李良英, 石 龍, 蔣富強(qiáng),薛春曉,李曉軍,

(1.蘭州交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070；2.中鐵西北科學(xué)研究院有限公司，甘肅 蘭州 730000)

青藏鐵路是世界上海拔最高、線路最長(zhǎng)的高原鐵路，沿線穿越戈壁荒漠、沼澤濕地、雪山草原等多種不同地貌單元，自然環(huán)境有原始、獨(dú)特、敏感、脆弱的特點(diǎn)。青藏鐵路海拔4 000 m以上地段達(dá)965 km，最高點(diǎn)海拔5 072 m(唐古拉山口)，全線總里程1 956 km。

由于其獨(dú)特的地理環(huán)境，青藏鐵路自通車以來，高原風(fēng)沙流就時(shí)常侵襲鐵路，輕則污染道床，重則掩埋鋼軌，給鐵路運(yùn)營(yíng)帶來安全隱患。針對(duì)青藏鐵路部分路段沙害日益嚴(yán)重的現(xiàn)狀，我國(guó)科技人員一方面借鑒其他風(fēng)沙線路沙害防治技術(shù)，另一方面通過現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)、風(fēng)洞試驗(yàn)、數(shù)值模擬等手段，從風(fēng)沙災(zāi)害特點(diǎn)[1-3]、防沙措施效益評(píng)價(jià)[4-7]、路基沙害形成機(jī)理[8-9]等方面對(duì)青藏鐵路沙害防治進(jìn)行研究，并取得一定成果，為青藏鐵路安全營(yíng)運(yùn)提供可靠的技術(shù)支持。但橋梁沙害形成機(jī)理方面的研究較少見，忽視沙害對(duì)橋梁的影響導(dǎo)致青藏鐵路巴索曲特大橋下積沙嚴(yán)重，河道阻塞，嚴(yán)重影響其排洪功能，直接威脅列車的安全運(yùn)營(yíng)。因此，有必要對(duì)巴索曲特大橋沙害形成機(jī)理進(jìn)行研究。

本文通過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，結(jié)合數(shù)值模擬手段，揭示巴索曲特大橋沙害形成原因，并提出相關(guān)建議，可為其他風(fēng)沙地區(qū)鐵路建設(shè)提供借鑒。

1 工程概況

巴索曲特大橋位于西藏自治區(qū)北部安多縣措那湖東岸，海拔約4 800 m，周圍為山前沖洪積平原，地形開闊，微向東南傾斜。錯(cuò)那湖附近小湖泊及條帶狀濕地分布廣泛，地表草皮發(fā)育，覆蓋率60%～90%，北部湖積平原發(fā)育，東岸分布有流動(dòng)沙丘，寬度約13 km。

該區(qū)屬高寒半濕潤(rùn)季風(fēng)氣候，年平均氣溫-2.9℃，最熱月(7月)平均氣溫23.3℃，最冷月(1月)平均氣溫-36.7 ℃。年平均降水量417.5 mm(80%集中在6～9月)，年降水量最大值604.6 mm(1971年)，年降水量最小值292.3 mm(1972年)，年平均蒸發(fā)量1 782.9 mm。該區(qū)主要盛行風(fēng)向WSW(2～3月)和NE、NNE(其他月份)，年平均風(fēng)速4.3 m/s，年平均大風(fēng)日數(shù)147.1 d。定時(shí)最大風(fēng)速35.0 m/s，風(fēng)向WSW(1976年2月)；瞬時(shí)最大風(fēng)速38.0 m/s，風(fēng)向W(1977年1月)。安多縣多年年最大風(fēng)速平均值為27.18 m/s，相對(duì)應(yīng)的風(fēng)向(頻率)為WSW(65.14%)、W(26.19%)和WNW(7.17%)，主要出現(xiàn)在1～3月和11～12月。

2 沙害形成機(jī)理

風(fēng)沙流是氣流攜沙的運(yùn)動(dòng)物理過程。當(dāng)風(fēng)速大于起動(dòng)風(fēng)速時(shí)，松散在地表上的固體顆粒被氣流搬運(yùn)，形成風(fēng)沙流，對(duì)地表產(chǎn)生風(fēng)蝕；當(dāng)風(fēng)沙流遇到障礙物時(shí)，過流斷面發(fā)生變化，氣流能量減小，攜沙能力降低，形成風(fēng)積沙。巴索曲特大橋沙害就是由于大橋改變了其周圍原有的風(fēng)沙流場(chǎng)，形成了典型的風(fēng)積沙害。由于風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)形成主要依靠氣流與沙粒的相互作用，所以本文著重從沙物質(zhì)來源與風(fēng)場(chǎng)變化兩方面分析巴索曲特大橋風(fēng)積沙害的形成原因。巴索曲特大橋兩側(cè)積沙情況如圖1所示。

