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軌枕式擋墻擋風沙功效的數(shù)值模擬及試驗研究

景文宏1，程建軍1，蔣富強2

(1.石河子大學 水利建筑工程學院，新疆 石河子 832003；

2.中鐵西北科學研究院有限公司，甘肅 蘭州730000)

摘要:為了對軌枕式擋墻擋風沙功效進行系統(tǒng)研究，從而為工程應(yīng)用提供參考，基于FLUENT歐拉非定常模型，對不同孔隙率的軌枕式擋墻進行三維數(shù)值模擬研究和風洞試驗研究。研究結(jié)果表明：擋墻孔隙率對擋墻迎風側(cè)流場的影響主要體現(xiàn)在近地表和接近擋墻處，對背風側(cè)渦流區(qū)等參數(shù)產(chǎn)生較大影響；隨擋墻孔隙率增大，背風側(cè)增速區(qū)范圍變大，渦流區(qū)范圍減小、位置后移、強度減弱，積沙量增大；若擋墻以防風為主要功能，采用較小孔隙率，可達到較好的防風與防積沙效果，若以阻沙為主要功能，采用25%~30%的擋墻孔隙率，可達到較好積沙效果。

關(guān)鍵詞：軌枕式擋墻；三維數(shù)值模擬；孔隙率；風洞試驗

我國許多鐵路處于風沙地帶，是世界上鐵路風沙線分布最長的國家。強風區(qū)內(nèi)風速高、風期長、起風速度快，曾經(jīng)多次發(fā)生列車被大風吹翻、沙埋鐵軌導致列車脫軌或被迫停輪等事故，給鐵路運輸帶來巨大損失。為保障列車運行安全，近年來，采取在強風區(qū)鐵路沿線修建擋風沙構(gòu)筑物的措施，并取得顯著效果。采用擋墻的主要形式有：對拉式、“L”形、土堤式和軌枕式等。擋墻的設(shè)計參數(shù)決定其擋風阻沙效果，且對工程造價有一定影響。龐巧東等[1]分別針對“L”形擋墻、對拉式擋墻、土堤式擋墻，通過二維數(shù)值模擬對擋墻背風側(cè)流場特征與擋風功效進行了研究；劉鳳華[2]通過數(shù)值模擬計算，分別針對上述形式擋墻進行了對列車運行安全防護效果影響的研究。但是對于軌枕式擋墻，由于其空隙沿豎向設(shè)置，不能通過建立簡化的二維模型進行數(shù)值模擬計算，而現(xiàn)有研究中，系統(tǒng)的三維數(shù)值模擬研究并未建立，風洞試驗也鮮有涉及，其參數(shù)的設(shè)計多是依照經(jīng)驗進行。本文基于FLUENT歐拉非定常模型，對不同孔隙率的軌枕式擋墻進行了三維數(shù)值模擬研究，并輔以風洞試驗加以驗證。從而對軌枕式擋墻的設(shè)計參數(shù)提出了合理的參考值，為軌枕式擋墻在強風區(qū)的應(yīng)用提供了理論依據(jù)。

1軌枕式擋墻的構(gòu)造

軌枕式擋墻由廢舊軌枕并排埋設(shè)而成，實際工程中，軌枕式擋墻的構(gòu)造有2種形式。一種是將廢棄軌枕直接插入地下，并用鋼絞線串聯(lián)增加其整體穩(wěn)定性；另一種是先修建混凝土基礎(chǔ)和底座，基礎(chǔ)埋入地下，底座上留有插孔，將廢棄軌枕插入插孔固定，形成整體。通過采用不同形式的構(gòu)造，加之對入土深度及混凝土底座高度的改變，可以按照實際工程需要建立不同高度的軌枕式擋墻。通過調(diào)整各軌枕之間的間距，可實現(xiàn)對擋墻孔隙率的控制。圖1為軌枕式擋墻在實際工程中的應(yīng)用，其中，圖1(a)為一布置在鐵軌附近的有底座形式擋墻，主要起擋風作用，圖1(b)為一布置在距離鐵軌較遠處的無底座形式擋墻，主要起擋沙作用。

