蘭新鐵路利用現(xiàn)場實(shí)測研究沙漠風(fēng)沙流密度

蘭新鐵路利用現(xiàn)場實(shí)測研究沙漠風(fēng)沙流密度

蘭花大橋西側(cè)（北至阿拉山口）風(fēng)力頻繁，多口，風(fēng)災(zāi)多期。主要交叉口包括安薩灣河口、舞蹈路入口、百里風(fēng)區(qū)、三十里風(fēng)、達(dá)坂城河口和阿拉森河口（見圖1）。其中蘭新鐵路風(fēng)沙災(zāi)害最為突出的百里風(fēng)區(qū)及三十里風(fēng)口更為著名。由于風(fēng)口的橫風(fēng)影響,鐵路運(yùn)輸安全受到極大威脅,幾乎所有的鐵路風(fēng)災(zāi)事故都發(fā)生在上述風(fēng)口地區(qū),這些風(fēng)口大多位于天山山前,鐵路兩側(cè)為戈壁地形地貌,受西伯利亞寒流及天山埡口“狹管增速”效應(yīng)影響,形成戈壁風(fēng)沙流,風(fēng)力強(qiáng)勁,大風(fēng)頻繁,風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)特性完全不同于普通沙漠地區(qū)。由于戈壁地區(qū)地表主要由礫石、粗砂覆蓋物為主,下墊層物質(zhì)條件與沙漠地區(qū)的地質(zhì)物理環(huán)境不同,使得戈壁地區(qū)風(fēng)沙流運(yùn)動(dòng)及力學(xué)特性不同于沙漠地區(qū)。以往對風(fēng)沙流的研究多以沙漠地區(qū)的地質(zhì)物理環(huán)境為基礎(chǔ),針對戈壁地區(qū)風(fēng)沙流的研究尚處于初始階段,鄒學(xué)勇等對戈壁風(fēng)沙流的沙粒起躍角進(jìn)行力學(xué)模型分析,并從戈壁風(fēng)沙流強(qiáng)度及能量特點(diǎn)研究分析風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)特征。慕青松等應(yīng)用不均勻沙起動(dòng)風(fēng)速理論,討論戈壁風(fēng)蝕層與環(huán)境風(fēng)力之間動(dòng)態(tài)平衡的建立過程。黃寧、鄭曉靜、張克存、屈建軍等通過對戈壁地表風(fēng)沙流特性的風(fēng)洞模擬試驗(yàn),討論分析戈壁地表對氣流紊動(dòng)的影響效應(yīng),及對風(fēng)沙流的結(jié)構(gòu)和風(fēng)沙活動(dòng)層內(nèi)的風(fēng)速廓線產(chǎn)生的影響,但多以室內(nèi)試驗(yàn)研究為主,對強(qiáng)風(fēng)地區(qū)擋風(fēng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)起到一定的指導(dǎo)作用,然而畢竟與野外實(shí)際情況有一定差距,不能提供直接的設(shè)計(jì)計(jì)算方法和相關(guān)參數(shù)。蘭新鐵路雖然采取各種擋風(fēng)墻對強(qiáng)風(fēng)進(jìn)行防護(hù),每年仍然會(huì)因大風(fēng)問題造成停運(yùn),究其原因還是對戈壁風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)、攜沙高度、建(構(gòu))筑物的風(fēng)致壓力等認(rèn)識不足。在微地形地貌條件下風(fēng)沙流的運(yùn)動(dòng)軌跡難以確定,雖然在路堤、路塹地段修筑擋風(fēng)墻,但仍然難以控制線路位置處風(fēng)沙流含沙量;風(fēng)沙流飛揚(yáng)層和部分過渡層中的沙粒還會(huì)在道床上沉積,造成風(fēng)區(qū)線路道床板結(jié)十分嚴(yán)重,同時(shí)也可能對機(jī)車和客車車窗玻璃帶來威脅。本文在對蘭新鐵路百里風(fēng)區(qū)的風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)及氣象條件進(jìn)行現(xiàn)場觀測的基礎(chǔ)上,對其數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,進(jìn)一步加深對戈壁地區(qū)風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)及其特性的認(rèn)識,為鐵路設(shè)計(jì)和安全運(yùn)營提供一些理論依據(jù)。