铁路沿线地表条件与风沙流场的互馈规律研究

为研究铁路沿线不同地表条件与挡沙墙周围风沙流场的互馈规律及挡沙墙挡风沙的功效,基于数值模拟及风洞实验,对不同地表粗糙度下的风沙流场进行数值分析,揭示地表粗糙度对流场表征量诸如风速、积沙形态的影响规律。结果表明:不同粗糙度下挡沙墙周围速度均形成减速区、涡流区与加速区,其中,加速区受粗糙度影响较大;粗糙度越大对近地表(1 m以下)速度削弱越大,但在1 m以上风速受其影响减弱;不同粗糙度下挡沙墙周围积沙分布不同,粗糙度越大,迎风侧积沙位移越长,风沙流饱和路径越小;随风速的增大,4类粗糙度下的积沙长度都表现为迎风侧减少,背风侧增多。     

格库铁路青海段沙害成因及防沙措施

通过对格库(格尔木—库尔勒)铁路的调查发现,沿线主要存在沙埋路基、桥梁附近积沙和沙子进入道砟3种沙害形式。运用ANSYS/Fluent软件模拟路基和桥梁周围的流场结构,并根据沙害的严重程度建立了阻沙和固沙相结合的防沙体系。研究结果表明:路基和桥梁周围的气流场结构相似,都形成了迎风侧减速区、集流加速区、高速区、低速区和速度恢复区,不同点是桥梁周围形成了2个集流加速区和高速区;积沙都是发生在风速降低的地方;路基背风侧坡脚积沙最多,桥梁积沙主要位于桥梁的迎风侧和背风侧,桥梁下积沙较少;道床背风侧积沙多于迎风侧,道床内轨枕积沙沿着主导风向呈现出逐渐增多的趋势。最后对现场建立的防沙体系的工作原理进行了分析。     

沙漠腹地公路高立式沙障防风阻沙性能研究

通过沙漠腹地现场实测和Fluent软件数值模拟对沙漠腹地公路高立式沙障防风阻沙性能进行研究。采用Fluent软件建立沙障和路基数值模型,基于欧拉双流体模型和多孔介质理论对高立式沙障和路基周围风沙流的运动进行数值模拟。采用三维超声风速仪测量高立式沙障周围气流速度,为数值模拟结果提供验证。通过数值模拟分析不同沙障高度和沙障数量下风沙流的运动规律,确定沙障高度和数量对高立式沙障防风固沙效果的影响。研究结果表明：气流在沙障迎风侧前方区域减速,沙障周围气流速度快速下降导致气流的携沙运动能力减弱,沙粒在沙障周围沉积。在沙障防护下,路基周围风速降低,路基的风蚀风积危害得到缓解。随着沙障的排数或沙障高度的增加,路基沿程的风速逐渐降低。3排及其以上沙障可以较好地阻挡风沙流的运动。5排沙障防护下,路基的迎风侧坡脚离地高度0.5 m处水平风速从11.05 m/s下降至5.37 m/s,风速的降低率达54.13%。在2.0 m沙障的防护下,路基的迎风坡和背风坡的路肩水平风速比1.5 m沙障的相应值低3～5 m/s,降低率最高达61.79%。     

风沙地区低净空桥梁下部流场结构及积沙特征分析

为认识低净空桥梁下部积沙形成机理、分布特征及影响因素,利用计算流体力学软件,构建欧拉双流体非稳态模型,对桥梁周围风沙流的运动特征进行数值模拟,并与现场结果进行对比。结果表明：现场实测数据与模拟结果基本一致,所建数值模型能够较好地反映梁体周围的风沙流运动特征;T梁迎风侧和背风侧一定范围内位于风积区,而梁体正下方则位于风蚀区;T梁周围积沙主要集中在梁体迎风侧和背风侧,但在单一风向环境下前者积沙量大于后者,且积沙量随时间的推移呈递增趋势;气流速度的衰减是T梁迎风侧和背风侧积沙的主要原因,而腹板间气流的绕流是梁底形成少许积沙的可能原因;T梁周围的积沙量与梁底净空密切相关,且随着净空增大呈递减趋势,建议风沙地区的梁底净空不宜小于5.0 m;同等条件下,箱梁周围的积沙速率明显小于T梁,风沙危害严重地区的低净空桥梁考虑采用箱梁。     

