姚立強(qiáng)，左合君，李鋼鐵，劉寶河

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)，呼和浩特 010019)

1 概述

鐵路是一種線性工程，當(dāng)鐵路穿越沙地、沙漠、戈壁區(qū)域時(shí)，路基就會(huì)成為一道屏障，干擾風(fēng)速流場(chǎng)，降低風(fēng)速，阻截流沙，形成沙物質(zhì)堆積或造成鐵路沙害，并且有可能成為某一路段產(chǎn)生沙害的新沙源[1]。鐵路沙害的分布類型有沙漠型、戈壁型、平沙地型3種[2]，而臨河-策克鐵路(以后簡(jiǎn)稱“臨策鐵路”)主要是沙漠型和戈壁型。沙漠型沙害以沙丘危害為主，而戈壁型沙害以大風(fēng)和風(fēng)沙流危害為主[3-4]。風(fēng)沙流受阻形成沙埋與路基斷面特點(diǎn)有關(guān)[5-6]，而路基斷面流場(chǎng)特征是路基與氣流相互作用結(jié)果的反映，也是鐵路沙害的動(dòng)力基礎(chǔ)[7]。臨策鐵路自建成通車以來，由于沿線氣候干旱、植被稀少、土地沙漠化敏感性高，加之風(fēng)力強(qiáng)勁、風(fēng)沙活動(dòng)劇烈，部分路段雖采取繞避，但線路沙害仍較為嚴(yán)重[8-11]。尤其是臨策鐵路K325+000～K651+000段就分布在廣袤的戈壁(巖漠、礫漠)區(qū)，占鐵路里程的42.45%，是鐵路沙害發(fā)生最為嚴(yán)重的路段。本文旨在通過分析臨策鐵路戈壁段不同高度路堤的風(fēng)速流場(chǎng)縱向變化和垂向變化特征，找出路堤沙害發(fā)生的風(fēng)速流場(chǎng)規(guī)律及路基流沙堆積的可能部位和范圍。

2 研究方法

2.1 野外實(shí)測(cè)方法

在臨策鐵路K325+000～K651+000段路基斷面形式調(diào)查的基礎(chǔ)上，選擇了4、8、12 m 3種不同路基高度，且邊坡比均為1∶1.75的路堤作為研究對(duì)象，利用HOBO風(fēng)向風(fēng)速自動(dòng)記錄儀對(duì)選定路堤斷面進(jìn)行野外風(fēng)速流場(chǎng)縱向和垂向風(fēng)速變化觀測(cè)試驗(yàn)，風(fēng)速觀測(cè)高度分別為0.2、0.5、1、2 m，路堤風(fēng)速觀測(cè)點(diǎn)位詳見表1。

表1 不同高度路堤斷面風(fēng)速觀測(cè)點(diǎn)位

注：表中迎風(fēng)側(cè)和背風(fēng)側(cè)觀測(cè)點(diǎn)位為距路堤坡腳距離。

2.2 數(shù)據(jù)處理方法

2.2.1 路堤二維風(fēng)速流場(chǎng)圖繪制方法

通過對(duì)野外實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的篩選，將曠野1 m高處6、8 m/s和10 m/s風(fēng)速確定為基準(zhǔn)風(fēng)速，并利用Surfer8.8軟件繪制不同高度路堤二維風(fēng)速流場(chǎng)圖。

2.2.2 路堤風(fēng)速流場(chǎng)數(shù)字化方法

在Surfer8.8軟件中利用數(shù)字化編輯的方法，對(duì)路堤二維風(fēng)速流場(chǎng)1 m高度層的模擬風(fēng)速值進(jìn)行數(shù)字化，將數(shù)字化數(shù)據(jù)導(dǎo)入Excel進(jìn)行處理，得到路堤風(fēng)速流場(chǎng)1 m高處縱向風(fēng)速變化曲線。

2.2.3 趨勢(shì)面分析方法

由于利用趨勢(shì)面分析方法分離數(shù)據(jù)中的趨勢(shì)和局部異常時(shí)，趨勢(shì)面次數(shù)過高會(huì)影響遠(yuǎn)離觀測(cè)點(diǎn)的地方趨勢(shì)面發(fā)生變形，同時(shí)，因擬合度高常造成丟失異常信息，擬合的效果變差[12]。所以，本文利用多元回歸法網(wǎng)格化數(shù)據(jù)，選用“Simple Planner Surface”(簡(jiǎn)單平面)多元回歸類型，將不同高度的路堤在不同曠野風(fēng)速條件下的風(fēng)速流場(chǎng)區(qū)域化。

