖5所示,風(fēng)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(fēng)速率在背風(fēng)側(cè)的上部區(qū)域超過了起始風(fēng)速。

圖4 對拉式擋風(fēng)墻背風(fēng)側(cè)流場

圖5 對拉式擋風(fēng)墻背風(fēng)側(cè)風(fēng)速等值線(單位：m/s)

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

土堤式擋風(fēng)墻迎風(fēng)側(cè)與地表之間存在一個(gè)比較平緩的坡度,這就使得土堤式與對拉式背風(fēng)側(cè)的流場有著較大的區(qū)別。由于土堤式擋風(fēng)墻迎風(fēng)側(cè)的邊坡對氣流具有較強(qiáng)的導(dǎo)流作用,在背風(fēng)側(cè)沒有形成明顯的渦流。由圖6和圖7可以看出，土堤式擋風(fēng)墻背風(fēng)側(cè)大風(fēng)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(fēng)速率在擋風(fēng)墻頂端也超過了起始風(fēng)速,大風(fēng)方向與風(fēng)速等值線也不再與地面平行,二者在背風(fēng)側(cè)局部地區(qū)都變?yōu)橄蛳聝A斜。

圖6 土堤式擋風(fēng)墻背風(fēng)側(cè)流場

圖7 土堤式擋風(fēng)墻背風(fēng)側(cè)風(fēng)速等值線(單位:m/s)

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

3.2 擋風(fēng)墻背風(fēng)側(cè)風(fēng)速變化

受對拉式擋風(fēng)墻的影響,在背風(fēng)側(cè)大風(fēng)的風(fēng)向發(fā)生變化的同時(shí),大風(fēng)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(fēng)速隨距離變化曲線。由圖8可以看出,擋風(fēng)墻高度以下位置,在墻體背風(fēng)側(cè)x=0 m處大風(fēng)速率都直接降為零。在水平方向同一高度,大風(fēng)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(fēng)向轉(zhuǎn)變?yōu)榕c迎風(fēng)側(cè)相同,并且隨著水平距離的增加,大風(fēng)速率迅速恢復(fù)到起始值。并且還可以看出,當(dāng)起始風(fēng)速為60 m/s時(shí),在距離為75 m,即擋風(fēng)墻高度25倍的距離處風(fēng)速將完全恢復(fù)初始值。

圖8 對拉式擋風(fēng)墻背風(fēng)側(cè)水平方向上風(fēng)速變化(起始風(fēng)速為60 m/s)

土堤式與對拉式擋風(fēng)墻結(jié)構(gòu)上的不同導(dǎo)致其背風(fēng)側(cè)風(fēng)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(fēng)速隨距離變化規(guī)律。由圖9可以看出,土堤式擋風(fēng)墻背風(fēng)側(cè)風(fēng)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(fēng)向無反向變化。同一高度上的大風(fēng)速率隨著與擋風(fēng)墻距離的增大而增大,最后風(fēng)速達(dá)到起始值。在擋風(fēng)墻背風(fēng)側(cè)一段距離內(nèi)大風(fēng)速率與距離近似成線性關(guān)系,并且線性比例系數(shù)隨著高度的增加逐漸變小,當(dāng)高度超過擋風(fēng)墻時(shí),比例系數(shù)由正值變?yōu)樨?fù)值。

圖9 土堤式擋風(fēng)墻背風(fēng)側(cè)水平方向上風(fēng)速變化

同樣由于擋風(fēng)墻的影響,在垂直方向上,背風(fēng)側(cè)的風(fēng)速變化規(guī)律也與無障礙物時(shí)不同,大風(fēng)速率隨高度的變化不再為單一的指數(shù)關(guān)系。

圖10和圖11分別是距離擋風(fēng)墻位置為3、9 m和15 m處風(fēng)速在垂直方向上隨高度變化規(guī)律,即風(fēng)速廓線。由于氣流在對拉式擋風(fēng)墻背風(fēng)側(cè)形成了渦流,且地面存在著摩擦作用,因此對拉式擋風(fēng)墻背風(fēng)側(cè)的大風(fēng)速率隨高度的變化比較復(fù)雜。由圖10可以看出,在高度y=0 m的路基面上,風(fēng)速由于摩擦作用直接降低為零。起始風(fēng)速為60 m/s時(shí),當(dāng)高度低于0.4 m,在同一垂直面上,大風(fēng)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(dá)到渦流區(qū)內(nèi)最大值；在0.4～4 m高度范圍內(nèi)大風(fēng)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(zhuǎn)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(fēng)速率又迅速增大,在高度為8 m的位置超過了起始風(fēng)速；在8 m高度以上,隨著高度的增加大風(fēng)速率緩慢減小,在高度為15 m處風(fēng)速恢復(fù)到起始值。

圖10 對拉式擋風(fēng)墻背風(fēng)側(cè)風(fēng)速廓線(起始風(fēng)速為60 m/s)