兰新高铁沿线不同挡沙墙防护效果评价

研究目的:兰新高铁作为我国穿越大风戈壁荒漠区的第一条高速铁路,在运营过程中不可避免地会遇到风沙问题。为保障列车的安全运营,在线路两侧布设了多种防沙措施,取得了一定的效果。但由于铁路具有运距长、地域跨度大等特点,在一些区段,虽然布设了风沙防护措施,依然出现了风沙灾害。本文主要利用现场实测等研究手段,探讨兰新高铁戈壁大风区不同挡沙墙的风沙防护效果,以期为后期的工程维养和补充设计提供一定的技术支持。研究结论:(1)受挡沙墙影响,墙体前后会出现明显的气流扰动,3种挡沙墙中斜插板挡沙墙的消能效果最高,高立式PE网沙障次之,直插板挡沙墙最弱;(2)挡沙墙的阻沙率随高度的增加显现降低的趋势,在4 m高度内,高立式PE网沙障的阻沙率最高,可达85.82%,斜插板和直插板挡沙墙的阻沙率则分别为60.34%和52.92%;(3)挡沙墙前后的风沙流结构存在一定的差别,迎风侧积沙中粗颗粒组分的含量明显要高于背风侧,但整体依然以0.1~0.25 mm和0.25~0.5 mm粒径段的沙粒为主;(4)该研究结论对于戈壁大风区高速铁路风沙灾害防治具有一定的借鉴指导意义。     

风沙两相流对铁路路堤响应规律的数值模拟研究

基于FLENT欧拉双流体模型,对路堤周围风沙两相流运动特性进行数值模拟,并将模拟结果与现场实际调查进行比较。结果表明,所用模型能较好地模拟路堤周围风沙两相流的运动特性,数值模拟与现场调查相吻合。数值模拟分析表明:路堤周围气流速度产生分区,分别形成减速区、加速区、高速区、低速区与紊流区;沙粒速度与风速相互影响,形成一种反馈机制;在过渡区内,当风速大于起沙风速时,沙粒速度与风速呈正相关;正交单向来风条件下,揭示了迎风坡积沙量大于背风坡的形成机理;路堤顶面积沙量呈"正态形"分布,中间多,两边少;迎风坡积沙量随着风速增大而减小,背风坡无明显变化;不同地表条件对风沙流密度及结构影响显著,决定着工程防沙措施。     

兰新高铁沿线插板式挡沙墙防沙性能研究

为保障兰新高铁风沙路段的列车安全运营,铁路沿线大范围安装了插板式挡沙墙,由于缺乏系统的研究,导致挡沙墙一些防沙性能还未完全掌握.结合数值模拟和风洞试验,对插板式挡沙墙的防沙性能进行系统分析,并探讨孔隙率、积沙量对其影响.研究结果表明:插板式挡沙墙高效防沙区顺风向主要集中在迎风侧2H至背风侧7.5H范围内,垂直方向主要集...     

挡沙墙开孔方式与阻沙效果的关系研究

研究目的:挡沙墙作为一种常见的工程阻沙措施,主要起拦截过境沙物质、保护铁路建(构)筑物的作用。关于挡沙墙的作用机理,已开展了大量研究,并取得了较为显著的成果;但对墙体开孔方式与阻沙效果之间的关系则研究过少。基于此,本文主要是通过对不同开孔方式下挡沙墙周边流场形态和阻沙率的研究,来优化挡沙墙的设计参数,以期为后期铁路风沙防护工程设计和施工提供参考依据。研究结论:(1)挡沙墙周边的积沙量与墙体开孔角度呈现一定的正态分布特征,当墙体开孔为135°时,积沙量达到最大;(2)气流经过挡沙墙时,其水平流场呈现"V"字形变化,气流在墙体处风速达到最低;(3)挡沙墙的阻沙率随高度呈现不规则的拱形变化,在1 m高度以下,135°开孔的挡沙墙阻沙率最高,45°次之,0°最低;(4)挡沙墙前后的积沙形态呈现抛物线形,135°开孔挡沙墙背风侧积沙的抛射角最大,线性最陡,沙脊线距离墙体最远,更有利于清理搬运;(5)该研究结果对于挡沙墙的设计和施工具有一定的借鉴指导意义。     

斜插板挡沙墙风沙防治现场试验研究

通过对兰新第2双线试验段不同类型挡沙墙前后风沙流场的现场观测,研究斜插板挡沙墙风沙防治原理及效果。研究结果表明:风沙流途经挡沙墙后,会在墙体背风侧出现一个明显的低速沉沙区,斜插板挡沙墙对风能的消减能力要略高于插板式挡沙墙,其风能最大消减率约为86%。挡沙墙的阻沙率随高度的增加呈负相关变化,当高度超过挡沙墙高度后,挡沙墙对上层气流的扰动明显变弱,斜插板挡沙墙的阻沙效果明显优于插板式挡沙墙,2.0m高斜插板挡沙墙的累计阻沙率约为43.32%。风沙流经过斜插板挡沙墙后,大风所携沙砾的粒径百分比会发生一定的改变,沙砾粒径中细组分的含量明显增加,但整体依然以0.1～0.25mm和小于0.075mm粒径的沙砾为主。     

