1、文章编号：1673-0291（2023）01-0054-11DOI：10.11860/j.issn.1673-0291.20210170第 47 卷 第 1 期2023 年 2 月Vol.47 No.1Feb.2023北京交通大学学报JOURNAL OF BEIJING JIAOTONG UNIVERSITY风吹雪积雪分布特征和铁路路基形式相关性研究丁录胜 1，白明洲 2，李鹏翔 2（1.新疆铁道勘察设计院 地质路基设计分处，乌鲁木齐 830011；2.北京交通大学 土木建筑工程学院,北京 100044）摘要：风吹雪现象会导致积雪的重分布，减少交通线路内的积雪对维护交通安全具有重要意义.本文基
2、于铁路全线的风吹雪现象调查，采用欧拉多相流模型对不同铁路路堑形式的风雪场分布特征进行分析，并设计正交试验针对不同路基形式对积雪量的影响程度进行分析.研究结果表明：风吹雪作用下，流速与雪深的变化趋势呈现负相关，路堤路基面会使流场加速减小雪量，路堑路基面会减弱流速增加积雪.路基结构形式的改变主要影响路基断面过流尺寸和路基内流速分布，其中路堑深度是影响轨道结构区域沉积雪量的主要因素.当路堑深度增加时，路基边坡和积雪平台可以更显著地发挥承载积雪的作用；放缓路堑边坡以及增加积雪平台宽度可以减缓路堑结构对风场的影响.关键词：铁路路基；风吹雪；数值模拟；流场分布；积雪量；因素分析中图分类号：U216.41
3、文献标志码：ACorrelation analysis of snow distribution characteristics and railway subgrade form under snowdrift conditionsDING Lusheng1,BAI Mingzhou2,LI Pengxiang2（1.Geological subgrade design Branch,Xinjiang Railway Survey and Design Institute,Urumqi 830011，China；2.School of Civil Engineering,Beijing Ji
4、aotong University,Beijing 100044，China）Abstract:Snowdrift causes snow redistribution and can lead to hazardous conditions on transportation routes.This study aims to reduce the amount of snow on railway lines by investigating the snowdrift along the entire railway line using an Euler multiphase flow
5、 model.The distributional characteristics of wind and snow field are analyzed with different railway subgrade forms,and an orthogonal test is designed to analyze the influence of subgrade forms on snow distribution.Results show that the velocity is inversely correlated with the trend of snow depth v
6、ariation during snowdrift.Furthermore,the subgrade surface of embankment accelerates the flow field and reduces the amount of snow,while the subgrade surface of cutting weakens the velocity and increases snow accumulation.The change of subgrade form mainly affects the cross-sectional size and veloci
7、ty distribution,with cutting depth being the main factor affecting the snow amount deposited in the track structure area.Increasing cutting depth enhances the role of cutting slopes and snow platforms in carrying deposition snow,while reduc收稿日期：2021-10-21；修回日期：2022-04-13基金项目：国家自然科学基金（42172311）Founda
8、tion item:National Natural Science Foundation of China（42172311）第一作者：丁录胜（1965），男，甘肃天水人，高级工程师.研究方向为铁路路基设计及交通地质环境优化.email：.引用格式：丁录胜，白明洲，李鹏翔.风吹雪积雪分布特征和铁路路基形式相关性研究 J.北京交通大学学报，2023，47（1）：54-64.DING Lusheng，BAI Mingzhou，LI Pengxiang.Correlation analysis of snow distribution characteristics and railway sub
