臨策鐵路戈壁段路堤二維風速流場特征研究

姚立強，左合君，李鋼鐵，劉寶河

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學，呼和浩特 010019)

1 概述

鐵路是一種線性工程，當鐵路穿越沙地、沙漠、戈壁區(qū)域時，路基就會成為一道屏障，干擾風速流場，降低風速，阻截流沙，形成沙物質(zhì)堆積或造成鐵路沙害，并且有可能成為某一路段產(chǎn)生沙害的新沙源[1]。鐵路沙害的分布類型有沙漠型、戈壁型、平沙地型3種[2]，而臨河-策克鐵路(以后簡稱“臨策鐵路”)主要是沙漠型和戈壁型。沙漠型沙害以沙丘危害為主，而戈壁型沙害以大風和風沙流危害為主[3-4]。風沙流受阻形成沙埋與路基斷面特點有關[5-6]，而路基斷面流場特征是路基與氣流相互作用結果的反映，也是鐵路沙害的動力基礎[7]。臨策鐵路自建成通車以來，由于沿線氣候干旱、植被稀少、土地沙漠化敏感性高，加之風力強勁、風沙活動劇烈，部分路段雖采取繞避，但線路沙害仍較為嚴重[8-11]。尤其是臨策鐵路K325+000～K651+000段就分布在廣袤的戈壁(巖漠、礫漠)區(qū)，占鐵路里程的42.45%，是鐵路沙害發(fā)生最為嚴重的路段。本文旨在通過分析臨策鐵路戈壁段不同高度路堤的風速流場縱向變化和垂向變化特征，找出路堤沙害發(fā)生的風速流場規(guī)律及路基流沙堆積的可能部位和范圍。

2 研究方法

2.1 野外實測方法

在臨策鐵路K325+000～K651+000段路基斷面形式調(diào)查的基礎上，選擇了4、8、12 m 3種不同路基高度，且邊坡比均為1∶1.75的路堤作為研究對象，利用HOBO風向風速自動記錄儀對選定路堤斷面進行野外風速流場縱向和垂向風速變化觀測試驗，風速觀測高度分別為0.2、0.5、1、2 m，路堤風速觀測點位詳見表1。

表1 不同高度路堤斷面風速觀測點位

注：表中迎風側和背風側觀測點位為距路堤坡腳距離。

2.2 數(shù)據(jù)處理方法

2.2.1 路堤二維風速流場圖繪制方法

通過對野外實測數(shù)據(jù)的篩選，將曠野1 m高處6、8 m/s和10 m/s風速確定為基準風速，并利用Surfer8.8軟件繪制不同高度路堤二維風速流場圖。

2.2.2 路堤風速流場數(shù)字化方法

在Surfer8.8軟件中利用數(shù)字化編輯的方法，對路堤二維風速流場1 m高度層的模擬風速值進行數(shù)字化，將數(shù)字化數(shù)據(jù)導入Excel進行處理，得到路堤風速流場1 m高處縱向風速變化曲線。

2.2.3 趨勢面分析方法

由于利用趨勢面分析方法分離數(shù)據(jù)中的趨勢和局部異常時，趨勢面次數(shù)過高會影響遠離觀測點的地方趨勢面發(fā)生變形，同時，因擬合度高常造成丟失異常信息，擬合的效果變差[12]。所以，本文利用多元回歸法網(wǎng)格化數(shù)據(jù)，選用“Simple Planner Surface”(簡單平面)多元回歸類型，將不同高度的路堤在不同曠野風速條件下的風速流場區(qū)域化。