1學(xué)習(xí)方法1.1粒隨機(jī)旋出/風(fēng)速觀測系統(tǒng)設(shè)計(jì)理據(jù)本試驗(yàn)所采用的觀測系統(tǒng)是由項(xiàng)目組自主研發(fā)設(shè)計(jì)的,其優(yōu)點(diǎn)在于盡可能減少空氣進(jìn)入集沙口的繞流影響,使得進(jìn)入集沙儀的沙粒很容易沉降,解決傳統(tǒng)集沙儀所集沙粒隨風(fēng)旋出的缺點(diǎn)。該系統(tǒng)由集沙器、集沙塔、地錨、底座、避雷針及測風(fēng)塔等主要部件組成,相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn):主塔高10m;積沙盒每組分8個(gè)高度布設(shè),高度分別為0、0.5、1、2、3、5、7、9m;底座和地錨的基礎(chǔ)埋入深度1.5m;集沙器管徑為20cm(見圖2)。相應(yīng)的風(fēng)速和風(fēng)向數(shù)據(jù)由烏魯木齊鐵路局設(shè)在集沙儀旁的氣象觀測系統(tǒng)提供,其觀測頻率為30s/次。沙樣收集頻率:每年3～6月、9～11月根據(jù)風(fēng)況資料平均每15天取一次沙樣,其余時(shí)間每月取一次樣。1.2房和猛進(jìn)東集沙儀在鐵路里程K1468+430～K1484+000的范圍內(nèi)共設(shè)3個(gè)觀測站,依次為紅柳、十三間房和猛進(jìn)東。所設(shè)集沙儀的開口方向約為北偏西10°左右,其地理位置在E91°42.187′～N91°52.756′、E43°1.791′～N43°10.218′范圍內(nèi),高程為710～728m,氣壓為95.6～95.8kPa。該地區(qū)地表粗糙度較大,沙礫粒徑較均勻,地表植被稀少。1.3沙顆粒撞擊墻體的特性為分析方便,須引入一個(gè)新概念風(fēng)沙流密度,它是指空氣運(yùn)動(dòng)速度在大于起沙風(fēng)速情況下,單位體積空氣氣流中所含沙子的質(zhì)量,單位是kg/m3。假定風(fēng)沙觀測系統(tǒng)上游沙源在短時(shí)間內(nèi)是不發(fā)生變化的;在大于起沙風(fēng)速的同一風(fēng)速情況下,風(fēng)沙流密度是相同的,風(fēng)速越大,風(fēng)沙流密度越大?；谝陨霞俣罢J(rèn)識,風(fēng)沙觀測儀中某一高度集沙總質(zhì)量Qh計(jì)算公式為Qh=∑ρiAvhT(1)Qh=∑ρiAvhΤ(1)式中,ρi為大于起沙風(fēng)速情況下某一風(fēng)速所對應(yīng)的風(fēng)沙流密度,kg/m3;A為風(fēng)沙觀測系統(tǒng)的集沙器進(jìn)沙口面積,m2;vh為某一高度風(fēng)沙流密度所對應(yīng)的風(fēng)速,m/s;T為在取樣時(shí)間內(nèi)起沙風(fēng)所持續(xù)的時(shí)間,s。風(fēng)沙流對擋風(fēng)墻所產(chǎn)生的壓強(qiáng)為凈風(fēng)產(chǎn)生的壓強(qiáng)與風(fēng)沙流中沙顆粒撞擊墻體產(chǎn)生的壓強(qiáng)之和。在通常計(jì)算中,只考慮第一種情況,往往忽略沙粒對墻體的撞擊力。凈風(fēng)所產(chǎn)生的壓強(qiáng)公式為ω1=12?γg?v2(2)ω1=12?γg?v2(2)式中,γ為空氣單位體積重力,N/m3;g為重力加速度,m/s2;v為風(fēng)速,m/s;在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下,γ=12.018N/m3,gn=9.81m/s2。一般情況下,常取γ2g=11.6γ2g=11.6。則式(2)為ω1=v21.6(3)ω1=v21.6(3)沙顆粒撞擊墻體所產(chǎn)生的壓強(qiáng)也可以求出,沙顆粒撞擊墻體認(rèn)為是一種彈性碰撞,假設(shè)反彈后的速度與撞擊前的速度一致,這對于工程來說是偏于安全的。根據(jù)動(dòng)量公式mvi?m(?vi)=F?Δt(4)mvi-m(-vi)=F?Δt(4)式中,m為Δt時(shí)間內(nèi)撞擊墻體的沙顆粒質(zhì)量;vi為沙顆粒飛躍速度;F為沙粒對墻體的撞擊力。根據(jù)上述風(fēng)沙流密度的關(guān)系,一般情況下,vi=vh,則有m=ρ?s?vi?