高速鐵路特殊地形地貌段路基防風(fēng)措施研究應(yīng)用

張廣豐 高志偉

(中鐵第一勘察設(shè)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(fēng)區(qū)的高速鐵路，其沿線風(fēng)區(qū)是全世界內(nèi)陸大風(fēng)風(fēng)速最高的地區(qū)。蘭新高速鐵路沿途經(jīng)過五大風(fēng)區(qū)，分別為甘肅境內(nèi)的安西風(fēng)區(qū)和新疆境內(nèi)的煙墩風(fēng)區(qū)、百里風(fēng)區(qū)、三十里風(fēng)區(qū)、達坂城風(fēng)區(qū)[1]，其中百里風(fēng)區(qū)瞬時最大風(fēng)速可達60 m/s，約為12 級風(fēng)速的2倍，是世界鐵路穿越的風(fēng)區(qū)之最[2]。

新疆大風(fēng)區(qū)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(fēng)災(zāi)最嚴重的地區(qū)之一。風(fēng)區(qū)內(nèi)大風(fēng)頻繁，風(fēng)力強勁，大風(fēng)具有風(fēng)速高、風(fēng)期長、季節(jié)性強、風(fēng)向穩(wěn)定、起風(fēng)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(lián)調(diào)聯(lián)試、百里風(fēng)區(qū)大風(fēng)專項試驗期間，在試驗風(fēng)速環(huán)境及車速條件下，列車通過大風(fēng)區(qū)地形地貌變化地段、路堤路塹過渡段時出現(xiàn)車體晃動，但動車組的安全評判指標均在允許范圍內(nèi)。

根據(jù)大風(fēng)專項試驗測試數(shù)據(jù)，試驗期間列車各項安全指標正常，脫軌系數(shù)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(zhuǎn)向架傾覆系數(shù)等其他車輛動力學(xué)安全性指標也均在安全范圍內(nèi)。而歷次試驗晃車地點印證表明，晃車主要發(fā)生在地形地貌變化地段，即路堤路塹防風(fēng)結(jié)構(gòu)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(fēng)流場特征及其防風(fēng)措施進行深化研究是非常必要的。

1 路基過渡段大風(fēng)流場特征分析

通過前期現(xiàn)場實車試驗和部分路段現(xiàn)場考察發(fā)現(xiàn)，空氣動力學(xué)性能和動力學(xué)指標較大的位置均出現(xiàn)在路塹擋風(fēng)墻與路堤擋風(fēng)墻過渡段、路塹與擋風(fēng)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(fēng)措施。

1.1 原始地形流場分析

根據(jù)地形等高線圖，并結(jié)合現(xiàn)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(fù)雜的地形。在擋風(fēng)墻上風(fēng)側(cè)的路塹中間存在一個風(fēng)口，形成了一股峽谷風(fēng)，此處擋風(fēng)墻設(shè)施正好未修建完整，易形成峽谷風(fēng)直接灌入到線路中。同時過渡段處擋風(fēng)墻結(jié)構(gòu)前后距離的不一致，也將導(dǎo)致風(fēng)場發(fā)生改變。為明確過渡段周圍防風(fēng)設(shè)施薄弱環(huán)節(jié)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(xiàn)在風(fēng)速峰值上，即2線處的風(fēng)速峰值較大。線路的薄弱環(huán)節(jié)主要存在于擋風(fēng)墻過渡段、擋風(fēng)墻與路塹的過渡處。其中擋風(fēng)墻過渡段處的風(fēng)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(fēng)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(fēng)墻下降在擋風(fēng)墻后線路上方的氣流和背風(fēng)側(cè)路塹回流至線路處的氣流，從而導(dǎo)致過渡段處風(fēng)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(fēng)墻與路塹的過渡處，氣流自峽谷而來，遇到擋風(fēng)墻發(fā)生偏轉(zhuǎn)，順勢進入到線路區(qū)域，同時高路塹上方的氣流灌入到線路中，作用在下風(fēng)側(cè)路塹上，形成回流。同時發(fā)現(xiàn)擋風(fēng)墻與路塹的過渡進入到線路的氣流發(fā)生了沿線路方向的流動，即促使了擋風(fēng)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(fēng)速最大值對應(yīng)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(fēng)速最大值對應(yīng)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(fēng)設(shè)施地段，線路上方一定區(qū)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(fēng)設(shè)施能力不足的地段，明顯看到較大的正向速度值。