趨勢面需要擬合精度來確定能否揭示空間趨勢，趨勢面擬合精度C用下式表示

3 結果與分析

3.1 野外實測路堤風速流場縱向變化

不同高度路堤二維風速流場變化如圖1所示。路堤高度為4 m時，當曠野風速為6 m/s，在迎風側8H～10H和2H～5H(H表示路堤高度，下同)處形成渦流，同時在-2H～0處形成渦流，在背風側觀測區(qū)域內(nèi)則形成大范圍的弱風區(qū)；當曠野風速為8 m/s時，渦流區(qū)較6 m/s風速時逐漸向背風側前移，并且渦流尺度變大，渦流區(qū)分別出現(xiàn)在1H～5H、6H～10H、-3H～0以及背風側-10H～-6H處；當曠野風速為10 m/s時，渦流區(qū)繼續(xù)前移，在迎風側渦流只出現(xiàn)在1H～4H，同時在-3H～0處形成渦流和弱風區(qū)，在背風側-10H～-6H處出現(xiàn)的渦流相對于8 m/s風速時尺度變小。當路堤高度為8 m時，在迎風側形成大范圍的弱風區(qū)，而渦流區(qū)則全部轉(zhuǎn)移至背風側，并隨著曠野風速的增大，渦流區(qū)在背風側的范圍逐漸增大，渦流尺度逐漸減小，渦流區(qū)個數(shù)由1個變?yōu)?個，渦流區(qū)分別出現(xiàn)在-2.5H～0，-2.5H～-0.5H、-6H～-3H；-2.5H～-1H、-7H～-3H，同時，路面出現(xiàn)的紊流隨著曠野風速的增大，逐漸變?yōu)闇u流。當路堤高度為12 m時，與4 m和8 m高度路堤相同，渦流區(qū)范圍隨著曠野風速的增大向背風側轉(zhuǎn)移，渦流尺度呈先變大后減小，但要遠大于4 m和8 m高度路堤渦流區(qū)尺度，同時，路面渦流區(qū)范圍隨著曠野風速的增大逐漸增大。

3.2 野外實測路堤風速流場垂向變化

選取不受路堤影響的曠野風速廓線作為參照，對比分析4、8 m和12 m高度的路堤在迎風坡坡腳、迎風坡路肩和背風坡坡腳、背風坡路肩處的風速廓線變化規(guī)律(圖2)。

圖1 不同高度路堤二維風速流場圖

圖2 不同高度路堤斷面點位風速廓線

隨著曠野風速的增大，3種高度路堤曠野風速廓線均呈“J”形變化。在路堤迎風坡坡腳處，隨著路堤高度的增加風速廓線逐漸變均勻，但各高度層風速均呈減小變化，同時，隨著曠野風速的增大，4 m高度路堤各高度層風速均為減小變化，尤其在曠野風速為10 m/s時，0.2、0.5 m和1 m高處風速降低幅度最大，分別降低了3、3.8 m/s和2.1 m/s；8 m高度路堤，在曠野風速為6 m/s和10 m/s時各高度層風速呈減小變化，但當風速為8 m/s時，0.2、0.5 m和1 m高處風速呈增加變化，分別增加了1.52、1.14 m/s和0.75 m/s；12 m高度路堤，當曠野風速為6 m/s時，各高度層風速均為增加，但當風速為8 m/s和10 m/s時，各高度層風速呈減小變化，并隨著風速的增大減小的幅度加大，當風速為10 m/s時，各層風速分別減小了3、3、4.6 m/s和3.7 m/s。在路堤迎風坡路肩處，4 m和8 m高度路堤風速廓線呈現(xiàn)不規(guī)律的變化，12 m高度路堤風速廓線各層風速保持均勻變化，其中，8 m高度路堤風速廓線各層風速增長幅度最大，尤其當曠野風速為8 m/s時，各層風速分別增加了8.4、8.8、8 m/s和7.6 m/s。在路堤背風坡路肩處，三種高度路堤風速廓線均呈上下層不均勻變化，相對于路堤迎風坡路肩，在1 m和2 m高度層呈現(xiàn)加速，0.2 m和0.5 m高度層呈減速變化，尤其在路堤高度為8 m時，風速廓線各高度風速加速和減速幅度最大。在背風坡坡腳處，隨著曠野風速的增大，風速廓線變化逐漸不均勻，其中，4 m和8 m高度路堤各高度層風速呈減速變化，8 m路堤減速幅度最大，各高度層風速均降低至4 m/s以下，而當路堤高度為12 m時，6 m/s風速廓線各層風速出現(xiàn)加速變化，8 m/s和10 m/s風速廓線則呈減速變化。

