淺談路基防風工程的研究認識

聶犇

（武漢鐵四院工程咨詢有限公司，武漢430063）

淺談路基防風工程的研究認識

聶犇

（武漢鐵四院工程咨詢有限公司，武漢430063）

新建蘭新高鐵是我國第一條穿越新疆大風區的高速客運鐵路，防風效果是蘭新高鐵建設及運營安全的控制性因素。在對大風觀測、實驗研究及既有線擋風墻的觀測基礎上，結合理論分析、數值模擬計算及風洞試驗的研究成果，同時結合擋風墻的設計思路，讓我們對擋風墻的設計有一個明確的認識。

路基;擋風墻;高速鐵路;風壓

【DOI】10.13616/j.cnki.gcjsysj.2016.08.029

1 引言

全長1700km的蘭新高鐵有700余km位于新疆境內，主要通過五大風區，分別是安西、煙墩、百里、三十里及達坂城風區。全線有近1/3的線路位于五大風區中。

風區內人煙稀少，自然環境惡劣，是我國鐵路風災最為嚴重的地區。已建成的蘭新鐵路自運營以來，因大風導致的傾覆、脫軌事故就有30余起，造成的列車停運、軌道積沙、接觸網受流不穩等問題更是十分普遍。

因此，研究及設計風區的防風工程對保證蘭新高鐵在大風條件下安全運營具有極為重要的作用。

2 沿線大風區特征及工程分區

2.1 大風地區的主要特點

從目前掌握的資料看，新疆境內風區特點主要為季節性強、風期長、速度大、速度變化快及風向穩定。

2.2 防風工程分區

防風工程主要分為5區，分別是大風極少區（Ⅰ區）、大風低發區（Ⅱ區）、大風一般區（Ⅲ區）、大風易發區（Ⅳ區）和大風頻繁區（Ⅴ區）。

3 路基防風技術研究

3.1 路基防風工程研究的主要內容

目前，國內許多學者對風區普速鐵路擋風墻的高度的最適值[1-3]及不同擋風墻的擋風效果[4]做了許多研究及觀測，但是對于預留350km/h速度的蘭新鐵路第二雙線高速鐵路擋風墻的研究目前還不是很多，因此2009年11月，在搜集國內外資料的基礎上，鐵道第一勘察設計院（以下簡稱“鐵一院”）與中南大學合作展開《蘭新第二雙線路基防風數值分析研究》，開展大風區條件下，風、車、路、擋風墻等耦合空氣動力特性和列車安全運行的計算研究。

研究采用理論分析、數值模擬計算、優化設計相結合的方法開展研究。以數值模擬計算為主，對無防風設施動車組氣動特性、設防風設施后動車組氣動特性等進行數值計算，以此為基礎進行擋風墻墻形、位置和高度的優化研究。

在路基防風數值分析研究的基礎上，鐵一院還與中南大學進一步合作展開《蘭新第二雙線路基防風技術風洞實驗研究及動模型實驗研究》的研究。通過風洞試驗，驗證、修正了模擬計算結論，同時還利用中南大學的列車空氣動力特性動模型試驗系統，對項目要求的不同擋風墻形式和列車單車、交會工況下，其結構與列車模型表面壓力波傳播規律、出口微壓波變化進行測試與分析，得出列車高速運行及不同防風結構的氣動力特性，為蘭新第二雙線路基防風工程的實施提供依據。

3.2 路基防風工程研究的初步結果

3.2.1 無防風設施條件下列車氣動性能研究

列車在無防風設施條件下以不同的速度在不同高度的路基上運行時，列車受到的傾覆力矩與路基高度的變化規律基本一致，從車頭到車尾所受力矩依次減小。同時列車受到的傾覆力矩隨行駛速度增大而增大；對于一、二線上運行的列車所受傾覆力矩基本一致，但都隨路基高度減小而減少；在運行條件相同的情況下，傾覆力矩也會隨著風速的減小而減小。

3.2.2 擋風墻合理位置研究

研究初步結果表明：列車以350km/h速度運行，橫向風速為60m/s時，無論是6.1m、5.7m，還是5.3m高的擋風墻，位于一、二線的列車所受傾覆力矩從頭到尾依次增大；然而，對于列車所受氣動力平均最小的是擋墻高度為5.7m的時候，此時，一、二線列車的氣動性能相對最佳。

3.2.3 擋風墻合理高度計算研究

經過數值分析，結合列車運行標準的綜合考慮，同時也要考慮擋風墻的防沙作用，為確保列車安全運行，擋風墻高度的設置主要如下：

1）路塹

路塹深度≥5m時，擋風墻高度不小于2.0m，設置在塹頂處，環境風速不超過45m/s。

2m＜路塹深度≤5m時，宜在塹頂設置高度不小于3.0m的擋風墻，環境風速不超過45m/s。

路塹深度≤2m時，宜在塹頂設置高度不小于3.5m的擋風墻，環境風速不超過45m/s。

2）路堤

路堤高度≤3m時，宜在路肩設置高度不小于4.0m高的擋風墻，環境風速不超過45m/s。

3m＜路堤高度≤5m時，宜在路肩設置高度不小于4.0m高的擋風墻，環境風速不超過45m/s。

5m＜路堤高度≤7m時，宜在路肩設置高度不小于3.5m高的擋風墻，環境風速不超過40m/s。

路堤高度≥7m時，一般采用半封閉或者封閉結構，外界風速小于50m/s。如果只有迎風側設置擋風墻，外界風速小于35m/s。

路堤高度、環境風速直接影響路堤擋風墻的效果。對于列車氣動性能，路堤高度越高，風的增速效應就會越明顯，擋風墻所能防護的環境風速就越低。處于相同環境下的路堤，風速增大時，3.5m高的擋風墻防風效果要低于4.0m高的擋風墻，但墻高如果大于4m，就會在二線產生負壓。墻高大于4.0m時擋風墻加高意義不大。所以，對于路堤段落，在僅考慮列車傾覆力矩時，擋風墻的高度為3.5～4m。

