基于室內(nèi)外風(fēng)洞試驗(yàn)的鐵路風(fēng)吹雪特性研究

李鵬翔，白明洲,2，丁錄勝，邱樹茂

(1.北京交通大學(xué)土木與建筑工程學(xué)院，北京，100044；2.北京交通大學(xué)北京市軌道工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京，100044；3.新疆鐵道勘察設(shè)計(jì)院地質(zhì)路基設(shè)計(jì)分處，新疆維吾爾自治區(qū)烏魯木齊，830011)

修建鐵路工程會(huì)改變自然環(huán)境的地形地貌，其中路塹為較易產(chǎn)生積雪堆積的路基結(jié)構(gòu)形式，在線路內(nèi)形成的積雪會(huì)嚴(yán)重影響交通運(yùn)營安全[1]。目前風(fēng)吹雪災(zāi)害的防治一般通過改變風(fēng)雪場流向來實(shí)現(xiàn)，其中主要包括應(yīng)用防雪柵(墻)、防雪林及防雪走廊等，實(shí)踐表明防雪林在風(fēng)吹雪易發(fā)區(qū)域種植條件要求較高且難以維護(hù)[2]，防雪走廊入口處易產(chǎn)生積雪[3]，采用防雪柵來減輕積雪對(duì)道路的影響相對(duì)簡便有效的方法[4]。

懷俄明公路自1971年開始設(shè)置防雪柵以來，事故率減少75%，每年因積雪封閉道路時(shí)間減少近9 天，路面積雪堆積明顯減少[5]；近年來，國內(nèi)也已將防雪柵的應(yīng)用在風(fēng)雪災(zāi)害易發(fā)區(qū)域，但由于早期工程建設(shè)的忽視，既有線路往往在出現(xiàn)災(zāi)害后才考慮采取防治措施；近年新建的精伊霍鐵路[6]、克塔鐵路[7]、張呼鐵路[8]等風(fēng)雪災(zāi)害易發(fā)區(qū)域也有針對(duì)性地進(jìn)行了風(fēng)吹雪災(zāi)害防護(hù)措施，但所采用的方法與布置形式較多基于經(jīng)驗(yàn)選擇。目前研究主要集中于防雪柵自身結(jié)構(gòu)形式，包括不同柵欄孔隙率、高度、布置距離等因素[9]，并未將其與實(shí)際防護(hù)目標(biāo)相結(jié)合，有關(guān)防雪柵兩側(cè)沉積雪量、防雪柵作用下對(duì)鐵路路塹內(nèi)風(fēng)雪特征的影響也尚無統(tǒng)一定論。

目前，應(yīng)用在交通工程方面的風(fēng)吹雪災(zāi)害防治研究主要集中于數(shù)值模擬，包括對(duì)不同結(jié)構(gòu)形式下的路基(尤其是路塹)內(nèi)的積雪分布[10]，從工程設(shè)計(jì)的角度對(duì)防雪柵的布設(shè)進(jìn)行指導(dǎo)，對(duì)不同路基結(jié)構(gòu)形式和不同高度的防雪柵進(jìn)行計(jì)算，確定合理的路基斷面形式與防雪柵組合設(shè)計(jì)方案[11]；并對(duì)防雪柵作用下不同路堤結(jié)構(gòu)形式的路堤斷面風(fēng)雪流場分布特征進(jìn)行研究[12]；但由于目前流體力學(xué)的Navier-Stokes 運(yùn)動(dòng)方程幾乎難以求解，而k?w，k?e，LES等常用的數(shù)值湍流模型各有長短，使得數(shù)值模擬所得結(jié)果的準(zhǔn)確性還有待進(jìn)一步分析[13]。

作為風(fēng)吹雪現(xiàn)象常用的3種研究方法之一，相較于野外監(jiān)測，風(fēng)洞試驗(yàn)可以有效地控制風(fēng)速、風(fēng)向、雪量，而相對(duì)于目前數(shù)值模擬中多相流模型的不完善和過于理想化的模型假設(shè)，風(fēng)洞試驗(yàn)幾乎可以完全再現(xiàn)自然流場分布，并還原雪顆粒的受力及運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

20世紀(jì)學(xué)者們從起動(dòng)風(fēng)速、運(yùn)動(dòng)特征等方面為風(fēng)洞試驗(yàn)奠定了理論基礎(chǔ)，近年來，風(fēng)洞試驗(yàn)主要應(yīng)用于分析包括階梯平屋頂(車站站場廠房)、大跨度屋面不均勻荷載(冬奧會(huì)場館)、建筑物(建筑群)風(fēng)吹雪作用下的積雪分布，從風(fēng)雪場初始條件、結(jié)構(gòu)幾何形態(tài)、風(fēng)雪荷載分布形式及相關(guān)影響因素等方面進(jìn)行研究[14?15]。

