临策铁路戈壁段路堤二维风速流场特征研究

姚立强，左合君，李钢铁，刘宝河

(内蒙古农业大学，呼和浩特 010019)

1 概述

铁路是一种线性工程，当铁路穿越沙地、沙漠、戈壁区域时，路基就会成为一道屏障，干扰风速流场，降低风速，阻截流沙，形成沙物质堆积或造成铁路沙害，并且有可能成为某一路段产生沙害的新沙源[1]。铁路沙害的分布类型有沙漠型、戈壁型、平沙地型3种[2]，而临河-策克铁路(以后简称“临策铁路”)主要是沙漠型和戈壁型。沙漠型沙害以沙丘危害为主，而戈壁型沙害以大风和风沙流危害为主[3-4]。风沙流受阻形成沙埋与路基断面特点有关[5-6]，而路基断面流场特征是路基与气流相互作用结果的反映，也是铁路沙害的动力基础[7]。临策铁路自建成通车以来，由于沿线气候干旱、植被稀少、土地沙漠化敏感性高，加之风力强劲、风沙活动剧烈，部分路段虽采取绕避，但线路沙害仍较为严重[8-11]。尤其是临策铁路K325+000～K651+000段就分布在广袤的戈壁(岩漠、砾漠)区，占铁路里程的42.45%，是铁路沙害发生最为严重的路段。本文旨在通过分析临策铁路戈壁段不同高度路堤的风速流场纵向变化和垂向变化特征，找出路堤沙害发生的风速流场规律及路基流沙堆积的可能部位和范围。

2 研究方法

2.1 野外实测方法

在临策铁路K325+000～K651+000段路基断面形式调查的基础上，选择了4、8、12 m 3种不同路基高度，且边坡比均为1∶1.75的路堤作为研究对象，利用HOBO风向风速自动记录仪对选定路堤断面进行野外风速流场纵向和垂向风速变化观测试验，风速观测高度分别为0.2、0.5、1、2 m，路堤风速观测点位详见表1。

表1 不同高度路堤断面风速观测点位

注：表中迎风侧和背风侧观测点位为距路堤坡脚距离。

2.2 数据处理方法

2.2.1 路堤二维风速流场图绘制方法

通过对野外实测数据的筛选，将旷野1 m高处6、8 m/s和10 m/s风速确定为基准风速，并利用Surfer8.8软件绘制不同高度路堤二维风速流场图。

2.2.2 路堤风速流场数字化方法

在Surfer8.8软件中利用数字化编辑的方法，对路堤二维风速流场1 m高度层的模拟风速值进行数字化，将数字化数据导入Excel进行处理，得到路堤风速流场1 m高处纵向风速变化曲线。

2.2.3 趋势面分析方法

由于利用趋势面分析方法分离数据中的趋势和局部异常时，趋势面次数过高会影响远离观测点的地方趋势面发生变形，同时，因拟合度高常造成丢失异常信息，拟合的效果变差[12]。所以，本文利用多元回归法网格化数据，选用“Simple Planner Surface”(简单平面)多元回归类型，将不同高度的路堤在不同旷野风速条件下的风速流场区域化。

趋势面需要拟合精度来确定能否揭示空间趋势，趋势面拟合精度C用下式表示

3 结果与分析

3.1 野外实测路堤风速流场纵向变化

不同高度路堤二维风速流场变化如图1所示。路堤高度为4 m时，当旷野风速为6 m/s，在迎风侧8H～10H和2H～5H(H表示路堤高度，下同)处形成涡流，同时在-2H～0处形成涡流，在背风侧观测区域内则形成大范围的弱风区；当旷野风速为8 m/s时，涡流区较6 m/s风速时逐渐向背风侧前移，并且涡流尺度变大，涡流区分别出现在1H～5H、6H～10H、-3H～0以及背风侧-10H～-6H处；当旷野风速为10 m/s时，涡流区继续前移，在迎风侧涡流只出现在1H～4H，同时在-3H～0处形成涡流和弱风区，在背风侧-10H～-6H处出现的涡流相对于8 m/s风速时尺度变小。当路堤高度为8 m时，在迎风侧形成大范围的弱风区，而涡流区则全部转移至背风侧，并随着旷野风速的增大，涡流区在背风侧的范围逐渐增大，涡流尺度逐渐减小，涡流区个数由1个变为2个，涡流区分别出现在-2.5H～0，-2.5H～-0.5H、-6H～-3H；-2.5H～-1H、-7H～-3H，同时，路面出现的紊流随着旷野风速的增大，逐渐变为涡流。当路堤高度为12 m时，与4 m和8 m高度路堤相同，涡流区范围随着旷野风速的增大向背风侧转移，涡流尺度呈先变大后减小，但要远大于4 m和8 m高度路堤涡流区尺度，同时，路面涡流区范围随着旷野风速的增大逐渐增大。

