嚴寒地區高速鐵路冰雪飛濺與防治

?

嚴寒地區高速鐵路冰雪飛濺與防治

林建1，2，井國慶2，黃紅梅2

(1.中鐵第五勘察設計院集團有限公司，北京 102600；

2.北京交通大學 土木建筑工程學院，北京 100044)

摘要:在介紹嚴寒地區鐵路冰雪飛濺危害基礎上，利用空氣動力學仿真手段分析研究鐵路道床表面冰雪飛濺現象。采用不可壓縮三維定常雷諾時均方程(RANS)結合k-ε雙方程湍流模型分析不同砟肩高度下強列車風對道床表面的氣動特性影響。研究結果表明：列車風速越大，道床表面風壓越大，越易引起冰雪飛濺；相同風速下，鋼軌兩側軌枕槽內監測點風壓值最小為4~15 Pa，線路中心處監測點風壓值約為其10倍，砟肩處監測點風壓值約為其25倍，最易引起冰雪飛濺；砟肩高度每增加50 mm，風壓值增幅為2%~7%。高速鐵路冰雪飛濺主要通過列車、線路結構優化，站場除雪等綜合治理措施來防治。

關鍵詞：嚴寒地區；冰雪飛濺；空氣動力學；砟肩高度；防治措施

1現狀與危害

近幾年,高速鐵路發展迅猛，極大改善了交通與經濟發展，但列車高速行駛也帶來一系列問題，尤其高速鐵路冰雪問題嚴重阻礙運營與拓展[1-3]。若采取冬季限速，夏冬季不同運營速度和時刻表，降低了軌道超高適應性和增加了運營成本。 需要注意的是，冰雪飛濺是飛砟問題外延表現形式之一。一般認為列車時速超過300 km后易發生飛砟現象，但實際上在特殊路段或天氣情況下，時速250 km甚至更低情況下也會發生飛砟現象，如路橋過渡段、橋梁、隧道以及嚴寒冰雪線路。需要明確，飛砟問題不僅存在于有砟道床、過渡段，還存在于無砟軌道結構線路。如嚴寒地區冰雪線路上，由于高速列車車體攜帶的積雪、融冰在列車動力或溫度條件改變下(如跨越不同地區、穿越隧道、車站)散落擊打列車、道床，并引起有砟道床表面冰雪、道砟及無砟軌道表面冰雪飛濺，擊打車體，發生連鎖反應。因此列車不得不采取冬季降速措施，如我國哈大高鐵、日本、北歐及瑞士等。冰雪飛濺相對于普通飛砟現象，發生幾率更高、破壞形式更多樣、后果更嚴重(由于冰雪塊體初始運行速度更高、質量更大、擊打道床連續反應)[3-5]。

2冰雪飛濺機理分析

嚴寒地區高速鐵路冰雪飛濺力學機理是軌道動力學與空氣動力學相互作用結果，受多方面因素影響，如圖1所示。

圖1　嚴寒地區鐵路冰雪飛濺力學機理框架圖Fig.1 Railway snow flying mechanism frames of cold regions

軌道動力學主要為列車運行時輪軌作用力對軌道產生的振動效應，且無砟軌道振動強于有砟軌道[6]，使道床表面冰雪產生失重狀態，進一步加劇冰雪飛濺；空氣動力學主要為高速列車風對道床表面產生的氣動力效應[1,7]，使車體底部及周圍道床表面產生強大負壓風載將冰雪和道砟顆粒“吸起”并向前推進。冰雪飛濺受列車線型、時速、冰雪類型、軌道結構形式及溫度變化等影響[5]。

2.1計算理論與方法

針對嚴寒鐵路冰雪飛濺的危害機理及研究現狀，本文主要針對有砟道床砟肩高度因素，采用流體力學軟件FLUENT進行冰雪飛濺空氣動力學數值模擬與分析。

2.2計算模型

在充分調研國外嚴寒地區有砟道床砟肩結構的應用經驗及研究資料的基礎上，針對我國現有高速鐵路道床類型建立列車風-軌枕-道床一體化耦合模型[3-5,8]，如圖2所示。道床模型長7.8 m，寬5.696 m，厚0.35 m。其中砟肩寬度為0.5 m，邊坡坡度為1∶1.75，內設13根Ⅲ型軌枕。我國高速鐵路有砟線路維修規則規定將設計時速250~300 km有砟軌道砟肩堆高由150 mm降為100 mm[8]，因此，本文砟肩模型高度設計為100，150和200 mm 3個工況。