Δt(5)m=ρ?s?vi?Δt(5)經(jīng)過公式變換及整理,沙顆粒撞擊墻體的沖擊壓強(qiáng)為ω2=2ρ?v2i(6)ω2=2ρ?vi2(6)由式(2)與式(6),可得風(fēng)沙流對擋風(fēng)墻的壓強(qiáng)為ω=ω1+ω2=12?γg?v2+2ρ?v2i(7)ω=ω1+ω2=12?γg?v2+2ρ?vi2(7)當(dāng)風(fēng)速與沙顆粒飛躍速度一致時(shí),式(7)就變?yōu)棣?(11.6+2ρ)v2i(8)ω=(11.6+2ρ)vi2(8)2數(shù)據(jù)分析和處理2.1風(fēng)速風(fēng)向相對單一,影響了積沙的持續(xù)增長,并影響其風(fēng)速的實(shí)現(xiàn)起沙風(fēng)速就是沙粒起動(dòng)需要的最小風(fēng)速,是評定一個(gè)地區(qū)風(fēng)況的重要特征。起沙風(fēng)速是研究風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)規(guī)律、解決風(fēng)沙工程問題的關(guān)鍵指標(biāo)之一。在機(jī)械防沙體系的設(shè)計(jì)中,起沙風(fēng)速的統(tǒng)計(jì)分析是設(shè)計(jì)的主要依據(jù)之一。百里風(fēng)區(qū)的大風(fēng)天氣主要集中出現(xiàn)在每年的3～6月份之間,參照相關(guān)資料,本文將起沙風(fēng)的風(fēng)速定義為20m/s。對全年的風(fēng)速風(fēng)向數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析可知,小于起沙風(fēng)速的風(fēng)向比較紊亂,大于起沙風(fēng)速的風(fēng)向主要集中在集沙儀開口方向的±20°以內(nèi),風(fēng)向相對單一,對3m高的積沙影響可以忽略不計(jì);大于起沙風(fēng)的風(fēng)速頻率(風(fēng)速頻率=某風(fēng)速出現(xiàn)次數(shù)/風(fēng)速的總觀測次數(shù)×100%)、各月大于起沙風(fēng)的風(fēng)速頻率見圖3及圖4。在所有大于起沙風(fēng)的風(fēng)速中,以9級的風(fēng)速為主,約占總起沙風(fēng)速的60%左右,其次為10級的風(fēng)速,占25%左右,二者之和占85%左右;而超過12級的風(fēng)速全年不超過5%。由圖4可見,4月份是風(fēng)速大于起沙風(fēng)速出現(xiàn)次數(shù)最多的月份,約占整個(gè)月份的15%左右,其次為6月份,占11%左右;最少的是1月份,僅占0.2%左右。在各月的觀測時(shí)間中,對起沙風(fēng)出現(xiàn)的時(shí)間也進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。起沙風(fēng)主要出現(xiàn)在3～6月份,占總起沙風(fēng)時(shí)間的65%左右,其中4月份和5月份最多,分別占18.6%和21.8%;1～3月份最少,僅占7.1%左右。2.2考慮風(fēng)級的風(fēng)流密度在近地層中,風(fēng)受地面摩擦阻力的影響而速度降低。一般而言,摩擦力隨著高度的增加而減小,故風(fēng)速隨著高度的增加而增大。風(fēng)沙流密度與高度、風(fēng)力等均具有密切的關(guān)系。以紅柳2008年4月至2009年4月觀測數(shù)據(jù)為例,根據(jù)一年的風(fēng)速范圍和數(shù)據(jù),劃出四個(gè)風(fēng)級檔,認(rèn)為在同一級風(fēng)速范圍內(nèi)風(fēng)沙流密度是一樣的,ρ23、ρ29、ρ35、ρ41分別對應(yīng)的是取值區(qū)間為[20m/s,26m/s)、[26m/s,32m/s)、[32m/s～38m/s)、[38m/s,44m/s)范圍風(fēng)力下的風(fēng)沙流密度。將一年內(nèi)各次試驗(yàn)所測量3m高度的集沙量和對應(yīng)的不同等級的風(fēng)力持續(xù)時(shí)間數(shù)據(jù),分別代入式(1),可得紅柳觀測點(diǎn)3m高度不同風(fēng)級下所對應(yīng)的風(fēng)沙流密度。