劉宏昌

【摘要】本文圍繞著擋風(fēng)墻進(jìn)行探討，首先論述了擋風(fēng)墻的使用原理，以及擋風(fēng)墻在我國西部戈壁大風(fēng)區(qū)的使用現(xiàn)狀。隨后，本文結(jié)合具體的實(shí)例詳細(xì)分析了擋風(fēng)墻設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)形式選擇的要點(diǎn)。以期能夠?yàn)槲覈鴵躏L(fēng)墻的建設(shè)提供有價(jià)值的參考。

【關(guān)鍵詞】擋風(fēng)墻；設(shè)計(jì)；結(jié)構(gòu)形式

中圖分類號(hào)：S611 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

一、前言

擋風(fēng)墻建設(shè)之后，為我國大風(fēng)戈壁區(qū)的交通帶來了一道人工屏障，維護(hù)了我國的交通的穩(wěn)定運(yùn)行。但是，擋風(fēng)墻的建設(shè)必須要有科學(xué)的設(shè)計(jì)方案，所選擇的的結(jié)構(gòu)形式也必須要滿足交通建設(shè)的需要。因此，研究擋風(fēng)墻設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)形式很有必要。

二、擋風(fēng)墻的原理分析

通過以往的擋風(fēng)墻防風(fēng)氣動(dòng)性能研究表明，擋風(fēng)墻之所以有良好的保護(hù)列車安全運(yùn)行的作用，其原因在于外界橫向來流經(jīng)過擋風(fēng)墻后，擋風(fēng)墻后和列車的周圍流場(chǎng)結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，有利于提高車輛的傾覆穩(wěn)定性。其流場(chǎng)的改變主要有:

1、氣流經(jīng)過擋風(fēng)墻后流速大幅度降低。氣流繞過擋風(fēng)墻在頂部邊緣分離，形成很強(qiáng)的氣流剪切層，從而導(dǎo)致產(chǎn)生尾渦區(qū)，風(fēng)洞試驗(yàn)和實(shí)車試驗(yàn)表明，在尾渦區(qū)內(nèi)平均風(fēng)速較低，約為l0m高路肩處平均風(fēng)速的20%。

2、擋風(fēng)墻后車輛的壓力分布改變。以棚車為例，無擋風(fēng)墻時(shí)車體迎風(fēng)面為正壓，當(dāng)擋風(fēng)墻高度2. 4m時(shí)，棚車四個(gè)面均受到負(fù)壓作用，且各負(fù)壓有相互抵消的趨勢(shì)，傾覆力矩接近于零，使得車輛在擋風(fēng)墻后的氣動(dòng)性能大為改善，極大地提高了車輛穩(wěn)定性。

三、擋風(fēng)墻在我國西部使用現(xiàn)狀

我國西部新疆等的戈壁強(qiáng)風(fēng)區(qū)大風(fēng)活動(dòng)頻繁、風(fēng)速高、風(fēng)期長、季節(jié)性強(qiáng)、風(fēng)向穩(wěn)定、起風(fēng)速度快等特點(diǎn)。對(duì)鐵路有影響的典型風(fēng)區(qū)諸如阿拉山口風(fēng)區(qū)、百里風(fēng)區(qū)、三十里風(fēng)區(qū)，在百里風(fēng)區(qū)瞬時(shí)最大風(fēng)速可以達(dá)到 64 m/s。強(qiáng)風(fēng)地區(qū)的強(qiáng)風(fēng)空氣流運(yùn)動(dòng)對(duì)途經(jīng)該區(qū)的列車產(chǎn)生兩方面直接破壞作用，一方面強(qiáng)風(fēng)攜沙礫流擊破車窗、損壞車身甚至吹翻列車，另一方面強(qiáng)風(fēng)過境后，大量沙礫物質(zhì)沉落掩埋軌道，致使列車被迫停駛。因此，戈壁強(qiáng)風(fēng)地區(qū)區(qū)域內(nèi)的鐵路防風(fēng)安全與線路維護(hù)問題十分突出。以蘭新鐵路為例，全線經(jīng)過的強(qiáng)風(fēng)區(qū)距離為 525km，占蘭新線全長的 54% 。自通車以來，屢次發(fā)生列車被迫減速、停運(yùn)，甚至發(fā)生整列列車被吹翻的交通事故。為了保障列車的安全運(yùn)行，在大風(fēng)區(qū)鐵路沿線構(gòu)筑了多種擋風(fēng)墻。

