侯全德

1 概況

新建蘭新鐵路第二雙線經(jīng)由甘肅、青海、新疆三省區(qū),正線全長(zhǎng)1776 km;本線的最大特點(diǎn)是:線路要穿越甘肅境內(nèi)安西風(fēng)區(qū)和新疆境內(nèi)的煙墩風(fēng)區(qū)、百里風(fēng)區(qū)、三十里風(fēng)區(qū)、達(dá)坂城風(fēng)區(qū)五大風(fēng)區(qū)。

根據(jù)既有蘭新鐵路的運(yùn)營(yíng)經(jīng)驗(yàn),大風(fēng)對(duì)鐵路的危害主要表現(xiàn)為:橫風(fēng)作用下的列車傾覆、軌道積沙、沙石擊碎玻璃、接觸網(wǎng)受流不穩(wěn)、列車停運(yùn)、限速天數(shù)多等問(wèn)題,嚴(yán)重影響鐵路運(yùn)營(yíng)安全。為了保證新建蘭新鐵路第二雙線的行車安全及大風(fēng)環(huán)境下正常運(yùn)營(yíng),大風(fēng)區(qū)防風(fēng)工程的研究與設(shè)置顯得尤為重要。

2 沿線大風(fēng)特征及工程分區(qū)

2.1 沿線大風(fēng)的主要特征

風(fēng)速高;風(fēng)期長(zhǎng);季節(jié)性強(qiáng);風(fēng)向穩(wěn)定;起風(fēng)速度快。

2.2 大風(fēng)區(qū)防風(fēng)工程分區(qū)

通過(guò)沿線布設(shè)觀測(cè)點(diǎn),試驗(yàn)、研究、綜合考慮各測(cè)風(fēng)站點(diǎn)最大風(fēng)速、極大風(fēng)速、2 min平均最大風(fēng)速風(fēng)力、頻率、風(fēng)向及與風(fēng)向線路交角等氣象條件,考慮風(fēng)蝕地形地貌特征、地表顆粒大小、植被情況、既有鐵路、公路對(duì)應(yīng)段落風(fēng)害情況,沿線大氣環(huán)流特征及風(fēng)蝕影像(衛(wèi)星、航片)特征等地質(zhì)學(xué)條件,考慮線路高度、工程類型等工程條件,對(duì)大風(fēng)區(qū)進(jìn)行設(shè)計(jì)工程分區(qū)如下:

Ⅰ區(qū)(大風(fēng)極少區(qū)):極大風(fēng)速小于25 m/s,且大于20 m/s,大風(fēng)出現(xiàn)頻率小于5%;地形平緩不利大風(fēng)形成、地面以砂土為主,植被良好;線路高度小于20 m;既有鐵路、公路沒(méi)有發(fā)生過(guò)大的風(fēng)害。

Ⅱ區(qū)(大風(fēng)低發(fā)區(qū)):極大風(fēng)速小于 30 m/s且大于25 m/s或極大風(fēng)速大于30 m/s,出現(xiàn)頻率不大于3%;地形平緩不利大風(fēng)形成、地面以細(xì)顆粒為主、植被一般;線路高度小于20 m;既有鐵路、公路沒(méi)有發(fā)生過(guò)影響鐵路運(yùn)營(yíng)的風(fēng)害。

Ⅲ區(qū)(大風(fēng)一般區(qū)):極大風(fēng)速大于30 m/s,出現(xiàn)頻率小于5%而大于3%;地形起伏、地面以礫石土為主、植被一般。部分線路高度大于20 m;大風(fēng)風(fēng)向與線路呈35°～65°交角;既有鐵路、公路段風(fēng)害偶有發(fā)生。

Ⅳ區(qū)(大風(fēng)易發(fā)區(qū)):極大風(fēng)速大于30 m/s且出現(xiàn)頻率大于5%而小于10%;地形起伏、地面以碎石土為主且部分膠結(jié)、少植被。部分線路高度大于20 m;大風(fēng)風(fēng)向與線路呈 35°～65°交角,最大風(fēng)速、極大風(fēng)速、2 min平均最大風(fēng)速三種風(fēng)速相關(guān)性差;既有線對(duì)應(yīng)段易發(fā)生風(fēng)害;既有鐵路、公路運(yùn)營(yíng)受風(fēng)害影響較大的段落。

Ⅴ區(qū)(大風(fēng)頻繁區(qū)):極大風(fēng)速大于30 m/s且出現(xiàn)頻率大于10%;地形起伏、地面以碎(塊)石土為主且膠結(jié)、風(fēng)蝕特征明顯,少植被;部分線路高度大于20 m;大風(fēng)風(fēng)向與線路呈大角度相交,最大風(fēng)速、極大風(fēng)速、2 min平均最大風(fēng)速三種風(fēng)速相關(guān)性良好;既有鐵路、公路相對(duì)應(yīng)段出現(xiàn)過(guò)重大風(fēng)害事故。

