兰新铁路利用现场实测研究沙漠风沙流密度

兰新铁路利用现场实测研究沙漠风沙流密度

兰花大桥西侧（北至阿拉山口）风力频繁，多口，风灾多期。主要交叉口包括安萨湾河口、舞蹈路入口、百里风区、三十里风、达坂城河口和阿拉森河口（见图1）。其中兰新铁路风沙灾害最为突出的百里风区及三十里风口更为著名。由于风口的横风影响,铁路运输安全受到极大威胁,几乎所有的铁路风灾事故都发生在上述风口地区,这些风口大多位于天山山前,铁路两侧为戈壁地形地貌,受西伯利亚寒流及天山垭口“狭管增速”效应影响,形成戈壁风沙流,风力强劲,大风频繁,风沙流结构特性完全不同于普通沙漠地区。由于戈壁地区地表主要由砾石、粗砂覆盖物为主,下垫层物质条件与沙漠地区的地质物理环境不同,使得戈壁地区风沙流运动及力学特性不同于沙漠地区。以往对风沙流的研究多以沙漠地区的地质物理环境为基础,针对戈壁地区风沙流的研究尚处于初始阶段,邹学勇等对戈壁风沙流的沙粒起跃角进行力学模型分析,并从戈壁风沙流强度及能量特点研究分析风沙流结构特征。慕青松等应用不均匀沙起动风速理论,讨论戈壁风蚀层与环境风力之间动态平衡的建立过程。黄宁、郑晓静、张克存、屈建军等通过对戈壁地表风沙流特性的风洞模拟试验,讨论分析戈壁地表对气流紊动的影响效应,及对风沙流的结构和风沙活动层内的风速廓线产生的影响,但多以室内试验研究为主,对强风地区挡风结构设计起到一定的指导作用,然而毕竟与野外实际情况有一定差距,不能提供直接的设计计算方法和相关参数。兰新铁路虽然采取各种挡风墙对强风进行防护,每年仍然会因大风问题造成停运,究其原因还是对戈壁风沙流结构、携沙高度、建(构)筑物的风致压力等认识不足。在微地形地貌条件下风沙流的运动轨迹难以确定,虽然在路堤、路堑地段修筑挡风墙,但仍然难以控制线路位置处风沙流含沙量;风沙流飞扬层和部分过渡层中的沙粒还会在道床上沉积,造成风区线路道床板结十分严重,同时也可能对机车和客车车窗玻璃带来威胁。本文在对兰新铁路百里风区的风沙运动及气象条件进行现场观测的基础上,对其数据进行统计分析,进一步加深对戈壁地区风沙流结构及其特性的认识,为铁路设计和安全运营提供一些理论依据。1学习方法1.1粒随机旋出/风速观测系统设计理据本试验所采用的观测系统是由项目组自主研发设计的,其优点在于尽可能减少空气进入集沙口的绕流影响,使得进入集沙仪的沙粒很容易沉降,解决传统集沙仪所集沙粒随风旋出的缺点。该系统由集沙器、集沙塔、地锚、底座、避雷针及测风塔等主要部件组成,相关技术标准:主塔高10m;积沙盒每组分8个高度布设,高度分别为0、0.5、1、2、3、5、7、9m;底座和地锚的基础埋入深度1.5m;集沙器管径为20cm(见图2)。相应的风速和风向数据由乌鲁木齐铁路局设在集沙仪旁的气象观测系统提供,其观测频率为30s/次。沙样收集频率:每年3～6月、9～11月根据风况资料平均每15天取一次沙样,其余时间每月取一次样。1.2房和猛进东集沙仪在铁路里程K1468+430～K1484+000的范围内共设3个观测站,依次为红柳、十三间房和猛进东。所设集沙仪的开口方向约为北偏西10°左右,其地理位置在E91°42.187′～N91°52.756′、E43°1.791′～N43°10.218′范围内,高程为710～728m,气压为95.6～95.8kPa。该地区地表粗糙度较大,沙砾粒径较均匀,地表植被稀少。1.3沙颗粒撞击墙体的特性为分析方便,须引入一个新概念风沙流密度,它是指空气运动速度在大于起沙风速情况下,单位体积空气气流中所含沙子的质量,单位是kg/m3。假定风沙观测系统上游沙源在短时间内是不发生变化的;在大于起沙风速的同一风速情况下,风沙流密度是相同的,风速越大,风沙流密度越大。基于以上假定及认识,风沙观测仪中某一高度集沙总质量Qh计算公式为Qh=∑ρiAvhT(1)Qh=∑ρiAvhΤ(1)式中,ρi为大于起沙风速情况下某一风速所对应的风沙流密度,kg/m3;A为风沙观测系统的集沙器进沙口面积,m2;vh为某一高度风沙流密度所对应的风速,m/s;T为在取样时间内起沙风所持续的时间,s。风沙流对挡风墙所产生的压强为净风产生的压强与风沙流中沙颗粒撞击墙体产生的压强之和。在通常计算中,只考虑第一种情况,往往忽略沙粒对墙体的撞击力。