兰新二线挡风墙下部开口疏导线路积沙试验

研究目的:兰新二线部分路段地处戈壁荒漠风区,干旱少雨,地表松散,大风条件下极易形成强风沙流,为保护列车安全运行,在路肩部位设立了挡风墙,起到了较好的防风效果。但随着挡风墙的布设,过境风沙流途经路堤时,气流携沙能力下降,造成部分沙颗粒沉降,堆积在线路路肩及道床上,造成严重的线路积沙危害。为解决兰新二线挡风墙后线路积沙难题,确保列车安全运行,本文以烟墩风区挡风墙下部开口疏导线路积沙进行试验,验证疏导线路积沙的可行性。研究结论:(1)现场试验表明:挡风墙开口后,支撑层台阶处积沙量逐渐减少,上行线轨道板上积沙量逐渐增加,风力只是将线路既有积沙进行了二次搬运和再分配,开口对线路积沙疏导效果不明显;(2)数值模拟分析表明:挡风墙开口前背风侧整体处在气流低速区,开口后支撑层台阶附近气流处在加速区,其他区域仍处在气流低速区,大部分沙粒可能重新跌落在上行线附近,加剧上行线积沙量;(3)该研究结果对高速铁路无砟轨道防沙工程具有指导意义。     

新恩铁路风沙路基平面防护工程试验研究

新恩铁路穿越毛乌素沙漠的活动沙丘和半固定沙丘。为防止铁路路基在风季遭受沙埋,需在路基两侧设置平面防护工程。根据气象风沙监测的结果,选取有代表性的路基地段,分别进行机械固沙辅以植物防护及栽种树枝沙障固沙的现场试验研究。试验结果表明:在流动沙丘段设置规格为1 m×1 m、高度为0.25 m的经编防风固沙网格,网格内种植灌木,并于迎风侧最外侧设置2排高度为1.5 m的高立式沙障;在半固定沙丘试验段选择直径不小于10 mm、长度为55 cm的沙柳树枝沙障固沙(沙柳不小于70%的成活率),并于迎风侧最外侧设高立式沙障。经现场监测,两种措施均能有效降低风速,减少输沙量,达到防沙治沙效果。通过试验,制定了本线风沙路基平面防护的主要措施并推广应用。现铁路已通车多年,防沙效果良好。     

风沙地区铁路路基断面形式探讨

结合路基断面形式对风沙活动的影响及国内外工程实践经验,分析探讨了风沙地区铁路路基断面形式,认为风沙地区路基断面形式应以合理高度的路堤、直线形边坡、缓边坡为基本原则,路基高度应不小于1 m。     

土堤式挡风墙加高挡板稳定性分析及研究

在强风以及沙粒共同冲击作用的条件下,为了确定既有土堤式挡风墙加高挡板在各风速下的固定形式,寻找其在风沙两相流情况下的一种安全埋深计算方法。应用数值模拟软件对不同风速下加高挡板周围流场进行分析,探讨流场规律。分别计算风荷载与沙荷载作用下加高挡板的受力,并计算其支座反力,最终确定其在极限条件下埋置深度的近似计算方法,为铁路安全运行与防风沙设计提供参考与依据。     

季节冻土区防冻胀护道对保温路基地温特征影响效果研究

运用土壤冻结条件下水热耦合输移基本方程及数值方法,考虑在铺设保温层情况下,加铺防冻胀护道对路基地温特征的影响规律,并与未加铺防冻胀护道的情况进行对比分析。结果表明:铺设保温材料对减小路基中部附近土体季节冻结深度有明显作用,但对路基两侧冻结深度影响相对较小;加铺防冻胀护道对边坡下土体季节冻结深度有一定程度的抬升作用,上升幅度由路基坡脚向路肩逐渐减小,但对路基中部附近土体季节冻结深度影响甚微;保温板-防冻胀护道复合路基结构形式,充分利用两种措施优点,对路基中心、路肩以及坡脚下最大冻结深度抬升的综合效果更好,抬升最大值分别为1.48、1.01、0.68 m。     