(a)有底座形式；(b)無底座形式圖1　軌枕式擋墻的應(yīng)用Fig.1 Actual application of the Sleeper typed retaining wall

2三維數(shù)值模擬及結(jié)果分析

2.1幾何模型、邊界條件及求解模型

由于軌枕式擋墻的軌枕之間存在豎向空隙，使其沿墻長方向存在不均勻性，故不能采用簡化的二維模型進行模擬，必須建立三維立體模型。本文采用三維建模軟件建立三維立體模型，模型計算長度為100 m，高度和寬度分別為10 m和20 m，擋風墻中心線距離入口邊界40 m，距離出口邊界60 m。分別建立孔隙率為3%，5%，10%，15%，20%，25%和30%的軌枕式擋墻模型，并導入ICEM-CFD進行網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格劃分類型為Quad Dominant，劃分方法為Patch Dependent，并對擋墻附近的網(wǎng)格進行局部加密。網(wǎng)格劃分結(jié)果示意圖如圖2。

圖2　網(wǎng)格劃分結(jié)果示意圖Fig.2 Results of meshing

模型入口邊界類型為Velocity-Inlet，由于地表粗糙度等因素影響，實際情況中,風速沿高度方向存在變化，為使模型入口風速廓線與實際相符，通過實測風速擬合風速輪廓線方程：

v(z)=0.168v0·ln(40z)

(1)

式中：v(z)為廓線風速，m/s；v0為入口風速，m/s；z為高度，m。通過用戶自定義函數(shù)(UDF)設(shè)置入口邊界條件，使風速廓線符合上述方程，定義4個入口風速：6，9，12和15 m/s分別進行計算；模型出口邊界類型為Outflow，設(shè)定壓差為0；模型上面和側(cè)面均采用壁面邊界(Wall)，邊界條件為無滑移的壁面條件，壁面粗糙度(Roughness Height)為0；模型下面和擋墻墻面均采用壁面條件(Wall)，邊界條件為無滑移的壁面條件，壁面粗糙度(Roughness Height)為0.005 m。邊界條件示意圖如圖3。

圖3　邊界條件示意圖Fig.3 Schematic diagram of boundary conditions

求解模型采用k-ε雙方程模型。雙方程模型是將速度與長度分開求解的傳輸模型，其在數(shù)學方程和求解精度之間找到了一個最好的平衡點。k-ε模型適合大多數(shù)的工程湍流模型，其中k為湍動能，ε為湍動能耗散。

2.2計算結(jié)果及分析

2.2.1孔隙率對擋墻周圍流場的影響

氣流在近地表的運動受到擋風沙構(gòu)筑物的阻礙后，其流場平順性發(fā)生變化，尤其是擋風沙構(gòu)筑物的背風側(cè)流場發(fā)生顯著變化，其變化規(guī)律應(yīng)與擋墻孔隙率有關(guān)，隨著孔隙率由小逐漸增大，擋墻后流場應(yīng)呈現(xiàn)出規(guī)律性的變化。

孔隙率為3%的擋墻在入口風速為6 m/s的情況下，取計算區(qū)域的中間對稱面xz面進行研究，擋墻周圍流場情況如圖4。

注：H為擋墻高度圖4　孔隙率3%擋墻周圍流場圖Fig.4 Flow field around the retaining wall of 3% porosity

可以看出，在擋墻上方偏背風側(cè)的一定范圍內(nèi)，由于氣流被擋墻擠壓，流速增大，流向改變，故流線密集，且有上揚趨勢，定義此區(qū)域為擠壓上揚區(qū)，其長度和高度用Lj和Hj表示。通過Lj和Hj的變化，可以掌握氣流流經(jīng)擋墻時背風側(cè)上方的流場受風速和擋墻孔隙率影響的規(guī)律，表1和表2為不同孔隙率的擋墻在各風速下形成的Lj和Hj。

