哈密至將軍廟鐵路大風觀測與研究

李鎖平

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司，陜西西安 710043)

哈密至將軍廟鐵路(簡稱哈將線)地處新疆維吾爾自治區中東部哈密市境內，設計推薦方案為:由蘭新鐵路火石泉站右側引出，沿北天山南麓向西北方向行進，經七角井洼地和三道嶺煤礦，在天山山谷大風通道內穿行，從巴里坤山和博格達山埡口翻越天山后沿天山北麓西行，設克希郎薩站，過木壘哈薩克自治縣后折向北，至在建準將鐵路將軍廟站，全長427.92 km［1］。線路途經百里風區和天山埡口大風通道區，百里風區大風頻繁，風力強勁，既有蘭新鐵路曾發生多起因大風造成的列車脫軌、翻車等事故［2］。蘭新鐵路百里風區年大風日日平均風力大于8級以上［3］，風力強勁，出現頻率高，風害極為嚴重［4］，哈將鐵路沿線除百里風區的蘭新鐵路外，附近無其它在建或運營的鐵路干線，缺乏可借鑒大風資料，因此，在哈將線路沿線建立大風觀測點，進行觀測分析，掌握大風的規律，為鐵路的選線、工程設計以及安全行車提供依據。

1 大風觀測點的建立

線路由南至北穿越兩大盆地，中間翻越天山，嶺南段為哈密盆地，嶺北段為準噶爾盆地，因此，哈將線觀測點將根據地形地貌及大風形成機理分3個段落建立，同時利用既有蘭新線觀測站和線路附近氣象站資料。具體詳述如下:

1)嶺南段(DK0+000—DK147+000)。線路在既有蘭新鐵路北側與其相向而行，其中DK108+000—DK147+000段處于百里風區，該段里程對應的蘭新鐵路范圍有十三間房、了墩及紅柳3個既有氣象站，因此哈將線百里風區段借鑒蘭新鐵路3個觀測站資料，不新建觀測點。嶺南段地形平坦開闊，大風經過風區后擴散，風速顯著減弱，故只建一個觀測點，即1號點(如圖1)。

圖1 哈將鐵路沿線風速觀測點布置示意

2)天山越嶺段(DK147+000—DK213+000)。線路穿行于北天山剝蝕低中山區，處天山七角井風口區域東端，山間埡口大風通道內的冷空氣受空氣動力學“狹管效應”［5］影響，風速增高，越過埡口后，風速進一步增大形成大風［6］。該段地形復雜，且為風口越嶺區，應重點進行觀測，故在此段建立2號、3號、4號觀測點，同時利用線路左側七角井和右側大石頭氣象站資料作為補充。

3)嶺北段(DK213+000—DK427+921)。線路越嶺后沿天山北麓西行，過木壘縣進入準噶爾盆地平原區。該段地形開闊，無較大氣壓梯度，可利用木壘氣象站資料，在其以北60 km處建立5號觀測點。

2 觀測結果與分析

2.1 風速觀測

2.1.1 第一場系統天氣各觀測點風速及變化規律

既有蘭新線紅柳氣象站距離哈將線越嶺段最近，選擇紅柳氣象站與哈將線越嶺段各觀測點及附近氣象站大風觀測資料進行對比分析，如圖2。各觀測點從觀測周期零時起，各點風速值隨時間均呈增大趨勢，4日16～18點風速均達到最大，然后開始衰減，總體平緩下降，5日8點之后風速基本平穩，波動較小，5日5～8點2號、3號、4號觀測點、七角井氣象站4點風速值接近相等，5日13～19點2號、3號、4號觀測點風速值接近，各測點極大風速值出現時間多相差約2～3 h。各觀測點極大風速值相差較大，蘭新線紅柳氣象站極值最大(38.2 m/s)，大石頭氣象站極值最小(16.1 m/s)，2號、3號、4號觀測點極大風速值在4日16點出現，而七角井站、大石頭站在4日18點、紅柳站在4日20點出現。各測點風速衰減時間段相差較大，2號、3號、4號觀測點風速衰減時間為4日16點～5日20點，而紅柳站為4日20點～5日12點、七角井站為4日18點～5日22點，大石頭站風速在5日0點～5日4點急速衰減。