雖然風(fēng)洞試驗(yàn)可以較好地還原自然界中流場分布，但由于受到風(fēng)洞設(shè)備尺寸限制，模型和顆粒材料的限制成為制約風(fēng)洞試驗(yàn)準(zhǔn)確性的主要因素之一，并且由于雪顆粒的特殊性，大多數(shù)室內(nèi)常溫風(fēng)洞試驗(yàn)必須采用模擬材料代替雪顆粒，而在低溫風(fēng)洞室內(nèi)進(jìn)行的真雪試驗(yàn)也多采用將室外積雪搬入室內(nèi)設(shè)備[16]，但這樣通常會(huì)破壞雪粒間主要的結(jié)構(gòu)狀態(tài)，對(duì)結(jié)果造成一定誤差。

為此，本文作者采用可移動(dòng)風(fēng)洞設(shè)備進(jìn)行現(xiàn)場原狀雪試驗(yàn)，采用模擬材料進(jìn)行室內(nèi)風(fēng)洞試驗(yàn)，獲得鐵路路塹區(qū)域內(nèi)外的風(fēng)雪場特征，并與現(xiàn)場試驗(yàn)段路基內(nèi)外的積雪分布變化進(jìn)行對(duì)比。

1 試驗(yàn)方法

室外風(fēng)洞試驗(yàn)設(shè)備為中國科學(xué)院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所的可移動(dòng)風(fēng)洞，風(fēng)洞試驗(yàn)段長×寬×高為6 m×0.6 m×0.6 m，設(shè)備可連續(xù)調(diào)節(jié)風(fēng)速范圍為0～30 m/s。風(fēng)洞主要結(jié)構(gòu)包括風(fēng)洞洞體、數(shù)據(jù)采集及控制系統(tǒng)，試驗(yàn)流場的參考風(fēng)速采用固定點(diǎn)位的皮托管和微壓計(jì)測量與監(jiān)控?？梢苿?dòng)風(fēng)洞于2019年2月安裝在鐵路路塹工程區(qū)域風(fēng)吹雪現(xiàn)場，室外風(fēng)洞設(shè)備如圖1所示。

圖1 室外風(fēng)洞設(shè)備Fig.1 Outdoor wind tunnel equipment

室內(nèi)風(fēng)洞試驗(yàn)在北京交通大學(xué)常溫多功能風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，風(fēng)洞試驗(yàn)段長×寬×高為10.0 m×1.2 m×1.5 m，設(shè)備可連續(xù)調(diào)節(jié)風(fēng)速范圍為0～20 m/s。設(shè)備構(gòu)造與室外可移動(dòng)風(fēng)洞相同，流場測量方式采用測架可移動(dòng)的皮托管。室內(nèi)風(fēng)洞設(shè)備如圖2所示。

圖2 室內(nèi)風(fēng)洞設(shè)備Fig.2 Indoor wind tunnel equipment

1.1 相似條件

由于室內(nèi)外風(fēng)洞試驗(yàn)均為縮小比例的模型試驗(yàn)，所以要遵循試驗(yàn)的相似準(zhǔn)則。本文總結(jié)20世紀(jì)60～80年代中的相關(guān)風(fēng)洞試驗(yàn)，其中風(fēng)洞試驗(yàn)的相似準(zhǔn)則主要由起動(dòng)條件、運(yùn)動(dòng)過程和堆積形態(tài)3個(gè)方面組成。

在起動(dòng)條件相似方面，主要為保證顆粒的起動(dòng)風(fēng)速相似，風(fēng)吹雪運(yùn)動(dòng)中雪粒起動(dòng)的直接因素是顆粒受到的摩擦速度大于自身的閾值風(fēng)速，試驗(yàn)中顆粒受到摩擦速度如式(1)所示，表示顆粒的微觀起動(dòng)風(fēng)速。但在風(fēng)洞試驗(yàn)中由于摩擦速度測量困難，采用顆粒宏觀起動(dòng)速度來近似代替上述條件，如式(2)所示，同時(shí)保證風(fēng)洞試驗(yàn)中的流場是完全發(fā)展的湍流場，如式(3)所示。

式中：τ為雪粒表面受到的剪切力；ρs為顆粒密度；u(H)為風(fēng)洞出流口風(fēng)速；ut(H)為顆粒宏觀起動(dòng)風(fēng)速；v為流場的運(yùn)動(dòng)黏度，在空氣流場中取值為1.45×10?5m2/s；g為重力加速度。

對(duì)于顆粒運(yùn)動(dòng)過程的相似，在滿足運(yùn)動(dòng)中顆粒受力狀態(tài)和運(yùn)動(dòng)軌跡相似的條件下即可認(rèn)為顆粒運(yùn)動(dòng)過程是相似的。在流場中顆粒主要受到重力、黏力、曳力、馬格努斯力等，其中主要相似參數(shù)為弗勞德數(shù)Fr(Fr表示流體慣性力和重力的相對(duì)大小，如式(4)所示)和雷諾數(shù)Re(Re表示流體黏力和重力的相對(duì)大小，如式(5)所示)。

