沙漠高速公路邊坡風沙流場特征分析

喻國根，賈小龍，劉俊綠

（1.寧夏大學土木與水利工程學院，寧夏 銀川 750021；2.寧夏交通建設股份有限公司，寧夏 銀川 750004；3.寧夏道路養護工程技術研究中心，寧夏 銀川 750004）

0 引言

烏瑪高速公路是我國首條穿越沙漠腹地的高速公路，線路穿越騰格里沙漠東南腹地。而騰格里沙漠在我國沙漠面積排名第四，位于阿拉善高平原的東南，其中半流動型沙丘和流動型沙丘是主要的沙丘類型[1]。由于群山環繞，常年又受蒙古高壓影響，每年平均降雨不足200mm，造成了惡劣的風沙環境，不僅如此，高速公路的路面設計寬度相對于其余等級公路更寬，這就導致了沙漠腹地高速公路更易遭受風蝕和沙埋兩種沙害情況，給內蒙古烏海至青?，斍咝芯€的行車安全和運營維護帶來了很大挑戰[2]。

近年來，為解決沙漠交通困難的問題，有不少學者在沙漠沙丘形成演化規律、風沙運動規律等方向做了詳細的研究，為探索風沙流運動奠定了良好的基礎[3]；也有不少研究者針對騰格里沙漠氣象、沙粒濃度等環境因素展開了研究，通過分析得到了騰格里沙漠氣象規律、沙粒濃度分布及沙丘分布等環境因素分布特征[4]。隨著時代進步，國內外學者開始通過風洞試驗和數值模擬研究分析風沙流對不同結構物的影響，更清晰地分析了風沙流的運動特征[5]。

但目前對于沙漠腹地高速公路路基斷面的研究分析尚不全面，而邊坡坡度是影響風沙流場的重要參數，邊坡坡度的合理設置能夠提高路基阻沙和輸沙能力，從而減少公路沙埋和風蝕危害，也能降低公路在風沙危害方面的養護投入。本文采用野外定點數據采集的方式采集烏瑪高速公路騰格里沙漠段氣象數據。以采集結果作為數值模擬參數條件，利用Fluent軟件對烏瑪高速公路不同坡度斷面進行風沙流數值模擬。研究結論不僅對烏瑪高速公路沿線邊坡更新和完善具有重要的指導意義，更可為以后沙漠腹地高速公路建設提供參考。

1 工程概況

1.1 研究區概況

烏瑪高速公路項目起點為K141+850，終點為K183+160.348，路線全長41.5km，路線起點與青銅峽段順接，終點接定武高速（紅衛車站約1.5km處），經過騰格里沙漠路的路段長約21km，設計時速為100km/h，公路等級為雙向四車道高速公路，路基設計大部分路段為分離式路基，單幅行車道的寬度、硬路肩寬度和土路肩寬度總共13m，中央分隔帶寬16m。路基斷面簡化如圖1所示。

圖1 沙漠公路烏瑪高速公路路基斷面簡化圖

1.2 氣象數據采集

風沙運動與氣象因子以及周圍環境有著密切的關系，本文采用定點設立全自動氣象儀進行氣象數據采集。首先，在烏瑪高速公路騰格里沙漠區域選定研究區域，并架設全自動氣象儀，用于監測研究區域風速、風向和氣溫。1號氣象儀位于烏瑪高速ZK167+800m段；2號氣象儀位于烏瑪高速ZK176+00m路段，兩臺氣象儀相距約8km，均設立在流動沙丘上，主要采集數據為空氣溫度、50cm處和150cm處的平均風速和瞬時最大風速，每隔1min進行數據采集，時間從2019年12月—2020年6月。由于1號儀器數據丟失，本文僅統計2號儀器的數據。數據結果表示，冬季平均溫度為-14℃、夏季平均溫度為25℃，春秋季平均溫度為12℃；50cm處平均風速為4m/s，瞬時最大風速為14m/s；150cm處平均風速為4m/s，瞬時最大風速為20m/s。

1.3 實地觀測

2020年7月，對烏瑪高速公路K160+00—K167+00段進行了道路積沙觀測，公路沿線實地考察積沙結果如表1所示。

表1 烏瑪高速公路觀測路段沙害情況

由觀測結果可知，積沙路段多為坡腳、中央分隔帶處，坡面會有少許積沙。

2 風沙數值模擬方法

風沙流場屬于多物理耦合流場，基于前人對風沙流場的研究，常采用數值模擬的方法對位于風沙地區的交通設施進行研究[5-7]。本文將采用Fluent軟件對不同邊坡沙漠高速公路進行氣流場分析。

