鐵路高架橋對局地風動力的影響
——以敦格鐵路沙山溝為例

薛承杰， 張克存， 安志山,2， 張宏雪， 潘加朋

(1.中國科學院西北生態環境資源研究院敦煌戈壁荒漠生態與環境研究站，甘肅 敦煌 736200；2.中國科學院西北生態環境資源研究院沙漠與沙漠化重點實驗室，甘肅 蘭州 730000；3.中國科學院大學，北京 100049）

敦煌-格爾木鐵路（簡稱敦格鐵路）是南連青藏鐵路、北接蘭新高鐵、西達庫格鐵路的重要樞紐，對于擴大和完善西北鐵路網、促進沿線地區及西藏經濟發展和社會進步具有重要意義［1］。該路段全長約508 km，途經沙山溝路段長度約12.90 km。

沙山溝是阿爾金山的泄洪通道，整體呈“U”形寬谷。溝內地形相對平坦，溝谷兩側分布有大片低矮的流動沙丘及高大復合型沙丘，沙源物質豐富。其主要的沙丘類型有復合型新月形沙丘鏈、鏈狀沙丘、格狀沙丘及金字塔沙丘，沙丘高度普遍在10～150 m 之間。沙山溝區域內旱風同季，風動力條件也較為充足。為了更加安全的穿越沙山溝流動沙丘路段，鐵路建設者采取“以橋代路”的方式加以解決?！耙詷虼贰钡姆绞皆谖鞅鄙衬貐^的鐵路、公路修建中應用較為普遍，沙區高架橋盡可能地保證了輸沙通道的順暢，同時對當地原有生態環境也起到了很好的保護作用。但由于高架橋周邊沙粒大量堆積且流動沙丘不斷地前移，鐵路高架橋也存在風蝕、沙埋的潛在隱患［2-5］。

本文根據沙山溝特大橋東西兩側野外實測風況、集沙儀數據，針對沙山溝特大橋的風沙動力環境特點加以研究分析，并模擬流動沙丘前移對高架橋兩側流場分布的影響，以揭示高架橋兩側的風沙活動規律，為鐵路沙害的監測與防治提供一定的理論依據。

1 資料來源及研究方法

研究資料源于2019 年12 月至2020 年12 月期間，在距高架橋東西兩側各30 m 處布設的HOBO 自動氣象儀所獲取的風速與風向觀測資料及集沙儀獲取的積沙數據。HOBO 自動氣象儀記錄數據為每10 min的平均值，觀測高度距離地面2 m（圖1）。

圖1 觀測實驗地點及儀器Fig.1 Observation experiment sites and instruments

本文在野外實測的基礎上借助歐拉雙流體模型，分別模擬了沙丘前緣距高架橋西側為30 m 和抵近梁底時的高架橋周圍流場分布特征，以此說明流動沙丘對于高架橋周圍流場的影響及潛在沙害問題。

輸沙勢是衡量該區域風沙活動強度的重要指標之一，表示潛在的輸沙能力，即反映風速統計中某一方向的風向在一定時間內的輸沙能力，在數值上以矢量單位VU 表示。目前，計算輸沙勢最廣泛的方法是Fryberger采用的萊托方程［6-7］。

式中：DP 為輸沙勢（矢量單位VU）；V為風速（m·s-1）；Vt為起動風速（m·s-1），起沙風速統一取5 m·s-1［8-10］；t為起沙風作用時間，在統計表中以頻率（%）表示。

按照16 個方向輸沙勢方向矢量疊加的方法得到合成方向稱為合成輸沙方向（RDD），表示輸沙凈走向。合成輸沙方向的輸沙量稱為合成輸沙勢（RDP），表示各種風向作用下的凈輸沙勢。合成輸沙勢與輸沙勢的比值稱為方向變率指數（RDP/DP），用來反映一個地區風向組合情況［11-12］，起沙風的方向變率越大，方向變率指數則越小。