圖11 土堤式擋風(fēng)墻背風(fēng)風(fēng)速廓線

而在土堤式擋風(fēng)墻的背風(fēng)側(cè)的大風(fēng)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(fēng)速率也直接降低為零。起始風(fēng)速為60 m/s時(shí),在同一垂直面上高度低于4 m時(shí),大風(fēng)速率隨著高度的增加而急劇增加。在高度為4 m位置風(fēng)速基本回復(fù)初始值,當(dāng)高度大于4 m后,風(fēng)速隨高度增加緩慢；在高度為6 m位置風(fēng)速達(dá)到最大值,并且超過了起始風(fēng)速,隨著高度增加風(fēng)速緩慢減小,在高度為20 m位置,風(fēng)速基本恢復(fù)到起始風(fēng)速。

3.3 渦流區(qū)特征

土堤式擋風(fēng)墻背風(fēng)側(cè)無明顯渦流,只有對拉式擋風(fēng)墻背風(fēng)側(cè)才形成了較大的渦流區(qū)。

渦流區(qū)長度是評(píng)價(jià)擋風(fēng)墻擋風(fēng)效果的一個(gè)重要指標(biāo),它決定著擋風(fēng)墻遮蔽范圍的大小。渦流區(qū)長度與風(fēng)速和擋風(fēng)墻的寬度相關(guān)。如表1所示,當(dāng)擋風(fēng)墻寬度不變時(shí),渦流區(qū)長度與起始風(fēng)速成正比；當(dāng)風(fēng)速不變時(shí),渦流長度與擋風(fēng)墻寬度成正比。由于對拉式擋風(fēng)墻寬度大于“L”形,當(dāng)高度相同時(shí),對拉式擋風(fēng)墻背風(fēng)側(cè)的渦流長度大于“L”形,遮蔽范圍也大于“L”形,擋風(fēng)效果優(yōu)于“L”形擋風(fēng)墻。

表1 渦流區(qū)長度 m

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

3.4 擋風(fēng)墻背風(fēng)側(cè)大風(fēng)遮蔽效應(yīng)系數(shù)

3.4.1 大風(fēng)遮蔽效應(yīng)系數(shù)的計(jì)算

η=(v0-vt)/v0

式中η——大風(fēng)遮蔽效應(yīng)系數(shù)；

v0——起始風(fēng)速，m/s；

vt——擋風(fēng)墻背風(fēng)側(cè)風(fēng)速，m/s。

3.4.2 渦流最大風(fēng)速遮蔽效應(yīng)系數(shù)(表2)

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

表2 對拉式擋風(fēng)墻渦流區(qū)最大風(fēng)速遮蔽效應(yīng)系數(shù)

3.4.3 列車運(yùn)行范圍內(nèi)大風(fēng)遮蔽效應(yīng)系數(shù)(表3)

表3 對拉式擋風(fēng)墻背風(fēng)側(cè)大風(fēng)遮蔽效應(yīng)系數(shù)

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

在對拉式擋風(fēng)墻背風(fēng)側(cè)在列車運(yùn)行范圍內(nèi),大風(fēng)方向與起始方向相反,由表3可以看出,大風(fēng)遮蔽效應(yīng)系數(shù)都在0.75以上。當(dāng)起始風(fēng)速為60 m/s時(shí),經(jīng)過擋風(fēng)墻的阻擋作用后在列車運(yùn)行區(qū)內(nèi)風(fēng)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(fēng)墻背風(fēng)側(cè)列車運(yùn)行范圍內(nèi)風(fēng)速并無反向變化。由表4可以看出,當(dāng)水平距離不變時(shí),大風(fēng)遮蔽系數(shù)隨著高度的增加而減??；當(dāng)高度不變時(shí),大風(fēng)遮蔽系數(shù)隨著水平距離的增大而減小。

表4 土堤式擋風(fēng)墻背風(fēng)側(cè)大風(fēng)遮蔽效應(yīng)系數(shù)

起始風(fēng)速為60 m/s時(shí),在高度為3 m的位置大風(fēng)遮蔽效應(yīng)系數(shù)僅為0.43,風(fēng)速已經(jīng)恢復(fù)到起始風(fēng)速的57%,擋風(fēng)墻背風(fēng)側(cè)風(fēng)速還可以達(dá)到34 m/s。而圖9可以看出在高度為4 m位置,風(fēng)速已經(jīng)恢復(fù)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(xiǎn)。為了滿足列車的安全需求,需要增加土堤式擋風(fēng)墻的高度,這樣才能進(jìn)一步降低背風(fēng)側(cè)大風(fēng)遮蔽效應(yīng)系數(shù),減小大風(fēng)對列車造成的側(cè)滾力矩。但是增加高度必然會(huì)增加工程量和建設(shè)成本。

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

4 結(jié) 論

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

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

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