3.2 野外实测路堤风速流场垂向变化

选取不受路堤影响的旷野风速廓线作为参照，对比分析4、8 m和12 m高度的路堤在迎风坡坡脚、迎风坡路肩和背风坡坡脚、背风坡路肩处的风速廓线变化规律(图2)。

图1 不同高度路堤二维风速流场图

图2 不同高度路堤断面点位风速廓线

随着旷野风速的增大，3种高度路堤旷野风速廓线均呈“J”形变化。在路堤迎风坡坡脚处，随着路堤高度的增加风速廓线逐渐变均匀，但各高度层风速均呈减小变化，同时，随着旷野风速的增大，4 m高度路堤各高度层风速均为减小变化，尤其在旷野风速为10 m/s时，0.2、0.5 m和1 m高处风速降低幅度最大，分别降低了3、3.8 m/s和2.1 m/s；8 m高度路堤，在旷野风速为6 m/s和10 m/s时各高度层风速呈减小变化，但当风速为8 m/s时，0.2、0.5 m和1 m高处风速呈增加变化，分别增加了1.52、1.14 m/s和0.75 m/s；12 m高度路堤，当旷野风速为6 m/s时，各高度层风速均为增加，但当风速为8 m/s和10 m/s时，各高度层风速呈减小变化，并随着风速的增大减小的幅度加大，当风速为10 m/s时，各层风速分别减小了3、3、4.6 m/s和3.7 m/s。在路堤迎风坡路肩处，4 m和8 m高度路堤风速廓线呈现不规律的变化，12 m高度路堤风速廓线各层风速保持均匀变化，其中，8 m高度路堤风速廓线各层风速增长幅度最大，尤其当旷野风速为8 m/s时，各层风速分别增加了8.4、8.8、8 m/s和7.6 m/s。在路堤背风坡路肩处，三种高度路堤风速廓线均呈上下层不均匀变化，相对于路堤迎风坡路肩，在1 m和2 m高度层呈现加速，0.2 m和0.5 m高度层呈减速变化，尤其在路堤高度为8 m时，风速廓线各高度风速加速和减速幅度最大。在背风坡坡脚处，随着旷野风速的增大，风速廓线变化逐渐不均匀，其中，4 m和8 m高度路堤各高度层风速呈减速变化，8 m路堤减速幅度最大，各高度层风速均降低至4 m/s以下，而当路堤高度为12 m时，6 m/s风速廓线各层风速出现加速变化，8 m/s和10 m/s风速廓线则呈减速变化。

3.3 路堤风速流场纵向风速变化模拟

图3为4、8 m和12 m三种高度路堤风速流场在1 m高处的模拟风速值随距离的变化曲线。随着路堤高度的增加，路堤风速流场纵向风速减小变化幅度呈先增大后减小的变化趋势。4 m高度路堤在旷野风速为6 m/s时，在路堤迎风侧(距离为正值，下同)风速与旷野风速基本保持一致，并在2 m处风速达到7.61 m/s，而在背风侧(距离为负值，下同)-2 m处风速降低至6.47 m/s，随后在-8 m处风速达到最大值8 m/s，而后降低至与旷野风速基本相同；旷野风速为8 m/s时，在迎风侧风速加速至13 m处后开始降低，并在8 m处风速降低至最低为6.48 m/s，风速最高值则出现在-2 m处，为11.81 m/s，但在-8 m处风速较-2 m处降低了2.67 m/s，随后恢复至最高风速，并在-33 m处风速降低至旷野风速以下；旷野风速为10 m/s时在迎风侧风速始终处于减速状态，在8 m处风速降低至最低值为5 m/s，在2 m处恢复至旷野风速，而后在-2 m处风速降低了1.14 m/s，在背风侧风速保持在旷野风速以下。路堤高度为8 m时风速变化幅度最大，在迎风侧风速均呈加速状态，6、8 m/s和10 m/s旷野风速时风速最大值均出现在2 m处，分别为8.38、14.85 m/s和11.53 m/s，风速最低值在-13 m处，分别为1.9、1.9 m/s和4.29 m/s，其中，8 m/s旷野风速时风速降低幅度最大。路堤高度为12 m时风速变化幅度最小，旷野风速为6 m/s时，观测区域内各点风速均大于旷野风速，在-2 m处风速最低值仍为6 m/s，但与2 m处风速相比较，其风速降低了3 m/s；旷野风速为8 m/s时与风速为6 m/s时变化规律相同，但在-2 m处出现的最低风速值为5.72 m/s，较2 m处降低了1.23 m/s；10 m/s旷野风速时，在迎风侧19 m处风速降至最低，为5.43 m/s，最高风速则出现在-33 m处，为11.52 m/s，此时路面则始终处于加速区内。