1.2 風(fēng)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(fēng)速的峰值及位置均出現(xiàn)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(fēng)措施研究

結(jié)合蘭新二線鐵路沿線的地形地貌以及防風(fēng)設(shè)施改造施工可行性的實際情況，防風(fēng)措施主要從線路內(nèi)和線路外兩方面進行研究。線路內(nèi)從改善線路周圍局部風(fēng)場的思路出發(fā)，無論線路外風(fēng)場如何劇烈變化，只需保證線路內(nèi)所關(guān)心的區(qū)域風(fēng)場處于一個相對穩(wěn)定的區(qū)間內(nèi)，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(fēng)側(cè)切斷直接進入到線路關(guān)心區(qū)域的氣流，背風(fēng)側(cè)避免地形因素導(dǎo)致的氣流回流(高路塹或者防風(fēng)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(nèi)外的風(fēng)場情況，限制進入到線路內(nèi)的氣流，從而達到改善線路內(nèi)相應(yīng)區(qū)域的風(fēng)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(fēng)墻、在過渡段處設(shè)置“外補內(nèi)切”擋風(fēng)墻、延長路堤擋風(fēng)墻至路塹內(nèi)、改變擋風(fēng)墻外側(cè)地形特征等多種防風(fēng)措施，以達到最優(yōu)的防風(fēng)效果。

2.1 加高過渡段擋風(fēng)墻

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

圖9 加高的過渡段擋風(fēng)墻橫斷面示意圖

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

(3)路塹擋風(fēng)墻及橫向擋風(fēng)墻加高后，為保證路塹擋風(fēng)墻的安全，在相應(yīng)的擋風(fēng)墻立柱上設(shè)置拉錨結(jié)構(gòu)。

2.2 “外補內(nèi)切”擋風(fēng)墻

(1)對橫向?qū)挾容^大且地形條件允許的路堤路塹擋風(fēng)墻過渡段采取設(shè)置“外補內(nèi)切”擋風(fēng)墻的形式進行補強，與路堤擋風(fēng)墻夾角為30°，“外補內(nèi)切”擋風(fēng)墻平面布置如圖10所示。

圖10 外補內(nèi)切擋風(fēng)墻平面布置圖

(2)地形條件復(fù)雜，難以直接設(shè)置“外補內(nèi)切”擋風(fēng)墻時，采用橫向前1～2跨加高，剩余內(nèi)切擋風(fēng)墻的措施。

(3)“外補內(nèi)切”擋風(fēng)墻采用鋼筋混凝土扶壁式擋風(fēng)墻，墻高4～6 m。

2.3 延長路堤擋風(fēng)墻

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

圖11 延長路堤擋風(fēng)墻平面示意圖

(2)延長路堤擋風(fēng)墻采用屏式鋼結(jié)構(gòu)擋風(fēng)墻，立柱采用H型鋼柱，擋風(fēng)屏采用普通鋼板。

(3)擋風(fēng)墻間距3.0 m，立柱基礎(chǔ)采用鋼筋混凝土基礎(chǔ)?；A(chǔ)內(nèi)預(yù)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(chǔ)上。

(4)延長路堤擋風(fēng)墻擋風(fēng)屏結(jié)構(gòu)透風(fēng)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(fēng)墻外側(cè)山包頂高度高于既有擋風(fēng)墻頂高度，為保證擋風(fēng)墻有效高度，將迎風(fēng)側(cè)山包挖除，改變風(fēng)的流暢，以達到防風(fēng)效果。

3 結(jié)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(fēng)措施可有效改變擋風(fēng)墻過渡段區(qū)域的大風(fēng)流場，提高列車運行的安全性和旅客舒適性。

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

(2)在有效的防風(fēng)設(shè)施地段，線路上方一定區(qū)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(fēng)設(shè)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(fēng)墻高度、“外補內(nèi)切”擋風(fēng)墻、延長路堤擋風(fēng)墻以及改變地形地貌等工程措施，可有效改變擋風(fēng)墻過渡段區(qū)域的大風(fēng)流場，提高列車運行的安全性和旅客舒適性。