趨勢(shì)面需要擬合精度來確定能否揭示空間趨勢(shì)，趨勢(shì)面擬合精度C用下式表示

3 結(jié)果與分析

3.1 野外實(shí)測(cè)路堤風(fēng)速流場(chǎng)縱向變化

不同高度路堤二維風(fēng)速流場(chǎng)變化如圖1所示。路堤高度為4 m時(shí)，當(dāng)曠野風(fēng)速為6 m/s，在迎風(fēng)側(cè)8H～10H和2H～5H(H表示路堤高度，下同)處形成渦流，同時(shí)在-2H～0處形成渦流，在背風(fēng)側(cè)觀測(cè)區(qū)域內(nèi)則形成大范圍的弱風(fēng)區(qū)；當(dāng)曠野風(fēng)速為8 m/s時(shí)，渦流區(qū)較6 m/s風(fēng)速時(shí)逐漸向背風(fēng)側(cè)前移，并且渦流尺度變大，渦流區(qū)分別出現(xiàn)在1H～5H、6H～10H、-3H～0以及背風(fēng)側(cè)-10H～-6H處；當(dāng)曠野風(fēng)速為10 m/s時(shí)，渦流區(qū)繼續(xù)前移，在迎風(fēng)側(cè)渦流只出現(xiàn)在1H～4H，同時(shí)在-3H～0處形成渦流和弱風(fēng)區(qū)，在背風(fēng)側(cè)-10H～-6H處出現(xiàn)的渦流相對(duì)于8 m/s風(fēng)速時(shí)尺度變小。當(dāng)路堤高度為8 m時(shí)，在迎風(fēng)側(cè)形成大范圍的弱風(fēng)區(qū)，而渦流區(qū)則全部轉(zhuǎn)移至背風(fēng)側(cè)，并隨著曠野風(fēng)速的增大，渦流區(qū)在背風(fēng)側(cè)的范圍逐漸增大，渦流尺度逐漸減小，渦流區(qū)個(gè)數(shù)由1個(gè)變?yōu)?個(gè)，渦流區(qū)分別出現(xiàn)在-2.5H～0，-2.5H～-0.5H、-6H～-3H；-2.5H～-1H、-7H～-3H，同時(shí)，路面出現(xiàn)的紊流隨著曠野風(fēng)速的增大，逐漸變?yōu)闇u流。當(dāng)路堤高度為12 m時(shí)，與4 m和8 m高度路堤相同，渦流區(qū)范圍隨著曠野風(fēng)速的增大向背風(fēng)側(cè)轉(zhuǎn)移，渦流尺度呈先變大后減小，但要遠(yuǎn)大于4 m和8 m高度路堤渦流區(qū)尺度，同時(shí)，路面渦流區(qū)范圍隨著曠野風(fēng)速的增大逐漸增大。

3.2 野外實(shí)測(cè)路堤風(fēng)速流場(chǎng)垂向變化

選取不受路堤影響的曠野風(fēng)速廓線作為參照，對(duì)比分析4、8 m和12 m高度的路堤在迎風(fēng)坡坡腳、迎風(fēng)坡路肩和背風(fēng)坡坡腳、背風(fēng)坡路肩處的風(fēng)速廓線變化規(guī)律(圖2)。