四、擋風(fēng)墻設(shè)計(jì)應(yīng)用案例

連云港—霍爾果斯高速公路（G30）新疆段橫穿百里風(fēng)區(qū)（見圖1）、 三十里風(fēng)區(qū)， 一年中有320d風(fēng)力在8級(jí)以上， 瞬時(shí)最大風(fēng)速60m/s， 相當(dāng)于17級(jí)颶風(fēng)。 2012年3月20日4~15時(shí)， 因大風(fēng)原因， 蘭新鐵路十三間房段客、 貨車全部停運(yùn)， 停運(yùn)車輛達(dá)80多列； 一碗泉至紅山口高速公路數(shù)百輛車輛滯留， 車窗玻璃被風(fēng)刮起的碎石擊碎， 數(shù)輛大型貨車被大風(fēng)刮翻， 交警部門只好組織裝甲車對(duì)被困乘客進(jìn)行緊急搜救； 國家電網(wǎng)十三間房120千伏變電所多處塔架損壞。 大風(fēng)天氣給公路、鐵路運(yùn)輸造成較大影響， 給居民出行帶來不便， 為了保證大風(fēng)環(huán)境下公路鐵路的行車安全和正常運(yùn)營， 在大風(fēng)區(qū)重點(diǎn)路段布設(shè)有效的擋風(fēng)墻十分重要。

圖1 百里風(fēng)區(qū)示意圖

1、擋風(fēng)墻設(shè)計(jì)

（一）設(shè)計(jì)原則

效果好，就高不就低，堅(jiān)固耐用，經(jīng)濟(jì)環(huán)保，因地制宜，美觀大方。

（二）風(fēng)力等級(jí)

風(fēng)力等級(jí)是擋風(fēng)墻設(shè)計(jì)考慮的重要因素。風(fēng)力等級(jí)劃分見表1。

表1風(fēng)力等級(jí)表

（三）穩(wěn)定性驗(yàn)算

擋風(fēng)墻的穩(wěn)定設(shè)計(jì)是重中之重，直接影響到擋風(fēng)墻的使用效果。擋風(fēng)墻的高度及其距路基邊緣的寬度需要根據(jù)力學(xué)計(jì)算進(jìn)行確定，以“兜風(fēng)”為最佳效果。以格賓網(wǎng)箱為例，假定為重力式擋墻，且墻身為不透風(fēng)結(jié)構(gòu)（事實(shí)上網(wǎng)箱內(nèi)填料有孔隙，是透風(fēng)結(jié)構(gòu)，分析時(shí)透風(fēng)因素等暫未考慮）。

（1）迎風(fēng)面穩(wěn)定分析

擋風(fēng)墻斷面圖見圖2，斷面計(jì)算模型簡化圖見圖3。

圖2擋風(fēng)墻斷面圖

圖3斷面計(jì)算模型簡化圖

①風(fēng)速與風(fēng)壓

根據(jù)伯努利方程得出的關(guān)系公式：

在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，氣壓為101.3kPa，溫度為15℃，空氣重度r為0.01225kN/m3，緯度為45°處的重力加速度g為9.8m/s2，公式（1）變?yōu)椋?/p>

此公式為用風(fēng)速估計(jì)風(fēng)壓的通用公式。注意，空氣重度和重力加速度隨緯度和海拔高度而變，一般來說，空氣密度在高原上要比在平原地區(qū)小，也就是說同樣的風(fēng)速在相同的溫度下，其產(chǎn)生的風(fēng)壓在高原上比在平原地區(qū)小。我們?cè)O(shè)計(jì)擋風(fēng)墻，應(yīng)該考慮迎風(fēng)面上作用的最大風(fēng)力情況下情況，則空氣密度取值在平原地區(qū)常溫下的情況，采用公式（2）計(jì)算最大風(fēng)壓。

根據(jù)計(jì)算機(jī)模擬試驗(yàn)結(jié)果，載重60t的列車的臨界翻車風(fēng)速約為50m/s，相當(dāng)于22kN·m的傾覆力矩。所以，擋風(fēng)墻只要將傾覆力矩減弱至22kN·m以下，就可以保證列車不傾覆。擋風(fēng)墻高度越高，擋風(fēng)效果越好，但在經(jīng)濟(jì)上未必合理可行。根據(jù)不同擋風(fēng)墻后傾覆力矩的數(shù)值模擬結(jié)果，3m高的墻可使60m/s風(fēng)速的傾覆力矩減至22kN·m以下，3.25m高的墻可使64m/s風(fēng)速的的傾覆力矩減至22kN·m以下。

