兰新线即有土堤式挡风墙的改造形式对背风侧流场的影响

朱文智，程建军，薛春晓，张云鹏

（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）

兰新铁路新疆线路段（简称兰新线）多修建于沙漠戈壁，在该区域由于常年受西伯利亚冷空气南下的影响，大风频繁并且风速大，破坏力强，而且铁路所经处附近有大量沙源[1]，大风携带砂砾对地表植被、构筑物、线路上运行的车辆破坏力大。兰新线部分地段处，如山口、路堑与挡风墙的交接处受到的风沙灾害更为严重。对兰新线影响较强的风区主要有：兰新线西段百里风区 （雅子泉至红旗坎站间），南疆线前百公里风区，吐鲁番至鱼儿沟站间。根据历史资料，南疆线前百公里最大瞬时风速达64 m/s，百里风区最大瞬时风速达60 m/s。唐士晟[2]对该地段大风特征进行统计分析发现，该地区具有风速大、风期长、季节性强、风起动速度快等规律。

我国兰新线风区铁路长达525 km，占全线总长的54%。该线自1960-1993年，据统计大风吹翻列车13起，共计翻车79辆[3]。大风对铁路运输的安全，国家财产有很大的威胁。为此在上述线路段修筑了挡风设施，既挡风墙。现今兰新铁路上挡风墙的种类有：土堤式挡风墙、对拉式挡风墙、柱板式挡风墙、“L”式挡风墙。挡风墙的种类和类型决定挡风的效果。

庞巧东[4]对不同种类的挡风墙的挡风效果进行了数值模拟与野外试验，并进行了详细的对比，结果表明土堤式挡风墙背风侧不能形成明显的涡流区，同风速下挡风墙厚度与涡流区长度成正比。对拉式挡风墙优于“L”式挡风墙优于土堤式挡风墙。刘风华[5]对列车的气动力进行分析后得出相同结论。程建军[6]对该地区戈壁铁路沿线的风沙地貌、线路沙害表现形式、即有防风沙工程功效进行实地调查与现场测试，分析挡风墙后的风速剖面变化与流场变化特征，结果表明:对于相同高度挡风墙,其大风遮蔽效应系数会随着挡风墙后距离的增加而逐渐减弱,高点位高程水平向的速度衰减快于低点位高程水平向的风速衰减。

多项研究显示土堤式挡风墙的效果不理想，为此有必要对即有土堤式挡风墙进行结构改造，使其满足大风情况下列车的运行安全。有研究表明，坚实的墙壁和多孔风栅栏附近的轨道车辆受到的风荷载明显减少[7]。现阶段，兰新线大风区域内的铁路沿线土堤式挡风墙采用的改造形式是在即有挡风墙的顶部中间位置加设高1m，宽0.15m的挡板[8]。本文在目前即有土堤式挡风墙改造的研究基础之上，首次提出并分析加高挡板分别布置在土堤式挡风墙顶部的左侧、右侧时对背风侧流场特性的影响。加高挡板的布置形式会直接影响到改造工程的施工难度，工程造价，施工进度。有可能会对背风侧的风场造成不同影响，即在同风速下有不同的大风遮蔽效应系数[5]。在背风侧的一线和二线上形成不同的风速和风压。还有可能会对即有土堤式挡风墙的迎风侧或者背风侧坡面造成影响，从而形成程度不一的破坏可能性。为了分析不同改造形式对背风侧流场的影响效果，为不断提高土堤式挡风墙的挡风功效，对即有土堤式挡风墙进行合理优化提供设计参数，本文结合现场实测风况数据首次对土堤式挡风墙不同加高形式进行了数值模拟分析。

1 数值模拟的模型建立

1.1 模型样式与尺寸

兰新铁路即有土堤式挡风墙高度为3.0 m，顶部宽为1m，左右边坡率都为1∶1.5，具体尺寸见图1a。在其两侧边坡都覆盖有C15混凝土预制板，其尺寸为500 mm×500 mm×8 mm，用来防止大风对挡风墙的风蚀作用。土堤式挡风墙最初的改造形式是在其顶部的中部位置加设高度为1 m的柱板式挡墙，如图1b。本文要对比分析的其余两种加高类型的土堤式挡风墙分别加高位置为其顶部的左侧和右侧，如图1c、图1d。因为挡风墙的纵向长度与横线长度的比例悬殊，故可以按照二维模型建立。兰新线上的风速未超过70 m/s，马赫数小于0.3，计算时按照不可压缩流来处理[9]。