式中：u為流體速度；L為流場特征長度。

由以上風(fēng)吹雪運(yùn)動(dòng)過程中需要滿足的相似條件可以看出，風(fēng)洞試驗(yàn)的相似準(zhǔn)則主要集中在模型與原型間幾何尺寸、速度、粒子物理屬性、測試時(shí)間等方面。然而，在風(fēng)洞試驗(yàn)中不可能同時(shí)實(shí)現(xiàn)所有這些參數(shù)的相似性，如雪粒粒徑約為0.2 mm，如果按照幾何比，在風(fēng)洞試驗(yàn)中顆粒尺寸過小會(huì)導(dǎo)致顆粒在較弱的風(fēng)場作用下變成懸移的粉塵狀態(tài)，無法達(dá)到試驗(yàn)效果且損壞設(shè)備，但目前相關(guān)風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果表明忽略了這一參數(shù)不會(huì)帶來明顯影響。而由Fr和Re的表達(dá)式也可以看出，二者在速度u的分量上是互相矛盾的，不可能同時(shí)滿足。

1.2 試驗(yàn)材料

1.2.1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

試驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵詫?shí)際工程結(jié)構(gòu)物為原型，主要包括鐵路路塹、防雪柵模型。路基模型采用拋光木板加工，柵欄采用單線鐵路路塹模型。原型深度為3 m，路基頂面寬為8 m，邊坡坡度為1:1.5，風(fēng)吹雪區(qū)域鐵路路塹特有的積雪平臺(tái)寬為5 m；柵欄為可調(diào)節(jié)高度和孔隙率的插板式防雪柵，其中單個(gè)插板孔隙率為50%，單塊柵欄原型高度為0.5 m。圖3所示為室內(nèi)風(fēng)洞試驗(yàn)中6 塊插板所組成的柵欄，總高為10 cm，孔隙率為50%。室內(nèi)和室外風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)Ｐ涂s小比例分別為1/30和1/60，其中室內(nèi)風(fēng)洞阻塞率為3.9%，室外風(fēng)洞阻塞率為4.8%。滿足JGJ/T 338—2014“建筑工程風(fēng)洞試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)”對(duì)風(fēng)洞試驗(yàn)阻塞率的要求。

圖3 室內(nèi)風(fēng)洞采用的插板式防雪柵欄Fig.3 Insert-type snow fence for indoor and outdoor wind tunnels

1.2.2 試驗(yàn)顆粒

室外風(fēng)洞采用現(xiàn)場降雪后的松軟雪顆粒，在搬運(yùn)至風(fēng)洞內(nèi)部過程中盡量減少對(duì)原狀雪的擾動(dòng)?，F(xiàn)場雪粒測量密度為139 kg/m3，試驗(yàn)均在白天陰處進(jìn)行，環(huán)境溫度為?15～?10 ℃。

室內(nèi)風(fēng)洞采用模擬材料代替雪粒，在試驗(yàn)前選定幾種與雪粒外觀相近的顆粒，根據(jù)上述相似準(zhǔn)則，結(jié)合對(duì)雪粒密度、粒徑、休止角、沉降速度等參數(shù)的研究，選擇包括人造雪、鹽粒以及不同級(jí)配的硅砂在內(nèi)的材料比較其物理性質(zhì)，然后通過預(yù)吹風(fēng)試驗(yàn)選定粒徑為0.2 mm 的細(xì)硅砂代替雪粒。表1所示為室內(nèi)風(fēng)洞試驗(yàn)選定的細(xì)硅砂顆粒和室外風(fēng)洞所采用的鐵路路塹工程風(fēng)吹雪現(xiàn)場雪粒的物理力學(xué)參數(shù)對(duì)比，其中硅砂來自于購買的商業(yè)化成品材料。

表1 雪粒和細(xì)硅砂參數(shù)Table 1 Parameters of snow particle and fine silica sand

1.3 試驗(yàn)參數(shù)

在試驗(yàn)前首先采用閉合劈尖調(diào)節(jié)流場分布，并改變風(fēng)洞流場出口粗糙度，使其與風(fēng)吹雪災(zāi)害易發(fā)區(qū)域的B類地貌流場特征相吻合，調(diào)節(jié)后的流場湍流度沿路基高度范圍內(nèi)基本保持穩(wěn)定在11%左右，滿足GB 50009—2012“建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范”對(duì)B類地貌流場的要求。

鋪雪前緣與風(fēng)洞出流口保持一定距離，室內(nèi)和室外試驗(yàn)吹風(fēng)前初始雪深鋪設(shè)分別為20 mm 和10 mm(均對(duì)應(yīng)實(shí)際雪深600 mm)，計(jì)算域整體如圖4所示，其中黃色部分為鋪雪區(qū)域，為了避免風(fēng)機(jī)設(shè)備對(duì)模型域內(nèi)流場的影響，鋪雪區(qū)域前緣與風(fēng)機(jī)設(shè)備出流口保持一定距離。