2 結果與分析

2.1 平均風速與起沙風頻率

高架橋兩側平均風速與起沙風頻率變化趨勢基本一致，都呈現出先增大后減小的趨勢，5 月時兩者均達到最大值（圖2）。但由于受到高架橋的阻擋作用，高架橋東側平均風速及起沙風頻率均低于西側，高架橋東西兩側平均風速衰減比率普遍在25%以上。其中，5—8 月春、夏季節是高架橋兩側風速衰減最為強烈的時間段，此時段兩側的起沙風頻率、平均風速也均較高，說明風速越大，高架橋對于風力的削弱作用越強烈，橋梁西側遭受風蝕作用也進一步增強。

圖2 沙山溝特大橋東西側平均風速和起沙風頻率月際變化Fig.2 Monthly variation of mean wind speed and frequency of sand-driving wind on the east and west sides of Shashangou Bridge

2.2 起沙風況

起沙風向有助于認識高架橋兩側風沙運動的空間方向性。高架橋西側起沙風向多變，尤其以夏季表現最為強烈。高架橋西側全年以SSE、WNW、NE三個方向的起沙風為主，其三個主要風向的起沙風頻率占全年風頻分別為14.15%、6.01%、5.74%（圖3a）。高架橋東側全年起沙風向以NW、WNW、S 為主，三個主要風向的總起沙風頻率僅占全年風頻的2%（圖3b）。根據起沙風頻率數據對比可以發現，高架橋西側年起沙風頻率總體高于東側，即高架橋西側顯示出更易起沙的特點。

圖3 沙山溝特大橋東西側年起沙風頻率分布玫瑰圖Fig.3 Shashangou Bridge on the east and west side of the sand wind rose in the year

通過對高架橋兩側起沙風向的對比可以發現，5～6 m·s-1起沙風速在全年所占比例均最大。但高架橋東西兩側年起沙風向存在部分差異，其主要原因是高架橋兩側起沙風向受高架橋影響發生偏轉。高架橋西側來自NW 方向的氣流由于受到橋梁的阻擋，導致部分氣流偏轉為SE 風向，增大了SE 風向的比例，使得高架橋西側年起沙風向中SE風向頻率高于東側；高架橋東側來自SE方向的起沙風受到橋梁的阻礙作用偏轉為NW 方向，高架橋東側NW 方向的起沙風頻率增加。

在高架橋兩側起沙風向季節變化方面，高架橋兩側秋冬季起沙風向均以SE、S風為主，但在春夏季起沙風向存在差異。在春季時，橋梁西側NE 起沙風向所占比例偏大，而橋梁東側起沙風向主要以NW 方向為主。夏季時，橋梁西側起沙風向多變且WNW 起沙風向所占比重明顯增加，橋梁東側起沙風向較為單一，仍以NW起沙風為主。

2.3 輸沙勢

沙山溝特大橋西側全年輸沙勢為284.19 VU，屬于中等風能環境，合成輸沙勢為27.45 VU，合成輸沙風向為124°，方向變率指數為0.10，屬于小比率（圖4a）。在全年多風向風能環境中，來自NE 方向的風能占19.83%，來自WWN 方向和W 方向的風能分別占15.58%和11.44%，因此，沙山溝特大橋西側主要風能來自東北和西北，且東北居多。東北方向輸沙能力最強，尤其以春季時段9～10 m·s-1風速輸沙勢最大（圖5a）。在季節變化上，高架橋西側夏季輸沙勢最大，達到145.39 VU（圖5b）。春、夏季節風向變率指數偏小，即風向變化較多。秋冬季節風向變率指數屬于中比率，風向相對較為單一，主要以SE、S風向為主。秋冬季節WNW方向輸沙能力雖然也普遍較強，其中在7～8 m·s-1風速條件下輸沙能力最強（圖5c），但冬季時SSE 方向和S 方向輸沙能力也逐漸增強，分別在5～6 m·s-1和8～9 m·s-1風速時達到最大輸沙（圖5d）。

圖4 沙山溝特大橋東西側年輸沙勢Fig.4 Annual sediment transport potential on the east and west sides of Shashangou Bridge

圖5 沙山溝特大橋西側各季節輸沙勢Fig.5 Sediment transport potential in different seasons on the west side of Shashangou Bridge

