新建格库铁路HDPE板高立式沙障防风效益数值模拟研究

以新建格库铁路风沙试验段为背景,基于Fluent欧拉双流体模型,对HDPE板高立式阻沙沙障周围风沙流运动特征进行了数值模拟,得出了HDPE板周围风沙流运动变化规律,分析了三道连续HDPE板沙障的合理间距问题,结果表明:当风沙流经过HDPE沙障时,会形成速度分区,孔隙率为10%和25%时,速度分区分别为气流减速区、气流加速区、气流高速区、低速回流区、速度突增区及消散恢复区,孔隙率增大至40%～50%时,速度突增区消失及低速回流区消失;风速相同时,HDPE板孔隙率越大,其有效防护距离越大;孔隙率一定时,入口初始风速越大,HDPE板沙障有效防护距离越小;三道连续HDPE板沙障,合理间距布设为30 m时,不仅是一种阻沙措施,也可作为一种固沙措施。     

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。     

南疆戈壁区HDPE板沙障风沙防护机理及效果评价

依托格库铁路风沙防护工程,通过不同类型风沙防护措施前后流场和输沙率的测定,研究新型HDPE板沙障风沙防治机理及效果。结果表明:风沙流途经HDPE板沙障后,会在障后的0.5～10倍沙障高度范围内形成1个明显的绝对低速区,其1/2障高处的最大风力消减率可达94.4%;在沙障高度范围内,阻沙率呈现一定的正态分布,最大阻沙率出现在1/2障高附近;风速与阻沙率呈负相关性,风速越高,阻沙率越低;风速在0～16 m·s~(-1)范围内,单道HDPE板沙障的总阻沙率超过70%;当2道沙障的布设间距为5～15倍沙障高度范围内时,沙障的布设间距与整体阻沙率呈一定的负相关性,但整体差异不明显。     

不同类型挡沙墙风沙防护机理的风洞实验研究

研究目的:通过对板式挡沙墙、轨枕挡沙墙、高立式PE网沙障等防风固沙措施进行风洞实验研究,测定8 m/s、10 m/s、18 m/s、25 m/s等不同风速条件下,各种沙障的风速廓线特征、风速流场特征和输沙率等,研究它们的风沙防护机理,并对其防护效果进行评价。研究结论:(1)通过研究发现,当运动气流途经各种阻沙措施后,会在墙体前后出现明显的风力消减效果;(2)当高度一致时,板式挡沙墙和轨枕挡沙墙对运动气流的消减能力要明显的优于孔隙率为40%的高立式PE网沙障,使得近地表的风速接近于0;(3)板式挡沙墙和轨枕挡沙墙的输沙率明显小于40%高立式PE网沙障,在墙体自身高度范围内,其输沙率基本都接近于0,风沙流净化能力较优;(4)本研究成果可为铁路沿线防风挡沙墙的设计提供一定的理论支撑。     

铁路侧向导沙沙障流场演化规律研究

铁路沿线的侧向导沙工程主要应用于风沙来流的侧向输导,使线路免受风沙危害。应用CFD数值模拟方法研究铁路沿线羽毛状侧向导沙沙障周围的流场演化规律特征,通过研究不同主风向与沙障夹角以及在风速改变时沙障周围的流场分区特征,揭示侧向输导沙障周围的流场机理。研究结果表明:羽毛排周围流场显著区别于其他挡风沙构筑物的流场规律,回流区随着主风向与羽毛排夹角的增大而增大,当主风向与羽毛排夹角小于30°时,流场分区显示降速区即积沙区在迎风侧一侧而偏离线路;羽毛排周围的回流区会影响羽毛排前方的速度大小,使速度廓线产生波动,主风向与羽毛排的夹角小于30°时波动较小,利于风沙侧向输导,使过境风沙流向远离线路方向运动。     

多孔介质方法对铁路沿线沙障模拟的适用性分析

为模拟细孔透隙式铁路沙障的流场特征,鉴于此类模拟建模的困难性,采用CFD数值模拟程序,基于三维模拟的多孔介质条件对阻沙固沙网和防风沙直立栅栏的流场特征及压力变化进行模拟分析。通过边界条件和参数的合理控制得到:直立栅栏流场的数值模拟结果与风洞实验下的流场速度变化相似;由于栅栏的整流作用,在多孔介质模拟方法下沙障后出现明显的减速恢复区,并在其后逐渐恢复为与入口相同的风速廓线流;结合全断面PE网风洞试验,采用多孔介质模型可以得到与试验数据相吻合的模拟结果,且压降随入口速度的增加明显增大;由模拟结果可知,通过参数的合理控制,多孔介质方法可较好地反映此类沙障的流场变化。     

