铁路路堑挡雪墙设计参数优化数值模拟 铁路路堑挡雪墙设计参数优化数值模拟
苏国平1，2， 蒋富强2
(1.兰州交通大学土木工程学院，兰州 730070；2.中铁西北科学研究院有限公司，兰州 730000)
摘 要：风吹雪往往在铁路路堑地段形成较厚的积雪，掩埋线路，影响行车速度，危及行车安全，研究其具有重要的现实意义。基于FLUENT软件，模拟研究不同挡雪墙高度、不同风速下，挡雪墙背风侧风雪两相流的运动特性及挡雪墙参数优化设计。研究表明，风雪流初始速度一定时，挡雪墙背风侧积雪宽度随挡雪墙高度增大而变大，沉积在床面上的雪粒更多，阻雪效果越好；挡雪墙高度一定时，背风侧积雪宽度随风雪流速度的增加逐渐增大，挡雪墙距线路的距离也应越大。在综合考虑工程造价和挡雪效果的基础上，挡雪墙设计时，高度宜在2.5～3.5m，高度越高，风速越大，挡雪墙距线路的距离应越大，一般在20～35m即可。
关键词：铁路路堑；风雪两相流；挡雪墙；优化设计；路堑；数值模拟
风雪流是一种气流携带着分散雪粒的非典型两相流[1]，也就是通常说的雪粒随风运行的一种天气现象。风吹雪可分为3个阶段，分别是下雪、新雪及老雪，风吹雪主要集中在前两个阶段，由于老雪雪粒之间的粘结作用，雪粒粒径增大，加之气温变化，积雪表面硬化，风吹雪强度很小。在风雪流的作用下，局部的积雪厚度可能达到自然积雪厚度的3～8倍[2]。我国交通行业风吹雪灾害出现频繁，分布广泛，主要集中在新疆、青海、西藏、内蒙、东北等中国北方区域[3-4]。由于冬季寒冷和强风作用，风吹雪往往在铁路路堑地段形成较厚的积雪，掩埋线路，影响行车速度，阻断交通，危及行车安全[5]。近年来，风吹雪频繁发生，特别是年初在集通线(集宁—通辽)风吹雪引发的雪害，对旅客造成了生命威胁[6]。
针对风吹雪灾害，国内许多学者做了大量的研究。李立军、魏庆朝以精伊铁路为例，分析研究风吹雪的特征、类型、影响因素、发生机制、规模以及发生的规律等，计算了最大积雪深度、最大风速，并结合实际工程设计提出防治风吹雪灾害的工程措施[7]。胡朋等模拟了挡雪墙的风速场分析，认为挡雪墙距路基的距离为10～15倍挡雪墙高度[8-9]。针对雪害，设置挡雪墙是一种行之有效的治理措施，但通过对已有挡雪墙的调查，发现大部分挡雪墙存在设置不合理的问题，其中最普遍的问题是挡雪墙的类型、高度、距线路距离等设置不合理，导致挡雪墙不能完全发挥防治作用。调查显示，产生雪害的地段，路堑(包括半路堑)及小于1 m的路堤占90%以上[10]，研究路堑及低路基地段的雪害具有重要意义。目前，在新疆精伊霍铁路、内蒙锡多铁路等风吹雪发生频繁的铁路地段都布置了挡雪墙，但是从已有资料看来，防雪工程还没有形成相应的勘察、设计及施工规范，对挡雪墙设计的合理参数没有明确规定。因此本文将通过Fluent软件模拟铁路路堑地段的风吹雪情况，优化挡雪墙的设计参数。
1 建立模型
1.1 几何模型
风雪流中雪颗粒运动主要受重力、拖拽力、附加质量力等力影响，作用力方向基本在同一平面内，故可采用二维简化模型。本文采用GAMBIT软件建立维模型，模型路堑深4 m，宽8 m，边坡比1∶1.5；挡雪墙平行于线路，为矩形断面混凝土结构，宽0.3 m，高度分别取2、2.5、3.5、4、5 m，左边界距离挡雪墙20 m，挡雪墙距离路堑分别取10、20、30、40、50 m，路堑距离右边界15 m，计算高度25 m；风雪流的方向垂直于线路，速度在10～25 m/s范围内，对于不垂直的情况本文不予考虑。
1.2 网格划分
依据流场的变化来进行划分，路堑及挡雪墙附近的流场变化较剧烈，划分的网格应较密集；离路堤面较远的地方流场变化不大，划分的网格应较稀疏。本文所建模型较为复杂，采用Pave法将区域划分为非结构性网格，网格类型为Tri(三角形)网格形式。由风雪流的分布特点可知近地表的雪粒运动更加复杂，将防风挡雪墙及路堑周围网格适当进行加密，而在进口、出口和计算区域上侧对数值计算结果影响较小的区域网格划分稀疏。
1.3 边界条件设置
入流面：采用速度来流边界条件(Velocity-inlet)；出流面：采用自由出流为边界条件(Out-flow)；计算域顶部面：采用对称边界条件(Symmetry)；地面和结构表面：采用无滑移壁面为边界条件(Wall)。
1.4 参数设置
在地面上停留一定时间的积雪由于其他运动雪粒的撞击或者床面雪粒之间的相互挤压作用，周围的树状分支大部分遭到破坏，从而呈现出一定的粒性特征[11]。因此，在风雪的数值模拟研究中，通常将其简化为球形颗粒。风雪流中雪粒粒径一般在0.05～0.4 mm，本文取雪粒粒径0.2 mm，雪粒密度取ρx=910 kg·m-3[12-13]；雪相为稀相，风雪流中雪粒的体积分数一般在0.002～0.05，本文取雪粒体积分数为α=0.05[13-14]；空气密度取1.225 kg·m-3，空气动力黏度取1.789 4×10-5 Pa·s。
