秦 旗

(中铁第一勘察设计院集团有限公司，西安 710043)

阿联酋铁路路基风沙防治措施数值分析及设计

秦 旗

(中铁第一勘察设计院集团有限公司，西安 710043)

结合阿联酋联合铁路工程背景，采用CFD技术对风沙防治措施进行模拟分析，并根据计算结果进行风沙防治措施设计，使设计更趋于合理化。基于阿联酋风沙实际情况，分别利用GAMBIT软件和ANSYS软件建立路基整体风洞模型和阻沙栅栏二维模型，并用FLUENT软件进行求解，根据对比分析选取适宜的路基边坡坡率、地表覆盖物粒径、阻沙栅栏疏透率等设计参数，进行风沙防治措施设计。结论：(1)风沙路基应采用放缓路基边坡坡率的措施，路堤边坡坡率以1∶2～1∶5为宜；(2)路基两侧应平铺砾石土覆盖于沙地表面，粒径不宜小于5 cm；(3)阻沙栅栏高度宜采用1.5m，按疏透度0.4采取适宜的布置形式。

阿联酋铁路；风沙防治；CFD；数值模拟

目前我国沙漠地区铁路运营总长度已超过5 000 km，对于促进荒漠地区经济的发展起到了重要的作用。从最早包兰铁路开创我国沙漠铁路建设的先例开始，50多年来我国铁路建设者及相关科研人员在风沙运动规律及铁路风沙综合防治等方面开展了大量研究工作。如屈建军等[1]曾对包兰铁路沙坡头段的风沙规律及其防护体系的相互作用进行过深入的研究，为铁路防沙设计提供了充足的理论支撑；李肖伦[2]从铁路选线到路基本体防沙、路基两侧防沙及保护天然植被几个方面对我国铁路沙害的防治进行了系统的总结，并对今后铁路沙害防治提出建议与对策；钱征宇[3]也曾对铁路沙害的形成、危害及其主要影响因素进行了系统分析，并对铁路沙害防治的基本原则、防治原理和应用条件进行了分析探讨。可以说在风沙形成、风沙运动规律、铁路防风沙设计要点等方面我国已取得了一些有效的经验，掌握了工程阻沙、植物固沙、化学固沙以及综合治沙的技术和方法，总结出了不同地区沙漠铁路的防风沙模式，能够有效地指导沙漠铁路的设计。

但是，目前为止我国大部分关于铁路风沙防治的科学研究及工程设计都是基于在我国的沙漠条件进行的，我国的科研成果与国外铁路项目结合的应用实例还相对较少。基于阿联酋联合铁路“SHAH-HABSH-RUWIS铁路”项目对国外铁路的风沙防治措施的设计和相关CFD模拟分析进行详细探讨。

1 阿联酋地区风沙条件概况

阿联酋地区降水稀少，蒸发强烈，气候干燥，温差较大，地表植被稀疏，除绿洲区及人类改造部分外，几乎全为风沙覆盖。风沙地段以新月形沙丘、沙丘链、沙垄为主，沙丘由西北向东南呈往复摆动式前进。一般高度在3～20 m，个别可达20～50 m。固定、半固定和流动沙丘均有不同程度的分布，流动沙丘主要分布于微丘区和丘陵区，固定、半固定沙丘仅分布在沙漠的边缘和一些水流条件较好的沟谷附近。流动沙丘受主导风向及季风影响较大，整体为NW-N向的大型沙垄及NE-E或近E-W向的横向大型新月形沙丘链及链间横向小沙丘，当地最大风速12 m/s。

阿联酋联合铁路由波斯湾南岸沿海平原区至内陆沙漠区，地势南高北低。大部分线路行进于微丘陵区，地表多为半固定沙丘，分布少量移动沙丘，随着线路向南行进，逐渐通向空旷的沙漠地区，地形起伏不断加大，沙害越来越重，由北向南地形起伏越来越大，逐步进入沙漠腹地，地表分布高大的新月形或格状移动沙丘，沙丘高度达20～50 m。

