戈壁铁路挡风墙背风侧流场特征与挡风功效研究

庞巧东,程建军,蒋富强,李凯崇

(1.石河子大学水利建筑工程学院,石河子 832003；2.中铁西北科学研究院有限公司,兰州 730000)

新疆戈壁强风区具有大风活动频繁,风速高、风期长、季节性强、风向稳定、起风速度快等特点[1]。尤其是阿拉山口风区、烟墩风区、三十里风区、百里风区,它们是中国内陆风力最为强劲的地区之一。新疆戈壁铁路多次发生列车被大风吹翻的重大事故。为此,在铁路迎风侧修建挡风墙是一项对列车运行安全防护的重要措施。王学楷[2]、王晓刚[3]分别对兰新铁路和南疆铁路沿线的挡风墙的设计与施工进行了详细说明。

戈壁铁路受到风沙危害的主要原因是这些地区气候干旱、大风频繁且铁路附近有大量丰富的沙源[4]。实地测试结果表明挡风墙高度为3.0 m时,列车倾覆力矩系数减小95%以上,风速为24 m/s时有效遮蔽范围超过了38 m[5]。姜翠香、梁习峰[6]等人通过数值模拟对起始风速为20.1 m/s条件下对挡风墙的高度与位置进行了计算,最后得到挡风墙距离车轨中心线的最佳设置位置与最佳高度之间呈三次方关系。黄宁[7]通过计算得到列车在弯道上和在直道上所受到的风力几乎相等,都可以通过修建挡风墙解决。

以上都是关于挡风墙对列车安全防护方面的研究,而对不同形式挡风墙背风侧的流场关注较少,对其挡风的原因认识存在不足,特别是对高风速条件下的挡风墙功效的探索欠缺,这就使得虽然戈壁铁路采取了各种形式的挡风墙对列车进行防护,但每年仍然有大量列车因大风问题造成停运,并且在泄风式和土堤式挡风墙背风侧造成了严重的积沙问题[9]。本文对不同形式挡风墙背风侧流场进行模拟计算,指出其流场一些特征,并对大风遮蔽系数进行了计算,为铁路的设计和安全运营提供一些参考。

1 戈壁地区铁路沿线挡风墙类型

1.1 对拉式挡风墙

对拉式挡风墙设置于线路迎风侧,宽1.5 m,高3.0 m,基础厚0.5 m,宽2.1 m。墙面板为十字形C20钢筋混凝土预制板,板幅1.00 m×1.00 m,板厚0.15 m,墙内就地填筑圆砾土,人工夯实,采用0.25 m厚混凝土板封顶,见图1。

图1 对拉式挡风墙断面(单位：m)

对拉式挡风墙结构比较复杂,施工也较为复杂,但其稳定性、安全性、可靠性均较好,造价相对也比较低廉,且左右对称不受风向影响,适用于路堤高度较高的路段。

1.2 “L”形挡风墙

“L”形挡风墙高3.0 m,厚0.4 m,基础埋深0.5 m,长1.8 m,厚0.5 m,采用C20钢筋混凝土现浇,见图2。

图2 “L”形挡风墙(单位：m)

“L”形挡风墙占地面积小,施工比较灵活,质量容易得到保证,结构合理,但造价比较高,适用于路堤填料匮乏的路段。

1.3 土堤式挡风墙

土堤式挡风墙高度为3.0 m,顶宽为1 m,边坡左右对称,其边坡坡率都为1∶1.5,为了防止挡风墙的风蚀,两边侧均采用C15混凝土预制混凝土面板防护,其尺寸为500 mm×500 mm×8 mm,见图3。

图3 土堤式挡风墙断面(单位：m)

土堤式挡风墙的造价比较低廉,可以就地取材,施工方便,结构简单,稳定性比较好,且维修比较方便。但是,其占地面积比较大,填方量多,适用于当地材料比较多路基较低的路段。

2 挡风墙数值分析的模型建立

戈壁铁路沿线挡风墙的长度远远大于其横向尺寸,当计算在大风作用下其背风侧流场时,可将其视为二维问题处理。由于所研究的铁路沿线横向风速一般大于10 m/s,小于70 m/s,马赫数小于0.3,故计算时可按不可压缩流动问题处理[10]。另外,本模型不考虑热量的交换,是单纯流场问题,所以不用包含能量方程。描述挡风墙背风侧流场的控制方程主要包括连续方程、动量方程和k-ε湍流模型方程,具体方程见参考文献[11]。

通过风洞试验和现场测试得到挡风墙的最佳高度为3.0 m[12],因此本模型挡风墙的高度设计为3.0 m。为了让气流的绕流和流场发展充分,计算区域的高度、宽度分别为100.5、200 m。如图1～图3所示,以墙体背风侧与路基相交点为坐标原点,以挡风墙背风侧路基方向为x轴,以垂直向上方向为y轴,路堤高度统一设为0.5 m。

