我國高鐵強風災風險評估與區劃方法研究

馬淑紅，馬韞娟

（1.新疆氣象服務中心，新疆 烏魯木齊 830002；2.清華大學，北京 100084）

1 高鐵沿線距軌面4m最大瞬時風速預測模式建立

以三維坐標軸表示要素空間分布三維結構的函數式為：

式（1）中，F為年最大風速；φ，λ，H，δ分別代表緯度、經度、高度、地形影響等地理因子。以模型（1）分析高鐵沿線最大風速、大風日數空間分布。在此基礎上，應用概率模式計算出沿線最大風速不同概率設計值［1］，它涵蓋沿線近50年來的最大風險。將沿線最大風速不同概率設計值空間分布與線路任意里程構造物相結合，進行高速鐵路任意里程最大瞬時風速時距訂正［2］，路堤、橋高增速訂正［3，4］，地形訂正，建立沿線任意里程距軌面4m 高處100m×100m空間網格點上最大瞬時風速2年一遇設計值V4_2max預測模式［5］如下：

式（2）中，V4_2max為高速鐵路任意里程距軌面4m高處100m×100m空間網格點上最大瞬時風速2年一遇設計值；V10為沿線最大風速；K1為強風或陣風系數；K2為路堤或橋高增速訂正系數；K3為地形訂正系數。進一步推論，建立沿線防風安全風監測點以外區間瞬時風速計算模式：

式（3）中，V4_V為沿線風監測點以外區間瞬時風速，距軌面4m高度處100m×100m空間網格點上瞬時風速預測值，K0為比值系數。

2 高鐵沿線最大風速分布特征和強風區間的確定

2.1 高鐵沿線最大風速垂直分布特征

通過分析高鐵沿線100個鐵塔梯度風和7個5層梯度風監測資料，結果表明：我國高鐵沿線最大風速垂直分布遵循冪指數規律［6］（冪指數α取值如表1所示），研究結果與建筑荷載規范取值基本一致［7］，差異在于跨海大橋、沙漠、礫漠風區α在0.08～0.10之間，但α=0.10出現頻率最高。建議增加0類（跨海大橋、沙漠、礫漠風區、戈壁等區間）下墊面下α系數，α取值為0.10。

表1 高鐵沿線不同下墊面特征下α取值

2.2 高鐵沿線最大瞬時風速水平分布特征

應用模式（1）至（3）可以計算出高鐵沿線距軌面4m高處100m×100m空間網格點上，最大瞬時風速2年一遇設計值V4_2max。計算結果表明：我國高鐵沿線V4_2max水平分布與地形關系密切，系隨特殊風環境的不同呈現獨特特征，尤以20m以上高架橋、特大橋、高路堤、埡口、峽谷、狹管效應區間瞬時風速最大，而深路塹和山谷瞬時風速最小。

2.3 特殊風環境下動車組傾覆臨界風速

選擇京津城際、京滬高速鐵路、東南沿線高速鐵路特殊風環境（特大橋、高架橋、高路堤彎道及埡口、峽谷等區間），采用近年來高鐵沿線安全防災風監測點WXT520超聲波6要素風向風速傳感器高密度、高精度監測數據，分析強橫風天氣條件下動車組特殊風環境安全運營情況，結果表明：高速鐵路特殊風環境中，特大橋彎道和高路堤彎道強橫風區間動車組傾覆臨界風速均為25m/s，深路塹為40m/s，特大橋強橫風區間為30m/s。

2.4 高鐵沿線強風區間確定

應用氣象模式和極值Ⅰ型概率模式計算出高速鐵路距軌面4m高度處1km×1km空間網格點上最大風速設計值，再將空間分布與沿線各里程的強風系數、路堤高和橋高增速系數、不同下墊面特征下冪指數相結合，建立距軌面4m高度處100m×100m空間網格點上最大瞬時風速預測模式，結合線路走向與強風主風向之間夾角和特殊風環境下傾覆臨界風速，從而確定高鐵沿線強橫風區間（如圖1所示）。