铁路主要面临风蚀和沙埋两种危害，将严重影响线路的正常运行，故阿联酋铁路风沙防治将是该铁路建设的技术关键。

2 风沙防治措施数值模拟

在进行风沙防治措施详细设计之前分别对路基整体风沙流场、地表覆盖物固沙、阻沙栅栏阻沙进行数值模拟，总结风沙运动规律的同时，得出防风沙措施的相关参数，为后续设计提供参考。

2.1 路基整体风沙流场数值模拟

利用GAMBIT软件进行流动区域路堤几何形状的构建、边界类型以及网格的生成，此模拟中边界值按照风洞参数进行设定，区域长300 cm，宽100 cm，高60 cm。选取风速12 m/s并按项目所在区域实际风向，模拟路基与来流风向呈30°、60°、90°三种情况下的风沙流场，获得路基表面风速分布及其对风蚀量的影响。然后应用FLUENT软件求解器对流动区域进行求解计算，最后利用TECPLOT软件对输出的计算结果进行后处理。模型构架和表面网格划分情况见图1。

图1 路基模型表面网格

求解后得到路基沿XZ平面中央的流场结构图(图2)，迎风坡顶端集流加速区出现的高度较高，密集地分布着平行于堤顶的风速等值线，背风侧形成的减速沉降区范围较小。因为梯形顶部存在一段距离，气流沿坡辐合到迎风坡顶的时候没有立刻发生辐散分区，而是存在沿顶部爬行的一个过程，待气流到顶部背风侧边缘时开始发生能量分散，由于能量在顶部爬行过程中的削弱，风速等值线迅速下滑。

图2 数值模拟路基模型XZ平面截面上的流场

图3为YZ剖面的流场结构图，分别取X为路基迎风侧、背风侧以及路堤典型部位，得出各典型位置流场结构图。路堤迎风坡脚处出现低速区；到了迎风半坡底层风速继续减弱，高层风速出现加速区域；到了路基面顶部集流加速最为明显；背风半坡到背风坡脚，底层风速出现回流现象，湍流发育，路堤背风侧的有效防护距离内，底层风速均为低风速区，这种现象随着路堤边坡坡率越陡，路堤高度越高，现象越明显。

图3 数值模拟路基模型YZ平面截面上的流场

线状分布的路基与来流气流方向垂直时，迎风坡的气流加速作用显著，在迎风坡路肩处达到最大；当气流与路基走向的夹角减小时，迎风坡的加速作用和背风坡的回流区强度均有所减弱；夹角减小到30°时，迎风侧的气流沿坡面加速作用不明显，顶部的风速被削弱，背风坡不产生回流，受风蚀影响的实际面积反而小于水平面，如图4所示。

图4 不同风向夹角路基表面us/ur分布

2.2 地表覆盖物数值模拟

利用流体力学软件FLUENT软件对砾石表面的流体过程进行模拟，研究不同砾石高度、直径、盖度、密度等砾石床面几何参数，以及风速、摩阻速度等流体特性对粗糙度的影响，建立砾石表面空气动力学粗糙度与相关参数的定量关系。从而确定砾石表面几何参数的最佳形式，为砾石表面的风沙防护功能提供理论依据。

2.3软产道撕裂伤造成的大出血协助医生予以修复缝合,如为阴道血肿则先切开血肿,清除血块,进行缝合,并补充血容量。

图6 不同盖度砾石表面风速廓线

首先利用前处理软件GAMBIT完成对风洞模型的建立，采用结构与非结构混合网格对风洞进行分块网格划分，如图5(a)所示，将风洞划分为4部分，对砾石所在部分进行网格加密，如图5(b)所示，网格总数约为150万。砾石的形状均用四面体替代，在砾石表面采用Tet/Hybird网格。入口为velocity-inlet边界条件，速度入口为对数风速廓线，出口为outflow边界条件，砾石以及风洞都为固壁条件，采用剪切压力传输模型(SST)进行流场的计算，SIMPLEC计算法则进行压力和速度耦合，二阶迎风格式计算气流运动。