沙山溝特大橋東側年輸沙勢為31.24 VU，屬于低風能環境，合成輸沙勢為8.97 VU，合成輸沙風向為91°，方向變率指數為0.29，屬于中比率（圖4b），方向變率指數相對于高架橋西側偏大，風向相對單一。在季節變化上，高架橋東側夏季時輸沙勢也達到最大，為13.78 VU。在多風向風能環境中，來自NW 方向的風能占21.77%，來自S 方向和WNW 方向的風能分別占14.88%和12.65%，因此，沙山溝特大橋東側主要風能來自西北和偏南方向，且西北方向居多。春季方向變率指數較小，指示風向多變，且春季S 方向輸沙能力最強，尤其以6～7 m·s-1風速時輸沙勢最大（圖6a）。夏、秋、冬三個季節的風向變率指數屬于中比率，其中，夏季時方向變率指數最大，指示風向相對較為單一。夏季主要以WN 和WNW 風向為主且WNW 方向輸沙能力較強，其中，在7～8 m·s-1風速條件下輸沙能力最強（圖6b）。秋、冬季節輸沙勢最小，但同樣顯示出S 及SSE 風向輸沙作用增強的趨勢，尤其是7～8 m·s-1風速時輸沙作用最為強烈（圖6c、圖6d）。

圖6 沙山溝特大橋東側各季節輸沙勢Fig.6 Sediment transport potential in different seasons on the east side of Shashangou Bridge

高架橋兩側年合成輸沙方向均以E 為主，這與高架橋周圍風沙流實際運動方向較為一致，但兩側不同季節的合成輸沙方向略有不同。高架橋西側春季時的合成輸沙方向為SSW，其他季節合成輸沙方向大致均為E；高架橋東側冬季時的合成輸沙方向為W，而春、夏、秋三個季節的合成輸沙方向大致均為E。結合高架橋兩側的起沙風分布情況，春季時，橋梁西側沙?？傮w往SW 方向聚集，橋梁東側沙?？傮w往E方向運動，橋底架空區域不易積沙；冬季時，沙粒向橋底架空區域靠攏，積沙可能性增大。

3 高架橋兩側流場分布特征

研究區橋底凈空高度約11 m，橋面寬度為5.5 m，橋面厚度約0.5 m，橋梁底部寬2.5 m，橋梁外觀結構屬于T 型梁。高架橋周邊流動沙丘分布廣泛，流動沙丘距高架橋水平距離約30 m，沙丘高度近10 m，沙丘底部寬度約60 m。根據前人對該區域風速廓線的研究［5］，該區域摩阻風速u*選定為0.37 m·s-1，粗糙度系數Z0為0.095 cm，卡曼常數k取0.4。結合前文高架橋東西兩側風動力環境特點，本文選取單一正交風向條件下，流動沙丘背風側，即高架橋兩側流場分布特征進行數值模擬研究［13-15］。

由于風沙流在運動過程中主要受到水平和垂直兩個方向的作用力，因此，采用二維模型進行模擬分析。本文為了更好地與高架橋周圍實際流場及積沙情況相吻合，按1:1 比例進行高架橋幾何建模。其計算域尺寸為195.5 m×30 m，該計算域可以保證湍流充分發展（圖7）。計算域左側邊界為風沙兩相流的入口，定義為速度進口邊界條件（VELOCITY_INLET）；右側為風沙流出口邊界，定義為湍流完全發展出流邊界條件（OUT_FLOW）；沙丘表面及地面定義為無滑移壁面（WALL），計算域頂部采用對稱邊界條件（SYMMETRY）；介質類型為FLUID。網格劃分類型采用四邊形網格和三角形網格混合的形式（Quad/Tri），劃分方法采用Pave 法，即將區域劃分為非結構性網格。入口處風速隨高程分布符合對數分布規律，滿足如下公式：

圖7 計算域Fig.7 Computing domain

式中：u為入口處不同高度處風速（m·s-1）；u*為摩阻風速，本文取值為0.37 m·s-1；k為卡曼常數，一般取值為0.4；Z代表不同風速對應的距離地面垂直高度（cm）；Z0代表粗糙度系數，本文取值為0.095 cm；入口處湍流強度設置為5%，入口處沙粒相體積分數為0.02[16-18]。