3 防風(fēng)工程研究及研究的主要成果

3.1 路基防風(fēng)工程研究主要內(nèi)容

1)通過(guò)數(shù)值模擬分析及風(fēng)洞試驗(yàn)進(jìn)行路基防風(fēng)結(jié)構(gòu)的研究;2)通過(guò)數(shù)值模擬分析、風(fēng)洞試驗(yàn)及室內(nèi)模型實(shí)驗(yàn),進(jìn)行防風(fēng)明洞的研究;3)通過(guò)對(duì)沿線大風(fēng)環(huán)境及擬采用的防風(fēng)結(jié)構(gòu)研究的基礎(chǔ)上,進(jìn)行防風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)的研究。

3.2 路基防風(fēng)工程研究初步成果

3.2.1 無(wú)防風(fēng)設(shè)施條件下列車氣動(dòng)性能研究

1)動(dòng)車組氣動(dòng)力計(jì)算結(jié)果:無(wú)防風(fēng)設(shè)施條件下,動(dòng)車組以不同速度運(yùn)行于不同高度路基上時(shí),動(dòng)車組所受的傾覆力矩隨路基高度變化規(guī)律一致,頭車傾覆力矩最大,中間車其次,尾車最小;隨著列車運(yùn)行速度的增加,列車所受到的傾覆力矩逐漸增大;一線和二線上運(yùn)行的動(dòng)車組傾覆力矩相差不大,且均隨著路基高度的增加而增大;相同運(yùn)行條件下,傾覆力矩隨著風(fēng)速的增大而增大。

2)接觸網(wǎng)位置風(fēng)速計(jì)算結(jié)果:無(wú)防風(fēng)設(shè)施條件下,動(dòng)車組無(wú)論運(yùn)行于一線或是二線,接觸網(wǎng)高度的橫向風(fēng)速均隨著風(fēng)速的增大而增大;相同環(huán)境風(fēng)速下,接觸網(wǎng)高度的橫向風(fēng)速隨著路基高度的增加而增大,一線和二線接觸網(wǎng)位置橫向風(fēng)速相差不大,5.5 m高度的橫向風(fēng)速較6.9 m高度的橫向風(fēng)速大。

3.2.2 擋風(fēng)墻合理位置

平地上橫風(fēng)風(fēng)速為60 m/s、車速350 km/h時(shí),5.3 m,5.7 m,6.1 m 3種位置擋風(fēng)墻下,無(wú)論一線還是二線運(yùn)行的動(dòng)車組,其所受到的傾覆力矩均為頭車最小,中間車其次,尾車最大;當(dāng)擋風(fēng)墻位置為5.7 m時(shí),無(wú)論是在一線或是二線運(yùn)行,動(dòng)車組所受的氣動(dòng)力均最小,氣動(dòng)性能相對(duì)最好;此時(shí),接觸網(wǎng)位置的橫風(fēng)風(fēng)速也相對(duì)較小。擋風(fēng)墻的合理位置應(yīng)為距迎風(fēng)側(cè)線路中心5.7 m。

3.2.3 擋風(fēng)墻合理高度

研究動(dòng)車組在350 km/h速度運(yùn)行的條件下,綜合動(dòng)車組氣動(dòng)傾覆力矩和接觸網(wǎng)處的橫風(fēng)風(fēng)速的情況,得出下列結(jié)論:

1)路塹上擋風(fēng)墻合理高度。5 m深度路塹,擋風(fēng)墻高度為2.5 m(塹頂)時(shí),在環(huán)境風(fēng)不超過(guò)35 m/s條件下,動(dòng)車組可以安全運(yùn)行;2 m深度路塹,擋風(fēng)墻高度為3.5 m(塹頂)時(shí),在環(huán)境風(fēng)不超過(guò)35 m/s條件下,動(dòng)車組可以安全運(yùn)營(yíng)。2)平地?fù)躏L(fēng)墻合理高度。平地上,擋風(fēng)墻高度為2.5 m(軌面以上,下同)時(shí),環(huán)境風(fēng)速小于25 m/s條件下,動(dòng)車組可以安全運(yùn)營(yíng);擋風(fēng)墻高度為4.5 m～5.0 m,在環(huán)境風(fēng)速小于35 m/s條件下,動(dòng)車組可以安全運(yùn)營(yíng)。3)路堤上擋風(fēng)墻合理高度研究。3 m高度路堤上,擋風(fēng)墻的高度在3.5 m～4.0 m范圍內(nèi)、在環(huán)境風(fēng)速小于35 m/s條件下,動(dòng)車組可以安全運(yùn)營(yíng);5 m高度路堤上,擋風(fēng)墻的高度在4.0 m～4.5 m時(shí),在環(huán)境風(fēng)速小于25 m/s條件下,動(dòng)車組可以安全運(yùn)營(yíng);7 m高度路堤上,擋風(fēng)墻的高度在4.0 m時(shí),在環(huán)境風(fēng)速小于25 m/s條件下,動(dòng)車組可以安全運(yùn)營(yíng)。

