蘭新高鐵擋風墻區段風監測系統研究及應用

摘? 要：蘭新高鐵工程設計中在風區路基地段迎風側設置有擋風墻，以減弱大風對運行動車的影響。為減少擋風墻產生的風流場紊亂現象對風監測數據的影響，分析距離擋風墻區域不同空間下的風速變化規律，確定風監測系統風速計距離擋風墻的距離。同時通過對國內現有風速計和測風塔的設備參數比選和現場試驗方式，解決當地環境下的設備適應性問題。

關鍵詞：高鐵;風區;風監測;擋風墻;距離;風速計;測風塔

中圖分類號：TP277? ? ? ?文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2020）03-0116-04

Abstract：In the design of Lanxin high speed railway project，windbreak wall is set up in the windward measurement of subgrade section in the wind area to reduce the impact of strong wind on the running motor car. In order to reduce the influence of the wind flow field disorder on the wind monitoring data，the wind speed change rule in different space from the wind retaining wall area is analyzed，and the distance between the anemometer of the wind monitoring system and the wind retaining wall is determined. At the same time，the paper compares and selects the equipment parameters of the existing anemometer and the wind tower in China，and solves the problem of equipment adaptability in the local environment.

Keywords：high speed railway;wind area;wind monitoring;windbreak wall;distance;anemometer;wind tower

0? 引? 言

高鐵災害監測系統可以保證鐵路行車安全，對危及列車運行安全的自然災害等突發事件進行實時監測，實現監測信息分布獲取、集中管理、綜合運用，全面掌握災害動態，提供及時準確的災害報警和預警功能，防止或減輕因災害引發的損失，避免次生災害，是高速鐵路不可缺少的重要技術保障。[1，2]

其中風監測系統在高速鐵路中已得到廣泛的應用，并已有相關的設計規范。但由于蘭新高鐵地處我國大風災害最為嚴重的地區，同時工程建設中首次采取了擋風墻等多種防風措施，現有高鐵風監測技術無法直接應用在工程建設中。因此需要結合沿線自然環境和既有風監測技術和風區的防風設施等因素，解決蘭新高鐵擋風墻區段風監測系統遇到的各種新問題。[3-5]

1? 路基地段風速計距擋風墻的距離

為了確保蘭新高鐵在風區大風環境中的安全運營，采用以下措施：一是在風區為保證列車運行途徑大風區段時能維持較高的運行速度，在迎風測安裝防側風屏障;二是根據沿線風速監測報警系統信息，將車速降至比較合適的運行速度或者停車等，確保行車安全。其中風監測系統為精準、實時監測高鐵沿線風速風向的唯一手段，為高速鐵路提供不同等級風速報警信息，以確保行車安全。[6]

但由于在風區路基地段設有擋風墻，安裝在擋風墻后端接觸網桿上的風速計處于風流場紊亂區域，其監測數據無法反映現場風速值，因此需要將風速計設置在擋風墻外側。因此合理確定大風監測點距擋風墻間的距離，是保證大風監測點真實反映鐵路沿線風場情況。

1.1? 擋風墻對大風的阻擋初步分析

基于空氣流動理論分析，擋風墻兩側風速場的風場分布屬于典型的鈍體繞流，在平順的路堤地段，氣流均為十分規律的水平流動。

當遇到路堤，由于路堤對風流的阻滯作用，氣流通過面積減小，根據單位時間流量Q=vS可知，當Q一定時，流速v與通過面積S成反比，因此在路堤上方氣流加速，且越靠近路基，加速效應越明顯;同時在路堤的背風側，由于氣流從上方流過，對下方氣流形成了一個抽空作用，導致擋風墻背風側形成漩渦，從而造成路堤背風側流場湍流現象十分復雜，風流特征如圖1所示。[7，8]

1.2? 路基地段擋風墻數據建模研究

根據蘭新高鐵風區路基地段典型擋風墻設計（如圖2所示），選取擋風墻高度分別為3.5 m、3.8 m、4.0 m和4.2 m進行對比分析，來流風速為30 m/s（標準高度處風速）。[9-12]

擋風墻區域風速計算區域選取主要因素為：在高度方向上，流場應當充分發展，故選取150 m;線路應當遠離入口邊界，防止干擾入口風速，故鐵路線距離入口為120 m，風屏障后考慮渦流影響，因此，選取流域總寬度為420 m;考慮其三維效應，采用在縱向拉伸一定厚度的建模方式，取厚度AE（L）為4 m。