4 擋風墻結構設計

4.1 風荷載的確定

擋風墻所受的荷載主要為：水平風力（F）及抗力、擋風墻自身重力（G）、所受地基反力（P）。我們比較容易確定擋風墻自身重力及地基反力、水平抗力，如何確定水平風力是確定擋風墻結構的重要因素。風向和風速指標目前可由氣象部門提供資料，但如何將風速轉換成風力，是擋風墻設計的重點。中科院寒區旱區環境與工程研究所通過試驗[5]研究，得出了風速與風力的轉換公式，具體如下：

式中，F為水平風力，kN；A為受風面積，m2；ρ為空氣密度，取1.247kg/m3；Cd為阻力系數，取0.62；V為風速，m/s。

地形平坦情況下，當均勻的風速遇到障礙物時，風速將重新分布（見圖1）。最底部為0，頂端為無障礙物時的風速，風速隨高度的變化函數為

式中，u為摩阻速度；z為擋風墻高度，mm；k為地表粗糙度，一般取地表砂礫平均直徑的1/20～1/30倍，地表以圓礫土為主時取0.4mm。

圖1 風速—高度關系

擋風墻的傾覆力矩：

式中，l為擋風墻長度，計算時取1m；h為擋風墻的高度（m）；f(z)為風壓、風速函數。

風力作用點高度H為

擋風墻所受的力（F）為

實際上，位于高填方路肩上的擋風墻，風力作用會受沿路堤邊坡而上，影響墻面下部，因此將擋風墻所受的風壓看作沿墻高均勻分布。

另外，擋風墻上所受的風荷載也可以采用《鐵路橋涵設計基本規范》（TB 10002.1—2005）中的風荷載公式：

式中，W為風荷載強度，Pa；W0為基本風壓值，Pa，其中W0=1/ 1.6v2；k1為風載體形系數；k2為風壓高度變化系數；k3為地形、地理條件系數。

4.2 反方向荷載檢算

反方向荷載檢算時，風速取20.7m/s。

4.3 地基反力的計算

由于懸臂式擋風墻立柱猶如一懸臂式擋墻，為防止因基底承載力不足而造成的擋風墻傾覆，對基底地基承載力也有一定的要求。

地基反力計算公式為

式中，e為地基基礎的偏心距，e=M/(F+G)；G為基礎及其臺階上填土的總重。

對于懸臂式擋風墻，設計時除考慮擋風墻自身的結構外，還應滿足擋風墻的抗傾覆安全系數K0≥1.5，抗滑移安全系數Kc≥

1.3 的要求。

對于柱板式擋風墻，其擋風立柱錨固端長度應根據《鐵路路基支擋結構設計規范》（GB 50010—2010）相關規定計算確定。

4.4 結構配筋

在確定好擋風墻結構尺寸后，根據《混凝土結構設計規范》、進行擋風墻各部位的配筋計算。

5 結語

一直以來，對高速鐵路擋風墻的研究一直處于空白階段，得益于蘭新二線高速鐵路的建設，鐵道部專門成立專項基金對其研究。通過理論分析、數值模擬計算及風洞試驗的研究成果，同時結合擋風墻的設計思路，讓我們對擋風墻的設計有一個明確的認識，對高速鐵路擋風墻的設計起著借鑒作用。

【1】王厚雄，高注，王蜀東.擋風墻高度的研究[J].中國鐵道科學，1990,11 (1):14-22

【2】劉鳳化.不同類型擋風墻對類車運行安全防護效果的影響[J].中南大學學報（自然科學版），2006,37(1):176-182.

【3】高廣軍，段麗麗.單線路堤上擋風墻高度研究[J].中南大學學報（自然科學版），2011,42(1):254-258.

【4】李熒.蘭新線百里風區不同型式擋風墻防風效果評估[J].鐵道技術監督，2011，40(1):34-37,42.

【5】鐵道第一勘察設計院，西南交通大學風工程試驗研究中心，中南大學高速列車研究中心，中國科學院寒區旱區環境與工程研究所.蘭新線百里風區防風工程試驗研究階段成果報告[R].2003.

Discussion on the Research of the Roadbed Windproof Project

NIE Ben

(Wuhan Railwaly Siyuan Engineering Consulting Co.Ltd.,Wuhan430063,China)

The new-built Lan-Xin railway is the first high-speed passenger railway through the Xinjiang gale area and the windproof effect is among the governing factors of the Lan-Xin railway construction and operation safety.This paperis based on wind observation,experimental study and observation to the existing wind-break walls,and combines with the research findings of theoretical analysis,numerical simulation calculation and wind tunnel test,including the design ideas of the wind-break walls.In this way we can have a clear understanding of thew ind-break wall design.

roadbed;wind-break walls;high-speed railway;wind pressure

U213.1+4

A

1007-9467（2016）08-0056-02

2016-07-27

聶犇（1984～），男，江西南昌人，工程師，從事鐵路路基設計咨詢與研究。