新建蘭新鐵路第二雙線路基防風工程的研究

侯全德

1 概況

新建蘭新鐵路第二雙線經由甘肅、青海、新疆三省區,正線全長1776 km;本線的最大特點是:線路要穿越甘肅境內安西風區和新疆境內的煙墩風區、百里風區、三十里風區、達坂城風區五大風區。

根據既有蘭新鐵路的運營經驗,大風對鐵路的危害主要表現為:橫風作用下的列車傾覆、軌道積沙、沙石擊碎玻璃、接觸網受流不穩、列車停運、限速天數多等問題,嚴重影響鐵路運營安全。為了保證新建蘭新鐵路第二雙線的行車安全及大風環境下正常運營,大風區防風工程的研究與設置顯得尤為重要。

2 沿線大風特征及工程分區

2.1 沿線大風的主要特征

風速高;風期長;季節性強;風向穩定;起風速度快。

2.2 大風區防風工程分區

通過沿線布設觀測點,試驗、研究、綜合考慮各測風站點最大風速、極大風速、2 min平均最大風速風力、頻率、風向及與風向線路交角等氣象條件,考慮風蝕地形地貌特征、地表顆粒大小、植被情況、既有鐵路、公路對應段落風害情況,沿線大氣環流特征及風蝕影像(衛星、航片)特征等地質學條件,考慮線路高度、工程類型等工程條件,對大風區進行設計工程分區如下:

Ⅰ區(大風極少區):極大風速小于25 m/s,且大于20 m/s,大風出現頻率小于5%;地形平緩不利大風形成、地面以砂土為主,植被良好;線路高度小于20 m;既有鐵路、公路沒有發生過大的風害。

Ⅱ區(大風低發區):極大風速小于 30 m/s且大于25 m/s或極大風速大于30 m/s,出現頻率不大于3%;地形平緩不利大風形成、地面以細顆粒為主、植被一般;線路高度小于20 m;既有鐵路、公路沒有發生過影響鐵路運營的風害。

Ⅲ區(大風一般區):極大風速大于30 m/s,出現頻率小于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;大風風向與線路呈35°～65°交角;既有鐵路、公路段風害偶有發生。

Ⅳ區(大風易發區):極大風速大于30 m/s且出現頻率大于5%而小于10%;地形起伏、地面以碎石土為主且部分膠結、少植被。部分線路高度大于20 m;大風風向與線路呈 35°～65°交角,最大風速、極大風速、2 min平均最大風速三種風速相關性差;既有線對應段易發生風害;既有鐵路、公路運營受風害影響較大的段落。

Ⅴ區(大風頻繁區):極大風速大于30 m/s且出現頻率大于10%;地形起伏、地面以碎(塊)石土為主且膠結、風蝕特征明顯,少植被;部分線路高度大于20 m;大風風向與線路呈大角度相交,最大風速、極大風速、2 min平均最大風速三種風速相關性良好;既有鐵路、公路相對應段出現過重大風害事故。

3 防風工程研究及研究的主要成果

3.1 路基防風工程研究主要內容

1)通過數值模擬分析及風洞試驗進行路基防風結構的研究;2)通過數值模擬分析、風洞試驗及室內模型實驗,進行防風明洞的研究;3)通過對沿線大風環境及擬采用的防風結構研究的基礎上,進行防風標準的研究。

3.2 路基防風工程研究初步成果

3.2.1 無防風設施條件下列車氣動性能研究

1)動車組氣動力計算結果:無防風設施條件下,動車組以不同速度運行于不同高度路基上時,動車組所受的傾覆力矩隨路基高度變化規律一致,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;一線和二線上運行的動車組傾覆力矩相差不大,且均隨著路基高度的增加而增大;相同運行條件下,傾覆力矩隨著風速的增大而增大。

2)接觸網位置風速計算結果:無防風設施條件下,動車組無論運行于一線或是二線,接觸網高度的橫向風速均隨著風速的增大而增大;相同環境風速下,接觸網高度的橫向風速隨著路基高度的增加而增大,一線和二線接觸網位置橫向風速相差不大,5.5 m高度的橫向風速較6.9 m高度的橫向風速大。