(a)大橋東側(cè)

(b)大橋西側(cè)圖1 巴索曲特大橋兩側(cè)積沙情況

2.1 沙物質(zhì)來源

沙物質(zhì)主要來源于湖濱沉積物、巴索曲及桑曲沖積物、湖岸邊大片固定沙丘及巖石風(fēng)化物。地表出露的湖相沉積物主要分布在錯(cuò)那湖的邊緣，包括湖濱相砂、礫石和湖相砂、黏土層，湖泊沉積物海拔高度4 585～4 588 m，湖泊南緣可見夾含螺殼化石的灰白色粉砂層和黏土層，它們構(gòu)成了湖泊第一級(jí)階地。該階地在湖泊周緣分布比較連續(xù)，其后緣形成湖蝕陡坎，延至湖泊南岸逐漸過渡為錯(cuò)那湖與嘎弄湖之間的湖間砂壩或砂堤。河流沉積主要包括洪積物和沖積物，洪積物主要分布在安多谷地南、北兩側(cè)的山麓地帶，向谷地中心方向，洪積物逐漸相變?yōu)榘退髑吧Ｇ鷽_積物。大片的固定沙丘主要分布在錯(cuò)那湖濱，由于嚴(yán)重的風(fēng)蝕逐步演變?yōu)榛罨潭ㄉ城?，這些沙丘從巴索曲特大橋南側(cè)斷續(xù)延伸至北桑曲特大橋東側(cè)，總長(zhǎng)度7.5 km，寬度50～300 m，沙丘頂部植被覆蓋良好，側(cè)面風(fēng)蝕嚴(yán)重，形成陡坎。巖石風(fēng)化產(chǎn)物主要分布在鐵路東側(cè)山坡出露上古生界花崗片麻巖上，表層風(fēng)化嚴(yán)重。

對(duì)北桑曲特大橋南側(cè)與巴索曲特大橋南側(cè)兩個(gè)地層剖面分析，粒度從上到下(0～2.5 m)差別較小。北桑曲特大橋南側(cè)沙物質(zhì)相對(duì)較細(xì)，細(xì)砂在60%以上，極細(xì)砂含量約30%，中砂較少，不含粗砂?；罨城鸬念w粒組成為：微砂67.63%，細(xì)砂28.82%，粉砂1.60%，中砂1.40%，微粗砂約0.53%。由于有山坡粗粒巖石風(fēng)化產(chǎn)物混入，巴索曲特大橋東側(cè)有一定比例的粗砂和極粗砂，總體以細(xì)砂為主，含量在50%以上。巴索曲及桑曲沖積物，粒度范圍較寬，粒徑含量從高到低依次為細(xì)砂34.82%、中砂33.99%、粗砂26.17%、微砂4.08%、極粗砂0.29%。巖石風(fēng)化物中的顆粒較粗，一般呈灰白色，與湖濱沙丘的沙有一定差異。

由于該區(qū)域風(fēng)力強(qiáng)勁、沙源豐富，在風(fēng)力與水力作用下，風(fēng)沙活動(dòng)強(qiáng)烈，導(dǎo)致巴索曲流域的低山丘陵上形成大片流動(dòng)沙丘。這些沙物質(zhì)在雨季經(jīng)雨水與河水的搬運(yùn)沉積到錯(cuò)那湖東岸湖濱灘地，成為新的沙源。大橋東側(cè)山坡出露上古生界花崗片麻巖，表層風(fēng)化嚴(yán)重，風(fēng)化物中的細(xì)顆粒被地表水搬運(yùn)沉積到巴索曲河谷中，雨季經(jīng)河水搬運(yùn)再沉積至錯(cuò)那湖東岸，風(fēng)季又經(jīng)風(fēng)力搬運(yùn)堆積在山前平原、巴索曲河谷及緩坡地帶。巴索曲河谷及緩坡地帶的風(fēng)積沙受地表水及河水的沖刷、搬運(yùn)，使錯(cuò)那湖東岸沙源得到補(bǔ)充。因此，本段風(fēng)沙流活動(dòng)具有循環(huán)性特點(diǎn)。