圖4 試驗(yàn)區(qū)域示意圖Fig.4 Schematic diagram of test area

在室外風(fēng)洞中對(duì)原狀雪進(jìn)行起動(dòng)速度的測試，當(dāng)開機(jī)風(fēng)速為5.5 m/s 時(shí)仍有少量雪粒運(yùn)動(dòng)，考慮目測誤差等因素，認(rèn)為開機(jī)風(fēng)速為5 m/s時(shí)顆粒開始運(yùn)動(dòng)，此時(shí)距離地面50 mm 的皮托管測試點(diǎn)風(fēng)速為3.5 m/s(三級(jí)微風(fēng))，根據(jù)近地面風(fēng)場對(duì)數(shù)率剖面模型算得雪粒閾值風(fēng)速為3.1 m/s，吹風(fēng)15 min后運(yùn)動(dòng)雪粒明顯減少，考慮目視誤差將吹風(fēng)時(shí)間定為20 min(1 200 s)。室內(nèi)風(fēng)洞則通過調(diào)節(jié)硅砂的粒徑獲得與原狀雪較為一致的起動(dòng)速度，試驗(yàn)中設(shè)置為相同的吹風(fēng)時(shí)間。吹風(fēng)后采用精度1 mm的測雪尺進(jìn)行雪深測量，并采用插值法得到模型域內(nèi)雪深分布。

預(yù)試驗(yàn)中路塹模型線路方向的邊緣處出現(xiàn)強(qiáng)烈的氣流分離(類似平面屋頂邊緣出現(xiàn)的侵蝕現(xiàn)象)，雪深幾乎為0 m，而實(shí)際線路方向長度遠(yuǎn)大于柵欄與路基距離，所以，測量時(shí)選擇邊緣無侵蝕區(qū)域。

2 試驗(yàn)結(jié)果

在考慮實(shí)際雪量和柵欄占地面積的條件上，所有計(jì)算中保持路基形式不變，選定3種防護(hù)形式的防雪柵進(jìn)行試驗(yàn)，參數(shù)如表2所示，其中單排防雪柵的孔隙率與布置距離以Kumar 建立在Banihal山頂?shù)姆姥〇沤Y(jié)構(gòu)參數(shù)為基礎(chǔ)[17]。

表2 3種布置形式的防雪柵Table 2 Three forms of snow fences

在風(fēng)吹雪相關(guān)研究中，通常以吹風(fēng)前初始雪深為標(biāo)準(zhǔn)，將吹風(fēng)后各點(diǎn)位雪量進(jìn)行歸一化得到雪量系數(shù)，也表示風(fēng)吹雪作用下計(jì)算域各處的堆積?侵蝕現(xiàn)象，雪量系數(shù)大于1表示該處產(chǎn)生堆積，雪量系數(shù)小于1表示發(fā)生侵蝕[18]，本文采用同樣的表示方法。

2.1 不同布置形式防雪柵

室內(nèi)風(fēng)洞試驗(yàn)路塹內(nèi)外橫截面平均雪量系數(shù)如圖5(a)所示。從圖5(a)可知：3 種布置形式的柵前最大雪量系數(shù)由大到小依次為1.516(單?5)>1.327(單?3)>1.316(雙?3，近入流口)>1.16(雙?3，近路基)，在緊貼柵欄兩側(cè)各工況下雪量系數(shù)急劇減小至0.6～0.8 區(qū)間，然后柵后雪量呈現(xiàn)出先增多后減少的趨勢，并在路塹邊坡頂部達(dá)到最小值。

室外風(fēng)洞試驗(yàn)路塹內(nèi)外橫截面平均雪量系數(shù)如圖5(b)所示。從圖5(b)可知：不同防雪柵布置形式下的積雪分布變化規(guī)律與室內(nèi)風(fēng)洞試驗(yàn)相同，但柵前最大雪量系數(shù)由大到小依次為1.827(單?5)>1.678(單?3)>1.527(雙?3，近入流口)>1.347(雙?3，近路基)，而在緊貼柵欄兩側(cè)各工況下雪量系數(shù)減小至0.4～0.6 區(qū)間。柵前和柵后的雪量變化范圍遠(yuǎn)比室內(nèi)風(fēng)洞試驗(yàn)的大，柵欄對(duì)積雪重分布表現(xiàn)出更為明顯的作用。

圖5 不同柵欄防護(hù)形式下雪量系數(shù)Fig.5 Snow amount coefficient at different forms of snow fences

上述試驗(yàn)結(jié)果中單?3的柵前雪量均比雙?3(近入流口)的大，這可能是由于風(fēng)洞試驗(yàn)時(shí)雙排柵欄間的距離相對(duì)計(jì)算域是不可忽略的，且雪量有限，所以單?3的沉積雪量較雙?3(近入流口)的沉積雪量有所增加。

