蘭新高鐵擋風(fēng)墻區(qū)段風(fēng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究及應(yīng)用

摘? 要：蘭新高鐵工程設(shè)計(jì)中在風(fēng)區(qū)路基地段迎風(fēng)側(cè)設(shè)置有擋風(fēng)墻，以減弱大風(fēng)對(duì)運(yùn)行動(dòng)車(chē)的影響。為減少擋風(fēng)墻產(chǎn)生的風(fēng)流場(chǎng)紊亂現(xiàn)象對(duì)風(fēng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的影響，分析距離擋風(fēng)墻區(qū)域不同空間下的風(fēng)速變化規(guī)律，確定風(fēng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)風(fēng)速計(jì)距離擋風(fēng)墻的距離。同時(shí)通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)現(xiàn)有風(fēng)速計(jì)和測(cè)風(fēng)塔的設(shè)備參數(shù)比選和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)方式，解決當(dāng)?shù)丨h(huán)境下的設(shè)備適應(yīng)性問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：高鐵;風(fēng)區(qū);風(fēng)監(jiān)測(cè);擋風(fēng)墻;距離;風(fēng)速計(jì);測(cè)風(fēng)塔

中圖分類(lèi)號(hào)：TP277? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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(zāi)害監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以保證鐵路行車(chē)安全，對(duì)危及列車(chē)運(yùn)行安全的自然災(zāi)害等突發(fā)事件進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)信息分布獲取、集中管理、綜合運(yùn)用，全面掌握災(zāi)害動(dòng)態(tài)，提供及時(shí)準(zhǔn)確的災(zāi)害報(bào)警和預(yù)警功能，防止或減輕因?yàn)?zāi)害引發(fā)的損失，避免次生災(zāi)害，是高速鐵路不可缺少的重要技術(shù)保障。[1，2]

其中風(fēng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在高速鐵路中已得到廣泛的應(yīng)用，并已有相關(guān)的設(shè)計(jì)規(guī)范。但由于蘭新高鐵地處我國(guó)大風(fēng)災(zāi)害最為嚴(yán)重的地區(qū)，同時(shí)工程建設(shè)中首次采取了擋風(fēng)墻等多種防風(fēng)措施，現(xiàn)有高鐵風(fēng)監(jiān)測(cè)技術(shù)無(wú)法直接應(yīng)用在工程建設(shè)中。因此需要結(jié)合沿線自然環(huán)境和既有風(fēng)監(jiān)測(cè)技術(shù)和風(fēng)區(qū)的防風(fēng)設(shè)施等因素，解決蘭新高鐵擋風(fēng)墻區(qū)段風(fēng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)遇到的各種新問(wèn)題。[3-5]

1? 路基地段風(fēng)速計(jì)距擋風(fēng)墻的距離

為了確保蘭新高鐵在風(fēng)區(qū)大風(fēng)環(huán)境中的安全運(yùn)營(yíng)，采用以下措施：一是在風(fēng)區(qū)為保證列車(chē)運(yùn)行途徑大風(fēng)區(qū)段時(shí)能維持較高的運(yùn)行速度，在迎風(fēng)測(cè)安裝防側(cè)風(fēng)屏障;二是根據(jù)沿線風(fēng)速監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)信息，將車(chē)速降至比較合適的運(yùn)行速度或者停車(chē)等，確保行車(chē)安全。其中風(fēng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)為精準(zhǔn)、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)高鐵沿線風(fēng)速風(fēng)向的唯一手段，為高速鐵路提供不同等級(jí)風(fēng)速報(bào)警信息，以確保行車(chē)安全。[6]

但由于在風(fēng)區(qū)路基地段設(shè)有擋風(fēng)墻，安裝在擋風(fēng)墻后端接觸網(wǎng)桿上的風(fēng)速計(jì)處于風(fēng)流場(chǎng)紊亂區(qū)域，其監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)無(wú)法反映現(xiàn)場(chǎng)風(fēng)速值，因此需要將風(fēng)速計(jì)設(shè)置在擋風(fēng)墻外側(cè)。因此合理確定大風(fēng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)距擋風(fēng)墻間的距離，是保證大風(fēng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)真實(shí)反映鐵路沿線風(fēng)場(chǎng)情況。

1.1? 擋風(fēng)墻對(duì)大風(fēng)的阻擋初步分析

基于空氣流動(dòng)理論分析，擋風(fēng)墻兩側(cè)風(fēng)速場(chǎng)的風(fēng)場(chǎng)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(guī)律的水平流動(dòng)。