图5 Gambit网格划分

应用FLUENT软件模拟得到的直径5 cm砾石不同盖度表面的风速廓线图，可以看出，由于粗糙元的影响，风速随高度的对数分布规律在一定高度范围内(2.5～12.5 cm)满足，风速廓线在整体高度上不再遵循对数分布。如图6所示。

通过对不同盖度砾石表面风洞试验的模拟，研究流体特性可知，风速、摩阻速度，粗糙元的几何性质(密度、盖度、高度、直径)对表面空气动力学粗糙度均有影响，空气动力学粗糙度随砾石高度、直径的增大而增大，但高度较直径对空气动力学粗糙度的影响作用更加显著；当盖度较小时，直径的影响作用并不明显。另外，5 cm直径床面粗糙度的增加幅度要明显大于3 cm直径床面。粗糙度随密度的变化是先增加后减小。应依据砾石的形状特点选取最佳盖度，以求达到最好的防治风蚀的效果。

2.3 阻沙栅栏数值模拟

使用ANSYS软件的CFD模块对阻沙栅栏进行阻沙效果的二维数值模拟。根据流体动力学有限元算法求解特征，建立试验尺度的求解区域。区域长45 m，高8 m，单排栅栏高1.5 m，厚0.05 m，位于距入口15 m处。栅栏的疏透度用矩形隔板的长度和间隔表达。

适当的网格划分是有限元法算法取得合适解的保证。栅栏附近的网格随模型边界变化而调整和细化，以满足求解的稳定性和精确性需要；较远的区域采用较粗网格，以减少计算量。根据流场特征，分别采用不同尺度的网格进行划分，并对栅栏的隔板间隔进行网格加密，保证在速度和压力梯度较大的地方有足够的计算精度(图7)。

图7 计算区域划分及栅栏附近网格

图10 不同风速流场内的最小风速与最大风速

栅栏周围区域的流场结构如图8所示。疏透度β小于0.3时产生回流，大于0.3时回流区消失。由图8可见，紧密结构栅栏流场的最大风速在栅后空间上部的增速区中心，最小风速在栅后空间下部的回流区中心。疏透度β=0.1时顶部增速区强度已明显减弱，最大风速出现在栅栏顶部。由于疏透度β为0.1和0.2的栅栏空隙处间隔较小，射流作用强烈，因此最大风速值最高。

图8 不同疏透度栅栏周围流场形态变化(v=12 m/s)

由图9可知，5个高度上各流场疏透度β=0.4的栅栏有效防风距离(栅栏背风侧风速恢复到自然风速80%的距离)最大。

图9 不同疏透度条件下各高度有效防风距离

3种风速条件下的最大最小风速列于图10。β<0.3时最小风速随疏透度增加而增加，回流区长度差异不大，但强度随β增加而减弱，到β=0.3时最小风速达到最大，其绝对值最小，回流区中心消失，栅后下层空间有范围较小的低速负风区，最大最小风速都出现在栅栏的射流区和背风区附近。β=0.4时，栅栏空隙较大，射流作用减弱，因此最大风速降低；栅后底部空间的负风区已经消失，因此不会造成严重的积沙现象。

根据数值分析显示回流区的强度随疏透度增加而减弱，到β=0.4时消失。紧密结构栅栏的最大风速在栅栏顶部的加速区中心；由于栅栏空隙的射流作用，β为0.1和0.2的栅栏最大风速值最高，而β大于0.3以上时栅栏最大风速降低且趋于稳定。最小风速随疏透度增大而增大，到β=0.3时达到最大，其绝对值最小；β大于0.3时，最小风速出现在栅栏附近背风区而趋于平稳。根据有效防风距离和最大最小风速等方面数据确定，β=0.4为最佳疏透度。