2.1 數值模擬方法

計算區域填充為連續介質，是隨著時間變化而進行復雜氣相和沙相的兩相耦合運動，由于沙粒無太大能量傳遞，數值模擬過程中不考慮溫度的影響。同時，計算區域為大自然環境，氣流流動時，空氣不會產生太大的壓縮性，所以假設為不可壓縮氣流。計算域中每個網格都為求解域，求解過程中必須滿足質量守恒、動量守恒以及能量守恒。湍流模型考慮K-epsilon模型，而近壁面區域采用標準壁面函數來增加計算精度，流場計算采用歐拉多相流模型，時間積分采用二階隱式計算方法，求解器采用SIMPLE算法，湍流動能、動量等離散化問題均采用二階計算格式。計算殘差設立在10-6，收斂后可認為模擬結果準確[5]。

2.2 計算域及網格劃分

計算域的尺寸關系到數值模擬的精確性以及經濟性。根據前人的研究，數值模擬的計算域入口和出口邊界應距離模型不小于4倍路基模型高度的距離、上壁面距離也是如此。網格采用非結構化網格，近壁面設立5層膨脹層。

2.3 計算參數及邊界設置

經現場實際調查，騰格里沙漠積沙主要在0.075～0.25mm[2]，故在Fluent中設定沙粒粒徑為0.1mm，沙粒密度為2 650kg·m-3，空氣密度為1.225kg·m-3，壓力設定成大氣壓，因為沙粒為稀相，故沙粒體積分數設置為0.1‰，初始沙粒濃度為0.03，一般在動力黏度和碰撞黏度計算設置都選用Gidaspow模型，摩擦黏度計算設置選擇Schaeffer方式，沙床最大堆積率為0.63，碰撞恢復系數為0.9[5-7]。入口邊界設置為速度入口，出口邊界設置為壓力出口、下壁面設置為壁面邊界，上邊界及左右邊界設置為對稱類邊界。

3 沙漠高速公路坡度風沙流場分析

根據《公路路基設計規范》（JTG D30—2015）以及地方標準《內蒙古地區沙漠公路勘測設計規范》（DB 15/T 939—2015）中對于沙漠高速公路的邊坡設計要求，路基邊坡坡度應緩于1∶3[8-9]。本文采用烏瑪高速公路的路基尺寸，針對邊坡1∶3,1∶4,1∶5三種路基進行風沙流仿真模擬。

3.1 模型建立

路基模型建立有3種工況。工況1：設立填筑高度為8m，邊坡坡度為1∶3；工況2設立填筑高度為8m，邊坡坡度為1∶4的路基；工況3設立填筑高度為8m，邊坡坡度1∶5的路基。初速度為14m/s，其余設置參照第二節。路基模型示意圖以工況2為例（見圖2）。

圖2 邊坡1∶4填方路基模型

3.2 氣流場特征分析

（1）氣流場運動特征

氣流和沙粒以14m/s的初始速度從流場左側平行于地表流入，路基的氣流場速度分布如圖3所示。從圖3可以看出：氣流遇到路基體后，其運動方向發生改變，在迎風側坡腳位置、路面、中央分隔帶表面及背風側坡腳、坡面風速都逐漸減小，坡腳處風速最小。背風側坡腳風速減小的程度要遠大于迎風側坡腳。受邊坡角度的影響，風速沿坡面逐漸增加，在迎風側路肩上方處風速達到最大，在路面有所下降，從中央分隔帶過后風速再次提升至最大。氣流經過路基體后，氣流的速度和方向又逐漸下降恢復到初始風速，繼續向前流動。整個氣流沿路基迎風側坡腳至背風側坡腳呈“上升-下降-上升”的趨勢，通過對不同邊坡路面在相同風速作用下氣流場的速度云圖對比，不同邊坡路面風沙流場的運動特征基本一致。