图3 不同高度路堤风速流场模拟风速变化曲线

3.4 路堤风速流场趋势面分析

经计算4、8 m和12 m路堤在6 m/s、8 m/s、10 m/s旷野风速下的趋势面拟合精度分别为70%、68%和62%。所以，可以采用分析趋势面的变化规律，来揭示不同旷野风速和不同路堤高度下的风速流场变化趋势。

3种路堤的趋势面变化规律如图4所示，随着路堤高度和旷野风速的变化，路堤风速流场趋势面的变化包括3种形式：一是越过路堤的走低趋势；二是越过路堤的抬升趋势；三是受路堤阻截停滞。除此以外，趋势面上下层之间的偏差值也能够反映路堤风速流场趋势面的变化规律。

风速流场趋势面变化形式。趋势面的变化受路堤高度和旷野风速的影响很明显，随着路堤高度和旷野风速的增加，路堤风速流场趋势面逐渐抬升。4 m高度路堤的6 m/s和8 m/s风速流场趋势面呈下降趋势，分别降至0.5 m和1.16，10 m/s风速流场趋势面则抬升至6 m高处；8 m高度路堤在6 m/s旷野风速下的风速流场趋势面呈下降趋势，并降至3 m高处，8 m/s风速流场趋势面平缓抬升至9 m高处，而10 m/s风速流场趋势面抬升幅度最大，抬升至10 m高处；12 m高度路堤的6 m/s和10 m/s风速流场趋势面大幅度抬升，均抬升至14 m高处，8 m/s风速流场趋势面则保持平缓。

图4 不同高度路堤风速流场趋势面

通过以上对路堤风速流场的纵向、垂向和趋势面的变化进行分析，得到风速流场的纵向和垂向变化幅度越大，气流受阻碍作用越强，背风侧涡流区和迎风侧加速区持续范围越长，趋势面上下层偏差越大。通过分析路堤高度、旷野风速和趋势面上下层偏差之间的变化规律，得到三者间的关系曲线(图5)，三者呈指数函数关系，6 m/s、8 m/s和10 m/s旷野风速条件下的R2分别为0.967 1、0.851 5和0.976 9，说明三者之间有着密切的联系。首先，趋势面上下层偏差与路堤高度呈正相关，路堤高度在8 m以下时，趋势面上下层偏差以平缓趋势增长，高度达到8 m后，其在6 m/s旷野风速下由0.6迅速增长至2.3，8 m/s旷野风速下由0.2增长至1.2，而10 m/s旷野风速时则保持原变化趋势，这说明高度在8 m以下的路堤对气流阻碍作用较弱，尤其是对低风速的影响要远远小于8 m以上的路堤，对于高风速而言只有部分气流被路堤阻断，大部分气流以加速抬升的方式越过路堤，并在路面和背风侧形成涡流。其次，从图中还可以看出，在路堤高度以及其他参数一定的条件下，趋势面上下层偏差与风速值呈负相关，风速越大，趋势面上下层偏差值越小，路堤两侧的涡流区和弱风区持续距离越短，路面流沙堆积的可能性越大。因此，在实际情况中，对路堤高度的改变并不能实现，及时发现和掌握易发生沙害路堤段的风速变化规律，采取有效的防治措施是避免发生沙害的关键。

图5 路堤趋势面偏差与路堤高度、旷野风速关系

4 结论

综上所述，通过分析不同高度路堤在不同旷野风速条件下的野外实测和数值模拟风速流场变化规律，利用路堤风速流场趋势面分析其间的相互关系，得到以下结果。

(1)随着路堤高度和旷野风速的增大，气流涡流区和弱风区逐渐由路堤迎风侧向背风侧转移，路堤两侧气流涡流区尺度和弱风区范围逐渐增大。

(2)3种高度路堤在路堤迎风坡坡脚、背风坡路肩和背风坡坡脚处由于垂向风速的不均匀变化而易产生积沙，并随着旷野风速的增大，流沙堆积的可能性逐渐增大，其中，8 m高度路堤各高度层风速的加速、减速幅度最大，最易形成积沙。

(3)从模拟路堤风速流场纵向风速变化分析，随着路堤高度和旷野风速的增大，风速减小变化幅度呈先增大后减小的变化趋势，其中，路堤高度为8 m时在路面风速减小幅度最大，最易形成沙害，这与野外实测值相一致，因此，在戈壁地区铁路建设过程中，建议路堤高度的选取不宜超过8 m。

(4)从路堤风速流场趋势面分析，路堤风速流场趋势面上下层偏差与路堤高度呈正相关，与旷野风速呈负相关。当路堤高度一定时，旷野风速越低，路堤对风速流场的阻碍作用越强，越容易形成沙害。

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