酒泉至额济纳铁路防沙堤风洞试验数值模拟及积沙试验研究

防沙堤是造价低、使用广泛的工程防沙措施。对三角形和梯形截面防沙堤进行系统对比研究,总结出两种防沙堤的优缺点。通过风洞试验对不同断面形状的防沙堤的流场结构、流场压力分布、积沙情况进行对比研究,然后利用FLUENT数值模拟方法对风洞试验进行验证对比。研究结果和结论:(1)梯形横断面防沙堤迎风侧形成的低速区域宽度大于三角形,梯形迎风侧对沙粒的沉积、滞留作用优于三角形;(2)三角形横断面防沙堤背风侧产生的有效防护宽度大于梯形,防护效果优于梯形;(3)风沙流遇防沙堤阻挡在迎风侧坡脚受阻堆积,积沙达到堤体2/3高度时不再继续堆积增高,一部分向两侧随风流导向两端处,另一部分沿坡越过堤体顶部在落沙坡堆积。准备建设的风沙铁路酒额线及其他交通、民用建筑可以利用以上成果选择防沙堤的形状以达到最好防沙效益。     

新疆单线铁路土堤式挡风墙坡角优化研究

为提高新疆单线铁路土堤式挡风墙的防风效果,防止列车倾覆,提出只改变挡风墙的迎风侧坡角而背风侧坡角不变(方案1),以及挡风墙的迎风侧坡角和背风侧坡角相等且同步改变(方案2)的2种优化方案。采用数值模拟计算方法对比这2种优化方案对列车气动力系数的影响。结果表明:在列车处于静止状态下,方案1中挡风墙迎风侧最佳坡角为57°,方案2中挡风墙迎风侧和背风侧最佳坡角均为69°;在列车以20～120km.h-1速度运行的动态状态下,按方案1,为达到列车倾覆力矩为0的最佳防风效果,挡风墙迎风侧坡角也必须随着列车运行速度的增大而增大;而按方案2,挡风墙的迎风侧和背风侧坡角基本不随列车速度的变化而变化。因此建议在实际工程中采用方案2进行土堤式挡风墙坡脚的优化设计。     

分幅距离对青藏高速公路分离式路基动力响应的影响

为研究地震波作用下分离式路基的动力响应特性,结合现场钻孔资料,以标准断面的分离式路基为研究对象,采用二维非线性动力有限元非关联流动法,建立2幅坡脚距离分别为5,10,15和20 m的路基模型。通过施加50 a超越概率2%,10%和63%的地震波,得到分幅距离变化对路基地震动力响应的影响效应。研究结果表明:路基表面的Mises应力值大小受坡脚距离变化影响较大,对天然地表与坡脚影响微小,而对剪应力S12值大小的影响规律与此相反;随着坡脚距离的增加,路基表面与天然地表的水平峰值位移呈现先升高后降低的变化规律,在10 m坡脚距离的参考点水平峰值位移出现极大值。研究结果为青藏工程走廊内的路基选型布线与抗震设计提供一定参考。     

兰新高速铁路风沙区段挡沙墙设计参数试验研究

兰新二线风沙路基主要集中于烟墩风区及百里风区,大风条件下极易形成风沙流,挡沙墙是解决风沙对铁路危害的主要措施。为充分发挥挡沙墙的防风沙作用,针对兰新高速铁路沿线风沙流成因及规律进行分析,对挡沙墙高宽比、孔隙率和高度3个参数分别进行对比试验,提出适合该地区铁路防沙的挡沙墙优化设计思路。结果表明:当挡沙墙高度一定时,风沙防护效果与挡沙墙的宽度显现出一定的负相关变化;对于均匀结构的网状沙障来说,孔隙率为40%的防沙效果最优,30%的次之,50%的相对最差;从不同高度挡沙墙的风沙防护效果来看,高度为2.0 m的挡沙墙的风沙防护效果相对较好,高度为2.5 m和1.5 m挡沙墙防沙效果略差。     

风沙流对戈壁地区挡风墙响应规律的数值模拟分析

基于FLUENT欧拉双流体模型,对兰新铁路沿线既有挡风墙周围风沙两相流运动特性进行数值模拟,得到挡风墙背风侧的流场分布特点以及积沙情况。结果表明:挡风墙背风侧风速廓线变化规律呈指数增长趋势,在0.5 m至挡风墙自身高度区间内变化较为复杂,呈先减小后增加的趋势;挡风墙背风侧近地表气流速度反向增大后沿着初始速度的方向减小为0且继续增大至初始速度大小,风速最大值增加的幅度保持在50%左右,风速越大,气流的削弱作用越明显;当初始气流速度为较小时,线路上积沙较少,沙粒多数堆积在挡风墙背风侧墙角处;随着风速的增加,单位时间内通过挡风墙的沙粒增多,由于过流断面减小,气流扩散,更多沙粒沉积在线路上;在强风地区,布设挡风墙时应考察线路上风向的地表情况,沙源比较丰富时应采用工程治沙措施来减小风沙流密度,达到防沙的目的。