由于河漫灘太寬，堆積了大量的沙，為風(fēng)沙活動(dòng)提供了豐富的沙源，在風(fēng)力作用下很容易形成風(fēng)沙流。遇到梁體后，風(fēng)沙流平衡狀態(tài)改變，沙粒沉積在大橋兩側(cè)，阻塞河道，影響河道的排洪功能。

2.2 巴索曲特大橋周圍風(fēng)場(chǎng)的改變

為掌握大橋?qū)ζ渲車L(fēng)沙流場(chǎng)的影響，本文借助數(shù)值模擬手段對(duì)其周圍流場(chǎng)進(jìn)行仿真分析。

2.2.1 模型中流體的壓縮性

根據(jù)密度是否為定值，可以將流體分為可壓縮流體與不可壓縮流體。當(dāng)密度為定值時(shí)，流體為不可壓流體，反之，稱之為可壓流體。在某些數(shù)值計(jì)算中，可以根據(jù)空氣動(dòng)力學(xué)近似公式計(jì)算密度隨速度的變化是否可以忽略，來區(qū)分流體的壓縮性。

(1)

(2)

T=273+t

(3)

式中：v為當(dāng)?shù)仫L(fēng)速，m/s；c為聲音在空氣中的傳播速度，m/s；ρ0為靜止時(shí)空氣密度，kg/m3；T為熱力學(xué)溫度，K；t為攝氏溫度，℃；比熱比γ=1.4；空氣常數(shù)R=287 m2/s2。

本文模型中流體的速度v=10～30 m/s，溫度t=20 ℃，根據(jù)式(1)～式(3)可知密度比：ρ/ρ0=0.996 2～0.999 6，與靜止流體相比密度減小0.04%～0.38%，速度對(duì)密度的影響可以忽略。因此，本文模型中流體按照不可壓縮流體處理。

2.2.2 模型建立

為避免橋梁背風(fēng)側(cè)渦旋流對(duì)出口邊界條件的影響，通過試算，模型計(jì)算域尺寸取為100 m×15 m×10 m。巴索曲特大橋?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)簡(jiǎn)支T梁，梁高1.90 m，頂面寬3.90 m，人行道板寬1.05 m，梁底凈空2.0 m。為提高網(wǎng)格劃分的質(zhì)量，簡(jiǎn)化了仿真模型中梁體部分局部形狀。

本文所建模型較復(fù)雜，為提高工作效率，基于ICEMCFD軟件對(duì)計(jì)算域進(jìn)行非結(jié)構(gòu)自動(dòng)體網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格劃分類型Tetra/Mixed，邊界層采用Robust(octree)，網(wǎng)格單元總數(shù)超過1 000 000。

2.2.3 控制方程

連續(xù)性方程

(4)

動(dòng)量方程

(5)

(6)

(7)

式中：ux、uy、uz為速度u在x、y、z軸方向上的速度分量；ρ為氣流密度；p為流體微元體上的壓強(qiáng)；τxx等是因分子黏性作用而產(chǎn)生的作用在微元體表面黏性應(yīng)力τ的分量；g為重力加速度。

2.2.4 波動(dòng)指數(shù)

當(dāng)氣流途經(jīng)障礙物時(shí)，過流斷面發(fā)生變化，能量重新分布，導(dǎo)致氣流速度分區(qū)域增大或減小。為方便分析梁體對(duì)其周圍氣流速度的擾動(dòng)程度，本文引入氣流波動(dòng)指數(shù)，指流場(chǎng)中氣流速度與來流速度的比值，即

(8)

式中：u∞為來流速度；ux為測(cè)點(diǎn)速度。

2.2.5 結(jié)果分析

為掌握梁體對(duì)其周圍風(fēng)場(chǎng)的影響，從梁體周圍氣流速度分布特征、梁體凈空以及梁體類型三個(gè)方面進(jìn)行分析。

2.2.5.1 氣流速度分布特征

為掌握不同風(fēng)速工況下梁體周圍氣流速度分布特征，以來流風(fēng)速u∞分別取10、20、30 m/s，梁底凈空高度H=2 m為例進(jìn)行仿真分析。