表1和表2中，隨著孔隙率增大，Lj和Hj均有先增大后減小的趨勢；風速較小時，其達到極值時的孔隙率較大；風速較大時，其達到極值時的孔隙率較小。以上現(xiàn)象說明擋墻背風側(cè)上方流場是擋墻孔隙率和風速共同作用的結(jié)果。若想達到較好的干擾效果，實際工程中擋墻孔隙率等參數(shù)的設(shè)置，應(yīng)考慮到當?shù)卮箫L頻率等實際情況。在大風頻率較低時，可以考慮適當增加擋墻孔隙率，反之，則應(yīng)適當減小。

表1　不同孔隙率擋墻擠壓上揚區(qū)長度Lj

表2　不同孔隙率擋墻擠壓上揚區(qū)高度Hj

圖4中，在墻后約0.2H處開始出現(xiàn)負向流線，這是由于氣壓差使流線下彎，在接近地表處返回分離區(qū)，補償擋墻背風側(cè)被吸卷帶走的氣流，在此范圍內(nèi)形成了渦流區(qū)。定義擋墻背風側(cè)首次出現(xiàn)負向流線位置處的x坐標為Lf。通過研究Lf的變化規(guī)律，可以掌握擋墻背風側(cè)渦流區(qū)受風速和擋墻孔隙率影響的規(guī)律。圖5為不同孔隙率的擋墻在各風速下的Lf與墻高H比值折線圖。

圖5　不同孔隙率擋墻各風速下的Lf/HFig.1 Lf/H of different wall porosity underdifferent wind speeds

圖5中，隨孔隙率增大各風速下的Lf/H均增大，且增量也逐漸增大，說明孔隙率是背風側(cè)渦流區(qū)參數(shù)的主要影響因素之一，隨孔隙率增大，渦流區(qū)后移。在孔隙率不變時，Lf/H隨風速增大而增大，但這種趨勢在孔隙率較大時才逐漸顯著。故當實際工程中需要使用較大孔隙率的擋墻時，亦應(yīng)考慮當?shù)卮箫L頻率等因素。

注：位置0處為擋墻所在處，H為擋墻高度。圖6　不同孔隙率擋墻迎風側(cè)各處風速廓線Fig.6 Wind profile in the windward side with different wall porosity

模型入口通過UDF自定義函數(shù)實現(xiàn)風速廓線。由于擋墻對流場的影響，迎風側(cè)風速廓線隨著與擋墻距離的變化而變化，其變化規(guī)律應(yīng)與擋墻孔隙率有關(guān)，圖6為不同孔隙率擋墻迎風側(cè)各處風速廓線圖。從圖6可看出，若擋墻孔隙率不變，隨著沿程位置與擋墻距離的減小，風速廓線逐漸趨于平緩，接近擋墻處的風速廓線與入口處風速廓線有較明顯區(qū)別。說明擋墻對迎風側(cè)流場產(chǎn)生干擾，使風速沿高度的變化減弱，這種干擾作用在接近擋墻處較為明顯。

孔隙率對擋墻迎風側(cè)風速廓線的影響主要體現(xiàn)在近地表處，當高度大于0.5 m后，各孔隙率擋墻迎風側(cè)風速廓線基本相同。總體而言，孔隙率對擋墻迎風側(cè)的風速廓線的影響主要體現(xiàn)在近地表和接近擋墻處。

2.2.2孔隙率對擋墻周圍風速的影響

擋墻對其周圍流場風速的影響主要體現(xiàn)在背風側(cè)。圖7為入口風速為15 m/s的情況下孔隙率為25%的擋墻周圍的風速等值線圖，圖7(a)為xz對稱面，圖7(b)為0.5 m高度處xy面。