列車風速是引起冰雪飛濺重要因素和必要條件[7]。韓國通過實車試驗利用皮托管測量風速和高頻攝像觀測得出：當列車速度為250 km/h時，軌道邊側及線路中心上部列車風速在20~25 m/s之間，道床表面個別道砟顆粒出現移動；當列車速度達到300 km/h及以上時，線路中心處風速值接近30 m/s[7]。因此，本文模擬風速值設計為20，25和30 m/s 3個梯度。

圖2　高速鐵路直線路基段道床斷面尺寸與實體模型Fig.2 Cross-sectional dimensions and model of HSR ballast bed

考慮模擬出現的邊界效應及計算條件限制，將道床邊坡坡腳線計為三維計算域豎向零點，軸對稱的計算域右半部分長度(z軸向)為7.8 m，高度(y軸向)為2 m，寬度(x軸向)為2.848m，進風口面為z=7.8 m的平面，進風口方向為z軸負向，出風口面為z=0 m的平面。采用三維四面體非結構化網格形式對列車風-軌枕-砟肩模型進行劃分[9-11]，如圖3所示。

圖3　計算域網格劃分圖Fig.3 Computational domain mesh

監測點設置。為研究嚴寒地區鐵路軌道表面不同位置的空氣動力學特性，沿軌道x軸正向取4個監測點，在計算過程中記錄各點處的風壓載響應，作為定量研究冰雪飛濺的依據。其中tip1位于道床中部軌枕槽內位置；tip2位于鋼軌內側軌枕槽內中心位置；tip3位于鋼軌外側軌枕槽內中心位置；tip4位于道床砟肩內側接近砟肩頂部位置，如圖4所示。其中監測點tip4在3種不同砟肩高度工況下坐標值為(單位：m)：肩高100 mm工況監測點坐標為(1.64,0.65,2.42)，肩高150 mm工況監測點坐標為(1.56,0.70,2.42)，肩高200 mm工況監測點坐標(1.48,0.75,2.42)。

圖4　道床監測點Fig.4 Track bed monitoring sites

2.3計算結果分析

2.3.1風速矢量與切應力等值線

嚴寒地區鐵路冰雪飛濺與道床表面風場繞流和道床表面切應力關系密切，風速矢量圖預示列車風場特性，表面切應力反映了冰雪顆粒移動的力學機理[10,12]。圖5所示為風速25 m/s的道床表面風速矢量圖，圖6所示為道床表面切應力等值線云圖。

圖5　道床表面風速矢量圖Fig.5 Wind vector on surface of track bed

圖6　道床表面切應力等值線云圖Fig.6 Shear stress contour plot on surface of track bed

由圖5可知：鋼軌兩側軌枕槽內風速較小，產生小幅度空腔渦流，有明顯的臺階流動效應[10]；砟肩和軌枕表面處風速最高。從風速流場角度來看，軌枕槽內易引起積雪旋渦，砟肩和軌枕表面處易引起積雪飛濺。

由圖6可知：軌枕頂部、砟肩內邊坡及砟肩頂處的切應力值較大，易引起單個道砟及積雪沿切向力方向滾動；軌枕槽內切應力值較小，有的部位甚至出現負值，這是由于空氣流旋渦導致切應力方向變化，易引起雪粒子旋動；道床邊坡切應力隨距線路中心距離增加而減小，引起積雪飛濺的可能性較小。

2.3.2砟肩高度

嚴寒地區列車兩側冰雪飛濺現象嚴重，這與軌枕兩端及砟肩積雪有關[3]。砟肩高度影響道床邊坡內外側風雪堆積。以模型砟肩高度作為參數變量，不同風速下，3種砟肩高度下監測點tip4的負風壓絕對值，如表1所示。