1.5 求解模型
本次数值计算试验采用欧拉双流体模型，模拟松散状态的新雪在平坦地势的风吹雪特征，对于下雪状态暂不考虑。风雪流在挡雪墙及路堑会产生湍流，假设湍流完全发展，附加k-ε湍流模型与两相流模型，定义空气为第一相，雪作为第二相，湍流强度I=0.05，风雪之间采用Schiller-naumann计算两相之间的阻力，并考虑雪的重力，流场求解算法采用SIMPLEC算法。
2 控制方程
一般情况下，当空气流动速度较低时，压强变化引起的密度变化很小，可不考虑空气缩性对流动特性的影响。本文研究的气流速度v
本文采用欧拉双流体非定常二维模型，连续性方程为
由于模型采用二维模型，故动量方程为
式中，ux、uy为速度分量；
速度矢量；ρ为密度；g为重力加速度；τ是因分子粘性作用而产生的作用在微元体表面上的粘性应力分量；P为流体微元体的压强；t为时间。
3 数值模拟结果及分析
3.1 路堑内流场分析3.1.1 无挡雪墙
从图1可以看出，风雪流以初始速度v=15 m/s经过路堑时，过流断面增大，气流扩散，风雪流速度减小，部分雪粒掉落在线路上；同时，在路堑坡脚处形成一个涡旋，在此沉积。这也是路堑地段容易积雪的原因。
图1 t=5 s时路堑周围气相速度矢量图
3.1.2 设置挡雪墙
以挡雪墙距离路堑L=30 m，风雪流初始速度v=15 m/s为例，进行数值计算模拟。
从图2可以看出受挡雪墙和路堑影响，周围气流速度发生显著改变：当风雪流接近挡雪墙时，受挡雪墙的阻碍作用，近地面气流速度显著降低，在挡雪墙前形成小涡旋，部分雪粒沉积在挡雪墙前；气流越过挡雪墙时，过流断面增大，气流产生分离，在靠近挡雪墙的地方形成多个小的涡旋，远离挡雪墙的地方形成一个“大涡旋”。在该低速紊流区内，雪粒的运动较为复杂，风雪流速度减小，多数雪粒直接掉落在挡雪墙后，使进入线路的风雪流为欠饱和状态，有效减少了进入线路的雪粒数量，这与现场实际相符。比较图1、图2还可以看出，设置挡雪墙后改变了路堑内的风速流场，进入路堑时，风向与路堑坡面的夹角变小，不易形成涡旋紊流区，风携带着雪粒从路堑另一侧跃出，从而留在路堑内的雪粒较少。
图2 t=5 s时挡雪墙背风侧速度矢量图
3.2 挡雪墙位置对路堑积雪的影响
一般来讲，挡雪墙距离线路太近，不仅不能起到防止雪害的目的，反而会加剧线路积雪；倘若距离太远，可能起不到应有的作用。本文通过fluent模拟挡雪墙到路堑距离的不同，来探究最优的挡雪墙布置参数，图3为正交单向来风条件下，风雪流初始速度v=15 m/s，挡雪墙高度取H=4 m时，挡雪墙不同距离的雪粒体积分数云图。
风向水平向右，从左到右，不同的颜色代表不同的体积分数，其中蓝色最小，红色最大，红色区域表示雪粒基本在此处沉积，其他颜色表示雪粒在以蠕移、跃移、悬移的形式运动。
图3 t=20 s时雪粒体积分数云图
从图3可以发现，挡雪墙距路堑坡顶的距离LL≤40 m时，雪粒大多沉积在挡雪墙背风侧，而路堑内基本无积雪，说明此时挡雪墙起到了很好的防雪作用；当L=50 m时，挡雪墙背风侧和路堑底部都有积雪，说明路堑位置的风速已基本恢复，挡雪墙失去了作用。
3.3 不同风速下挡墙背风侧流场特征及对路堑积雪影响
为验证挡雪墙背风侧气流随风速的变化情况和风速对路堑积雪的影响，以挡雪墙高H=4 m，挡雪墙距离路堑L=30 m，风雪流速度分别为10、15、20 m/s及25 m/s进行数值模拟。
3.3.1 不同风速下挡墙背风侧流场特征
图4 不同风速条件下挡雪墙背风侧2 m处风速垂直轮廓线
图4是挡雪墙背风侧2 m处的风速垂直变化曲线，可以看出，在距床面不到0.4 m范围内，风速均产生突增，风速越大增幅越大，其中当风速v=10 m/s时，风速增至2.11 m/s，当风速v=25 m/s时，风速增至4.4 m/s；其后，在距离路床面0.4～4.3 m的紊流区内，气流变化十分复杂，气流速度呈现出杂乱无规律的变化，但整体上风速小于5 m/s；在距离路床面高4.3～5.0 m，风速先是有较小的减小，然后开始线性剧增，最终在距离路床面高7 m处，风速达到了最大，最大风速较初始风速增大了约43%。
3.3.2 风速对路堑积雪的影响
风是雪粒起动与移动的动力条件，当风速大于起雪风速时，雪粒开始移动。王忠隆等认为，雪粒在风的作用下以蠕移、跃移、悬移的形式运动，在近地面，跃移为主要运动形式，雪粒在重力作用下落在路床面后，当风速不足以使雪粒再次启动时，会沉积在床面，产生积雪。图5为挡雪墙距路堑距离L=30 m，挡雪墙高度取H=4 m时，不同风速下的雪粒体积分数云图。