②風(fēng)速與風(fēng)力

擋風(fēng)墻上的作用力主要有：水平風(fēng)力、自重力、地基反力和地基水平抗力。中國科學(xué)院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所通過試驗(yàn)、分析，擬合而成風(fēng)速和風(fēng)力的關(guān)系為：

在平坦地形條件下，均勻風(fēng)速當(dāng)遇到阻擋物時(shí)，風(fēng)速將重新分布，最底部為0，頂端為無阻擋物時(shí)的風(fēng)速，風(fēng)速隨高度變化。在此處考慮擋墻風(fēng)力作用時(shí)，應(yīng)考慮最危險(xiǎn)的情況。擋風(fēng)墻位于填方路肩，墻面下部將會(huì)受到順路堤邊坡而上的風(fēng)力作用，那么假定擋風(fēng)墻所受風(fēng)速為沿墻高均勻分布，此種情況風(fēng)力作用大于其他情況。

③作用力分析

a）風(fēng)力迎風(fēng)面風(fēng)力沿墻面均勻分布，利用公式（2）得迎風(fēng)面墻面受力為：

wp=v2/1600

=60×60/1600=2.25kN/m2

則單位物體表面面積上受到60m/s的風(fēng)力作用約為225kg，4m高迎風(fēng)面每延米=受到的風(fēng)力F=9kN/m；

利用公式（3）得4m高迎風(fēng)面每延米受到的風(fēng)力為：

取兩種風(fēng)力計(jì)算結(jié)果的最大值，則迎風(fēng)面每延米受到的風(fēng)力

F=11.1332kN/m（滑動(dòng)力）；

b）抗滑穩(wěn)定系數(shù)

抗滑系數(shù)大于1.3，滿足規(guī)范要求（一般土質(zhì)地基上擋墻受到基本荷載組合，一級(jí)擋墻抗滑系數(shù)不小于1.3）；

c）抗傾穩(wěn)定系數(shù)

傾覆力矩為風(fēng)力作用，基礎(chǔ)網(wǎng)箱背風(fēng)處基腳點(diǎn)為圓心，假設(shè)風(fēng)力沿墻體均勻分布，則作用點(diǎn)為墻高的一半，則有

抗傾系數(shù)大于1.5，滿足規(guī)范要求（一般土質(zhì)地基上擋墻受到基本荷載組合，一級(jí)擋墻抗傾系數(shù)不小于1.5）；

d）地基應(yīng)力

（2）背風(fēng)面穩(wěn)定分析

因?yàn)樵O(shè)計(jì)的擋墻為非對(duì)稱結(jié)構(gòu)，所以應(yīng)該考慮墻背來風(fēng)的情況。

①風(fēng)力計(jì)算

如果迎風(fēng)面考慮幾何坡度，迎風(fēng)面頂角與基腳處的連線與豎直面夾角為19.29°。假定風(fēng)力垂直作用在連線上，則風(fēng)力與水平方向夾角為19.29°，則水平分力沒有風(fēng)力直接作用在墻體表面的力大。那在擋墻擋風(fēng)的情況下，考慮最危險(xiǎn)的作用力，則還是假定風(fēng)力沿墻體均勻分布，作用點(diǎn)還是在墻高二分之一處。F=11.1332kN/m，力矩為M=22.2664kN·m/m

②抗滑穩(wěn)定系數(shù)

③抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)

通過計(jì)算，發(fā)現(xiàn)背面風(fēng)力達(dá)到60m/s時(shí)，擋墻依然不會(huì)產(chǎn)生滑動(dòng)及傾覆。

（3）迎風(fēng)面不考慮埋深穩(wěn)定分析

考慮基礎(chǔ)層埋深在土內(nèi)，不計(jì)算基礎(chǔ)的重量，只考慮上層4m高箱體。參數(shù)取值設(shè)定在不安全情況。

①風(fēng)力作用，依然考慮風(fēng)力沿墻體均勻分布，作用點(diǎn)在墻高二分之一處，F(xiàn)=11.1332kN/m，力矩為M=22.2664kN·m/m。

②四層墻體自重G=126kN/m，網(wǎng)箱重量對(duì)基腳力矩M=225kN·m/m。

③抗滑穩(wěn)定系數(shù)