當(dāng)遇到路堤，由于路堤對(duì)風(fēng)流的阻滯作用，氣流通過(guò)面積減小，根據(jù)單位時(shí)間流量Q=vS可知，當(dāng)Q一定時(shí)，流速v與通過(guò)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(yīng)越明顯;同時(shí)在路堤的背風(fēng)側(cè)，由于氣流從上方流過(guò)，對(duì)下方氣流形成了一個(gè)抽空作用，導(dǎo)致?lián)躏L(fēng)墻背風(fēng)側(cè)形成漩渦，從而造成路堤背風(fēng)側(cè)流場(chǎng)湍流現(xiàn)象十分復(fù)雜，風(fēng)流特征如圖1所示。[7，8]

1.2? 路基地段擋風(fēng)墻數(shù)據(jù)建模研究

根據(jù)蘭新高鐵風(fēng)區(qū)路基地段典型擋風(fēng)墻設(shè)計(jì)（如圖2所示），選取擋風(fēng)墻高度分別為3.5 m、3.8 m、4.0 m和4.2 m進(jìn)行對(duì)比分析，來(lái)流風(fēng)速為30 m/s（標(biāo)準(zhǔn)高度處風(fēng)速）。[9-12]

擋風(fēng)墻區(qū)域風(fēng)速計(jì)算區(qū)域選取主要因素為：在高度方向上，流場(chǎng)應(yīng)當(dāng)充分發(fā)展，故選取150 m;線路應(yīng)當(dāng)遠(yuǎn)離入口邊界，防止干擾入口風(fēng)速，故鐵路線距離入口為120 m，風(fēng)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(yīng)，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(fēng)墻數(shù)據(jù)模型風(fēng)速變化情況

根據(jù)該模型經(jīng)計(jì)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(fēng)墻下水平位置的v/v0分布圖和擋風(fēng)墻前不同水平位置測(cè)點(diǎn)的速度結(jié)果如圖3所示。

1.4? 路基地段擋風(fēng)墻前風(fēng)速變化分析

通過(guò)對(duì)以上的數(shù)據(jù)分析可得路基地段擋風(fēng)墻前速度變化情況：

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

（2）據(jù)擋風(fēng)墻前10 m處氣流變化已趨于平穩(wěn)，無(wú)紊亂產(chǎn)生。距離擋風(fēng)墻越遠(yuǎn)、高度越高，越受擋風(fēng)墻影響越小。

1.5? 路基地段風(fēng)速計(jì)距擋風(fēng)墻的距離

根據(jù)路基地段擋風(fēng)墻前風(fēng)速變化情況并結(jié)合工程設(shè)計(jì)，路基地段風(fēng)速計(jì)距擋風(fēng)墻的距離按照下面原則設(shè)計(jì)[13，14]：受鐵路用地界以及測(cè)風(fēng)塔基礎(chǔ)大小限制，測(cè)風(fēng)塔不能安裝到離擋風(fēng)墻較遠(yuǎn)的位置。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)路基結(jié)構(gòu)、排水溝構(gòu)成以及綜合接地設(shè)施設(shè)置情況，經(jīng)多方面分析論證，實(shí)驗(yàn)認(rèn)為測(cè)風(fēng)塔距擋風(fēng)墻15 m處時(shí)擋風(fēng)墻受大風(fēng)影響非常小，可滿足工程建設(shè)和大風(fēng)監(jiān)測(cè)。

2? 風(fēng)區(qū)風(fēng)速計(jì)選擇

蘭新高鐵橫穿的風(fēng)區(qū)內(nèi)存在風(fēng)沙侵蝕嚴(yán)重、晝夜溫差變化大、天氣變化極端等惡劣自然環(huán)境，為確保設(shè)備在任何環(huán)境下可正確測(cè)試沿線風(fēng)速、設(shè)備可靠耐用，對(duì)風(fēng)速計(jì)選型提出了極為苛刻的要求。

2.1? 風(fēng)速計(jì)類(lèi)型

目前在風(fēng)區(qū)使用風(fēng)速計(jì)的行業(yè)主要為氣象、鐵路、風(fēng)力發(fā)電、石油等，其選用的風(fēng)速計(jì)類(lèi)型主要為機(jī)械式、熱場(chǎng)式和超聲式。[15]

2.2? 風(fēng)速計(jì)關(guān)鍵參數(shù)分析

對(duì)這三種不同原理風(fēng)速計(jì)關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行對(duì)比分析，內(nèi)容詳見(jiàn)表1。