表1　tip4監測點風壓值

3種工況下風壓值隨砟肩高度變化曲線如圖7所示。同等風速條件下，監測點tip4風壓值隨砟肩高度增加而增大，每一高度梯度增幅為2%~7%；同等風速條件下，風壓值隨著砟肩高度增加而增大。由此可推斷對嚴寒地區鐵路軌道，砟肩表面積雪厚度增加，增大冰雪及道砟飛濺可能性。需特別指出的是，高速鐵路改變砟肩堆高的飛砟防治措施將直接影響有砟道床無縫線路穩定性[8]。砟肩堆高及枕心道床飽滿，雖可提高無縫線路穩定性，但易導致飛砟現象發生，即道床穩定性與飛砟風險性相互矛盾，因此需進一步協同研究道床穩定性和飛砟防治措施。同時法國研究發現，降低砟肩堆高和寬度易導致道床橫向阻力不足，引起道床搗固頻率增加，故在滿足高速鐵路有砟道床整體穩定性前提下，從防止冰雪飛濺角度考慮砟肩堆高宜選100 mm，甚至通過試驗研究，在滿足道床縱橫向阻力前提下，采取平肩形式。

圖7　監測點tip4風速-風壓值隨砟肩高度變化曲線Fig.7 Winds-pressure value with ballast shoulder height by tip4

2.3.3整體分析

砟肩高度150 mm工況下的4個監測點隨風速變化的風壓監測值如表2所示。

表2　砟肩高150 mm監測點風壓值

各監測點的風壓-風速變化曲線如圖8所示。風速越大，風壓越大，砟肩處tip4與道床中部tip1風壓值增加幅度大于軌枕兩側監測點增幅。風速為30 m/s時，tip4處風壓值為580 Pa，即單位面積負壓力值為580 N，可使冰雪和道砟小顆粒跳動飛濺；道床中部風壓為230 Pa，也可引起道床表面冰雪顆粒飛濺[7]。位于鋼軌左右兩側軌枕槽內監測點tip2與tip3的風壓值在10~30 Pa之間，比tip1位置風壓值小幾十倍，最不易產生冰雪飛濺，風壓值有隨道床表面與軌枕表面高差增加而減小的趨勢。

圖8　各監測點風壓-風速變化曲線Fig.8 Pressure-wind speed curve of monitoring points

在道床模型軌枕槽內取截面z=3.6 m平面，得到不同風速下道床表面截面線上風壓值如圖9所示。結果表明：相同風速下，道床砟肩外側邊坡上風壓平均值比砟肩頂處小15%~20%，鋼軌兩側軌枕槽內總體風壓值最小，隨著背離鋼軌兩側面沿x軸向距離的逐漸增加，兩側風壓值都急劇增大，且砟肩側增加幅度大于軌道中心側增加幅度，道床砟肩內側邊坡風壓值變化幅度最大； 風速每增加5 m/s，軌道中心處風壓值增加1倍，砟肩及邊坡風壓值增加約80%，這表明軌枕兩端處風雪飛濺程度強于軌道中心處。由此可整體判斷出砟肩頂部、內外邊坡及鋼軌表面極易引起冰雪飛濺，其次為軌道中心處，最后為鋼軌兩側小范圍軌枕槽內。

圖9　截面線z=3.6 m上風速-風壓變化曲線Fig.9 Wind speed-pressure curve of the section line z=3.6 m

3防治措施

據國內外經驗，嚴寒地區鐵路冰雪飛濺危害主要從線路結構優化、車體結構優化、站線除雪、接觸網除冰4個方面防治。

3.1線路結構優化

為防止風積雪掩埋路面軌道設施，我國新疆風雪災害嚴重地區，常采用優化鐵路路基和路塹方法。如增高路堤高度，增大路堤邊坡角度；增加路塹深度，增加邊坡長度并減小上風向邊坡坡度；特大風雪區段設擋雪墻和導風板[13]。

哈大高鐵在全線車站、線路所、動車所設置道岔融雪裝置，即在道岔鋼軌下預先埋設電加熱絲。車站信號樓的操縱盤在降雪天氣控制道岔融雪裝置，電加熱絲加熱使道岔表面溫度升高，最高達40 ℃，保證降雪落至道岔即會融化。

國外用于鋼軌、軌枕、道岔除雪的相關附加設備較多。瑞典生產的道岔防雪刷，不僅可利用列車經過時的風力帶動防雪刷清掃道岔區基本軌與尖軌間隙積雪，其本身還對道岔電熱除雪設備起保溫作用[4]。芬蘭在道岔區叉心處使用V形擾流板，對防止冰雪在叉心處大量堆積起到了良好作用[3]。瑞典使用的電加熱融雪設備，可智能感知外界溫度變化并自動控制加熱開關，再加上站場道岔區軌枕和基本軌外側鋪設橡膠保溫板配合，防治鐵路道岔區鋼軌表面及縫隙間積雪積冰，用電量僅為高溫熱水管道及加熱電纜的一半，節能環保[4-5]。