聯(lián)立方程組如下2.3風(fēng)力等級影響對每次現(xiàn)場取得的積沙均進(jìn)行粒徑分析,10個(gè)粒徑分析范圍分別為不小于6mm、[5mm,6mm)、[3mm,5mm)、[2mm,3mm)、[1mm,2mm)、[0.5mm,1mm)、[0.25mm,0.5mm)、[0.1mm,0.25mm)、[0.075mm,0.1mm)及小于0.075mm。從一年的觀測資料可知,風(fēng)力等級均在十四級以下,風(fēng)沙流沿高度方向顆粒粒徑的變化規(guī)律基本上還是低風(fēng)速情況下的分析結(jié)果。詳細(xì)情況還有待于數(shù)據(jù)的進(jìn)一步積累和現(xiàn)場觀測。3結(jié)果與討論3.1沙區(qū)主要觀察高度與沙流密度的關(guān)系風(fēng)沙流是風(fēng)力搬運(yùn)沙物質(zhì)的基本形式和運(yùn)動(dòng)過程,同時(shí)也是沙質(zhì)地表形態(tài)形成和發(fā)展的主要?jiǎng)恿?能夠判斷地表的蝕積狀態(tài),掌握風(fēng)成地貌的形態(tài)發(fā)育及演變規(guī)律,在沙漠科學(xué)中占有重要地位。風(fēng)沙流密度是研究風(fēng)沙流運(yùn)動(dòng)的一個(gè)十分重要的物理量,它能較好的反映風(fēng)沙兩相流中沙粒的空間分布特征。根據(jù)各觀測點(diǎn)風(fēng)沙流觀測資料,分別計(jì)算出各觀測點(diǎn)風(fēng)沙流密度。圖5～圖7分別為各觀測點(diǎn)風(fēng)沙流密度隨高度的變化曲線。從中可以看出,風(fēng)沙流密度隨著高度的增加呈現(xiàn)下降的趨勢。當(dāng)風(fēng)速在40m/s以下時(shí),風(fēng)沙流密度隨高度變化曲線為斜L形,基本以3m高度作為分界點(diǎn)。在3m高度以下,風(fēng)沙流密度隨高度的增加大幅度下降,曲線斜率較大;在3m高度以上,風(fēng)沙流密度隨高度的增加逐步下降,曲線斜率較小。當(dāng)風(fēng)速超過40m/s以上,隨著風(fēng)速的增高,風(fēng)沙流密度隨高度變化曲線的分界點(diǎn)將會(huì)由3m變得更高。由于缺乏2年來高風(fēng)速情況下風(fēng)沙流的觀測數(shù)據(jù),當(dāng)風(fēng)速達(dá)到三十年一遇的60m/s時(shí),很難確定風(fēng)沙流密度隨高度變化曲線的分界點(diǎn)將會(huì)變得多高。上述分析說明,在風(fēng)速為40m/s以下時(shí),蘭新鐵路百里風(fēng)區(qū)擋風(fēng)墻高度設(shè)為3m,基本能夠防止風(fēng)沙流中大部分沙粒在線路上沉落。3.2風(fēng)速對沙流密度的影響風(fēng)速是決定風(fēng)沙流密度的重要因素之一,風(fēng)速越大,攜沙量越大,相應(yīng)地風(fēng)沙流密度也就越大。以3m高的風(fēng)沙流密度和風(fēng)速相互關(guān)系為例,其變化擬合曲線見圖8,從中可以看出風(fēng)沙流密度ρ隨著風(fēng)速v的增加而增加,在風(fēng)速為34m/s以下時(shí),風(fēng)沙流密度變化不大,但當(dāng)風(fēng)速超過34m/s后,風(fēng)沙流密度隨著風(fēng)速的增加迅速提高,顯現(xiàn)出非常明顯的變化趨勢。各觀測點(diǎn)3m高度處的風(fēng)沙流密度與風(fēng)速的擬合方程見表2,從中可以看出,指數(shù)方程可以很好的描述風(fēng)沙流密度與風(fēng)速的關(guān)系,相關(guān)系數(shù)R2>0.999,其通式可用ρ=y0+a×ebv(y0、a、b為常數(shù),與高度和風(fēng)速有關(guān))來表示。3.3沙粒對列車宏觀變化的影響蘭新線百里風(fēng)區(qū)列車主要受橫風(fēng)影響,列車傾覆脫線的危險(xiǎn)性較大,但當(dāng)前設(shè)計(jì)和施工中考慮大風(fēng)天氣對列車安全運(yùn)營的影響時(shí),往往只考慮凈風(fēng)的影響,而忽略大風(fēng)所攜沙粒的影響。當(dāng)風(fēng)速較小時(shí),相應(yīng)的攜沙量也較小,沙粒對列車的沖擊力很微弱;但當(dāng)風(fēng)速較大時(shí),其所攜沙粒對列車的沖擊力就不可小覷。