3.2.2 擋風墻合理位置

平地上橫風風速為60 m/s、車速350 km/h時,5.3 m,5.7 m,6.1 m 3種位置擋風墻下,無論一線還是二線運行的動車組,其所受到的傾覆力矩均為頭車最小,中間車其次,尾車最大;當擋風墻位置為5.7 m時,無論是在一線或是二線運行,動車組所受的氣動力均最小,氣動性能相對最好;此時,接觸網位置的橫風風速也相對較小。擋風墻的合理位置應為距迎風側線路中心5.7 m。

3.2.3 擋風墻合理高度

研究動車組在350 km/h速度運行的條件下,綜合動車組氣動傾覆力矩和接觸網處的橫風風速的情況,得出下列結論:

1)路塹上擋風墻合理高度。5 m深度路塹,擋風墻高度為2.5 m(塹頂)時,在環境風不超過35 m/s條件下,動車組可以安全運行;2 m深度路塹,擋風墻高度為3.5 m(塹頂)時,在環境風不超過35 m/s條件下,動車組可以安全運營。2)平地擋風墻合理高度。平地上,擋風墻高度為2.5 m(軌面以上,下同)時,環境風速小于25 m/s條件下,動車組可以安全運營;擋風墻高度為4.5 m～5.0 m,在環境風速小于35 m/s條件下,動車組可以安全運營。3)路堤上擋風墻合理高度研究。3 m高度路堤上,擋風墻的高度在3.5 m～4.0 m范圍內、在環境風速小于35 m/s條件下,動車組可以安全運營;5 m高度路堤上,擋風墻的高度在4.0 m～4.5 m時,在環境風速小于25 m/s條件下,動車組可以安全運營;7 m高度路堤上,擋風墻的高度在4.0 m時,在環境風速小于25 m/s條件下,動車組可以安全運營。

3.2.4 防風走廊風洞實驗

環境風速60 m/s時,半封閉防風走廊(實驗方案)開口處最大風速僅為4.08 m/s,列車安全運行沒有問題。

4 防風工程標準的選擇

本著“列車不停運、少限速,工程經濟、合理”的原則,結合蘭新鐵路第二雙線所經百里風區、三十里風區風速高,大風天數多的特點以及運營預期目標,同時考慮到大風區橋梁結構在高速列車引發的氣動力及外側大風作用下的結構受力的復雜性,以及接觸網在不同風場環境內弓網受流關系尚需進一步試驗研究,防風工程擬按照以下速度目標值進行設計。

5 路基防風工程的設計原則及防風結構

5.1 防風工程設計原則

根據防風技術研究的初步結論,結合風洞實驗和動模型實驗的數據,路基防風工程設計總體原則為:環境風速小于25 m/s條件下重點解決沙害隱患,建立大風預警系統;環境風速小于35 m/s且不小于25 m/s條件下采用擋風墻結構,存在沙害地段輔以擋沙措施;環境風速不小于35 m/s條件下采用半封閉防風結構,環境風速不小于35 m/s,沙害嚴重條件下采用封閉式防風結構。

5.2 防風工程設置范圍

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

5.3 路基防風結構

1)路基擋風墻。a.懸臂式擋風墻:路肩以上墻高3.5 m,2.5 m,設置于迎風側路肩外側。支撐力臂采用懸臂式結構,力臂間設擋風板。b.柱板式擋風墻:路肩以上墻高5.5 m,5.0 m,4.5 m,設置于迎風側路肩外側。支撐力臂采用埋入錨固樁結構,力臂間設擋風板。2)路基防風走廊。a.半封閉防風走廊:采用網架結構,結合多軸向復合材料為主的半封閉結構,其下為低擋墻基礎。b.封閉式防風走廊:采用網架結構,結合多軸向復合材料為主的全封閉結構,采用埋入式鉆孔樁基礎。3)擋沙墻。擋沙柵欄高1.5 m～2.0 m,原則上采用透風式結構。

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

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