1.3? 路基地段擋風墻數據模型風速變化情況

根據該模型經計算得到線路附近不同位置處沿高度方向上的速度曲線圖、不同高度擋風墻下水平位置的v/v0分布圖和擋風墻前不同水平位置測點的速度結果如圖3所示。

1.4? 路基地段擋風墻前風速變化分析

通過對以上的數據分析可得路基地段擋風墻前速度變化情況：

（1）不同擋風墻高度下，在擋風墻前，風速變化規律基本相同：受到擋風墻的影響，當氣流逐漸靠近擋風墻時，速度逐漸降低，且擋風墻越高，減小得越快;當氣流到達擋風墻前時，速度降至最低，隨后氣流被迫抬升，形成加速，從而在擋風墻正上方出現一個極值點風速，接著受到擋風墻的遮蔽作用，氣流速度迅速減小。

（2）據擋風墻前10 m處氣流變化已趨于平穩，無紊亂產生。距離擋風墻越遠、高度越高，越受擋風墻影響越小。

1.5? 路基地段風速計距擋風墻的距離

根據路基地段擋風墻前風速變化情況并結合工程設計，路基地段風速計距擋風墻的距離按照下面原則設計[13，14]：受鐵路用地界以及測風塔基礎大小限制，測風塔不能安裝到離擋風墻較遠的位置。結合現場路基結構、排水溝構成以及綜合接地設施設置情況，經多方面分析論證，實驗認為測風塔距擋風墻15 m處時擋風墻受大風影響非常小，可滿足工程建設和大風監測。

2? 風區風速計選擇

蘭新高鐵橫穿的風區內存在風沙侵蝕嚴重、晝夜溫差變化大、天氣變化極端等惡劣自然環境，為確保設備在任何環境下可正確測試沿線風速、設備可靠耐用，對風速計選型提出了極為苛刻的要求。

2.1? 風速計類型

目前在風區使用風速計的行業主要為氣象、鐵路、風力發電、石油等，其選用的風速計類型主要為機械式、熱場式和超聲式。[15]

2.2? 風速計關鍵參數分析

對這三種不同原理風速計關鍵參數進行對比分析，內容詳見表1。

根據上述關鍵參數表，超聲式風速儀風速精度高于熱場式和機械式，數據更新頻率高于機械式;其測量精度高于機械式，與熱場式基本一致。

2.3? 風速計現場試驗測試

由于高鐵風監測系統首次在內陸風區使用，需要在現場對三種不同測量原理的風速計進行試驗，試驗地點選在煙墩風區。經過一年以上的觀察試驗，風速計對比結果如表2所示。

2.4? 風速計選擇結論

根據風速計關鍵參數比選、現場設備試驗和數據對比分析，在蘭新高鐵設計中采用超聲速風速計可以滿足設備可靠性、減少維護維修等要求。

3? 風區測風塔選型

按照鐵路高鐵設計規范，風速計需要安裝在接觸網桿上。但是蘭新高鐵迎風側設置有擋風墻，接觸網擋處于風墻產生的風流場紊亂區域，因此無法將風速計安裝在接觸網上，需要在距離擋風墻15米處設置測風塔安裝風速計。

3.1? 測風塔選型

蘭新高鐵風區沿線風電站、氣象觀測站等處主要使用三種不同類型的測風塔有：三角自立塔、三角拉線塔和四角自立塔。結合蘭新高鐵建設的特點對測風塔類型進行對比分析。[16]

從表3對比優缺點分析，蘭新客工程設計中專選用三角拉線塔作為測風塔，其主要優點如下：

（1）三角拉線塔塔型隨風荷載曲線變化設計，線條流暢，遇到罕遇風災不易倒塌，安全系數高，設計符合國家鋼結構設計規范和塔桅設計規程，結構安全可靠。

（2）塔柱為正三角形，可大大節約鋼材，塔基占地面積小，可有效節約土地資源，造價低廉。

（3）選址便利，塔身自重輕，運輸和安裝便捷、建設工期短。

4? 結? 論

蘭新高鐵擋風墻區段風監測系統研究過程，通過建模分析、設備選型、現場試驗、設備原理分析等多種手段，為高鐵首次橫穿風區解決了風監測系統在設計、建設和運營中遇到的困難，同時也為類似項目建設提供了解決問題的方法和思路。蘭新高鐵自2014年全線貫通運行至今，風監測系統經過5年的運營，該系統仍可實時、精準、穩定地監測鐵路沿線風速變化情況，為鐵路調度人員提供鐵路沿線風速數據，為大風天氣行車指揮提供可靠依據。

而蘭新高鐵在風監測系統與線路防風工程的雙重保護下，將高鐵受自然災害的影響降低到最小，達到“不停輪、少限速、少養護、保安全”目標，在兩省一區形成一條新的大能力快速鐵路通道，共享高鐵時代發展的新機遇。

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作者簡介：董鵬樂（1984-），男，漢族，陜西扶風人，本科，工程師，研究方向：鐵路通信、信息及災害監測系統。