圖2為梁體周圍氣流速度分布等值線。從圖2可以看出，不同來流風(fēng)速下梁體周圍氣流速度分布形態(tài)基本一致，氣流形成分區(qū)，大致可分為氣流高速區(qū)(梁體上方約2～4 m)、加速區(qū)(梁體下方)、紊流區(qū)(梁體上方約0～2 m、梁體內(nèi)側(cè)、背風(fēng)側(cè)約0～8 m)、減速區(qū)(迎風(fēng)側(cè)約0～5 m)和局部低速區(qū)(A、B處)。通過對(duì)比分析，隨著來流速度的增大，高速區(qū)、紊流區(qū)、加速區(qū)在逐漸增大，梁體背風(fēng)側(cè)局部低速區(qū)逐漸向下風(fēng)向移動(dòng)，有與紊流區(qū)連成一體的趨勢(shì)。

(a)u∞=10 m/s

(b)u∞=20 m/s

(c)u∞=30 m/s圖2 簡(jiǎn)支梁梁體周圍氣流速度分布等值線圖

不同來流風(fēng)速工況下簡(jiǎn)支梁不同位置的氣流波動(dòng)指數(shù)如圖3所示。從圖3可以看出，來流風(fēng)速對(duì)迎風(fēng)側(cè)氣流波動(dòng)指數(shù)影響較小，對(duì)背風(fēng)側(cè)及梁底氣流波動(dòng)指數(shù)影響較大。隨著風(fēng)速的增大，氣流加強(qiáng)區(qū)范圍、衰減區(qū)范圍和谷值與縱軸線的距離都有增大趨勢(shì)，而谷值呈遞減趨勢(shì)，峰值變化不明顯。說明隨著來流風(fēng)速的增大，梁體對(duì)背風(fēng)側(cè)及梁底氣流的擾動(dòng)程度逐漸增大，對(duì)迎風(fēng)側(cè)氣流擾動(dòng)不大。

以上分析表明，橋梁兩側(cè)積沙的主要原因在于梁體改變了其周圍的風(fēng)沙流場(chǎng)，破壞了風(fēng)沙流的平衡狀態(tài)，導(dǎo)致部分區(qū)域風(fēng)速減小，氣流攜沙能力降低，沙粒沉積在梁體兩側(cè)。迎風(fēng)側(cè)積沙來自局部低速區(qū)A處和減速區(qū)的沙粒沉積，背風(fēng)側(cè)積沙來自局部低速區(qū)B處和紊流區(qū)的沙粒沉積。研究表明，風(fēng)沙流中大部分沙粒在近地表約50 cm以下范圍內(nèi)運(yùn)動(dòng)，所以橋梁兩側(cè)積沙主要原因是局部低速區(qū)氣流速度的降低。且來流風(fēng)速越大，梁體對(duì)風(fēng)沙流的平衡狀態(tài)影響越大，沙粒越容易沉積在橋梁兩側(cè)。

(a)h=0.2 m

注：h為距床面高度。圖3 不同來流風(fēng)速工況下簡(jiǎn)支梁的氣流波動(dòng)指數(shù)

2.2.5.2 橋下凈空

過流斷面決定穿越該區(qū)域氣流速度的大小，一定程度上影響著沙粒在橋梁兩側(cè)的沉積形態(tài)與沉積量。橋下凈空直接決定梁底過流斷面的大小，為掌握橋下凈空對(duì)梁體周圍流場(chǎng)的影響程度，以來流風(fēng)速u∞=20 m/s，橋下凈空H分別取2、3、4、5 m為例進(jìn)行仿真分析。不同梁底凈空工況下氣流速度分布和簡(jiǎn)支梁不同位置氣流波動(dòng)指數(shù)如圖4、圖5所示。

從圖4可以看出，隨著橋下凈空的逐漸增大，局部低速區(qū)逐漸減小，橋下凈空達(dá)到某一高度后局部低速區(qū)基本消失。從圖5可以看出，橋下凈空越小，氣流波動(dòng)指數(shù)變化幅度越大，相反，橋下凈空越大，氣流波動(dòng)指數(shù)變化幅度越小，說明隨著橋下凈空的增大，梁體對(duì)近地表氣流的擾動(dòng)程度逐漸變小。

(a)H=2 m

(b)H=3 m

(c)H=4 m

(d)H=5 m注：H為橋下凈空。圖4 不同橋下凈空工況下簡(jiǎn)支梁氣流速度分布等值線

注：h為距床面高度。圖5 不同橋下凈空工況下簡(jiǎn)支梁的氣流波動(dòng)指數(shù)