3.2.4 防風(fēng)走廊風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)

環(huán)境風(fēng)速60 m/s時(shí),半封閉防風(fēng)走廊(實(shí)驗(yàn)方案)開(kāi)口處最大風(fēng)速僅為4.08 m/s,列車安全運(yùn)行沒(méi)有問(wèn)題。

4 防風(fēng)工程標(biāo)準(zhǔn)的選擇

本著“列車不停運(yùn)、少限速,工程經(jīng)濟(jì)、合理”的原則,結(jié)合蘭新鐵路第二雙線所經(jīng)百里風(fēng)區(qū)、三十里風(fēng)區(qū)風(fēng)速高,大風(fēng)天數(shù)多的特點(diǎn)以及運(yùn)營(yíng)預(yù)期目標(biāo),同時(shí)考慮到大風(fēng)區(qū)橋梁結(jié)構(gòu)在高速列車引發(fā)的氣動(dòng)力及外側(cè)大風(fēng)作用下的結(jié)構(gòu)受力的復(fù)雜性,以及接觸網(wǎng)在不同風(fēng)場(chǎng)環(huán)境內(nèi)弓網(wǎng)受流關(guān)系尚需進(jìn)一步試驗(yàn)研究,防風(fēng)工程擬按照以下速度目標(biāo)值進(jìn)行設(shè)計(jì)。

5 路基防風(fēng)工程的設(shè)計(jì)原則及防風(fēng)結(jié)構(gòu)

5.1 防風(fēng)工程設(shè)計(jì)原則

根據(jù)防風(fēng)技術(shù)研究的初步結(jié)論,結(jié)合風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)和動(dòng)模型實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù),路基防風(fēng)工程設(shè)計(jì)總體原則為:環(huán)境風(fēng)速小于25 m/s條件下重點(diǎn)解決沙害隱患,建立大風(fēng)預(yù)警系統(tǒng);環(huán)境風(fēng)速小于35 m/s且不小于25 m/s條件下采用擋風(fēng)墻結(jié)構(gòu),存在沙害地段輔以擋沙措施;環(huán)境風(fēng)速不小于35 m/s條件下采用半封閉防風(fēng)結(jié)構(gòu),環(huán)境風(fēng)速不小于35 m/s,沙害嚴(yán)重條件下采用封閉式防風(fēng)結(jié)構(gòu)。

5.2 防風(fēng)工程設(shè)置范圍

蘭新第二雙線防風(fēng)工程總長(zhǎng)約為290 km,其中路塹防風(fēng)工程段落共計(jì)25 km,路堤防風(fēng)工程段落共計(jì)263 km;防沙工程段落共計(jì)2 km。

5.3 路基防風(fēng)結(jié)構(gòu)

1)路基擋風(fēng)墻。a.懸臂式擋風(fēng)墻:路肩以上墻高3.5 m,2.5 m,設(shè)置于迎風(fēng)側(cè)路肩外側(cè)。支撐力臂采用懸臂式結(jié)構(gòu),力臂間設(shè)擋風(fēng)板。b.柱板式擋風(fēng)墻:路肩以上墻高5.5 m,5.0 m,4.5 m,設(shè)置于迎風(fēng)側(cè)路肩外側(cè)。支撐力臂采用埋入錨固樁結(jié)構(gòu),力臂間設(shè)擋風(fēng)板。2)路基防風(fēng)走廊。a.半封閉防風(fēng)走廊:采用網(wǎng)架結(jié)構(gòu),結(jié)合多軸向復(fù)合材料為主的半封閉結(jié)構(gòu),其下為低擋墻基礎(chǔ)。b.封閉式防風(fēng)走廊:采用網(wǎng)架結(jié)構(gòu),結(jié)合多軸向復(fù)合材料為主的全封閉結(jié)構(gòu),采用埋入式鉆孔樁基礎(chǔ)。3)擋沙墻。擋沙柵欄高1.5 m～2.0 m,原則上采用透風(fēng)式結(jié)構(gòu)。

[1]中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院有限公司.新建鐵路蘭州至烏魯木齊第二雙線可行性研究[Z].2009.

[2]中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院有限公司.新建鐵路蘭州至烏魯木齊第二雙線防風(fēng)工程初步設(shè)計(jì)[Z].2010.