由于室外風(fēng)洞試驗(yàn)皮托管測量架的移動(dòng)距離限制，僅在室內(nèi)風(fēng)洞試驗(yàn)中對(duì)多點(diǎn)位流場進(jìn)行測量。圖6所示為不同防雪柵布置形式下防雪柵兩側(cè)沿豎直方向的風(fēng)速分布。由圖6可以看出：柵前流速分布在3 m高范圍內(nèi)幾乎一致，可見不同布置形式的柵欄對(duì)柵前流場的影響程度幾乎是相同的，單?5在緊貼柵前處的流速劇烈衰減區(qū)域同樣在3 m以下，3 m高度以上防雪柵對(duì)流場的影響并未與其他工況表現(xiàn)出較大差異，區(qū)別僅在于單?5 防雪柵對(duì)柵前5 m處的流速減弱作用略比其他工況的大。

圖6 不同防雪柵布置形式下防雪柵兩側(cè)流場分布Fig.6 Distribution of flow field on both sides of snow fences under different forms

在柵后，單?5 防雪柵明顯增加了流速減弱范圍，但對(duì)柵后流場的影響范圍并沒有隨著柵欄高度增加而完全增加。單?5 防雪柵柵后緊貼柵欄處流速從約4 m高處即開始明顯恢復(fù)，而高度為3 m的柵欄其恢復(fù)高度基本在柵頂以上，這說明隨著防雪柵高度增加，柵后的流場減弱區(qū)域范圍是有限的，并不能隨著防雪柵高度增加而增加，多排布置形式的柵欄則直接增加了計(jì)算域內(nèi)的流場減弱范圍，并且各排柵欄兩側(cè)流場分布幾乎一致，說明該減速沉積范圍與柵欄排數(shù)呈倍數(shù)關(guān)系。

圖5中，雙?3防雪柵的兩排柵欄順風(fēng)向表現(xiàn)出沉積雪量逐漸減小的趨勢，這可能是由于試驗(yàn)中雪量有限，多排柵欄并未能充分發(fā)揮積雪沉積的作用。而在實(shí)際環(huán)境中計(jì)算域是足夠大的，且在來流雪量充足的情況下，可以認(rèn)為單?3和雙?3(第一排)的沉積雪量是相同的，并且各排柵欄所致的沉積雪量也是一致的。

圖7所示為不同防雪柵布置形式下路塹內(nèi)距離地面1 m高度處風(fēng)速分布。由圖7可以看出：在路基內(nèi)除了路塹邊坡外，整體流速基本低于0.5 m/s，風(fēng)速由大到小總體分布為路基頂面、迎風(fēng)側(cè)積雪平臺(tái)，背風(fēng)側(cè)積雪平臺(tái)，流速最慢的背風(fēng)側(cè)積雪平臺(tái)成為路塹內(nèi)積雪沉積量最大的地方。如果風(fēng)吹雪區(qū)域路塹中不設(shè)置積雪平臺(tái)的話，由路塹外吹來的雪粒將會(huì)直接堆積于路基頂面上。

圖7 不同防雪柵布置形式下路塹內(nèi)風(fēng)速分布Fig.7 Wind speed distribution in cutting under different forms

在單?5 防雪柵布置形式下，路塹邊坡頂部流速較其他柵欄布置形式下的流速降低了約0.5 m/s，流速的降低抑制了邊坡頂部的侵蝕作用，減少了路塹邊緣被加速吹向路塹內(nèi)的雪粒；路塹內(nèi)其余區(qū)域流速分布基本保持一致，并未隨路塹外防雪柵布置的形式出現(xiàn)明顯變化，即不同防雪柵布置形式下所導(dǎo)致的積雪分布不同，主要是由于防雪柵影響了路塹外的流場分布，使雪粒較多地沉積在路塹外，減少到達(dá)路塹內(nèi)的雪量。

2.2 不同來流風(fēng)速

作為風(fēng)吹雪的動(dòng)力來源，風(fēng)場是影響積雪分布的重要因素之一。選定單?3 防雪柵并改變風(fēng)洞出流口風(fēng)速。室內(nèi)風(fēng)洞試驗(yàn)路塹內(nèi)外橫截面平均雪量系數(shù)如圖8(a)所示。從圖8(a)可知：5.5 m/s風(fēng)速下柵欄作用范圍內(nèi)最大和最小雪量系數(shù)分別為1.15和0.60，路塹外平均雪量0.73，柵欄上風(fēng)側(cè)積雪堆積范圍約5m；當(dāng)風(fēng)速增加至11.5 m/s 時(shí)，柵欄作用范圍內(nèi)最大和最小雪量系數(shù)分別為1.65 和0.49，路塹外平均雪量系數(shù)0.45，柵欄上風(fēng)側(cè)積雪堆積范圍增加至約35 m。室外風(fēng)洞試驗(yàn)路塹內(nèi)外橫截面平均雪量系數(shù)如圖8(b)所示。從圖8(b)可知：防雪柵兩側(cè)的積雪分布變化趨勢與室內(nèi)試驗(yàn)相同。當(dāng)來流風(fēng)速為5.5 m/s 時(shí)，路塹外的平均雪量系數(shù)較來流速度為7.5 m/s 和9.5 m/s 時(shí)分別增加了18.54%和27.73%，而在路塹內(nèi)則相應(yīng)地減小了9.53%和19.33%。