為突出研究擋墻孔隙率對背風側(cè)風速的影響，定義擋墻的遮蔽效應(yīng)系數(shù)：

η=(v0-vt)/v0

(2)

式中：η為擋墻遮蔽效應(yīng)系數(shù)；v0為起始風速，m/s；vt為擋墻背風側(cè)風速，m/s。

入口風速15 m/s時，各孔隙率擋墻在xz對稱面不同位置處的遮蔽效應(yīng)系數(shù)η如圖8。

(a)xz對稱面；(b)0.5 m高度處xy面圖7　風速15 m/s孔隙率25%擋墻周圍風速等值線Fig.7 Wind speed contour around the wall with porosity of25% and wind speed of 15 m/s

注：位置0處為擋墻所在處，H為擋墻高。圖8　不同孔隙率擋墻15m/s風速下各處遮蔽效應(yīng)系數(shù)ηFig.8 Shadowing effect coefficient η of different wall porosity under wind speed of 15 m/s

圖8中，η<0時，說明此處風速較初始風速有所增加，η>1時，說明此處風向為負、形成渦流。

隨著孔隙率增大，各曲線均趨于平緩，說明孔隙率的存在減弱了擋墻背風側(cè)各高度處風速沿程的變化，孔隙率越大，這種變化就越小。

5.0 m高度處的曲線出現(xiàn)部分負值，且孔隙率越大，負值范圍越大。說明此高度處背風側(cè)一定范圍出現(xiàn)增速區(qū)，且隨擋墻孔隙率增大，增速區(qū)范圍擴大。

0.5 m高度處曲線高于2.0 m高度處曲線，說明擋墻對于較小高度處遮蔽效應(yīng)較好。兩曲線隨孔隙率增加均呈先增加后減小趨勢，隨孔隙率增大，曲線極大值變小，且極值出現(xiàn)位置后移。兩曲線極大值位置附近一定范圍內(nèi)η大于1，隨著孔隙率增大，η>1的范圍減小且后移。以上現(xiàn)象說明隨孔隙率增大背風側(cè)渦流區(qū)范圍減小、位置后移、強度減弱。

3風洞試驗及結(jié)果分析

3.1試驗設(shè)備及方案概況

風洞試驗在中科院寒區(qū)旱區(qū)研究所風洞試驗室進行，風洞洞體全長38 m，試驗段長21 m，風洞截面積為1.2 m×1.2 m。整個風洞由動力段、整流段、供沙裝置、試驗段和擴散段五部分組成。

制作孔隙率分別為5%，10%，15%，20%，25%和30%的擋風墻模型，模型高度H=20 cm，為保證強度和剛度，模型采用PVC材料制作。

將上述模型分別置于風洞中進行試驗：設(shè)定入口風速9 m/s，使用畢托管分別測試擋墻背風側(cè)0.25H，0.5H，1H，2H，3H，5H，7H和10H以及迎風側(cè)0.75H，1.5H，3H和5H處各高度風速值；放置沙源，入口風速調(diào)至15 m/s,持續(xù)1 min，分別測試各模型墻前、墻后積沙范圍和積沙量，在擋墻背風側(cè)3H處設(shè)置集沙盒，通過對比各孔隙率擋墻集沙盒集沙數(shù)據(jù)與未布置擋墻的集沙數(shù)據(jù)，研究擋墻對積沙的影響。試驗布置示意圖如圖9。

圖9　風洞試驗布置示意圖Fig.9 Layout of wind tunnel test

3.2流場測試結(jié)果分析

畢托管測試數(shù)據(jù)經(jīng)處理，形成各孔隙率擋墻模型在風速v=9 m/s下的風速等值線圖，如圖10所示。

(a)孔隙率5%;(b)孔隙率10%;(c)孔隙率15%;(d)孔隙率20%;(e)孔隙率25%;(f)孔隙率30%注：圖中坐標單位為cm，橫坐標0處為擋墻所在位置，風向由右至左。圖10　各孔隙率擋墻風速等值線圖Fig.10 Contour map of each porosity