根據(jù)上述關(guān)鍵參數(shù)表，超聲式風(fēng)速儀風(fēng)速精度高于熱場(chǎng)式和機(jī)械式，數(shù)據(jù)更新頻率高于機(jī)械式;其測(cè)量精度高于機(jī)械式，與熱場(chǎng)式基本一致。

2.3? 風(fēng)速計(jì)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)測(cè)試

由于高鐵風(fēng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)首次在內(nèi)陸風(fēng)區(qū)使用，需要在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)三種不同測(cè)量原理的風(fēng)速計(jì)進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)地點(diǎn)選在煙墩風(fēng)區(qū)。經(jīng)過(guò)一年以上的觀察試驗(yàn)，風(fēng)速計(jì)對(duì)比結(jié)果如表2所示。

2.4? 風(fēng)速計(jì)選擇結(jié)論

根據(jù)風(fēng)速計(jì)關(guān)鍵參數(shù)比選、現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備試驗(yàn)和數(shù)據(jù)對(duì)比分析，在蘭新高鐵設(shè)計(jì)中采用超聲速風(fēng)速計(jì)可以滿足設(shè)備可靠性、減少維護(hù)維修等要求。

3? 風(fēng)區(qū)測(cè)風(fēng)塔選型

按照鐵路高鐵設(shè)計(jì)規(guī)范，風(fēng)速計(jì)需要安裝在接觸網(wǎng)桿上。但是蘭新高鐵迎風(fēng)側(cè)設(shè)置有擋風(fēng)墻，接觸網(wǎng)擋處于風(fēng)墻產(chǎn)生的風(fēng)流場(chǎng)紊亂區(qū)域，因此無(wú)法將風(fēng)速計(jì)安裝在接觸網(wǎng)上，需要在距離擋風(fēng)墻15米處設(shè)置測(cè)風(fēng)塔安裝風(fēng)速計(jì)。

3.1? 測(cè)風(fēng)塔選型

蘭新高鐵風(fēng)區(qū)沿線風(fēng)電站、氣象觀測(cè)站等處主要使用三種不同類(lèi)型的測(cè)風(fēng)塔有：三角自立塔、三角拉線塔和四角自立塔。結(jié)合蘭新高鐵建設(shè)的特點(diǎn)對(duì)測(cè)風(fēng)塔類(lèi)型進(jìn)行對(duì)比分析。[16]

從表3對(duì)比優(yōu)缺點(diǎn)分析，蘭新客工程設(shè)計(jì)中專(zhuān)選用三角拉線塔作為測(cè)風(fēng)塔，其主要優(yōu)點(diǎn)如下：

（1）三角拉線塔塔型隨風(fēng)荷載曲線變化設(shè)計(jì)，線條流暢，遇到罕遇風(fēng)災(zāi)不易倒塌，安全系數(shù)高，設(shè)計(jì)符合國(guó)家鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范和塔桅設(shè)計(jì)規(guī)程，結(jié)構(gòu)安全可靠。

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

（3）選址便利，塔身自重輕，運(yùn)輸和安裝便捷、建設(shè)工期短。

4? 結(jié)? 論

蘭新高鐵擋風(fēng)墻區(qū)段風(fēng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究過(guò)程，通過(guò)建模分析、設(shè)備選型、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)、設(shè)備原理分析等多種手段，為高鐵首次橫穿風(fēng)區(qū)解決了風(fēng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在設(shè)計(jì)、建設(shè)和運(yùn)營(yíng)中遇到的困難，同時(shí)也為類(lèi)似項(xiàng)目建設(shè)提供了解決問(wèn)題的方法和思路。蘭新高鐵自2014年全線貫通運(yùn)行至今，風(fēng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)經(jīng)過(guò)5年的運(yùn)營(yíng)，該系統(tǒng)仍可實(shí)時(shí)、精準(zhǔn)、穩(wěn)定地監(jiān)測(cè)鐵路沿線風(fēng)速變化情況，為鐵路調(diào)度人員提供鐵路沿線風(fēng)速數(shù)據(jù)，為大風(fēng)天氣行車(chē)指揮提供可靠依據(jù)。

而蘭新高鐵在風(fēng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與線路防風(fēng)工程的雙重保護(hù)下，將高鐵受自然災(zāi)害的影響降低到最小，達(dá)到“不停輪、少限速、少養(yǎng)護(hù)、保安全”目標(biāo)，在兩省一區(qū)形成一條新的大能力快速鐵路通道，共享高鐵時(shí)代發(fā)展的新機(jī)遇。

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作者簡(jiǎn)介：董鵬樂(lè)（1984-），男，漢族，陜西扶風(fēng)人，本科，工程師，研究方向：鐵路通信、信息及災(zāi)害監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。