3.3 路堤風速流場縱向風速變化模擬

圖3為4、8 m和12 m三種高度路堤風速流場在1 m高處的模擬風速值隨距離的變化曲線。隨著路堤高度的增加，路堤風速流場縱向風速減小變化幅度呈先增大后減小的變化趨勢。4 m高度路堤在曠野風速為6 m/s時，在路堤迎風側(距離為正值，下同)風速與曠野風速基本保持一致，并在2 m處風速達到7.61 m/s，而在背風側(距離為負值，下同)-2 m處風速降低至6.47 m/s，隨后在-8 m處風速達到最大值8 m/s，而后降低至與曠野風速基本相同；曠野風速為8 m/s時，在迎風側風速加速至13 m處后開始降低，并在8 m處風速降低至最低為6.48 m/s，風速最高值則出現(xiàn)在-2 m處，為11.81 m/s，但在-8 m處風速較-2 m處降低了2.67 m/s，隨后恢復至最高風速，并在-33 m處風速降低至曠野風速以下；曠野風速為10 m/s時在迎風側風速始終處于減速狀態(tài)，在8 m處風速降低至最低值為5 m/s，在2 m處恢復至曠野風速，而后在-2 m處風速降低了1.14 m/s，在背風側風速保持在曠野風速以下。路堤高度為8 m時風速變化幅度最大，在迎風側風速均呈加速狀態(tài)，6、8 m/s和10 m/s曠野風速時風速最大值均出現(xiàn)在2 m處，分別為8.38、14.85 m/s和11.53 m/s，風速最低值在-13 m處，分別為1.9、1.9 m/s和4.29 m/s，其中，8 m/s曠野風速時風速降低幅度最大。路堤高度為12 m時風速變化幅度最小，曠野風速為6 m/s時，觀測區(qū)域內(nèi)各點風速均大于曠野風速，在-2 m處風速最低值仍為6 m/s，但與2 m處風速相比較，其風速降低了3 m/s；曠野風速為8 m/s時與風速為6 m/s時變化規(guī)律相同，但在-2 m處出現(xiàn)的最低風速值為5.72 m/s，較2 m處降低了1.23 m/s；10 m/s曠野風速時，在迎風側19 m處風速降至最低，為5.43 m/s，最高風速則出現(xiàn)在-33 m處，為11.52 m/s，此時路面則始終處于加速區(qū)內(nèi)。

圖3 不同高度路堤風速流場模擬風速變化曲線

3.4 路堤風速流場趨勢面分析

經(jīng)計算4、8 m和12 m路堤在6 m/s、8 m/s、10 m/s曠野風速下的趨勢面擬合精度分別為70%、68%和62%。所以，可以采用分析趨勢面的變化規(guī)律，來揭示不同曠野風速和不同路堤高度下的風速流場變化趨勢。

3種路堤的趨勢面變化規(guī)律如圖4所示，隨著路堤高度和曠野風速的變化，路堤風速流場趨勢面的變化包括3種形式：一是越過路堤的走低趨勢；二是越過路堤的抬升趨勢；三是受路堤阻截停滯。除此以外，趨勢面上下層之間的偏差值也能夠反映路堤風速流場趨勢面的變化規(guī)律。

風速流場趨勢面變化形式。趨勢面的變化受路堤高度和曠野風速的影響很明顯，隨著路堤高度和曠野風速的增加，路堤風速流場趨勢面逐漸抬升。4 m高度路堤的6 m/s和8 m/s風速流場趨勢面呈下降趨勢，分別降至0.5 m和1.16，10 m/s風速流場趨勢面則抬升至6 m高處；8 m高度路堤在6 m/s曠野風速下的風速流場趨勢面呈下降趨勢，并降至3 m高處，8 m/s風速流場趨勢面平緩抬升至9 m高處，而10 m/s風速流場趨勢面抬升幅度最大，抬升至10 m高處；12 m高度路堤的6 m/s和10 m/s風速流場趨勢面大幅度抬升，均抬升至14 m高處，8 m/s風速流場趨勢面則保持平緩。