净风所产生的压强公式为ω1=12⋅γg⋅v2(2)ω1=12⋅γg⋅v2(2)式中,γ为空气单位体积重力,N/m3;g为重力加速度,m/s2;v为风速,m/s;在标准大气压下,γ=12.018N/m3,gn=9.81m/s2。一般情况下,常取γ2g=11.6γ2g=11.6。则式(2)为ω1=v21.6(3)ω1=v21.6(3)沙颗粒撞击墙体所产生的压强也可以求出,沙颗粒撞击墙体认为是一种弹性碰撞,假设反弹后的速度与撞击前的速度一致,这对于工程来说是偏于安全的。根据动量公式mvi−m(−vi)=F⋅Δt(4)mvi-m(-vi)=F⋅Δt(4)式中,m为Δt时间内撞击墙体的沙颗粒质量;vi为沙颗粒飞跃速度;F为沙粒对墙体的撞击力。根据上述风沙流密度的关系,一般情况下,vi=vh,则有m=ρ⋅s⋅vi⋅Δt(5)m=ρ⋅s⋅vi⋅Δt(5)经过公式变换及整理,沙颗粒撞击墙体的冲击压强为ω2=2ρ⋅v2i(6)ω2=2ρ⋅vi2(6)由式(2)与式(6),可得风沙流对挡风墙的压强为ω=ω1+ω2=12⋅γg⋅v2+2ρ⋅v2i(7)ω=ω1+ω2=12⋅γg⋅v2+2ρ⋅vi2(7)当风速与沙颗粒飞跃速度一致时,式(7)就变为ω=(11.6+2ρ)v2i(8)ω=(11.6+2ρ)vi2(8)2数据分析和处理2.1风速风向相对单一,影响了积沙的持续增长,并影响其风速的实现起沙风速就是沙粒起动需要的最小风速,是评定一个地区风况的重要特征。起沙风速是研究风沙运动规律、解决风沙工程问题的关键指标之一。在机械防沙体系的设计中,起沙风速的统计分析是设计的主要依据之一。百里风区的大风天气主要集中出现在每年的3～6月份之间,参照相关资料,本文将起沙风的风速定义为20m/s。对全年的风速风向数据统计分析可知,小于起沙风速的风向比较紊乱,大于起沙风速的风向主要集中在集沙仪开口方向的±20°以内,风向相对单一,对3m高的积沙影响可以忽略不计;大于起沙风的风速频率(风速频率=某风速出现次数/风速的总观测次数×100%)、各月大于起沙风的风速频率见图3及图4。在所有大于起沙风的风速中,以9级的风速为主,约占总起沙风速的60%左右,其次为10级的风速,占25%左右,二者之和占85%左右;而超过12级的风速全年不超过5%。由图4可见,4月份是风速大于起沙风速出现次数最多的月份,约占整个月份的15%左右,其次为6月份,占11%左右;最少的是1月份,仅占0.2%左右。在各月的观测时间中,对起沙风出现的时间也进行统计。起沙风主要出现在3～6月份,占总起沙风时间的65%左右,其中4月份和5月份最多,分别占18.6%和21.8%;1～3月份最少,仅占7.1%左右。2.2考虑风级的风流密度在近地层中,风受地面摩擦阻力的影响而速度降低。一般而言,摩擦力随着高度的增加而减小,故风速随着高度的增加而增大。风沙流密度与高度、风力等均具有密切的关系。以红柳2008年4月至2009年4月观测数据为例,根据一年的风速范围和数据,划出四个风级档,认为在同一级风速范围内风沙流密度是一样的,ρ23、ρ29、ρ35、ρ41分别对应的是取值区间为[20m/s,26m/s)、[26m/s,32m/s)、[32m/s～38m/s)、[38m/s,44m/s)范围风力下的风沙流密度。将一年内各次试验所测量3m高度的集沙量和对应的不同等级的风力持续时间数据,分别代入式(1),可得红柳观测点3m高度不同风级下所对应的风沙流密度。联立方程组如下2.3风力等级影响对每次现场取得的积沙均进行粒径分析,10个粒径分析范围分别为不小于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。从一年的观测资料可知,风力等级均在十四级以下,风沙流沿高度方向颗粒粒径的变化规律基本上还是低风速情况下的分析结果。详细情况还有待于数据的进一步积累和现场观测。3结果与讨论3.1沙区主要观察高度与沙流密度的关系风沙流是风力搬运沙物质的基本形式和运动过程,同时也是沙质地表形态形成和发展的主要动力,能够判断地表的蚀积状态,掌握风成地貌的形态发育及演变规律,在沙漠科学中占有重要地位。风沙流密度是研究风沙流运动的一个十分重要的物理量,它能较好的反映风沙两相流中沙粒的空间分布特征。根据各观测点风沙流观测资料,分别计算出各观测点风沙流密度。图5～图7分别为各观测点风沙流密度随高度的变化曲线。从中可以看出,风沙流密度随着高度的增加呈现下降的趋势。