高速鐵路特殊地形地貌段路基防風措施研究應用

張廣豐 高志偉

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司， 西安 710043)

蘭新高速鐵路全長1 776 km，作為世界上首條穿越大風區的高速鐵路，其沿線風區是全世界內陸大風風速最高的地區。蘭新高速鐵路沿途經過五大風區，分別為甘肅境內的安西風區和新疆境內的煙墩風區、百里風區、三十里風區、達坂城風區[1]，其中百里風區瞬時最大風速可達60 m/s，約為12 級風速的2倍，是世界鐵路穿越的風區之最[2]。

新疆大風區自然條件惡劣，人煙稀少，多為戈壁，是我國乃至世界上鐵路風災最嚴重的地區之一。風區內大風頻繁，風力強勁，大風具有風速高、風期長、季節性強、風向穩定、起風速度快的特點[3]，歷史以及近年來多次威脅蘭新鐵路、南疆鐵路的行車安全，甚至造成了翻車等重大安全事故[4-6]。

蘭新高速鐵路在聯調聯試、百里風區大風專項試驗期間，在試驗風速環境及車速條件下，列車通過大風區地形地貌變化地段、路堤路塹過渡段時出現車體晃動，但動車組的安全評判指標均在允許范圍內。

根據大風專項試驗測試數據，試驗期間列車各項安全指標正常，脫軌系數在0.11～0.23之間，小于限值0.8，輪重減載率、輪軸橫向力、車體橫向加速度、轉向架傾覆系數等其他車輛動力學安全性指標也均在安全范圍內。而歷次試驗晃車地點印證表明，晃車主要發生在地形地貌變化地段，即路堤路塹防風結構過渡段位置前后[7]。

為進一步提高列車通過特殊地形地貌段的安全性和旅客舒適性，對特殊地形地貌段大風流場特征及其防風措施進行深化研究是非常必要的。

1 路基過渡段大風流場特征分析

通過前期現場實車試驗和部分路段現場考察發現，空氣動力學性能和動力學指標較大的位置均出現在路塹擋風墻與路堤擋風墻過渡段、路塹與擋風墻過渡段、部分路塹地段等特殊位置[8]。

針對上述問題，需要對特殊地段的流場特征進行分析研究，以提出合理的過渡段防風措施。

1.1 原始地形流場分析

根據地形等高線圖，并結合現場實地考察，建立實體模型進行流場計算。

該處為路堤高路塹過渡段，屬于較復雜的地形。在擋風墻上風側的路塹中間存在一個風口，形成了一股峽谷風，此處擋風墻設施正好未修建完整，易形成峽谷風直接灌入到線路中。同時過渡段處擋風墻結構前后距離的不一致，也將導致風場發生改變。為明確過渡段周圍防風設施薄弱環節形成的原因，主要從以下幾個方面進行了分析：

(1) 沿線路距軌面不同高度處的水平線上的Y方向速度分量分布

距軌面2 m和3 m高度處的水平線上Y方向速度分量分布曲線分別如圖1、圖2所示。其中坐標0點為路堤與過渡段連接處，坐標負值端為路堤段，正值端為路塹段。

圖1 距軌面2 m高度處的水平線上Y方向速度分量分布曲線圖

圖2 距軌面3 m高度處的水平線上Y方向速度分量分布曲線圖

距軌面不同高度處的水平線上Y方向速度分量分布反映出1線和2線的變化趨勢基本一致，差異主要體現在風速峰值上，即2線處的風速峰值較大。線路的薄弱環節主要存在于擋風墻過渡段、擋風墻與路塹的過渡處。其中擋風墻過渡段處的風速變化率最大。

圖3 過渡段周圍距離軌面3 m高度處的水平面上的矢量分布圖

(2) 距離軌面不同高度處的水平面上的矢量分布

過渡段周圍距離軌面3 m高度處和10 m高度處的水平面上的矢量分布分別如圖3、圖4所示。從矢量分布圖上可以看出，在擋風墻過渡段后，三股氣流在此匯聚，分別為沿線路向路堤段流動的氣流、越過擋風墻下降在擋風墻后線路上方的氣流和背風側路塹回流至線路處的氣流，從而導致過渡段處風速值較大。

圖4 過渡段周圍距離軌面10 m高度處的水平面上的矢量分布圖

擋風墻與路塹的過渡處，氣流自峽谷而來，遇到擋風墻發生偏轉，順勢進入到線路區域，同時高路塹上方的氣流灌入到線路中，作用在下風側路塹上，形成回流。同時發現擋風墻與路塹的過渡進入到線路的氣流發生了沿線路方向的流動，即促使了擋風墻過渡段后形成沿線路向路堤段流動的氣流。

(3)垂直線路方向的不同橫斷面處的橫向平面上的矢量分布

距離過渡段200 m路塹段處橫斷面P5矢量分布如圖5所示，過渡段處風速最大值對應點處的橫斷面矢量分布如圖6所示。

圖5 距離過渡段200 m路塹段處橫斷面P5矢量分布圖

圖6 過渡段處風速最大值對應點處的橫斷面矢量分布圖

從圖5和圖6中可以很明顯地看到，在有效的防風設施地段，線路上方一定區域的氣流基本為反向流動，即速度方向為負；而在過渡段以及高路塹防風設施能力不足的地段，明顯看到較大的正向速度值。