圖8 不同來流風(fēng)速下的雪量分析Fig.8 Snow amount coefficient at different inflow velocities

圖9所示為室內(nèi)風(fēng)洞試驗(yàn)中，不同來流風(fēng)速下防雪柵兩側(cè)沿豎直方向的風(fēng)速分布。從圖9可以看出：在柵欄上風(fēng)側(cè)，隨著來流風(fēng)速增大，在遠(yuǎn)離柵欄區(qū)域的風(fēng)速也相應(yīng)增大，更多更遠(yuǎn)的雪粒在流場的裹挾下開始運(yùn)動(dòng)，緊貼柵欄兩側(cè)的風(fēng)速幾乎都衰減為0，因此，雪粒在此減速并堆積。在柵后隨著距離增加防雪柵影響逐漸減弱，由柵后5 m處的風(fēng)速對(duì)比可以看出，來流風(fēng)速越大，柵后速度也較快恢復(fù)至雪粒的起動(dòng)速度，使得更多的雪粒被吹向路塹內(nèi)。

圖9 不同來流風(fēng)速下柵欄兩側(cè)流場分布Fig.9 Distribution of flow field on both sides of snow fences under different inflow velocities

圖10所示為不同來流風(fēng)速下路塹內(nèi)距離地面1m高度處風(fēng)速分布。從圖10可知：來流風(fēng)速明顯影響路塹內(nèi)流場的分布，當(dāng)來流風(fēng)速為5.5 m/s時(shí)，路塹迎風(fēng)側(cè)坡頂風(fēng)速為1.9 m/s；當(dāng)來流風(fēng)速為11.5 m/s 時(shí)，路塹迎風(fēng)側(cè)坡頂風(fēng)速增大至4.9 m/s，路塹邊坡的侵蝕作用明顯加強(qiáng)，大量路塹外的雪粒被吹向路塹內(nèi)。同時(shí)在路塹內(nèi)，相對(duì)于來流風(fēng)速為5.5 m/s時(shí)，來流風(fēng)速為11.5 m/s時(shí)的路基頂面風(fēng)速幾乎增大了一倍，但由于路塹內(nèi)流速本身衰減較為劇烈，即使在來流風(fēng)速為11.5 m/s時(shí)，路基頂面的風(fēng)速也并未超過1 m/s，因此，增大來流風(fēng)速造成路塹外更多的雪粒被吹向路塹內(nèi)，而路塹內(nèi)雖然風(fēng)速增長率很大，但由于風(fēng)速較低，依舊造成了大量雪粒在此沉積。

圖10 不同來流風(fēng)速下路塹內(nèi)風(fēng)速分布Fig.10 Wind speed distribution in cutting at different inflow velocities

3 討論

3.1 鐵路風(fēng)雪場分布特征

無論是柵欄還是路基，均是各結(jié)構(gòu)處流場的變化導(dǎo)致積雪分布的不同，對(duì)相同工況下的路基與柵欄模型進(jìn)行建模得到全區(qū)域的流場分布圖，其中模型參數(shù)和計(jì)算參數(shù)設(shè)置與文獻(xiàn)[19]中的相同。

3.1.1 路基內(nèi)

圖11所示為來流風(fēng)速為7.5 m/s 時(shí)，有無柵欄作用時(shí)的路基內(nèi)與軌道結(jié)構(gòu)處的流場矢量對(duì)比圖，其中柵欄布置形式為單?3。由圖11可以看出：路塹邊坡頂部區(qū)域由于受到流場分離作用出現(xiàn)明顯的加速，在路基內(nèi)整體流速基本低于1 m/s的情況下，路塹邊坡頂部的流速達(dá)到了2.5 m/s，因此，路基邊緣的雪會(huì)被吹向路塹內(nèi)，無柵欄時(shí)該侵蝕范圍約為20 m。當(dāng)防雪柵存在時(shí)，可以看出路塹邊坡頂部的侵蝕作用明顯受到了抑制，因此吹向路塹內(nèi)的雪粒減少。而由于路基內(nèi)流速整體處于較小的范圍，防雪柵的存在對(duì)積雪平臺(tái)以及軌道結(jié)構(gòu)處的流場特征并未表現(xiàn)出較明顯的影響。