圖3 邊坡1∶3路基表面氣流場速度云圖

（2）氣流場速度分布特征

氣流場速度大小會造成不同大小的氣壓與風壓，是造成路基吹蝕和車輛側翻的主要影響因素，所以研究路面周圍氣流場速度分布特征對探明沙害形成機理具有重要意義。

從圖3可看出，在路肩和迎風坡上游處存在著大量的高速度空氣顆粒，路肩存在著集流效應，導致速度突然增加，坡腳到坡肩處速度緩慢上升。模擬結果關鍵位置速度如表2所示。由表2可知，坡度為1∶3時坡腳處風速最小，路肩、路基表面和中央分隔帶的速度相對其余邊坡更大，坡面速度增長更快。坡度為1∶5的路基，坡腳處速度最大，路肩、路面和中央分隔帶的速度相對其余邊坡路基更小，坡面速度增長最慢。邊坡1∶3的路基相對于邊坡1∶4和邊坡1∶5的路基在坡腳處風速降低了12%和15%，坡肩速度增加了4.5%和9%，路基表面增加了7.3%和10.5%，中央分隔帶表面增加了6.3%和8.3%；邊坡1∶4的路基相對于邊坡1∶5的路基在坡腳處風速相對降低了3.8%，路肩速度增加了4.3%，路基表面增加了3%，中央分隔帶表面增加了2%。

表2 路基不同坡度不同關鍵位置速度 單位：m/s

綜上來看，坡度越陡，坡腳處速度降得越快，坡肩路基表面、中央分隔帶的速度增加幅度越大。

3.3 沙流場特征分析

（1）沙粒速度分布特征

沙粒速度大小會產生不同程度的沖擊力，是造成路基風蝕的主要原因。如圖4所示，路肩處沙粒速度最大，路面其次，當風速過大時，這兩處位置會產生較嚴重的風蝕。

圖4 邊坡1∶3路基表面沙粒速度云圖

如表3所示，工況1相對于工況2和工況3坡腳沙粒速度下降11.9%和22.1%，路肩沙粒速度增長5.6%和8.6%，路面沙粒速度增長6.5%和9.8%，中央分隔帶處增長5.9%和8.7%；工況2相對于工況3，坡腳沙粒速度下降7.7%，路肩處增速2.9%，路面增速3%，中央分隔帶處增速2.7%。模擬數據表明，坡度越大，沙粒對路基坡腳產生的風蝕效果會越來越??；路肩、路基表面和中央分隔帶風蝕情況越來越嚴重。

表3 不同坡度路基關鍵沙粒速度 單位：m/s

（2）沙粒體積分數分布特征

沙粒體積分數會體現該路況所含沙粒的數量級，數量過多將會造成沙埋等沙害。如圖5所示，沙粒主要將會在迎風側與背風側的坡腳處和中央分隔帶堆積，迎風側和背風側坡面及路面會有少許沙粒。因初始濃度為0.03，沙粒沉積量在10-3%變化，對不同位置沙粒體積分數變化情況計算如表4所示。從表4中可以看出，工況1相對于工況2和工況3，坡腳沙粒體積濃度變化增加10-3%和2×10-3%，迎風側坡面增加了3×10-3%和1×10-3%，路肩減少了大部分沙粒，路面減少了3×10-3%和5×10-3%，中央分隔帶左側增加了3×10-3%和1×10-3%，中央分隔帶右側增加了4×10-3%和7×10-3%，路面幾乎沒變化，背風側坡面增加了1×10-3%和4×10-3%，坡腳增加了1×10-3%和2×10-3%。

表4 路基不同坡度不同關鍵位置沙粒體積分數變化 單位：1×10-3%

圖5 不同邊坡坡度1∶3（A）1∶4（B）1∶5（C）的路基沙粒體積分數

綜上來看，當坡度越陡，迎風側和背風側坡面和坡腳積沙情況加劇，迎風側路面積沙程度消減，中央分隔帶積沙量會越來越多，特別是近背風側中央斷層處會出現大量積沙。

4 結論

本文利用Fluent軟件進行數值模擬，以烏瑪高速公路模型為原型，結合騰格里沙漠氣象環境參數，對不同坡度路基風沙流場速度和積沙特征進行了模擬分析，最終得到如下結論：

（1）風速不變的情況下，只改變坡度不會影響周圍風沙流場運動特征。

（2）當坡度由1∶5變成1∶3時，坡度越陡，風速與沙粒速度下降越快，風蝕與吹蝕沙害情況下降，路肩、路基表面和中央分隔帶沙粒速度將會增大，也更容易出現風蝕等沙害現象。應當在坡肩處對吹蝕這種沙害進行防護。

（3）當坡度由1∶5變成1∶3時，坡度越陡，坡腳處積沙率增加，迎風側和背風側坡面積沙也會增加，中央分隔帶積沙增多，近背風側中央分隔帶處會出現大量積沙，這些位置相對更容易出現沙埋等現象。但在迎風側路面積沙會有所下降，迎風側坡面在邊坡1∶4的路基積沙最小。