1.2 風向角的影響分析

距軌面3 m高度處的水平線上，1線和2線Y方向速度分量分布曲線分別如圖7、圖8所示。從圖中可以看出，改變方向角后，Y方向風速的峰值及位置均出現了一定的變化。

圖7 距軌面3 m高度處的1線的Y方向速度分量分布曲線圖

圖8 距軌面3 m高度處的2線的Y方向速度分量分布曲線圖

2 路基過渡段防風措施研究

結合蘭新二線鐵路沿線的地形地貌以及防風設施改造施工可行性的實際情況，防風措施主要從線路內和線路外兩方面進行研究。線路內從改善線路周圍局部風場的思路出發，無論線路外風場如何劇烈變化，只需保證線路內所關心的區域風場處于一個相對穩定的區間內，從而在列車通過時，確保滿足列車的運行要求即可；線路外主要在迎風側切斷直接進入到線路關心區域的氣流，背風側避免地形因素導致的氣流回流(高路塹或者防風過渡段處)和氣流泄流口(路塹與對面連接處)。通過這些措施，改變線路內外的風場情況，限制進入到線路內的氣流，從而達到改善線路內相應區域的風場的目的。

為改善過渡段周圍的流場，研究確定了加高既有擋風墻、在過渡段處設置“外補內切”擋風墻、延長路堤擋風墻至路塹內、改變擋風墻外側地形特征等多種防風措施，以達到最優的防風效果。

2.1 加高過渡段擋風墻

(1)對既有路堤路塹過渡段的橫向擋風墻和路塹擋風墻采用加高擋風墻的方式進行補強，加高的過渡段擋風墻橫斷面如圖9所示。

圖9 加高的過渡段擋風墻橫斷面示意圖

(2)加高擋風墻采用屏式鋼結構擋風墻，立柱采用H型鋼，擋風板采用波紋板。加高擋風墻的間距按照既有擋風墻的立柱間距布置，H型鋼通過法蘭盤錨固在既有擋風墻立柱上，擋風墻橫向設H型鋼,與立柱鋼螺栓連接并焊接，擋風板采用與橫向H型鋼及立柱螺栓錨固的方式。

(3)路塹擋風墻及橫向擋風墻加高后，為保證路塹擋風墻的安全，在相應的擋風墻立柱上設置拉錨結構。

2.2 “外補內切”擋風墻

(1)對橫向寬度較大且地形條件允許的路堤路塹擋風墻過渡段采取設置“外補內切”擋風墻的形式進行補強，與路堤擋風墻夾角為30°，“外補內切”擋風墻平面布置如圖10所示。

圖10 外補內切擋風墻平面布置圖

(2)地形條件復雜，難以直接設置“外補內切”擋風墻時，采用橫向前1～2跨加高，剩余內切擋風墻的措施。

(3)“外補內切”擋風墻采用鋼筋混凝土扶壁式擋風墻，墻高4～6 m。

2.3 延長路堤擋風墻

(1)以路堤擋風墻為起點，向路塹方向延伸擋風墻，延長路堤擋風墻平面如圖11所示。

圖11 延長路堤擋風墻平面示意圖

(2)延長路堤擋風墻采用屏式鋼結構擋風墻，立柱采用H型鋼柱，擋風屏采用普通鋼板。

(3)擋風墻間距3.0 m，立柱基礎采用鋼筋混凝土基礎。基礎內預留地腳螺栓以及定位鋼板。H型鋼柱通過法蘭盤錨固在鋼筋混凝土基礎上。

(4)延長路堤擋風墻擋風屏結構透風率自起點5%漸變過渡至20%。

2.4 改變地形地貌

部分地段擋風墻外側山包頂高度高于既有擋風墻頂高度，為保證擋風墻有效高度，將迎風側山包挖除，改變風的流暢，以達到防風效果。

3 結論

從蘭新高速鐵路通車后的實際運行情況來看，晃車點基本消除，說明上述針對特殊地形地貌段的防風措施可有效改變擋風墻過渡段區域的大風流場，提高列車運行的安全性和旅客舒適性。

(1)路基防風工程的薄弱環節主要存在于地形地貌變化地段、路堤路塹擋風墻過渡段、擋風墻與路塹的過渡處等區域，其中擋風墻過渡段處的風速變化率最大。

(2)在有效的防風設施地段，線路上方一定區域的氣流基本為反向流動，即速度方向為負；而在過渡段以及高路塹防風設施能力不足的地段，有明顯較大的正向速度值。

(3)通過加高擋風墻高度、“外補內切”擋風墻、延長路堤擋風墻以及改變地形地貌等工程措施，可有效改變擋風墻過渡段區域的大風流場，提高列車運行的安全性和旅客舒適性。