HDPE网沙障布设角度对风沙流结构特征的影响

研究目的:HDPE网沙障作为一种常见的阻沙措施,被广泛地应用于公路铁路等风沙灾害防护领域,能起到较好的效果。本文主要依托现场调研和风洞试验等手段,探讨HDPE网沙障布设角度对风沙流结构特征的影响,并分析其布设方式对整体防护效果的贡献,为后期风沙防护工程设计和施工提供借鉴或参考。研究结论:(1)在0°～90°范围内,HDPE网沙障和风向夹角的大小与其平均风力消减效果呈正相关变化,在18 m/s风速下,30°夹角沙障的风力消减率为61.4%,60°为70.2%,90°时可达到75.8%;(2)沙障阻沙率随夹角的大小呈现一定的不规则变化,在近地表,角度越大,阻沙率越高;之后随着高度的增加,夹角大小对阻沙率的影响不大;(3)沙障夹角大小与障后低速区长度呈正相关变化,在90°时其障后低速区(风速7 m/s)的长度可达24H(H为沙障高度),之后随着角度的减小,低速区长度呈现急剧下降趋势;(4)沙障夹角大小与障后积沙量呈现明显的正相关变化,90°时障后积沙范围和积沙量最多,风沙防护效果最优;(5)本研究结果对于铁路公路等领域的风沙灾害防治工程具有一定的借鉴指导意义。     

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%。     

铁路沿线联合沙障阻风固沙机理的数值模拟研究

目前铁路上常见风沙病害即为风蚀和沙埋，为保证铁路运输安全，基于欧拉-拉格朗日离散模型，对前期已确定设计参数的由透风栅栏及固沙砖沙障的联合沙障优化措施对路堤周围风沙流场积沙分布的防护效果进行研究分析。结果表明：由于透风栅栏的作用，其后风速降低约50%,部分风沙流受阻抬升导致流场4.5 m以上形成风速加速区；透风栅栏与固沙砖沙障联合作用，在距地面近2 m处风速小于5 m/s,有利于沙粒的沉降，路堤上已沉积在表面的沙粒也不易再次移动；路堤顶面风速降低23.5%,更有利于平稳输导风沙流，减少人工清沙频率，提高防沙效益；联合沙障优化措施在参考风速为分别为5.93、10.38、18.67 m/s时均可有效净化来流风沙；联合沙障有效颗粒防护率可达到89%以上，针对粒径d≥0.1 mm的颗粒，3种入口风速的防护率分别为99.9%、93.6%、94.7%。     

综合防风固沙体系设计参数优化研究

基于Fluent欧拉-拉格朗日模型，对由立面网板及前期设计的环保固沙砖沙障相结合的新型综合防风固沙体系风沙流场进行数值模拟研究。研究结果表明，综合防风固沙体系中阻沙措施(立面网板)可有效改善原始流场形态，防护高度在1.2倍立面网板高度以下；大粒径砂粒大部分沉积在固沙砖沙障之间，且体系后区域砂粒浓度明显减小，具有良好的风沙净化作用；当立面网板与固沙砖沙障设计间距为5～10 m时，固沙砖沙障内部易形成良好涡旋，有利于砂粒聚集；随着间距变化，综合防风固沙体系有效安全距离呈现先减小后增大的趋势；当固沙砖沙障铺设位置超过阻沙措施原有遮蔽距离后，两者将失去协同防护作用。综合考虑流场情况及防护距离，立面网板与固沙砖沙障设计间距建议设定约10 m。     

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。     

兰新二线强风地区防沙措施效益评价

基于现场观测试验,掌握试验段全年大风特征,并对不同类型的阻沙措施与固沙措施的防沙效果进行对比分析。结果表明:百里风区试验段的主导风向为NNW,烟墩风区试验段的主导风向主要为NE、ENE,分别占全年风向的21%和26%;百里风区阻沙措施性价比依次为:金属涂塑网措施斜插板式挡沙墙箱式挡沙墙插板式挡沙墙;烟墩风区阻沙措施性价比依次为:金属涂塑网措施高立式PE网措施斜插板式挡沙墙插板式挡沙墙;固沙措施性价比依次为:芦苇方格石方格沙方格;在现场试验研究的基础上,综合考虑工程造价和现场实际情况,建议试验段阻沙措施采用金属涂塑网沙障,固沙措施采用石方格沙障。     