3.2車體結構優化

列車車體結構優化和防護裝置研發因有良好的理論基礎和較強的工程實現性，對降低鐵路冰雪道砟飛濺危害有重要作用[3-4,14]。如在車輪制動系統上安裝電加熱片化雪裝置防止冰雪在輪轂與剎車片間淤積；應用輪軸橡膠刮板防護片防止輪軸上冰雪淤積；車體底部電纜外圍采用彈簧圈保護裝置，列車懸掛系統采用防雪褶皺塑料保護套，防止積雪在縫隙處擠壓；列車車廂連接處閉式風擋設計、列車底部裙板設計、列車頂部空調換氣孔裝置設計和車門上移設計均對降低冰雪飛濺對車體侵蝕作用起到了較好效果。

3.3站線綜合治理

站線綜合防治冰雪措施主要從防冰雪和除冰雪2個方面考慮，兼以物理化學方法。除冰雪方面，挪威使用低腐蝕高熱量化學除雪劑丙二醇，用于列車底盤隱蔽結構處快速除雪，且除雪劑還可萃取回收再利用，既節能又環保[4]；芬蘭采用干冰爆破法除去道岔尖軌及轉轍器空隙部位冰雪，其效果較傳統除雪法干凈快捷；日本研發的混合動力車除雪技術，借助車載除雪設備和水泵共同作用將雪迅速融化在線路兩側水溝并循環用水，可用于暴雪后軌道積雪清理，節省人力，提高效率[4-5]。

3.4接觸網除冰

哈大高速鐵路成功采用接觸網防冰融冰技術，在不影響動車運行前提下，采用了接觸導線臨界融冰電流曲線等融冰雪方案并設計了接觸網覆冰在線監測系統。該系統能將接觸網的環境溫度、濕度、風速、風向和導線溫度等數據上傳至覆冰在線監測系統，監測系統迅速分析出接觸網的覆冰情況，便于管理人員及時采取融冰、除冰措施，保障鐵路安全運行。

4結論

1)同等風速下，砟肩處所受風壓值隨砟肩高度增加而增大，砟肩高度每增加50 mm，風壓增加約2%~7%。結合軌道結構穩定性因素考慮，砟肩堆高100 mm為適宜選擇。

2)列車風速是發生冰雪和道砟飛濺主要影響因素之一。道床表面風壓隨列車風速增加而增大，列車風速每提高5 m/s，各監測點代表范圍內風壓約增加35%~50%。

3)道床橫斷面風壓分析表明：軌枕及鋼軌表面和砟肩頂部風壓最大，發生冰雪飛濺幾率最大。枕端槽內道床表面所受風壓較小，不易引起冰雪飛濺；道床中心表面位置與軌枕頂部高差較小，風壓為鋼軌兩側軌枕槽內風壓10~25倍。故適當降低道床中心表面道砟高度，有利于降低道床中心處冰雪飛濺發生幾率。

4)嚴寒地區鐵路冰雪飛濺防治措施，要針對線站、列車和接觸網等不同設備綜合考慮，借鑒國外經驗的同時，結合自身氣候地理特點和經濟技術條件合理制定防治措施。

參考文獻:

[1] 井國慶,王子杰. 基于力學平衡原理飛砟機理與防治研究[J].鐵道科學與工程學報,2014,11(6):97-101.

JING Guoqing, WANG Zijie. Mechanical equilibrium analysis of ballast flight mechanism and counteracting measures[J]. Journal of Railway Science and Engineering, 2014,11(6):97-101.

[2] 劉春明.防止列車高速運行時道碴飛散的有效措施[J].鐵道建筑技術,2004(1):11-13.

LIU Chunming. Effective measure for preventing ballast projection in high train speed[J].Railway Construction Technology, 2004(1):11-13.

[3] Jacobini F B, Turumluer E, Saat R M. Identification of high-speed rail ballast flight risk factors and risk mitigation strategies[C]// 10th World Congress on Railway Research Sydney, Australia, 2013：25-28.

[4] Maxime Bettez, Nils Olsson. Winter technologies for high speed rail. master thesis[R]. KTH, 2011.