当风速在40m/s以下时,风沙流密度随高度变化曲线为斜L形,基本以3m高度作为分界点。在3m高度以下,风沙流密度随高度的增加大幅度下降,曲线斜率较大;在3m高度以上,风沙流密度随高度的增加逐步下降,曲线斜率较小。当风速超过40m/s以上,随着风速的增高,风沙流密度随高度变化曲线的分界点将会由3m变得更高。由于缺乏2年来高风速情况下风沙流的观测数据,当风速达到三十年一遇的60m/s时,很难确定风沙流密度随高度变化曲线的分界点将会变得多高。上述分析说明,在风速为40m/s以下时,兰新铁路百里风区挡风墙高度设为3m,基本能够防止风沙流中大部分沙粒在线路上沉落。3.2风速对沙流密度的影响风速是决定风沙流密度的重要因素之一,风速越大,携沙量越大,相应地风沙流密度也就越大。以3m高的风沙流密度和风速相互关系为例,其变化拟合曲线见图8,从中可以看出风沙流密度ρ随着风速v的增加而增加,在风速为34m/s以下时,风沙流密度变化不大,但当风速超过34m/s后,风沙流密度随着风速的增加迅速提高,显现出非常明显的变化趋势。各观测点3m高度处的风沙流密度与风速的拟合方程见表2,从中可以看出,指数方程可以很好的描述风沙流密度与风速的关系,相关系数R2>0.999,其通式可用ρ=y0+a×ebv(y0、a、b为常数,与高度和风速有关)来表示。3.3沙粒对列车宏观变化的影响兰新线百里风区列车主要受横风影响,列车倾覆脱线的危险性较大,但当前设计和施工中考虑大风天气对列车安全运营的影响时,往往只考虑净风的影响,而忽略大风所携沙粒的影响。当风速较小时,相应的携沙量也较小,沙粒对列车的冲击力很微弱;但当风速较大时,其所携沙粒对列车的冲击力就不可小觑。为更清楚地区分风沙流两相流中,风力和沙粒对列车倾覆脱线的影响,必须要知道当风速达到多少时,沙粒对列车的冲击压力大于净风所产生的风压。把沙粒对列车的冲击压力等于净风所产生压力时的风速称为临界风速vcr。同样以3m高度处的风沙流密度为例,各观测点净风压和沙粒冲击压随风速的变化曲线见图9。从图9中可以看出,与沙粒冲击压相比净风压随风速的变化较为平缓,它与风速平方成正比;而沙粒冲击压则显现指数增长。当风速小于临界值时,风沙流产生的作用力以净风压为主;而当其大于临界值后,则以沙粒产生的冲击压力为主。根据各观测点的建(构)筑物风致压强随风速变化曲线分析,各观测点临界风速依次为:猛进东vcr=50m/s、红柳vcr=57m/s、十三间房vcr=53m/s;对于历史风速超过临界风速的戈壁地区,风区建(构)筑物在设计中应考虑风沙流中沙粒的影响,在抗倾覆设计中必须以净风压与沙粒撞击压之和作为设计荷载,除非有足够多的防沙工程措施。因此,当环境风速超过临界风速时,停运仍是保证列车运行安全的最有效手段。4风速和沙粒对集沙流密度的影响(1)在兰新铁路百里风区段,根据2年来风速、风向资料统计,大于起沙风的风力以9、10级为主,约占总起沙风的85%左右,超过12级以上大风约占5%左右;而大风天气主要集中在每年的3月到6月之间,其中4月份是大风天气出现次数最多的月份。(2)风沙流密度随着高度的增加呈现下降的趋势。当风速在40m/s以下时,风沙流密度随高度变化曲线为斜L形,基本以3m高度作为分界点。在3m高度以下,风沙流密度随高度的增加大幅度下降,曲线斜率较大。在3m高度以上,风沙流密度随高度的增加逐步下降,曲线斜率较小。当风速超过40m/s以上,随着风速的增高,风沙流密度随高度变化曲线的分界点将会由3m变得更高。(3)风沙流密度ρ随着风速v的增加而增加,在风速为34m/s以下时,风沙流密度变化趋势不大,但当风速超过34m/s时,风沙流密度随着风速的增加显现明显的上升趋势。(4)在戈壁地区建(构)筑物遭受风沙流侵袭的压力为净风压与沙粒冲击压之和。兰新铁路百里风区段各观测点临界风风速分别为:猛进东点vcr=50m/s、十三间房点vcr=53m/s、红柳点vcr=57m/s。当风速小于临界值时,以净风压为主;而当其大于临界值后,则以沙粒产生的冲击压力为主。(5)兰新铁路百里风区列车运输安全事关重大,挡风墙工程只是防风措施之一,建议加强每年春季4～6月份期间天气预报,完善铁路运输极端天气下的行车组织管理办法,以保障列车在风速达到50m/s以上时的安全运行。由于共取9次试验数据,如果风沙流密度划分太细方程组将会