圖4 不同高度路堤風速流場趨勢面

通過以上對路堤風速流場的縱向、垂向和趨勢面的變化進行分析，得到風速流場的縱向和垂向變化幅度越大，氣流受阻礙作用越強，背風側渦流區(qū)和迎風側加速區(qū)持續(xù)范圍越長，趨勢面上下層偏差越大。通過分析路堤高度、曠野風速和趨勢面上下層偏差之間的變化規(guī)律，得到三者間的關系曲線(圖5)，三者呈指數(shù)函數(shù)關系，6 m/s、8 m/s和10 m/s曠野風速條件下的R2分別為0.967 1、0.851 5和0.976 9，說明三者之間有著密切的聯(lián)系。首先，趨勢面上下層偏差與路堤高度呈正相關，路堤高度在8 m以下時，趨勢面上下層偏差以平緩趨勢增長，高度達到8 m后，其在6 m/s曠野風速下由0.6迅速增長至2.3，8 m/s曠野風速下由0.2增長至1.2，而10 m/s曠野風速時則保持原變化趨勢，這說明高度在8 m以下的路堤對氣流阻礙作用較弱，尤其是對低風速的影響要遠遠小于8 m以上的路堤，對于高風速而言只有部分氣流被路堤阻斷，大部分氣流以加速抬升的方式越過路堤，并在路面和背風側形成渦流。其次，從圖中還可以看出，在路堤高度以及其他參數(shù)一定的條件下，趨勢面上下層偏差與風速值呈負相關，風速越大，趨勢面上下層偏差值越小，路堤兩側的渦流區(qū)和弱風區(qū)持續(xù)距離越短，路面流沙堆積的可能性越大。因此，在實際情況中，對路堤高度的改變并不能實現(xiàn)，及時發(fā)現(xiàn)和掌握易發(fā)生沙害路堤段的風速變化規(guī)律，采取有效的防治措施是避免發(fā)生沙害的關鍵。

圖5 路堤趨勢面偏差與路堤高度、曠野風速關系

4 結論

綜上所述，通過分析不同高度路堤在不同曠野風速條件下的野外實測和數(shù)值模擬風速流場變化規(guī)律，利用路堤風速流場趨勢面分析其間的相互關系，得到以下結果。

(1)隨著路堤高度和曠野風速的增大，氣流渦流區(qū)和弱風區(qū)逐漸由路堤迎風側向背風側轉(zhuǎn)移，路堤兩側氣流渦流區(qū)尺度和弱風區(qū)范圍逐漸增大。

(2)3種高度路堤在路堤迎風坡坡腳、背風坡路肩和背風坡坡腳處由于垂向風速的不均勻變化而易產(chǎn)生積沙，并隨著曠野風速的增大，流沙堆積的可能性逐漸增大，其中，8 m高度路堤各高度層風速的加速、減速幅度最大，最易形成積沙。

(3)從模擬路堤風速流場縱向風速變化分析，隨著路堤高度和曠野風速的增大，風速減小變化幅度呈先增大后減小的變化趨勢，其中，路堤高度為8 m時在路面風速減小幅度最大，最易形成沙害，這與野外實測值相一致，因此，在戈壁地區(qū)鐵路建設過程中，建議路堤高度的選取不宜超過8 m。

(4)從路堤風速流場趨勢面分析，路堤風速流場趨勢面上下層偏差與路堤高度呈正相關，與曠野風速呈負相關。當路堤高度一定時，曠野風速越低，路堤對風速流場的阻礙作用越強，越容易形成沙害。

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