3 风沙防治措施设计

3.1 确定路基横断面

根据对不同形状路基周围的整体风沙流场数值模拟比较分析得知，低缓的路基边坡坡脚不易形成风沙回流现象，极少形成坡脚积沙，有利于线路运营安全。故阿联酋联合铁路采用了放缓路基边坡坡率的防风沙措施，对于小于3 m的低路堤采用了1∶3的边坡坡率，大于3 m时采用1∶5的边坡坡率，挖方路基采用路堤式路堑，即在底部按填方设置成1.1 m的填方路堤，路堑底部路堤两侧设置一定宽度的积沙平台，挖方边坡采用了1∶5～1∶10的边坡坡率。典型路基断面如图11～图12所示。

图11 典型路堤断面形式(单位：m)

图12 典型路堑断面形式(单位：m)

3.2 地表及边坡摊铺砾石土

根据地表覆盖物的数值模拟分析得知，在铁路两侧覆以不同盖度的砾石，可对表面空气动力学粗糙度产生显著影响，能起到明显的固沙效果。故在线路坡脚外20～50 m范围内，平铺砾石土，覆盖于沙地表面，厚度10 cm，粒径不宜小于5 cm，起到固定当地浮沙的作用，利用这类材料的抗风蚀能力保护地表及地基免遭风蚀。

3.3 高立式阻沙栅栏

根据阻沙栅栏的数值模拟分析得知，疏透度为0.4的阻沙栅栏，搭配适当的防风间距和阻沙高度效果最为显著，故在此线路两侧均设置高立式阻沙栅栏，迎风侧距线路200 m处设置两排阻沙栅栏，栅栏间距30 m，背风侧设置1道阻沙栅栏，栅栏高度均为1.5 m，按疏透度0.4采取适宜的布置形式。阻沙栅栏材料采用土工材料板。

4 结语

基于阿联酋地区的实际沙漠条件，首次结合国外铁路工程背景，采用CFD技术，从整体风沙流场模拟、地表覆盖物模拟和阻沙措施模拟等多角度，对风沙防治措施进行模拟分析，并成功将数值模拟结果引入风沙防治措施设计当中，使设计更趋于合理化，为今后我国的防沙技术应用于国外项目提供了借鉴和参考。

同时鉴于阿联酋联合铁路的实际运营情况及当地气候因素，此次设计主要以工程防沙措施为主，其目的是在保证运营安全的前提下，减少初期投资，待铁路建成运营后，结合沙漠综合治理措施，在工程治沙防护的基础上，分步骤实施植物固沙，从根本上解决铁路沙害问题。但在阿联酋地区开展大型微灌系统进行植物固沙的技术和方法还有待后期的研究和探讨。

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Numerical Analysis and Design of the UAE Railway Subgrade Sand Preventive Measures

Qin Qi

(China Railway First Survey and Design Institute Group Co.， Ltd.， Xi，an 710043， China)

The sand prevention measures， simulated with CFD technology in view of UAE railway engineering background， are calculated and designed to be more realistic. The wind tunnel model and sand fence two-dimensional model are established with GAMBIT and ANSYS software based on the actual situations in UAE. Based on the comparative analysis to select appropriate design parameters， such as particle size of surface coverage， subgrade slope rate， and resistance rate of sand fence， prevention measures are designed. It is concluded that (1) the measures to slow down subgrade slope rate should be adopted， and the suitable slope rate is around 1∶2 to 1∶5; (2) the surface on both sides of subgrade should be covered with sand gravel soil， and the particle size should not be less than 5 cm; (3) the height of sand fence should be 1.5 m with appropriate arrangement according to the resistance rate of 0.4．

UAE railway; Sand prevention; CFD; Numerical simulation

2014-01-08；

：2014-04-01

秦 旗(1981—)，男，工程师，2009年毕业于重庆交通大学

道路与铁道工程专业，工学硕士，E-mail：452923297@qq.com。

1004-2954(2014)11-0052-05

U213.1+54

：A

10.13238/j.issn.1004-2954.2014.11.013