模型的入口和出口分别采用速度入口和自由出口,地面和挡风墙采用固体壁面边界。

3 计算结果与分析

计算结果显示对拉式与“L”形挡风墙背风侧流场相似,而土堤式与它们有着较大的区别,以对拉式和土堤式为例进行比较。

3.1 挡风墙背风侧流场变化

在未设置挡风墙时,气流在平坦的地面运动,其风向和风速等值线大致与地面平行,而挡风墙的设置则改变了这一平衡状态。

如图4所示,对拉式挡风墙背风侧流场变化十分显著,形成了一个巨大的涡流。气流在涡流区内发生回旋,方向与迎风侧相反。大风速率在背风侧也发生了巨大变化,如图5所示,风速等值线也不再是由一组近似平行的直线组成,而是发生了弯曲,形成了部分环状等值线,并且大风速率在背风侧的上部区域超过了起始风速。

图4 对拉式挡风墙背风侧流场

图5 对拉式挡风墙背风侧风速等值线(单位：m/s)

这是由于对拉式挡风墙是一种带尖缘的钝体,气流在越过挡风墙时受到了挤压,在尖端产生了分离,形成了一个很薄的强剪切层。剪切层两侧的压差使流线向下弯曲,在接近地面时,气流又返回了分离区,补偿了由于卷吸而带走的那部分气流,故在对拉式挡风墙背风侧形成一个强大的涡流区。

土堤式挡风墙迎风侧与地表之间存在一个比较平缓的坡度,这就使得土堤式与对拉式背风侧的流场有着较大的区别。由于土堤式挡风墙迎风侧的边坡对气流具有较强的导流作用,在背风侧没有形成明显的涡流。由图6和图7可以看出，土堤式挡风墙背风侧大风的方向和速率同样发生了变化,但与对拉式相比变化比较小。大风速率在挡风墙顶端也超过了起始风速,大风方向与风速等值线也不再与地面平行,二者在背风侧局部地区都变为向下倾斜。

图6 土堤式挡风墙背风侧流场

图7 土堤式挡风墙背风侧风速等值线(单位:m/s)

由于挡风墙的阻挡作用,大风的方向和速率在背风侧局部地区发生了较大的变化,减小了大风对列车造成的侧滚力矩,这是挡风墙能够降低列车倾覆危险的主要原因。

3.2 挡风墙背风侧风速变化

受对拉式挡风墙的影响,在背风侧大风的风向发生变化的同时,大风速率的变化也比较显著。图8为高度分别为1、2、3、4 m位置风速随距离变化曲线。由图8可以看出,挡风墙高度以下位置,在墙体背风侧x=0 m处大风速率都直接降为零。在水平方向同一高度,大风速率在相反方向随着水平距离的增加先增大后减小,在涡流尾部减小到最小值,风向转变为与迎风侧相同,并且随着水平距离的增加,大风速率迅速恢复到起始值。并且还可以看出,当起始风速为60 m/s时,在距离为75 m,即挡风墙高度25倍的距离处风速将完全恢复初始值。

图8 对拉式挡风墙背风侧水平方向上风速变化(起始风速为60 m/s)

土堤式与对拉式挡风墙结构上的不同导致其背风侧风速在水平方向上的变化规律与对拉式也有着较大的区别。图9为高度分别为1、2、3、4 m位置风速随距离变化规律。由图9可以看出,土堤式挡风墙背风侧风速在水平方向上也发生了变化,但变化不如对拉式剧烈,风向无反向变化。同一高度上的大风速率随着与挡风墙距离的增大而增大,最后风速达到起始值。在挡风墙背风侧一段距离内大风速率与距离近似成线性关系,并且线性比例系数随着高度的增加逐渐变小,当高度超过挡风墙时,比例系数由正值变为负值。

图9 土堤式挡风墙背风侧水平方向上风速变化

同样由于挡风墙的影响,在垂直方向上,背风侧的风速变化规律也与无障碍物时不同,大风速率随高度的变化不再为单一的指数关系。

图10和图11分别是距离挡风墙位置为3、9 m和15 m处风速在垂直方向上随高度变化规律,即风速廓线。由于气流在对拉式挡风墙背风侧形成了涡流,且地面存在着摩擦作用,因此对拉式挡风墙背风侧的大风速率随高度的变化比较复杂。由图10可以看出,在高度y=0 m的路基面上,风速由于摩擦作用直接降低为零。起始风速为60 m/s时,当高度低于0.4 m,在同一垂直面上,大风速率随着高度的增加在相反方向迅速增大,在高度为0.4 m处达到涡流区内最大值；在0.4～4 m高度范围内大风速率随着高度增加而减小,方向同样与起始方向相反,在高度为4 m位置速率减小为最小值,方向也发生了转变,与起始方向相同。在4～8 m的高度范围,随着高度的增加大风速率又迅速增大,在高度为8 m的位置超过了起始风速；在8 m高度以上,随着高度的增加大风速率缓慢减小,在高度为15 m处风速恢复到起始值。

图10 对拉式挡风墙背风侧风速廓线(起始风速为60 m/s)