1.2 控制方程

对挡风墙背风侧的流场分析是单纯的流动问题，无能量交换，忽略沙相对流场的影响，按照非定常（unsteady）单相流湍流模型进行设置。湍流模型选用基于 SST（Shear Stress Transport）模型的 k-ω湍流方程。该湍流方程考虑了剪切应力的传输，可以精确的预测流动的开始和负压梯度条件下流体的分力量，并且考虑了湍流剪切应力，从而不会对涡流粘度造成过度预测。其传输行为可由包含限制数的涡流粘度方程求得，具体内容见参考文献[10-16]。为了更加精确的与实际情况接近，在设置流体性质的时候考虑空气受到地球引力的作用，取重力加速度为-9.8 m/s2。

1.3 计算区域

位于大气边界层的挡风墙处在一个完全开口的来流风场中，挡风墙对来流空气的影响具有一定范围。数值模拟可以用有限的二维计算区域模拟实际的流动风场。计算入口和出口都应与挡风墙保持一定距离，避免受到挡风墙前绕流和背风侧尾流的干扰。而且挡风墙受到横风的作用，为了使横风流场发展充分，综合考虑，计算区域为200 m（宽）×100 m（高）的矩形区域。所有类型挡风墙数值模拟均采用该计算区域（图2），以不加高型为例图。

图2 计算区域示意图Fig2 The schematic diagram of calculation area

1.4 网格划分

当确定计算区域后，对计算区域进行离散化。网格划分的质量直接影响计算的准确性，对整个数值模拟过程都会有很大的影响。本次模拟采用四面体网格（Quad），对挡风墙周边区域进行加密，对地面边界层区域进行边界层网格划分。网格划分稀疏不利于计算的准确性，划分太密计算时间过大[11]。综合考虑，本次模拟计算区域的网格节点共有81898个，四边形网格共有81277个。网格划分示意图如图3。

图3 网格划分示意图Fig.3 Meshing diagram

1.5 边界设置

土堤式挡风墙数值模拟的边界条件包括：入口边界条件，出口边界条件，壁面边界条件。具体设置如下所示。

入口边界条件：（1）速度的模：风的不同速度，（2）湍流定义方法：k-ω，（3）湍流动能：1 m2/s2，（4）湍动能耗散率：1 s-1。

出口边界条件：（1）出口类型：出流形式，（2）出流百分比：1；

壁面边界条件：（1）壁面剪切条件：无滑移，（2）粗糙度系数：0.5。

2 计算结果与分析

不同风速下各类型土堤式挡风墙背风侧速度矢量图见图4。由图4可以看出：在挡风墙背风侧并没有形成明显涡流区，大部分区域的风速和风向改变微弱。（2）随着风速增大，涡流区长度无明显变化，验证了土堤式挡风墙的挡风效果不理想。（3）随着风速的提高，背风侧流场变化均较明显。涡流区长度都有增大并且有向后移动的趋势。说明不同加高形式的土堤式挡风墙较未改造的土堤式挡风墙在挡风性能上有了较大的改善。

图4 不同风速下土堤式挡风墙背风侧速度矢量图Fig.4 Vectorgraph behind earth embankment wind-break wall in different wind speed（a:unimproved;b:left heightened;c:middle heightened;d:right heightened）

在风速分别为 20m/s、30m/s、40m/s、50m/s、60m/s的作用下，将未改造类型、左侧加高类型、右侧加高类型土堤式挡风墙背风侧一线二线上的流场性质作对比，得到不同风速下各类型土堤式挡风墙背风侧一线二线风速曲线，如图5所示。

图5 不同风速下各类型挡风墙背风侧一线（上）、二线（下）风速曲线；Fig5 Wind speed curve on line1(up)and line2(down)about all types wind-break wall in different wind speed；（a:unimproved;b:left heightened;c:middle heightened;d:right heightened）

由图5可以看出：未加高的土堤式挡风墙随着风速的增大，背风侧测点风速也随着测点位置的升高而增大（图5a）。各加高类型的土堤式挡风墙在一线和二线上随高度的增加均会有明显的风速变化趋势，都是先减小后增大，与速度矢量图相符合（图5b、c、d）。主要原因是背风侧出现了涡流区，涡流区中心风速小于外部风速。但将同风速下的不同加高类型挡风墙的速度矢量图加以对比，背风侧流场变化差别很小，无法从图中直观看出，需要提取数据进一步分析其差别。