為更清楚地區(qū)分風(fēng)沙流兩相流中,風(fēng)力和沙粒對列車傾覆脫線的影響,必須要知道當(dāng)風(fēng)速達(dá)到多少時(shí),沙粒對列車的沖擊壓力大于凈風(fēng)所產(chǎn)生的風(fēng)壓。把沙粒對列車的沖擊壓力等于凈風(fēng)所產(chǎn)生壓力時(shí)的風(fēng)速稱為臨界風(fēng)速vcr。同樣以3m高度處的風(fēng)沙流密度為例,各觀測點(diǎn)凈風(fēng)壓和沙粒沖擊壓隨風(fēng)速的變化曲線見圖9。從圖9中可以看出,與沙粒沖擊壓相比凈風(fēng)壓隨風(fēng)速的變化較為平緩,它與風(fēng)速平方成正比;而沙粒沖擊壓則顯現(xiàn)指數(shù)增長。當(dāng)風(fēng)速小于臨界值時(shí),風(fēng)沙流產(chǎn)生的作用力以凈風(fēng)壓為主;而當(dāng)其大于臨界值后,則以沙粒產(chǎn)生的沖擊壓力為主。根據(jù)各觀測點(diǎn)的建(構(gòu))筑物風(fēng)致壓強(qiáng)隨風(fēng)速變化曲線分析,各觀測點(diǎn)臨界風(fēng)速依次為:猛進(jìn)東vcr=50m/s、紅柳vcr=57m/s、十三間房vcr=53m/s;對于歷史風(fēng)速超過臨界風(fēng)速的戈壁地區(qū),風(fēng)區(qū)建(構(gòu))筑物在設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮風(fēng)沙流中沙粒的影響,在抗傾覆設(shè)計(jì)中必須以凈風(fēng)壓與沙粒撞擊壓之和作為設(shè)計(jì)荷載,除非有足夠多的防沙工程措施。因此,當(dāng)環(huán)境風(fēng)速超過臨界風(fēng)速時(shí),停運(yùn)仍是保證列車運(yùn)行安全的最有效手段。4風(fēng)速和沙粒對集沙流密度的影響(1)在蘭新鐵路百里風(fēng)區(qū)段,根據(jù)2年來風(fēng)速、風(fēng)向資料統(tǒng)計(jì),大于起沙風(fēng)的風(fēng)力以9、10級為主,約占總起沙風(fēng)的85%左右,超過12級以上大風(fēng)約占5%左右;而大風(fēng)天氣主要集中在每年的3月到6月之間,其中4月份是大風(fēng)天氣出現(xiàn)次數(shù)最多的月份。(2)風(fēng)沙流密度隨著高度的增加呈現(xiàn)下降的趨勢。當(dāng)風(fēng)速在40m/s以下時(shí),風(fēng)沙流密度隨高度變化曲線為斜L形,基本以3m高度作為分界點(diǎn)。在3m高度以下,風(fēng)沙流密度隨高度的增加大幅度下降,曲線斜率較大。在3m高度以上,風(fēng)沙流密度隨高度的增加逐步下降,曲線斜率較小。當(dāng)風(fēng)速超過40m/s以上,隨著風(fēng)速的增高,風(fēng)沙流密度隨高度變化曲線的分界點(diǎn)將會(huì)由3m變得更高。(3)風(fēng)沙流密度ρ隨著風(fēng)速v的增加而增加,在風(fēng)速為34m/s以下時(shí),風(fēng)沙流密度變化趨勢不大,但當(dāng)風(fēng)速超過34m/s時(shí),風(fēng)沙流密度隨著風(fēng)速的增加顯現(xiàn)明顯的上升趨勢。(4)在戈壁地區(qū)建(構(gòu))筑物遭受風(fēng)沙流侵襲的壓力為凈風(fēng)壓與沙粒沖擊壓之和。蘭新鐵路百里風(fēng)區(qū)段各觀測點(diǎn)臨界風(fēng)風(fēng)速分別為:猛進(jìn)東點(diǎn)vcr=50m/s、十三間房點(diǎn)vcr=53m/s、紅柳點(diǎn)vcr=57m/s。當(dāng)風(fēng)速小于臨界值時(shí),以凈風(fēng)壓為主;而當(dāng)其大于臨界值后,則以沙粒產(chǎn)生的沖擊壓力為主。(5)蘭新鐵路百里風(fēng)區(qū)列車運(yùn)輸安全事關(guān)重大,擋風(fēng)墻工程只是防風(fēng)措施之一,建議加強(qiáng)每年春季4～6月份期間天氣預(yù)報(bào),完善鐵路運(yùn)輸極端天氣下的行車組織管理辦法,以保障列車在風(fēng)速達(dá)到50m/s以上時(shí)的安全運(yùn)行。由于共取9次試驗(yàn)數(shù)據(jù),如果風(fēng)沙流密度劃分太細(xì)方程組將會(huì)