圖11 路基內(nèi)流場矢量圖Fig.11 Vector of flow field in cutting

3.1.2 路基外

沒有防雪柵時(shí)路基外風(fēng)速由地面向上基本保持均勻的對(duì)數(shù)率分布。圖12所示為單?3柵欄作用下，來流風(fēng)速7.5 m/s 時(shí)柵欄兩側(cè)流場的矢量分布圖。由圖12可以看出：防雪柵存在時(shí)可以將柵兩側(cè)的流場變化分為柵前流速減弱區(qū)、柵頂流場分離區(qū)和柵后流速減弱區(qū)這3個(gè)區(qū)域。其中柵前流速減弱是由于柵欄實(shí)體部分直接的阻擋作用，而受到柵欄孔隙加速作用的流場和柵后原有的低風(fēng)速流場相遇產(chǎn)生旋渦，旋渦的存在明顯減弱風(fēng)速，雪粒在柵前和柵后的風(fēng)速減弱區(qū)難以維持自身的運(yùn)動(dòng)，于是便產(chǎn)生沉積現(xiàn)象。試驗(yàn)中，在相同的初始雪量下，路塹外柵欄所致的沉積雪量越多，路塹內(nèi)的雪量越少。

圖12 柵欄兩側(cè)流場矢量圖Fig.12 Vector of flow field on both sides of snow fence

3.2 對(duì)風(fēng)雪場分布的影響

3.2.1 防雪柵布置形式

圖13所示為數(shù)值模擬得到的不同防雪柵布置形式下的計(jì)算模型中心截面的流場云圖。由圖13可以看出：柵前積雪沉積距離并未隨防雪柵布置形式的不同而明顯改變，而不同布置形式的柵欄則顯著影響柵后風(fēng)速減弱區(qū)的范圍，柵欄高3 m時(shí)該區(qū)域長度約為30 m，柵欄高5 m時(shí)該距離增加至約為60 m，可以看出柵后積雪沉積區(qū)范圍至少大于柵欄高度的10 倍，這也是高度較大的防雪柵與路基設(shè)置距離較遠(yuǎn)的原因。在高防雪柵作用下，與防雪柵距離較近的路基會(huì)處于柵后弱風(fēng)區(qū)，造成路基內(nèi)積雪反而增多；防雪柵排數(shù)增加直接擴(kuò)大了區(qū)域內(nèi)的弱風(fēng)區(qū)范圍，柵欄兩側(cè)的風(fēng)速減弱范圍與強(qiáng)度也基本保持一致。

圖13 不同防雪柵布置形式下流速等高線圖Fig.13 Contour of wind speed at different forms of snow fences

3.2.2 來流風(fēng)速

圖14所示為不同來流風(fēng)速下計(jì)算模型中心截面的流場云圖。由圖14可以看出：來流風(fēng)速顯著改變路塹外的流場特性，而對(duì)流場內(nèi)的流速影響則相對(duì)較小，當(dāng)風(fēng)速從5.5 m/s 增加至11.5 m/s 時(shí)，路基內(nèi)近地面處的流速也基本處在0～1 m/s的流速區(qū)間，這與上述風(fēng)洞試驗(yàn)中不同來流風(fēng)速下路基內(nèi)流場的測量結(jié)果也是一致的。

圖14 不同來流風(fēng)速下流速等高線圖Fig.14 Contour of wind speed under different inflow velocities

在路基外，來流風(fēng)速增加直接增大全區(qū)域內(nèi)的流速，當(dāng)來流風(fēng)速為5.5 m/s 時(shí)，區(qū)域內(nèi)最大風(fēng)速為5.9 m/s，而當(dāng)來流風(fēng)速為11.5 m/s時(shí)，區(qū)域內(nèi)最大風(fēng)速達(dá)到13.7 m/s，風(fēng)速自地面向上顯著增加。由于雪粒自身的閾值風(fēng)速(起動(dòng)速度)不變，增加風(fēng)速會(huì)增加雪粒表面受到的流場剪切力，增大雪粒表面的摩擦速度(如式(1)所示)，使更多的雪粒進(jìn)入運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，因此，風(fēng)吹雪平衡狀態(tài)下的雪深減小。大風(fēng)作用下更多的雪粒被裹挾進(jìn)入風(fēng)吹雪運(yùn)動(dòng)，而路塹內(nèi)風(fēng)速較低，故風(fēng)速越大，就會(huì)有越多的雪粒被吹進(jìn)路塹內(nèi)進(jìn)而沉積。

3.3 實(shí)例驗(yàn)證

新建阿富準(zhǔn)鐵路位于新疆維吾爾自治區(qū)阿勒泰地區(qū)境內(nèi)，線路地處阿爾泰山南麓，沿線區(qū)域氣候干燥。降雪期年均為5個(gè)月，最大積雪平均厚度達(dá)940 mm；年平均風(fēng)速為1.95 m/s，最大瞬時(shí)風(fēng)速為22.1 m/s，最大定時(shí)風(fēng)速為19.5 m/s，年平均八級(jí)以上大風(fēng)日數(shù)為19.8 d。根據(jù)前期現(xiàn)場調(diào)研選取阿富段DK145+500～DK146+600 段作為試驗(yàn)段，該段內(nèi)風(fēng)蝕作用強(qiáng)烈，坡面及地表低洼處局部可見有明顯吹蝕槽痕。阿富準(zhǔn)鐵路試驗(yàn)段區(qū)域如圖15所示。