風沙流在流經高架橋時，由于橋洞的導流作用加之受到橋洞底部“狹管效應”的影響［19-22］，橋底凈空區域會形成加速區，其最大風速約為14 m·s-1，因此，橋底凈空區域具有較強的輸沙能力（圖8a）。但由于沙丘背風側為風速減速區，風速遠低于起沙風速，大量沙粒在越過沙丘之后逐漸堆積在沙丘前緣，容易造成橋洞堵塞，影響輸沙（圖8b）；隨著沙丘的前移，橋面風速也逐漸降低導致橋面低速區范圍擴大，橋面易出現積沙現象；同時，由于受到高架橋的阻礙作用，在高架橋兩側附近也分別會形成減速區，但范圍存在差異。高架橋迎風側減速區范圍受沙丘前移影響程度較小，約0.5 m左右。高架橋背風側減速區范圍隨沙丘的移動從10 m擴展到30 m，渦流區范圍變大，背風側風速降低程度更加明顯，渦流導致風沙上軌的可能性也進一步變大［23-25］。

圖8 高架橋兩側流場分布Fig.8 Flow field distribution on both sides of viaduct

結合高架橋周圍分布有大量新月形沙丘及鏈狀沙丘的地形特點，沙丘的前移運動對于鐵路高架橋導風、輸沙存在潛在威脅。鑒于此，需要有針對性的在流動沙丘前緣布置阻沙柵欄、阻沙網、草方格沙障等阻沙措施［26-30］，并做好流動沙丘動態變化監測工作。

4 討論

沙山溝特大橋路段屬于干旱荒漠氣候區，秋冬季節相對濕度整體高于春夏季節，導致秋冬季節地表沙層含水量相對偏大，起沙風風速變大，同時秋冬季節平均風速偏小，導致秋冬季節起沙風頻率較低。相反春夏季時段，氣溫偏高、蒸發量大，沙層含水量較小，起沙風速減小的同時平均風速又偏大，導致起沙風頻率相對偏高（圖9）。這與大橋兩側輸沙勢計算在春夏季時段較高的結果相一致。

圖9 沙山溝特大橋相對濕度和溫度月際變化Fig.9 Monthly variation of relative humidity and temperature of Shashangou Bridge

沙山溝特大橋兩側NW、W 方向的輸沙勢及輸沙通量均較大，即高架橋NW 方向輸沙能力較強，潛在沙害威脅也較大（圖10）。原因是鐵路高架橋西側毗鄰庫姆塔格沙漠，流動沙丘分布廣泛，沙源極為豐富。同時，鐵路高架橋西側夏季多西北風且夏季起沙風頻率較大，空氣濕度較低即“風旱同期”，為地表風蝕及風沙活動提供了較為充足的動力條件［30-33］。

圖10 沙山溝特大橋兩側輸沙通量Fig.10 Annual sediment transport quantity and flux of Shashangou Bridge

風速的增加也使得流動沙丘前移速率增大，高架橋周圍流場發生變化即高架橋周圍低速區、渦流區范圍變大，易造成橋底沙粒沉積、橋面風沙上軌，嚴重時影響行車安全。根據風沙流的時空分布特點，夏季時段是高架橋西側沙害高發期。

5 結論

（1）沙山溝特大橋兩側春夏季起沙風向均以NW、WNW 風向為主，秋冬季節時起沙風向以SSE、S風向為主。兩側的風季都主要集中于夏季，且夏季時段大橋兩側都存在較強的輸沙勢及輸沙通量且以NW 方向為主。由于大橋西側毗鄰庫姆塔格沙漠，沙源極為豐富，且西側的平均風速、起沙風頻率也均高于東側，導致大橋西側更易起沙，潛在沙害威脅較大。

（2）結合沙山溝特大橋周邊風動力環境及流場分布特征，借助數值模擬分析可以得出，隨時間推移，沙粒會大量在沙丘前緣堆積并逐漸向高架橋靠近，前移的流動沙丘易造成橋洞通風不暢及風沙上軌。因此，對于周邊流動沙丘應鋪設草方格、阻沙柵欄，鐵路高架橋沿線宜設置擋沙墻等防護措施，并監測流動沙丘動態變化。