圖1 不同高度路堤二維風(fēng)速流場(chǎng)圖

圖2 不同高度路堤斷面點(diǎn)位風(fēng)速廓線

隨著曠野風(fēng)速的增大，3種高度路堤曠野風(fēng)速廓線均呈“J”形變化。在路堤迎風(fēng)坡坡腳處，隨著路堤高度的增加風(fēng)速廓線逐漸變均勻，但各高度層風(fēng)速均呈減小變化，同時(shí)，隨著曠野風(fēng)速的增大，4 m高度路堤各高度層風(fēng)速均為減小變化，尤其在曠野風(fēng)速為10 m/s時(shí)，0.2、0.5 m和1 m高處風(fēng)速降低幅度最大，分別降低了3、3.8 m/s和2.1 m/s；8 m高度路堤，在曠野風(fēng)速為6 m/s和10 m/s時(shí)各高度層風(fēng)速呈減小變化，但當(dāng)風(fēng)速為8 m/s時(shí)，0.2、0.5 m和1 m高處風(fēng)速呈增加變化，分別增加了1.52、1.14 m/s和0.75 m/s；12 m高度路堤，當(dāng)曠野風(fēng)速為6 m/s時(shí)，各高度層風(fēng)速均為增加，但當(dāng)風(fēng)速為8 m/s和10 m/s時(shí)，各高度層風(fēng)速呈減小變化，并隨著風(fēng)速的增大減小的幅度加大，當(dāng)風(fēng)速為10 m/s時(shí)，各層風(fēng)速分別減小了3、3、4.6 m/s和3.7 m/s。在路堤迎風(fēng)坡路肩處，4 m和8 m高度路堤風(fēng)速廓線呈現(xiàn)不規(guī)律的變化，12 m高度路堤風(fēng)速廓線各層風(fēng)速保持均勻變化，其中，8 m高度路堤風(fēng)速廓線各層風(fēng)速增長(zhǎng)幅度最大，尤其當(dāng)曠野風(fēng)速為8 m/s時(shí)，各層風(fēng)速分別增加了8.4、8.8、8 m/s和7.6 m/s。在路堤背風(fēng)坡路肩處，三種高度路堤風(fēng)速廓線均呈上下層不均勻變化，相對(duì)于路堤迎風(fēng)坡路肩，在1 m和2 m高度層呈現(xiàn)加速，0.2 m和0.5 m高度層呈減速變化，尤其在路堤高度為8 m時(shí)，風(fēng)速廓線各高度風(fēng)速加速和減速幅度最大。在背風(fēng)坡坡腳處，隨著曠野風(fēng)速的增大，風(fēng)速廓線變化逐漸不均勻，其中，4 m和8 m高度路堤各高度層風(fēng)速呈減速變化，8 m路堤減速幅度最大，各高度層風(fēng)速均降低至4 m/s以下，而當(dāng)路堤高度為12 m時(shí)，6 m/s風(fēng)速廓線各層風(fēng)速出現(xiàn)加速變化，8 m/s和10 m/s風(fēng)速廓線則呈減速變化。

3.3 路堤風(fēng)速流場(chǎng)縱向風(fēng)速變化模擬

圖3為4、8 m和12 m三種高度路堤風(fēng)速流場(chǎng)在1 m高處的模擬風(fēng)速值隨距離的變化曲線。隨著路堤高度的增加，路堤風(fēng)速流場(chǎng)縱向風(fēng)速減小變化幅度呈先增大后減小的變化趨勢(shì)。4 m高度路堤在曠野風(fēng)速為6 m/s時(shí)，在路堤迎風(fēng)側(cè)(距離為正值，下同)風(fēng)速與曠野風(fēng)速基本保持一致，并在2 m處風(fēng)速達(dá)到7.61 m/s，而在背風(fēng)側(cè)(距離為負(fù)值，下同)-2 m處風(fēng)速降低至6.47 m/s，隨后在-8 m處風(fēng)速達(dá)到最大值8 m/s，而后降低至與曠野風(fēng)速基本相同；曠野風(fēng)速為8 m/s時(shí)，在迎風(fēng)側(cè)風(fēng)速加速至13 m處后開始降低，并在8 m處風(fēng)速降低至最低為6.48 m/s，風(fēng)速最高值則出現(xiàn)在-2 m處，為11.81 m/s，但在-8 m處風(fēng)速較-2 m處降低了2.67 m/s，隨后恢復(fù)至最高風(fēng)速，并在-33 m處風(fēng)速降低至?xí)缫帮L(fēng)速以下；曠野風(fēng)速為10 m/s時(shí)在迎風(fēng)側(cè)風(fēng)速始終處于減速狀態(tài)，在8 m處風(fēng)速降低至最低值為5 m/s，在2 m處恢復(fù)至?xí)缫帮L(fēng)速，而后在-2 m處風(fēng)速降低了1.14 m/s，在背風(fēng)側(cè)風(fēng)速保持在曠野風(fēng)速以下。路堤高度為8 m時(shí)風(fēng)速變化幅度最大，在迎風(fēng)側(cè)風(fēng)速均呈加速狀態(tài)，6、8 m/s和10 m/s曠野風(fēng)速時(shí)風(fēng)速最大值均出現(xiàn)在2 m處，分別為8.38、14.85 m/s和11.53 m/s，風(fēng)速最低值在-13 m處，分別為1.9、1.9 m/s和4.29 m/s，其中，8 m/s曠野風(fēng)速時(shí)風(fēng)速降低幅度最大。路堤高度為12 m時(shí)風(fēng)速變化幅度最小，曠野風(fēng)速為6 m/s時(shí)，觀測(cè)區(qū)域內(nèi)各點(diǎn)風(fēng)速均大于曠野風(fēng)速，在-2 m處風(fēng)速最低值仍為6 m/s，但與2 m處風(fēng)速相比較，其風(fēng)速降低了3 m/s；曠野風(fēng)速為8 m/s時(shí)與風(fēng)速為6 m/s時(shí)變化規(guī)律相同，但在-2 m處出現(xiàn)的最低風(fēng)速值為5.72 m/s，較2 m處降低了1.23 m/s；10 m/s曠野風(fēng)速時(shí)，在迎風(fēng)側(cè)19 m處風(fēng)速降至最低，為5.43 m/s，最高風(fēng)速則出現(xiàn)在-33 m處，為11.52 m/s，此時(shí)路面則始終處于加速區(qū)內(nèi)。