抗滑力F=f×G=0.35×126=44.1kN/m

實(shí)際上，第四層網(wǎng)箱和第五層網(wǎng)箱是用雙股扎絲20cm間距綁扎的，且網(wǎng)箱內(nèi)的石料具有棱角，因此實(shí)際的摩擦系數(shù)不應(yīng)小于0.35，這里也是保守取值，考慮危險(xiǎn)情況。

（4）抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)

因此即使考慮風(fēng)力作用在上四層，沒有基礎(chǔ)埋深的情況依然滿足穩(wěn)定要求。但因?yàn)橛衅渌粗蛩?，加入埋深，提高安全系?shù)。

2、擋風(fēng)墻結(jié)構(gòu)形式及比選

（一）擋風(fēng)墻結(jié)構(gòu)形式

格賓網(wǎng)箱擋風(fēng)墻和較常用的二種擋風(fēng)墻形式進(jìn)行結(jié)構(gòu)和經(jīng)濟(jì)比較分別見圖4、圖5、圖6。

圖4 對(duì)拉式擋風(fēng)墻

圖5L型柱板式擋風(fēng)墻

圖6 格賓網(wǎng)箱擋風(fēng)墻

（1）對(duì)拉式擋風(fēng)墻

對(duì)拉式擋風(fēng)墻墻高3～4m，寬1.5m，墻面板為十字形，板幅采用1.0m×1.0m的C15鋼筋混凝土預(yù)制板，板厚0.15m。墻面板采用鋼筋拉桿對(duì)拉，左右對(duì)稱結(jié)構(gòu)，墻內(nèi)填夯實(shí)圓礫，墻頂用混凝土預(yù)制塊封頂。

（2）L型柱板式擋風(fēng)墻

L型柱板式擋風(fēng)墻由L形柱和擋風(fēng)板組成，L形柱高4.0m，埋深1.0m，柱截面成“工”字形，兩翼寬為0.5m，翼高0.215m，腹板寬0.5m，高為0.17m，現(xiàn)澆施工。擋風(fēng)板總長3.4m，寬0.5m，板厚0.15m。路基邊坡及路肩采用漿砌片塊石防護(hù)。

（3）格賓網(wǎng)箱擋風(fēng)墻

格賓網(wǎng)箱擋風(fēng)墻為工程用機(jī)編鋼絲網(wǎng)箱組合體結(jié)構(gòu)，高4.0m，埋深1.0m，頂寬1.0m。填充料采用堅(jiān)固密實(shí)、耐風(fēng)化好的石料，如卵石、礫石，填充料的粒徑控制10～25cm且達(dá)到80%以上。路基邊坡及路肩采用漿砌片塊石防護(hù)。

（二）性能比較

在防風(fēng)性能方面，格賓網(wǎng)箱擋風(fēng)墻與對(duì)拉式擋風(fēng)墻和L型柱板式擋風(fēng)墻相同；在成本方面，對(duì)拉式擋風(fēng)墻最高，格賓網(wǎng)箱擋風(fēng)墻最低。三種形式的綜合比較見表2。

表2擋風(fēng)墻結(jié)構(gòu)形式比較表

通過以上比較和結(jié)合新疆的特殊地理環(huán)境，推薦采用柔性格賓網(wǎng)箱結(jié)構(gòu)的擋風(fēng)墻。

五、結(jié)束語

綜上所述，擋風(fēng)墻的建設(shè)必須建立在科學(xué)設(shè)計(jì)方案的基礎(chǔ)上，因此，在擋風(fēng)墻建設(shè)之前，必須要調(diào)查擋風(fēng)墻所處區(qū)域的地理環(huán)境特征，進(jìn)而優(yōu)選設(shè)計(jì)方案和結(jié)構(gòu)形式，確保擋風(fēng)墻建設(shè)完成后使用的有效性。

【參考文獻(xiàn)】

[1]劉鳳華. 不同類型擋風(fēng)墻對(duì)列車運(yùn)行安全防護(hù)效果的影響[J]. 中南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2011,01:176-182.

[2]李宏劍. 擋風(fēng)墻擋風(fēng)抑塵效果數(shù)值模擬研究[D].浙江大學(xué),2012.

[3]龐巧東,程建軍,蔣富強(qiáng),李凱崇. 戈壁鐵路擋風(fēng)墻背風(fēng)側(cè)流場(chǎng)特征與擋風(fēng)功效研究[J]. 鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì),2011,02:1-5.

[4]趙新雨. 擋風(fēng)墻抑塵效果與散料特性的關(guān)系研究[D].天津商業(yè)大學(xué),2012.