3 強風災風險評估與區劃方法

圖1 高速鐵路強風區間的確定方法示意圖

依據高鐵沿線近800個基本氣象站50年（1961～2010年）年平均大風日數，以及2000個自動氣象站和100個防災安全風監測站近10年（2001～2009年）各月大風日數、日最大瞬時風速資料，強風災風險評估與區劃采用三級區劃指標體系：第一級區劃指標為8級及以上年平均大風日數；第二級區劃指標為最大瞬時風速2年一遇設計值（以下簡稱為V4_2max）；第三級區劃指標為四季大風日數占年平均大風日數百分比。依據等概率分區原則［8］，我國高鐵沿線風災危險分為5個大區，分別用羅馬字符Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ表示，其中，Ⅰ為特強重大危險區，Ⅱ為強重大危險區，Ⅲ為重大危險區，Ⅳ為中度危險區，Ⅴ為較輕危險區。我國高鐵沿線風災以蘭新二線百里風區強橫風區間特強重大危險區危害最大，建議在高鐵特強重大危險區間設置明洞（防風隧道）。

4 強風災防控措施

基于對我國高鐵強風災風險評估與區劃方法的研究，我國高鐵強風災防控措施應由風災信息管理系統與防風柵和防風隧道防護技術組成。防風柵和防風隧道防護技術是指在強風危險區間安裝防風柵、建設防風隧道的防護技術，通過風災信息管理系統、防風柵和防風隧道減小作用在列車上的氣動力，防止傾覆翻車事故的發生。

5 結論

5.1 綜合分析近50年歷史資料與近10年大風監測站短期資料，結果表明：高鐵沿線大風日數的分布特征受天氣系統和地形影響的制約，以山口、埡口、峽谷、河谷、特大橋和高路基彎道區間強風與大風日數最多，其中蘭新二線百里風區橫風區間是我國乃至世界高鐵風災之冠。

5.2 在分析大量詳實資料的基礎上，建立距軌面4m高度處100m×100m空間網格點上最大瞬時風速預測模式，結合線路走向與強風主風向之間夾角和特殊風環境下動車組傾覆臨界風速，從而確定高鐵沿線強風區間。這與日本鐵路強風對策相關研究結論基本一致，差異在于可以預測高鐵沿線風監測點以外區間最大瞬時風速，使其具有空間和時間上的可比性及可操作性。

5.3 采用三級區劃指標體系和等概率分區原則，將我國高鐵風災劃分為5個大區，Ⅰ特強重大危險區、Ⅱ強重大危險區、Ⅲ重大危險區、Ⅳ中度危險區、Ⅴ較輕危險區；并制定各危險度等級標準。以不同級別的形式來反映瞬時最大風速在線路上的規律性，提出概率風險評估方法，為高鐵動車組安全運行以及高鐵風災防控技術措施制定提供理論支撐。

［1］馬淑紅，馬韞娟.瞬時風速對高速列車安全運行的影響及其控制［J］.鐵道工程學報，2009，（1）：11-16 .

［2］中國氣象局.地面氣象觀測規范［M］.北京：氣象出版社，2003.

［3］JTG/T D60-01-2004，公路橋梁抗風設計規范［S］.

［4］TB10002.1-2005，鐵路橋涵設計基本規范［S］.

［5］馬志福，周曉斌，王煒，等.我國高速列車強橫風防風措施及對策研究［J］.中國科技信息，2011，（4）：212-216.

［6］馬韞娟，馬淑紅.我國高速鐵路客運專線橋梁設計風速研究［J］.鐵道技術監督，2009，37（10）：34-37.

［7］GB 50009—2001，建筑結構荷載規范［S］.

［8］馬韞娟，馬淑紅，張云惠，等.新疆高速公路強橫風區間安全行車對策研究［J］.干旱區地理，2012，35（2）：210-221.