9、grade form under snowdrift conditions J.Journal of Beijing Jiaotong University，2023，47（1）：54-64.（in Chinese）丁录胜等：风吹雪积雪分布特征和铁路路基形式相关性研究第 1 期ing slope and increasing the width of snow platform can mitigate the impact of subgrade structure on the wind field.Keywords:railway subgrade；snowdrift；numerical
10、 simulation；flow distribution；snow deposited amount；factor analysis风吹雪是雪粒在气流作用下产生蠕移、跃移和悬移的一种自然现象，在遇到障碍物时易产生积雪沉积1.风吹雪作用受气候环境、地形地貌、路基结构型式等诸多因素影响，修建铁路工程会改变自然环境的地形地貌，使得交通线路受到风吹雪现象的影响，并在严重时产生灾害，铁路路基形式是影响风吹雪运动的重要因素之一2-3.现场监测作为一种直接有效获取风雪流特征的方法被较多应用在雪粒性质4、雪粒起动条件5、运动特征6等理论模型的研究，而铁路线路通常延伸较长，且线路所经风吹雪区域通常为高寒无人地
11、带，以现场监测数据为基础，采用数值模拟是目前最常见用来获取积雪分布信息的方法之一7-8.利用数值模拟可以对雪粒的受力机制及起动条件进行分析，研究雪粒的运动特征与颗粒性质、环境条件之间的关系9-10.相较于风吹雪现象的理论研究，数值计算起步更晚.在近年来风吹雪数值模拟模型的建立与完善的基础上11，现阶段数值模拟研究通常针对风吹雪对特定结构物的影响，包括阶梯屋面、建筑物（柱体）风雪绕流下的积雪堆积，屋面雪荷载不平衡等结构物体，从物体几何形式与积雪堆积特征、结构物雪荷载受力分析等方面开展12-14.现有研究主要为总结不同路基结构形式对流场的影响，从流场变化的角度分析积雪重分布的特征.风吹雪作为复杂多
12、相流体，采用单向流场无法准确描述积雪分布的变化.由于湍流现象的复杂性和模型的不完善性，目前诸多学者也致力于完善风雪多相流与颗粒流计算 模 型，包 括 基 于k-的 湍 流 模 型、大 涡 模 型、Eulerian-Eulerian、Eulerian-Lagrange等15-17.在交通工程领域的风吹雪相关研究中，胡朋等18利用 Fluent软件对公路区域的防雪栅栏等风吹雪灾害防治技术进行了分析，得到了栅栏结构形式和阻雪能力的关系；王向阳19运用 Ansys 模拟路堤的风速场，得到了不同路堤参数与入射风速对路堤断面风速场的影响；虽然增加路堤高度可以增大路堤面风速，减轻路面的风吹雪灾害，但由于铁路
13、工程受制于线路线型难以像公路工程那样灵活改线并绕避风吹雪灾害易发区域，因此铁路工程面临的风吹雪现象和灾害问题更为突出20-21.目前交通领域的风吹雪灾害防治思路主要为改变流向，建立路基外的附属防护设施达到减少路基区域积雪的目的.但由于雪粒运动不仅受到流场的影响，与沿线的环境条件也存在较大关系，如地面坡度不同也会影响防雪措施的作用效果22，目前较多研究主要针对防护措施的不同结构参数、不同布置形式对风雪特征分布的影响展开23-24，而路基工程作为改变地形，引发风吹雪沉积的直接因素则研究相对较少.由于结构形式的差异，已有公路工程领域关于对建筑物风雪绕流、风雪荷载的分布分析并不能很好地适用于铁路工程领
14、域.基于此，本文基于现场测量分析了铁路路基区域的风吹雪积雪特征，并采用计算流体力学方法建立三维模型，结合流场特征和雪量变化的角度对不同路基形式下的风雪场分布进行了研究，并采用正交试验对影响轨道结构区域雪量的各因素进行了分析.1 铁路区域风吹雪积雪特征1.1 线路概况新建阿（勒泰）富（蕴）铁路位于中国新疆维吾尔自治区阿勒泰地区境内，自西北向东南经过阿勒泰市、福海县和富蕴县.线路为单线非电气化铁路，全长 154.5 km，位于欧亚大陆腹地，属中温带大陆性气候区，总地势北高南低，海拔高程 660940 m.地形总体平坦、开阔，局部略有起伏，沿线植被稀少，且以低矮杂草为主，山坡较为平缓，丘间平原发育.
15、线路北部的阿尔泰山阻挡了北冰洋和大西洋吹来的湿润空气，该地区气候干燥，冬季漫长且严寒，降雪量大且积雪时间长.沿线极端最低气温46.0，年平均风速 2.95 m/s，最大瞬时风速 22.1 m/s，年平均八级以上大风日数 19.8 d，最大积雪深度可达940 mm.1.2 路堤段风雪特征铁路沿线路堤积雪情况如图 1 所示，可以看出该区域受风吹雪现象影响明显，在路基边坡与路面处出现垂直于线路方向的“雪流线”，说明该处主要风向垂直于线路，雪粒在风场作用下向路基处运动.根据全线调查与实际降雪情况，选取现场高度分别为 2 m 和 4.6 m 的路堤进行风速和雪深测量，两段路堤的边坡坡比均为 1 1.75
16、.55北京交通大学学报第 47 卷图 2 为路堤处风速分布图，图 2 中测点位置距床面 2 m 高.以 2017 年 12 月风速分布为例，2 m 高路堤区域的来流风速为 5.5 m/s，在路基迎风坡坡脚处风速衰减至 4.1 m/s；顺着迎风坡向上，在迎风坡路肩、路基面中心和背风坡路肩风速分别为 6.2、6.8和 4.6 m/s，相对来流风速增大，在背风坡坡脚风速则再次衰减至 4.1 m/s.图 3 为路堤处雪深分布图.在 2017 年 12 月时，2 m 高路堤区域的当地降雪厚度为 13 cm 左右，在路堤坡脚处雪深增加至 21 cm；迎风坡路肩、路基面中心和背风坡路肩雪深分别为 7、7.5 和 8 cm，路基面上雪深小于当地自然降雪深度；背风坡坡脚处积雪则达到了 25 cm.4.6 m 高路堤的流场和积雪分布变化趋势与2 m 高路堤基本一致，路堤段流速变化呈现“n”形分布，雪深呈现“u”形分布.高度较大的路堤两侧流速变化更为显著，迎风侧坡脚流速衰减更为明显，雪粒也更多地沉积于此；路基面流速的增加较低路堤更为明显，路基面雪深也相对较低.可以看出随着路堤高度增加，路基面上的风速增大，积