从图5中不难看出，随着风雪流速度的增大，雪粒沉积在挡雪墙背风侧的长度逐渐增大，当v=20 m/s时，积雪宽度约30 m，达到了饱和，风速v继续增大时，就有部分雪粒沉积在路堑内；而风速不足15 m/s时，挡雪墙背风侧的积雪长度不到15 m，在路堑内也产生了大量的积雪。
图6为t=10 s时挡雪墙背风侧气流变化情况，可以看出，随着风速的增大，湍流强度在逐渐增强；同时，“大涡旋”逐渐向下风向拉长，表明挡雪墙背风侧积雪长度逐渐增大。所以在布置挡雪墙时，也应考虑风速的影响，风速越大，挡雪墙布置距离L也应越大。
图5 t=20 s时不同风速雪粒体积分数云图
图6 t=10 s挡雪墙背风侧气流流线图
3.4 不同挡墙高度对挡雪墙背风侧流场影响及对路堑积雪的影响
在设置挡雪墙时，挡雪墙高度是设计的关键参数，挡雪墙的高低直接影响着阻雪效果的好坏，同时也是影响工程造价的主要因素。因此，挡雪墙高度的合理选择对设计方案的经济比选起关键性作用。为此，以风雪流速度v=15 m/s，挡雪墙距离路堑L=30 m为例进行模拟。
3.4.1 不同挡墙高度对挡雪墙背风侧流场影响
对于挡雪墙高度H≥2 m的情况，风速变化可大致分为3个阶段，如图7所示。
图7 不同挡雪墙高度条件下挡雪墙背风侧
2 m处风速垂直轮廓线
第一阶段是距离路床面0.5 m高度内，风速以指数形式增大，由0增至约3 m/s，第二阶段是0.5 m至挡雪墙自身高度以上0.7 m范围，此区间为紊流区，气流变化较为复杂，速度呈现出减小和增大交替变化的规律，总体速度在0～3 m/s范围变化，在此区间以上部分为加速区，随着距离路床面高度的增加，速度急剧上升，基本在挡雪墙本身高度以上1.7 m处恢复至初始速度。
3.4.2 挡雪墙高度对路堑积雪的影响
从图8看出，挡雪墙高度低于2.5 m时，挡雪墙背风侧积雪区较短，路堑上方的气流速度逐渐恢复，路堑内沉积雪粒较多，阻雪效果较差；随着挡雪墙高度H的增高，背风侧“大涡旋”随之变大，积雪区的长度增长，挡雪效果越好。但是挡雪墙承受的风压也越大，经检算，挡雪墙每增高0.5 m，基础埋深平均增加约20%，这不仅增大了修建挡墙所需的材料费，运费、挖填土方量也相应增大，工程造价急剧提升[15]。现场调查发现，设置双道挡雪墙的阻雪能力远大于单道挡雪墙。在实际中，风雪流往往是多风向，因此，在挡雪墙设计时，宜横向多道布置，避免增大高度。
图8 t=20时不同挡雪墙高度雪粒的体积分数云图
4 路堑内积雪原因分析
当风速大于雪粒的启动风速时，雪粒被风带着开始运动，当风速减小后，小于雪粒的启动风速时，雪粒速度也降低，于是雪粒沉积在地面。风雪流经过路堑时，过流断面增大，路堑底部局部形成涡旋，气流速度降低，雪粒就可能堆积在路堑。为研究路堑底部气流速度的变化，取挡雪墙距离路堑L=30 m，图9以挡雪墙高H=4 m，取不同风雪流速度。图10以风雪流速度v=15 m/s，取不同挡雪墙高度，分别研究距离路堑底部0.5 m位置的风速变化情况。
图9 不同风速条件下距路堑底部0.5 m处风速
变化曲线(横坐标起点为挡雪墙左侧20 m)
图10 不同挡雪墙高度条件下距路堑底部0.5 m处风速
变化曲线(横坐标起点为挡雪墙左侧20 m)
观察图9、图10可以发现，距离路堑底部0.5 m处的风速大都为负数，说明在路堑底气流产生了回流，形成了涡旋，风速有明显的分层，当风速为10、25 m/s和不设置挡雪墙及挡雪墙高度为2 m时，风速在0～5 m/s内变化，小于雪粒的启动风速，因此，雪粒容易堆积；当风速为15、20 m/s和挡雪墙高度为4、5 m时，风速在9～17 m/s内变化，大于雪粒的启动风速；挡雪墙高度为3 m时，在挡雪墙底部左侧5 m风速小于3.5 m，在右侧坡底风速增大，所以雪粒易堆积在左侧坡底，右侧不易堆积。图5和图8的雪粒体积分数云图也验证了这点。
5 结论
本文基于FLUENT软件，模拟研究不同挡雪墙高度、不同风速条件下，挡雪墙背风侧风雪两相流的运动特性及挡雪墙布置参数，得出以下结论。
(1)挡雪墙高度一定时，背风侧“大涡旋”范围均随风雪流速度的增加逐渐增大，背风侧积雪长度随之变长；风雪流速度一定时，背风侧“大涡旋”范围随高度增大而变大，涡旋回流的速度也逐渐增大，沉积在床面上的雪粒更多，阻雪效果越好。
(2)风雪流发生时，路堑内气流速度降低，雪粒易沉积在路堑底部；布置合理的挡雪墙后，一是部分雪粒沉积在挡雪墙背风侧，使经过路堑的风雪流为不饱和状态；二是挡雪墙改变了路堑内的流场，使路堑底部气流回流速度增大，雪粒不易沉积。