[5] Lennart Kloo w， Mattias Jenstav. High-speed train operation in winter climate[R]. KTH,2011.

[6] 雷曉燕. 軌道過渡段剛度突變對軌道振動的影響[J].中國鐵道科學,2006,27(5):43-45.

LEI Xiaoyan. Track transition stiffness mutations affect on track vibration[J].China Railway Science,2006,27(5):43-45.

[7] Kwon H B, Park C S. A study on the ballast-flying phenomena by strong wind induced by high-speed train[J]. Journal of the Korean Society for Railway, 2005, 8(1):6-14.

[8] 中華人民共和國鐵道部.高速鐵路有砟軌道線路維修規則(試行)[M].北京:中國鐵道出版社,2013.

Minicstrg of Railway of People’s Republic of China. High speed railway ballast track maintenance rule[M]. Beijing:China railway Publishing House,2013.

[9] 王福軍.計算流體動力學分析:CFD軟件原理與應用[M].北京:清華大學出版社,2004.

WANG Fujun. Computational fluid dynamics analysis: Principles and Applications of CFD software[M].Beijing: Tsinghua University Publishing House,2004.

[10] Sima M Gurr A Orellano A. Validation of CFD for the flow under a train with 1:7 scale wind tunnel measurements[R]. BBAA VI International Colloquium on: Bluff Bodies Aerodynamics and applications, Milano, 2008.

[11] Ido A Saitou S. Nakade K ei al. Study on under-floor flow to reduce ballast flying phenomena[C]// Proceedings of World Congress on Rail Research, Seoul, 2008.

[12] 毛軍,郗艷紅,楊國偉.側風風場特征對高速列車氣動性能作用的研究[J].鐵道學報,2011,33(4):22-30.

MAO Jun,XI Yanhong, YANG Guowei. Research of Side wind field features affecting on high-speed train aerodynamic performance[J].Journal of the China Railway Society,2011,33(4):22-30.

[13] 高衛東,劉明哲. 鐵路沿線風吹雪災害及其防治研究[J].中國鐵道科學,2004,25(5):98-101.

GAO Weidong,LIU Mingzhe. Prevention and disaster research of drifting snow along Railway[J]. China Railway Science,2004,25(5):98-101.

[14] Goo J S, Shin K B，Kim J S. Evaluation of impact damage and residual compression strength after impact of glass/epoxy laminate composites for lightweight bogie frame induced by ballast-flying phenomena[J]. Journal of the Korean Society for Railway, 2012,15(2):109-115.

(編輯陽麗霞)

High-speed railway snow flying and prevention measures in cold regionsLIN Jian1，2, JING Guoqing2，HUANG Hongmei2

(1. China Railway Fifth Survey and Design Institute Group Co. Ltd., Beijing 102600, China;

2. School of Civil Engineering, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044, China)

Abstract：On the basis of systemically introducing the railway snow flying hazards on cold regions of the world, the railway track bed snow flying phenomenon is analyzed according to the aerodynamics simulation tools. By adopting 3-D steady incompressible Reynolds averaged equations (RANS) combined withk-εtwo-equation turbulence model, the aerodynamic characteristics of the track bed with strong wind influence is studied. The study found that: the higher train wind speed is, the greater the track bed surface pressure will appear, and the more easily snow splash will caused; Under the same wind velocity, sleepers tank monitoring points pressure on both sides of the rail is 4 Pa to 15 Pa, and the monitoring points pressure at the center of line is about 10 times than that of tank monitoring points, the ballast shoulder monitoring points pressure is about 25 times so that ballast shoulder is most likely caused snow splash; Ballast shoulder pressure vary with ballast shoulder height when ballast shoulder height increases 50 mm the pressure increases by 2% to 7%. The high-speed railway snow flying control measures are: optimization of train and track structure, mechanical snow removal, and comprehensive station integrated management measures.

Key words：cold regions railway; snow flying; aerodynamics; ballast shoulder height; prevention measure

中圖分類號：U213.7+31

文獻標志碼：A

文章編號：1672-7029(2016)01-0028-06

通訊作者：井國慶(1979-)，男，河北廊坊人，副教授，博士，從事有砟軌道研究；E-mail：gqjing@bjtu.edu.cn

基金項目：國家自然科學基金資助項目(51578051)

收稿日期：*2015-06-16