圖2 2010年12月4～5日各觀測點風速隨時間變化曲線

2.1.2 第二場系統天氣各觀測點風速及變化規律

本場將越嶺段之外其余各點觀測數據進行對比分析，如圖3。各點相同之處仍然為風速值隨時間均呈增大趨勢，都經歷了啟動、加速、衰減3個階段，百里風區的十三間房、了墩及紅柳站風速曲線相似，極大風速值出現在12月28日7～9點。線路附近的大石頭、木壘氣象站風速曲線相似，極大風速值出現的時間點為5～7點，而哈將線5號觀測點極大風速值出現在3點。天山嶺南、越嶺、嶺北這三個區域極大風速值出現時間點相差2～3 h。各觀測點極大風速值相差較大，蘭新線十三間房極值最大(34.9 m/s)，哈將線1號點極值最小(6.2 m/s)。1號觀測點風速平穩、波動不大，十三間房、紅柳、了墩和七角井四個氣象站高風速持續時間較長，在10點之后，風速下降比基本相近，而大石頭、木壘氣象站和5號觀測點高風速持續時間較短，在14點之后風速基本平穩。

圖3 2010年12月28日各觀測點風速隨時間變化曲線

2.1.3 各監測點平均極值風速分布

將哈將線2010年12月各觀測點所對應的平均極值風速用平滑曲線連接起來，發現5個觀測點的風速極值隨各自所處的位置呈“鐘形”分布，越嶺段2，3，4號觀測點風速極值普遍較大且數值接近，隨后以此段為中心向線路起點和終點兩側呈遞減的趨勢，距離風口越近，風速越大，距離風口越遠，風速越小，如圖4。

2.2 風向觀測

圖4 各觀測點平均極值風速隨位置變化曲線

鐵路風害受線路與大風的相對位置影響，線路走向與風向垂直時對列車的危害最大［4］。以下根據2010年12月4～5日和12月28日兩系統天氣中沿線1，2，3，4，5號觀測點及木壘氣象站的大風風向頻率觀測資料，繪制出風向玫瑰圖(見圖5)，對風向進行統計研究。

圖5 各觀測點風向頻率玫瑰圖

由圖5可見，1，2，3號觀測點風向集中在N方向，4號觀測點風向集中在NW至WNW方向，5號觀測點和木壘氣象站風向主要集中在W方向。

2.3 大風分布規律

根據2010年12月4日～5日和12月28日兩系統天氣中各觀測點大風資料，蘭新鐵路百里風區的十三間房極大風速值最大，風向集中在北或北偏東，風區對應哈將鐵路DK108+000—DK147+000段，向南隨著地形的平坦開闊風速逐漸減弱，1號觀測點風速很小，該地處于哈密盆地傾斜平原區。越嶺段(DK147+000—DK213+000)的2，3，4 號觀測點極大風速值僅次于百里風區，且各觀測點平均極值風速較為接近，風向先集中于北，逐漸偏西，越嶺段屬北天山剝蝕低中山區及南麓剝蝕丘陵區;嶺北段5號觀測點平均極值風速最小，風向集中在西，位于天山以北準噶爾盆地平原區。

根據大風形成機理，結合觀測結果與地貌推斷:冷空氣經哈將線5號點南下，途經木壘，翻越天山埡口過2，3，4號觀測點時，受“狹管效應”影響，風速增大;出天山大風通道后海拔降低、地形開闊，一路加速而下，風力繼續增大，呈“扇形”擴散，到十三間房時達到極值;之后地形轉為平坦，大風擴散，風速顯著減弱。1號、5號觀測點分別處于風區的兩翼邊緣，風速最小。

3 結論

設計選線時線路盡量與主風向平行，選擇風力較小的背風側風影區，控制路堤與橋梁高度，繞避溝口等不利地形。嶺南段位于百里風區，風力強勁，需要采取防風措施;越嶺段盡量以隧道或路塹形式通過，路堤段根據填方高度采取擋風墻等防風設施進行防護。利用沿線大風觀測點，建立大風監測預警系統，為運營安全服務。在降雪量較大，線路走向與風向夾角＞30°的大風地段，應進行風吹雪設計。

［1］中鐵第一勘察設計院集團有限公司.新建哈密至將軍廟鐵路可行性研究報告［R］.西安:中鐵第一勘察設計院集團有限公司，2010.

［2］曾廣勇.鐵路工程地質實例:西北及相鄰地區分冊［M］.北京:中國鐵道出版社，2002:279-285.

［3］李永樂，王東緒，劉樹紅，等.大風區鐵路施工人員防風標準及措施研究［J］.鐵道建筑，2011(7):152-155.

［4］盛智平.蘭新鐵路防風明洞結構形式設計研究［J］.鐵道建筑，2011(4):80-83.

［5］錢征宇.西北地區鐵路大風災害及其防治對策［J］.中國鐵路，2009(3):1-4.

［6］鐵道部第一勘察設計院.鐵路工程設計技術手冊:路基［M］.北京:中國鐵道出版社，1995.