圖3 不同高度路堤風(fēng)速流場(chǎng)模擬風(fēng)速變化曲線

3.4 路堤風(fēng)速流場(chǎng)趨勢(shì)面分析

經(jīng)計(jì)算4、8 m和12 m路堤在6 m/s、8 m/s、10 m/s曠野風(fēng)速下的趨勢(shì)面擬合精度分別為70%、68%和62%。所以，可以采用分析趨勢(shì)面的變化規(guī)律，來揭示不同曠野風(fēng)速和不同路堤高度下的風(fēng)速流場(chǎng)變化趨勢(shì)。

3種路堤的趨勢(shì)面變化規(guī)律如圖4所示，隨著路堤高度和曠野風(fēng)速的變化，路堤風(fēng)速流場(chǎng)趨勢(shì)面的變化包括3種形式：一是越過路堤的走低趨勢(shì)；二是越過路堤的抬升趨勢(shì)；三是受路堤阻截停滯。除此以外，趨勢(shì)面上下層之間的偏差值也能夠反映路堤風(fēng)速流場(chǎng)趨勢(shì)面的變化規(guī)律。

風(fēng)速流場(chǎng)趨勢(shì)面變化形式。趨勢(shì)面的變化受路堤高度和曠野風(fēng)速的影響很明顯，隨著路堤高度和曠野風(fēng)速的增加，路堤風(fēng)速流場(chǎng)趨勢(shì)面逐漸抬升。4 m高度路堤的6 m/s和8 m/s風(fēng)速流場(chǎng)趨勢(shì)面呈下降趨勢(shì)，分別降至0.5 m和1.16，10 m/s風(fēng)速流場(chǎng)趨勢(shì)面則抬升至6 m高處；8 m高度路堤在6 m/s曠野風(fēng)速下的風(fēng)速流場(chǎng)趨勢(shì)面呈下降趨勢(shì)，并降至3 m高處，8 m/s風(fēng)速流場(chǎng)趨勢(shì)面平緩抬升至9 m高處，而10 m/s風(fēng)速流場(chǎng)趨勢(shì)面抬升幅度最大，抬升至10 m高處；12 m高度路堤的6 m/s和10 m/s風(fēng)速流場(chǎng)趨勢(shì)面大幅度抬升，均抬升至14 m高處，8 m/s風(fēng)速流場(chǎng)趨勢(shì)面則保持平緩。