以上分析表明，橋下凈空對(duì)橋下兩側(cè)積沙有較大影響，橋梁凈空越小，梁底氣流速度的增幅越大，梁底越不易積沙，但橋梁兩側(cè)氣流速度的衰減幅度也越大，導(dǎo)致橋梁兩側(cè)越容易積沙；橋下凈空高度越大時(shí)，氣流速度變化幅度也較小，達(dá)到某一高度后氣流波動(dòng)指數(shù)趨近于1，此時(shí)梁體對(duì)風(fēng)沙流平衡狀態(tài)基本沒有影響，即風(fēng)沙流能夠順利通過梁底，不會(huì)在橋梁兩側(cè)形成積沙。

2.2.5.3 梁體類型

由于簡(jiǎn)支梁與箱梁橫截面不同，風(fēng)沙流途經(jīng)梁體時(shí)，流場(chǎng)產(chǎn)生差異，導(dǎo)致橋梁兩側(cè)積沙形態(tài)和積沙量不同。為掌握不同梁體截面對(duì)周圍氣流場(chǎng)的影響，本文以來流風(fēng)速u∞=30 m/s、橋下凈空H=2 m為例進(jìn)行數(shù)值仿真分析。不同梁體類型橋梁周圍氣流速度分布和氣流波動(dòng)指數(shù)如圖6、圖7所示。

從圖6可以看出，同等條件下，與簡(jiǎn)支梁相比，箱梁不僅梁底加速區(qū)范圍更大，同時(shí)局部低速區(qū)B距梁體的距離更遠(yuǎn)。從圖7可以看出，距床面同等高度處，與簡(jiǎn)支梁相比，在橋梁迎風(fēng)側(cè)與背風(fēng)側(cè)低速區(qū)，箱梁的波動(dòng)指數(shù)衰減幅度較小，梁底加速區(qū)箱梁波動(dòng)指數(shù)增幅范圍更大。

以上分析表明，同等條件下，箱梁兩側(cè)更不易積沙，同時(shí)背風(fēng)側(cè)的積沙區(qū)域距梁體更遠(yuǎn)。在橋下凈空設(shè)計(jì)不合理的情況下，與箱梁相比，簡(jiǎn)支梁兩側(cè)更容易形成積沙，清沙周期越短，防護(hù)費(fèi)用越高，經(jīng)濟(jì)損失越大。

(b)箱梁圖6 不同梁體類型周圍氣流速度分布等值線

注：1.XL、JZ分別代表箱梁和簡(jiǎn)支梁；2.h為距床面高度。圖7 不同梁體類型周圍氣流波動(dòng)指數(shù)

3 結(jié)論

(1)氣流途經(jīng)梁體時(shí)，其速度重新分布，大致可分為氣流高速區(qū)、加速區(qū)、紊流區(qū)、減速區(qū)和局部低速區(qū)。隨著來流速度的增大，高速區(qū)、紊流區(qū)、加速區(qū)范圍逐漸增大，梁體背風(fēng)側(cè)局部低速區(qū)逐漸向下風(fēng)向移動(dòng)，有與紊流區(qū)連成一體的趨勢(shì)。

(2)橋下凈空越小，梁底氣流速度的增幅越大，梁底越不易積沙，但橋梁兩側(cè)氣流速度的衰減幅度也越大，導(dǎo)致橋梁兩側(cè)越容易積沙；橋下凈空越大，氣流速度變化幅度越小，橋下凈空達(dá)到某一高度后氣流波動(dòng)指數(shù)趨近于1，此時(shí)梁體對(duì)風(fēng)沙流平衡狀態(tài)基本無影響，即風(fēng)沙流能夠順利通過梁底，不會(huì)在橋梁兩側(cè)形成積沙。

(3)同等條件下，箱梁兩側(cè)更不易積沙，同時(shí)背風(fēng)側(cè)的積沙區(qū)域距梁體更遠(yuǎn)。在梁體凈空設(shè)計(jì)不合理的情況下，與箱梁相比，簡(jiǎn)支梁更容易形成沙害，清沙周期越短，防護(hù)費(fèi)用越高，經(jīng)濟(jì)損失越大。

(4)在設(shè)計(jì)風(fēng)沙地區(qū)鐵路前，建議詳細(xì)考察當(dāng)?shù)仫L(fēng)沙流特征，合理設(shè)計(jì)梁底凈空，使風(fēng)沙流能順利通過梁底，消除橋梁風(fēng)積沙害。

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