宁波轨道交通车站基坑变形特征统计分析

重点对宁波轨道交通1号线一期工程13座地下2层车站基坑的墙体最大水平位移及墙后最大地表沉降进行研究,分析基坑墙体水平位移、墙后地表沉降的变化规律以及墙后地表沉降与墙体水平位移的关系。结果表明:受宁波软土流变特性影响,基坑墙体水平位移及墙后地表沉降均较大,其中墙体水平位移平均达0.46%H,墙后地表最大沉降平均值达0.7%H;墙后地表沉降呈现为"凹槽形",地表最大沉降位于(0.5~1.0)H范围内;墙后最大地表沉降与墙体最大水平位移比值的平均值为1.71。根据数据分析,提出坑底加固、基坑开挖重视"时空效应"、尽快施作垫层封闭基坑等建议。     

富水地层盾构掘进下近接桩-土力学响应分析

基于富水地层透水性强、土层强度低等特性,运用盾构技术进行隧道施工造成的土层变形、临近桩体扰动等负面现象尤为突显。为探明渗流影响下由盾构掘进引起的孔压变化、桩-土响应规律,以某盾构隧道工程为依托,采用有限元数值分析方法,阐明盾构隧道在流-固耦合作用下的孔压分布、桩-土内力及位移发展形式。研究结果表明:(1)与未考虑地下水作用相比,渗流场影响下的桩体与地表土层沉降明显加剧,其沉降最大增幅分别达32.18%、31.95%;(2)盾构隧道下穿建筑桩基施工,对桩体内力值影响较大,桩体下部轴力沿埋深增长并产生负摩阻力,较大程度地抑制桩体性能发挥;(3)隧道防水失效下,周边围岩内部孔隙水压力于1倍隧道直径范围内呈现剧烈衰减,并沿水平向出现明显孔压降压带。     

车站异形深大基坑施工过程试验研究

研究目的:异形深大基坑施工过程的稳定性一直是工程界研究的热点和难点问题,为探究异形深大基坑施工过程中支护结构变形演化规律和受力特征,本文以某大型异形深基坑为依托,开展支护结构变形和受力现场试验研究,以期为依托工程和类似工程设计施工提供指导. 研究结论:(1)异形深大基坑支护结构变形的空间效应显著,异形段的墙顶水平位移大...     

南疆铁路吐鱼段风沙活动规律研究

通过对南疆铁路吐鱼段戈壁大风区风沙流进行现场观测研究,得出该地区大风显现明显的季节性变化,每年的春季是大风高发季节,年平均大风日数高达136d。大风携沙量的垂直分布十分明显,集沙量与高度显现e的负指数变化,高度越高集沙量越小;2m以下区域是风沙灾害防护的重点区域,其大风携沙量占总携沙量的96%左右。沙粒颗分试验结果表明,戈壁风沙运动存在较明显的分层现象,沙粒粒径以0.1~0.25mm为主。     

浅埋小净距偏压隧道合理开挖顺序探讨

运用ANSYS有限元程序,研究浅埋偏压小净距隧道在不同的偏压角度、间距、埋深条件下,先开挖深埋侧和先开挖浅埋侧2种不同的开挖顺序下的受力和变形特性,对比分析了围岩最大拉应力、围岩洞周最大位移、中岩柱水平位移和竖向应力。研究结果表明：随着角度的增加,先开挖深埋侧较先开挖浅埋侧隧道及中岩柱更加安全;当间距小于0．5倍洞径时,先开挖深埋侧较先开挖浅埋侧安全;当间距大于0．75倍洞径时,先开挖浅埋侧对于隧道受力更加有利;当埋深在1倍洞径以下,先开挖深埋侧隧道整体稳定性及受力更加安全,当埋深大于1．5倍洞径时,先开挖浅埋侧隧道受力更加安全。     

富水半成岩砂岩地层地铁车站深基坑变形监测与数值模拟分析

以兰州市某地铁车站深基坑为例,研究第三系富水半成岩砂岩地层条件下桩撑支护结构深基坑的变形规律。通过对围护桩体水平位移、钢支撑轴力、地表沉降等实测结果进行分析,对基坑开挖过程进行数值模拟,将数值计算结果与实测结果进行对比研究基坑的变形规律。监测结果与数值分析表明:桩体变形呈现出两头小中间大的"弓型"变形特征,围护桩水平位移最大值发生在开挖面附近;正常施工下地表沉降形态为凹槽形,若围护桩间出现明显漏水、漏砂现象时为三角形;钢支撑轴力跳跃上升并在其下一道支撑架设后受力达到最大;深大基坑工程采用钻孔咬合灌注桩作为围护及止水结构时,必须确保桩体垂直度,保证桩体施工质量达到设计要求;数值计算结果与实测结果基本一致,数值模拟可为基坑的设计和施工提供依据。     

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。