圖4 不同高度路堤風(fēng)速流場(chǎng)趨勢(shì)面

通過以上對(duì)路堤風(fēng)速流場(chǎng)的縱向、垂向和趨勢(shì)面的變化進(jìn)行分析，得到風(fēng)速流場(chǎng)的縱向和垂向變化幅度越大，氣流受阻礙作用越強(qiáng)，背風(fēng)側(cè)渦流區(qū)和迎風(fēng)側(cè)加速區(qū)持續(xù)范圍越長(zhǎng)，趨勢(shì)面上下層偏差越大。通過分析路堤高度、曠野風(fēng)速和趨勢(shì)面上下層偏差之間的變化規(guī)律，得到三者間的關(guān)系曲線(圖5)，三者呈指數(shù)函數(shù)關(guān)系，6 m/s、8 m/s和10 m/s曠野風(fēng)速條件下的R2分別為0.967 1、0.851 5和0.976 9，說明三者之間有著密切的聯(lián)系。首先，趨勢(shì)面上下層偏差與路堤高度呈正相關(guān)，路堤高度在8 m以下時(shí)，趨勢(shì)面上下層偏差以平緩趨勢(shì)增長(zhǎng)，高度達(dá)到8 m后，其在6 m/s曠野風(fēng)速下由0.6迅速增長(zhǎng)至2.3，8 m/s曠野風(fēng)速下由0.2增長(zhǎng)至1.2，而10 m/s曠野風(fēng)速時(shí)則保持原變化趨勢(shì)，這說明高度在8 m以下的路堤對(duì)氣流阻礙作用較弱，尤其是對(duì)低風(fēng)速的影響要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于8 m以上的路堤，對(duì)于高風(fēng)速而言只有部分氣流被路堤阻斷，大部分氣流以加速抬升的方式越過路堤，并在路面和背風(fēng)側(cè)形成渦流。其次，從圖中還可以看出，在路堤高度以及其他參數(shù)一定的條件下，趨勢(shì)面上下層偏差與風(fēng)速值呈負(fù)相關(guān)，風(fēng)速越大，趨勢(shì)面上下層偏差值越小，路堤兩側(cè)的渦流區(qū)和弱風(fēng)區(qū)持續(xù)距離越短，路面流沙堆積的可能性越大。因此，在實(shí)際情況中，對(duì)路堤高度的改變并不能實(shí)現(xiàn)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和掌握易發(fā)生沙害路堤段的風(fēng)速變化規(guī)律，采取有效的防治措施是避免發(fā)生沙害的關(guān)鍵。

圖5 路堤趨勢(shì)面偏差與路堤高度、曠野風(fēng)速關(guān)系

4 結(jié)論

綜上所述，通過分析不同高度路堤在不同曠野風(fēng)速條件下的野外實(shí)測(cè)和數(shù)值模擬風(fēng)速流場(chǎng)變化規(guī)律，利用路堤風(fēng)速流場(chǎng)趨勢(shì)面分析其間的相互關(guān)系，得到以下結(jié)果。

(1)隨著路堤高度和曠野風(fēng)速的增大，氣流渦流區(qū)和弱風(fēng)區(qū)逐漸由路堤迎風(fēng)側(cè)向背風(fēng)側(cè)轉(zhuǎn)移，路堤兩側(cè)氣流渦流區(qū)尺度和弱風(fēng)區(qū)范圍逐漸增大。

(2)3種高度路堤在路堤迎風(fēng)坡坡腳、背風(fēng)坡路肩和背風(fēng)坡坡腳處由于垂向風(fēng)速的不均勻變化而易產(chǎn)生積沙，并隨著曠野風(fēng)速的增大，流沙堆積的可能性逐漸增大，其中，8 m高度路堤各高度層風(fēng)速的加速、減速幅度最大，最易形成積沙。

(3)從模擬路堤風(fēng)速流場(chǎng)縱向風(fēng)速變化分析，隨著路堤高度和曠野風(fēng)速的增大，風(fēng)速減小變化幅度呈先增大后減小的變化趨勢(shì)，其中，路堤高度為8 m時(shí)在路面風(fēng)速減小幅度最大，最易形成沙害，這與野外實(shí)測(cè)值相一致，因此，在戈壁地區(qū)鐵路建設(shè)過程中，建議路堤高度的選取不宜超過8 m。

(4)從路堤風(fēng)速流場(chǎng)趨勢(shì)面分析，路堤風(fēng)速流場(chǎng)趨勢(shì)面上下層偏差與路堤高度呈正相關(guān)，與曠野風(fēng)速呈負(fù)相關(guān)。當(dāng)路堤高度一定時(shí)，曠野風(fēng)速越低，路堤對(duì)風(fēng)速流場(chǎng)的阻礙作用越強(qiáng)，越容易形成沙害。

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