图6是20、60 m/s两种风速下的不同加高形式挡风墙背风侧一线与二线的风速变化规律。

由图6可以看出，在20 m/s风速下不同加高类挡风墙的挡风效果差异甚微,在60 m/s风速下中间加高类型挡风墙的挡风效果稍好。

图6 相同风速下各类型挡风墙背风侧一线（上）、二线（下）风速曲线；Fig.6 Wind speed curve on line1(up)and line2(down)about all types wind-break wall in the same wind speed；（a:0m/s;b:60m/s）

取风速为40 m/s对比不同加高类型挡风墙大风遮蔽效应系数与未加高土堤式挡风墙在一线二线不同高度的实测大风遮蔽效应系数见表1。

由表1可知：在一线位置，右加高类型挡风墙的大风遮蔽效应系数最大，挡风效果最好；在二线位置，中加高类型挡风墙的大风遮蔽效应系数最大，但在4m以上的大风遮蔽效应系数均为负值，原因是背风侧涡流区随加高挡板的位置不同发生了移动。

表1 大风遮蔽效应系数表Tab.1 The coefficient of the strong wind shadowing effect

4 结论

本文应用数值模拟与现场实测相结合的方法对兰新线即有土堤式挡风墙进行了流场分析及挡风性能分析，对不满足挡风要求的即有土堤式挡风墙提出2种改造优化设计方案。并对其进行数值模拟，分析对比挡风性能，结果表明：

1）即有土堤式挡风墙背风侧各测点的大风遮蔽效应系数最大仅为0.69，不能形成明显的涡流区，故挡风性能差，表明即有土堤式挡风墙不满足列车安全运行的要求，需要对此进行优化设计。

2）不同风速条件下，3种优化改造后的土堤式挡风墙在挡风性能上差别较小，都能在背风侧形成明显的涡流区。背风侧各测点风速随高度的增加均呈现先减小而后增大的趋势，且在4 m测点之下具有较大的大风遮蔽效应系数，为了施工便利，建议采用中部加高类型。优化改造后的土堤式挡风墙满足外形参数的要求，满足列车安全运行的要求。可以为将来类似防风沙工程优化设计提供参考和依据。

[1]孙庆伟,王涛,韩致文,等.北疆铁路沿线风沙危害的研究[J].中国沙漠,2004,24(3):182-186.

[2]唐士晟,史永革,张小勇.新疆铁路百里风区大风特征统计分析[J].铁道技术监督,2011,39(1):36-40.

[3]尹永顺,王厚雄.兰新复线防风安全工程研究报告[R].乌鲁木齐:乌鲁木齐铁路局,1993.

[4]庞巧东,程建军,蒋富强,等.戈壁铁路挡风墙背风侧流场特征与挡风功效研究[J].铁道标准设计,2011(2):1-5.

[5]刘风华.不同类型挡风墙对列车运行安全防护效果的影响[J].中南大学学报:自然科学版,2006,37(2):176-182.

[6]程建军,蒋富强,杨印海,等.戈壁铁路沿线风沙灾害特征与挡风沙措施及功效研究[J].中国铁道科学,2010,32(5):15-20.

[7]Gerd Matschke,Christoph Heine.FullScale Tests on Side Wind Effects on Trains.Evaluation of Aerodynamic Coefficients and Efficiency of Wind Breaking Devices[J].Notes on Numerical Fluid Mechanics and Multidisciplinary Design(NNFM),2002,79:27-38.

[8]谯泽诊,兰新铁路即有防风设施薄弱地段的分析及改造[J],中国铁路,2012,51(10):65-68.

[9]吴建民.高等空气动力学[M].北京:北京航空航天大学出版社,1992:164-174.

[10]王福军.计算流体力学分析：CFD软件原理与应用[M].北京:清华大学出版社,2004:132-141.

[11]吴正.中国沙漠及其治理 [M].北京:北京科学出版社,2009:625-631.

[12]Araujo A D,Andrade J S,Maia L P,et al.Efficiency of sediment samplers for wind erosion measurement[J].Granular Matterr,2009(9):131-139.

[13]Bagnold R A.The physics of blown sand and desert dunes[M].London:Methuen,1941:255-259.

[14]庞巧东,刘建军,程建军,等.戈壁铁路挡风墙背风侧涡流长度及积沙的研究[J].石河子大学学报:自然科学版，2011,29(5):629-632.

[15]黄本才,汪从军.结构抗风分析原理及应用[M].上海:同济大学出版社,2008:26-33.

[16]杨明智,袁先旭,鲁寨军,等.强侧风下青藏线列车气动性能风洞试验研究[J].实验流体力学,2008,22(1):76-79.