可以明顯看出，隨著孔隙率的增加，渦流區(qū)的范圍逐漸減小。當孔隙率為5%時，渦流區(qū)長度超過10H，且渦流較劇烈；孔隙率增加到30%時，渦流區(qū)長度僅為2H左右，且較微弱。其規(guī)律與數(shù)值模擬一致。

入口風速設(shè)定為9 m/s，可認為風速降低至4 m/s以下處，擋風墻對流場起到了有效影響，故將墻后風速在4 m/s以下的區(qū)域定義為有效影響區(qū)。不同孔隙率擋墻模型的有效影響區(qū)面積S及0.5 m高度處有效影響區(qū)長度與墻高比值Ly/H如圖11所示。

可以看出，隨著孔隙率增大，曲線逐漸趨于平緩，即孔隙率越大，孔隙率的變化對陰影區(qū)面積的影響越小，當孔隙率增大到25%時，繼續(xù)增加孔隙率對有效影響區(qū)面積和長度造成的影響甚微。而當孔隙率小于15%時，有效影響區(qū)范圍較大，可對風速起到有效控制。故布設(shè)在鐵軌附近、以擋風為主要功能的擋墻，宜設(shè)置較小孔隙率。

圖11　各孔隙率擋墻模型有效影響區(qū)情況Fig.11 Effectively influenced area of different wall porosity

3.3積沙測試結(jié)果分析

各孔隙率擋墻模型在15 m/s風速下持續(xù)1 min后，其迎風側(cè)和背風側(cè)積沙范圍和積沙重量如圖12所示。

(a)積沙范圍;(b)積沙重量圖12　各孔隙率擋墻模型迎風側(cè)、背風側(cè)積沙范圍和積沙重量Fig.12 Deposition area and sand weight in windwardand leeward side of different wall porosity

隨著孔隙率增大，擋風墻模型背風側(cè)積沙范圍長度和積沙重量均增大，且增長率也隨孔隙率的增大而增大，當孔隙率大于20%時，背風側(cè)積沙范圍長度和積沙重量均達到較高水平，且背風側(cè)曲線遠高于迎風側(cè)，當孔隙率較大時，背風側(cè)積沙成為積沙的主要因素。而擋風墻模型迎風側(cè)積沙范圍長度和積沙重量均隨孔隙率增加而減小，當孔隙率增大到20%時，二者均可控制在較小的范圍內(nèi)。圖13為孔隙率30%的擋墻模型兩側(cè)積沙情況。

(a)背風側(cè);(b)迎風側(cè)圖13　孔隙率30%擋墻模型兩側(cè)積沙情況Fig.13 Deposition of sand in both sides of the wallwith porosity of 30%

根據(jù)各孔隙率擋墻背風側(cè)3H處的集沙儀集沙數(shù)據(jù)和未設(shè)置擋墻的集沙數(shù)據(jù)，計算各孔隙率擋墻在各高度處的截留沙量，見圖14。

圖14　各孔隙率擋墻在各高度處截留沙量Fig.14 Weight of intercepted sand in different heightwith each wall porosity

從圖14可以看出，隨著集沙盒中心高度的增加，各曲線均呈下降趨勢，且曲線逐漸趨于水平，高度大于10 cm后，曲線接近水平。以上現(xiàn)象說明擋墻截留沙量隨著高度的增加而減小，且在高度較小處變化劇烈，擋墻可對其1/2高度以下的部分起到有效的積沙控制作用，高度較大時，作用甚微。

隨著孔隙率的增大，各高度的截留沙量呈下降趨勢，但當孔隙率由25%增大到30%的過程中，各高度截留沙量基本相同，故在一定范圍內(nèi)增大擋墻孔隙率可以起到有效控制擋墻背風側(cè)積沙的作用，但是孔隙率達到25%以后，繼續(xù)增大孔隙率已失去作用。