(3)挡雪墙越高、风速越大，距路堑距离L也越大。挡雪墙高度建议2.5～3.5 m，当地冬季平均风速为10～15 m/s时，挡雪墙宜布置在线路迎风侧20～25 m之间；当地冬季平均风速为15 ～25 m/s时，挡雪墙宜布置在线路迎风侧25～35 m之间；当平均风速大于25 m/s时，在雪源丰富且地势开阔平坦的易积雪地段，宜横向布置多道挡雪措施。
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Numerical Simulation on Design Parameter Optimization of Railway Cutting Snow Retaining Wall
SU Guo-ping1，2, JIANG Fu-qiang2
(1.School of Civil Engineering， Lanzhou Jiaotong University， Lanzhou 730070， China; 2.Northwest Research Institute Co.， Ltd. of C R E C.， Lanzhou 730000， China)
Abstract：Wind blowing snow often accumulates thickly on railway cutting and buries the railway， affecting driving speed and endangering the traffic. It is important and of practical significance to study the case. Based on FLUENT software， this paper conducts the simulation study of the movement characteristics of two-phase wind-snow flow at the leeward side of the snow retaining walls of different heights and at different snow speed to optimize the design of the snow retaining wall. Study shows that when the initial speed of wind-snow flow is the same， snow grain deposition on the surface of the bed increases， and the snow retaining effect is much better; when the height of snow retaining wall is the same， the snow width at leeward side gets bigger， and the distance between the railway line and the snow retaining wall should be larger. In consideration of the project cost and snow retaining effect， the height of the retaining wall should be between 2.5m and 3.5m， and the larger the height and the wind speed， the larger the distance between the line and the snow retaining wall. The distance is normally set to be 20m to 35m．
Key words：Railway cutting; Two-phase wind-snow flow; Snow retaining wall; Optimization design; Cutting; Numerical simulation
收稿日期：-08-19；
修回日期：-09-13
作者简介：苏国平(1991—)，男，硕士研究生，E-mail：869135297@。
文章编号：1004-2954()02-0038-05
中图分类号：U213.1+53
文献标识码：A
DOI：10.13238/j.issn.1004-2954..02.009
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