圖15 阿富準(zhǔn)鐵路風(fēng)吹雪研究試驗(yàn)段區(qū)域示意圖Fig.15 Schematic of snow-drifting test section of Altay—Fuyun railway line

在試驗(yàn)段中布置3種不同布置形式的柵欄，如圖16所示。柵欄高度和孔隙率與上述室內(nèi)和室外風(fēng)洞試驗(yàn)的“單?3，雙?3，單?5”的柵欄原型中相同，主要區(qū)別為試驗(yàn)段中柵欄采用菱形孔透風(fēng)防雪柵欄，柵欄布置距離與試驗(yàn)工況中的相同。

圖16 現(xiàn)場試驗(yàn)段不同布置形式柵欄Fig.16 Different forms of snow fence in field test section

在2018年12月一次降雪后對(duì)試驗(yàn)段進(jìn)行雪深測量，采用精度為1 mm的量雪尺進(jìn)行測量，測量范圍順主風(fēng)向從路塹上風(fēng)側(cè)120 m 至下風(fēng)側(cè)50 m，沿線路方向長度為500 m。以初始雪量為標(biāo)準(zhǔn)將實(shí)測雪深歸一化后得到圖17。為減小地形影響，忽略實(shí)際雪深測量中劇烈突變及明顯不連續(xù)的雪深數(shù)據(jù)。由圖17可知：柵欄上風(fēng)側(cè)的積雪沉積范圍為15～20 m，柵后積雪同樣增加，在路塹邊坡頂部邊緣處出現(xiàn)強(qiáng)烈的侵蝕作用。以路塹外120 m到路基邊坡頂部之間的距離計(jì)算路塹外柵欄作用范圍內(nèi)的平均雪量，室內(nèi)風(fēng)洞中單?3、單?5和雙?3這3種工況下路塹外雪量較無防雪柵的雪量(0.771)分別增加14.52%，23.60%和19.70%，室外風(fēng)洞中3種工況路塹外雪量較無防雪柵工況分別增加12.9%，18.5%和15.9%，而在現(xiàn)場試驗(yàn)段中該測量值分別為12.13%，16.69%和14.85%?？梢钥闯鲲L(fēng)洞實(shí)驗(yàn)中的柵欄起到了更為明顯的作用。這可能是由于現(xiàn)場實(shí)測中來流風(fēng)速風(fēng)向多變，試驗(yàn)段現(xiàn)場自建氣象站監(jiān)測到該區(qū)域平均風(fēng)速小于6 m/s，且現(xiàn)場風(fēng)向并不總是垂直于柵欄，而風(fēng)洞試驗(yàn)則是保持恒定的來流風(fēng)速和流向垂直于柵欄與路基的狀態(tài)。這也說明了風(fēng)速越小，防雪柵對(duì)積雪重分布的能力越弱，積雪分布越趨近于自然狀態(tài)下的積雪分布。

圖17 現(xiàn)場試驗(yàn)段雪深系數(shù)Fig.17 Snow amount coefficient of field test section

4 結(jié)論

1)防雪柵主要影響路塹外的風(fēng)雪場分布，并減少吹向路塹內(nèi)的雪粒。在路基邊緣存在約20 m長的劇烈侵蝕區(qū)域使雪粒吹向路塹內(nèi)，防雪柵的存在會(huì)抑制該侵蝕作用；路塹內(nèi)背風(fēng)側(cè)積雪平臺(tái)流速最慢，雪量最大，在風(fēng)吹雪區(qū)域路塹中有必要設(shè)置積雪平臺(tái)。

2)防雪柵與路基間的距離應(yīng)該大于柵欄高度10 倍以上，而隨著防雪柵高度增加，其對(duì)風(fēng)雪場的影響作用是趨于有限的；在試驗(yàn)中，多排防雪柵順風(fēng)向下各排柵欄作用效果遞減，而在實(shí)際環(huán)境中雪源充足的情況下，各排相同形式的柵欄所起的作用基本一致。

3)增大來流風(fēng)速會(huì)減小風(fēng)雪平衡狀態(tài)下的自然雪深，并且柵欄兩側(cè)和路塹內(nèi)會(huì)越快地產(chǎn)生積雪；由于路塹內(nèi)本身劇烈的風(fēng)速衰減，六級(jí)強(qiáng)風(fēng)下路塹內(nèi)積雪平臺(tái)也難以達(dá)到雪粒的起動(dòng)風(fēng)速，造成路塹外吹來的雪粒沉積于此。