图11 土堤式挡风墙背风风速廓线

而在土堤式挡风墙的背风侧的大风速率在垂直面上的变化规律也与对拉式不同。由图11可以看出,在高度为y=0 m的路基面上,大风速率也直接降低为零。起始风速为60 m/s时,在同一垂直面上高度低于4 m时,大风速率随着高度的增加而急剧增加。在高度为4 m位置风速基本回复初始值,当高度大于4 m后,风速随高度增加缓慢；在高度为6 m位置风速达到最大值,并且超过了起始风速,随着高度增加风速缓慢减小,在高度为20 m位置,风速基本恢复到起始风速。

3.3 涡流区特征

土堤式挡风墙背风侧无明显涡流,只有对拉式挡风墙背风侧才形成了较大的涡流区。

涡流区长度是评价挡风墙挡风效果的一个重要指标,它决定着挡风墙遮蔽范围的大小。涡流区长度与风速和挡风墙的宽度相关。如表1所示,当挡风墙宽度不变时,涡流区长度与起始风速成正比；当风速不变时,涡流长度与挡风墙宽度成正比。由于对拉式挡风墙宽度大于“L”形,当高度相同时,对拉式挡风墙背风侧的涡流长度大于“L”形,遮蔽范围也大于“L”形,挡风效果优于“L”形挡风墙。

表1 涡流区长度 m

在涡流区内大风方向与初始方向相反,在水平方向上,大风速率随着与挡风墙距离的增大先增大后减小,在其间会达到一个最大值,将这个最大值称为涡流最大风速。涡流最大风速的位置主要与挡风墙高度相关。风速不变时,涡流最大风速位置随挡风墙高度增加而增加；挡风墙高度不变时,在涡流最大风速的位置随风速变化较小。

3.4 挡风墙背风侧大风遮蔽效应系数

3.4.1 大风遮蔽效应系数的计算

η=(v0-vt)/v0

式中η——大风遮蔽效应系数；

v0——起始风速，m/s；

vt——挡风墙背风侧风速，m/s。

3.4.2 涡流最大风速遮蔽效应系数(表2)

如表2所示,挡风墙高度不变时,涡流最大风速遮蔽系数随着风速的增加而降低；风速不变时,涡流最大风遮蔽效应系数随着高度的增加而增加。

表2 对拉式挡风墙涡流区最大风速遮蔽效应系数

3.4.3 列车运行范围内大风遮蔽效应系数(表3)

表3 对拉式挡风墙背风侧大风遮蔽效应系数

由表2可以得到对拉式挡风墙涡流区遮蔽效应系数只有0.4,因此最大风速会达到起始风速的60%,但根据实际测量数据和图8可以看出涡流最大风速的位置距离挡风墙比较远,在30 m左右,而列车一般运行在挡风墙背风侧3～9 m。因此,涡流最大风速不会影响列车的正常运行,而在列车运行范围的风速才是影响列车安全运行关键因素。

在对拉式挡风墙背风侧在列车运行范围内,大风方向与起始方向相反,由表3可以看出,大风遮蔽效应系数都在0.75以上。当起始风速为60 m/s时,经过挡风墙的阻挡作用后在列车运行区内风速可以降低到15 m/s,足以保障列车的安全行驶。

而土堤式挡风墙背风侧列车运行范围内风速并无反向变化。由表4可以看出,当水平距离不变时,大风遮蔽系数随着高度的增加而减小；当高度不变时,大风遮蔽系数随着水平距离的增大而减小。

表4 土堤式挡风墙背风侧大风遮蔽效应系数

起始风速为60 m/s时,在高度为3 m的位置大风遮蔽效应系数仅为0.43,风速已经恢复到起始风速的57%,挡风墙背风侧风速还可以达到34 m/s。而图9可以看出在高度为4 m位置,风速已经恢复到起始值,而列车高度一般都超过4 m,因此列车依然存在倾覆的危险。为了满足列车的安全需求,需要增加土堤式挡风墙的高度,这样才能进一步降低背风侧大风遮蔽效应系数,减小大风对列车造成的侧滚力矩。但是增加高度必然会增加工程量和建设成本。

由此可以看出,挡风墙高度相同时,对于对拉式挡风墙的防风效果明显优于土堤式；当挡风墙高度为3.0 m时,对拉式挡风墙能够满足要求,而土堤式不能。

4 结 论

在对拉式挡风墙背风侧形成了一个大的涡流,涡流区内风向相反,大风速率变化显著,起始风速为60 m/s时,遮蔽效应系数为0.75；土堤式挡风墙背风侧风向风速也有所变化,变化相对较小,风向与风速等值线仅向下倾斜,在相同的起始风速条件下,大风遮蔽效应系数仅为0.42。挡风墙高度相同时,对拉式挡风效果优于土堤式。当高度为3.0 m时,对拉式能够满足要求,而土堤式不能,需要加以改进。

同时,上述模拟计算结果与试验测试结果基本一致,说明数值模拟的结果是可靠的,利用数值模拟进行的迭代求解是计算流场规律的有效方法之一,可以作为实测数据的补充为实际工程应用提供依据,对今后铁路防风有一定的借鉴作用。

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