對于較大孔隙率的擋墻，高度大于10 cm部分，截留沙量出現(xiàn)負值，說明在這些位置，擋墻不僅沒有起到截沙的作用，反而起到了反作用，其原因是，這些位置位于流場的增速區(qū)，氣流速度有所增大，其攜沙能力增強。

綜合考慮，布設(shè)在鐵軌附近、以擋風為主要功能的擋墻，應(yīng)設(shè)置較小孔隙率，如3%~5%，以減小鐵軌附近積沙，同時可達到較好擋風效果，此結(jié)論與3.2吻合；若擋墻設(shè)置在距鐵軌較遠處，以阻沙為主要功能，則應(yīng)設(shè)置較大孔隙率，如25%~30%，以達到較好阻沙效果。此結(jié)果與數(shù)值模擬的結(jié)果基本吻合，亦在一定程度上驗證了數(shù)值模擬的可靠性。

4結(jié)論

1)擋墻對迎風側(cè)流場的影響主要體現(xiàn)在近地表處和接近擋墻處，擋墻的干擾使迎風側(cè)沿高度方向的廓線速度逐漸趨于均勻。

2)擋墻背風側(cè)形成渦流區(qū)，擋墻孔隙率對背風側(cè)渦流區(qū)參數(shù)影響較大，背風側(cè)負向流線首次出現(xiàn)位置Lf與墻高H的比值隨孔隙率增大而增大，且隨風速增大而增大，故實際工程中，應(yīng)考慮當?shù)卮箫L頻率選取擋墻孔隙率。

3)擋墻孔隙率削弱了風速沿程變化的劇烈程度，隨孔隙率增大，背風側(cè)增速區(qū)范圍擴大，渦流區(qū)范圍減小、位置后移、強度減弱，積沙量增大，但迎風側(cè)積沙量隨孔隙率增大而減小?？紫堵瘦^大時，背風側(cè)積沙遠超迎風側(cè)，成為積沙主要因素。

4)若擋墻以防風為主要功能，采用較小孔隙率，可同時達到較好防風與防積沙效果，若以阻沙為主要功能，采用25%~30%的擋墻孔隙率，可達到較好積沙效果。

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(編輯陽麗霞)

Numerical simulation and experimental research on effect of sleeper typed retaining wall for wind and sand retainingJING Wenhong1， CHENG Jianjun1，JIANG Fuqiang2

(1. College of Water Resources and Architectural Engineering, Shihezi University,Shihezi 832003,China；

2. Northwest Research Institute Co. Ltd of CREC, Lanzhou 730000,China)

Abstract:As a systematic research on the effect of sleeper typed retaining wall for wind and sand retaining, to provide a reference for the engineering application, the sleeper typed retaining wall with different porosity was simulated, and studied by wind tunnel test based on the FLUENT model. The results showed that: The influence of wall porosity to the windward side flow is small, but large to the vortex parameters in the leeward side; With the increase of porosity, the range of growth area in leeward side increases, the vortex zone reduces and moved backward and weakened while the intercepted sand increases; In addition, if the wall is mainly for wind-breaking, using small wall porosity is better for weakening wind and reducing intercepted sand, but if it mainly for sand resistance, using porosity of 25%~30% can achieve better effect of intercepting sand.

Key words:sleeper typed retaining wall;three dimensional numerical simulation;porosity;wind tunnel test

中圖分類號：U216.41+3

文獻標志碼：A

文章編號：1672-7029(2016)01-0046-09

通訊作者：程建軍(1979-)，男，河北衡水人，教授，博士，從事鐵路風沙防治研究；E-mail:chengdesign@163.com

基金項目：國家自然科學基金資助項目(51568057,51268050)；國家青年科學基金資助項目(50908152)

收稿日期：*2015-05-18