新建兰新铁路第二双线路基防风工程的研究

侯全德

1 概况

新建兰新铁路第二双线经由甘肃、青海、新疆三省区,正线全长1776 km;本线的最大特点是:线路要穿越甘肃境内安西风区和新疆境内的烟墩风区、百里风区、三十里风区、达坂城风区五大风区。

根据既有兰新铁路的运营经验,大风对铁路的危害主要表现为:横风作用下的列车倾覆、轨道积沙、沙石击碎玻璃、接触网受流不稳、列车停运、限速天数多等问题,严重影响铁路运营安全。为了保证新建兰新铁路第二双线的行车安全及大风环境下正常运营,大风区防风工程的研究与设置显得尤为重要。

2 沿线大风特征及工程分区

2.1 沿线大风的主要特征

风速高;风期长;季节性强;风向稳定;起风速度快。

2.2 大风区防风工程分区

通过沿线布设观测点,试验、研究、综合考虑各测风站点最大风速、极大风速、2 min平均最大风速风力、频率、风向及与风向线路交角等气象条件,考虑风蚀地形地貌特征、地表颗粒大小、植被情况、既有铁路、公路对应段落风害情况,沿线大气环流特征及风蚀影像(卫星、航片)特征等地质学条件,考虑线路高度、工程类型等工程条件,对大风区进行设计工程分区如下:

Ⅰ区(大风极少区):极大风速小于25 m/s,且大于20 m/s,大风出现频率小于5%;地形平缓不利大风形成、地面以砂土为主,植被良好;线路高度小于20 m;既有铁路、公路没有发生过大的风害。

Ⅱ区(大风低发区):极大风速小于 30 m/s且大于25 m/s或极大风速大于30 m/s,出现频率不大于3%;地形平缓不利大风形成、地面以细颗粒为主、植被一般;线路高度小于20 m;既有铁路、公路没有发生过影响铁路运营的风害。

Ⅲ区(大风一般区):极大风速大于30 m/s,出现频率小于5%而大于3%;地形起伏、地面以砾石土为主、植被一般。部分线路高度大于20 m;大风风向与线路呈35°～65°交角;既有铁路、公路段风害偶有发生。

Ⅳ区(大风易发区):极大风速大于30 m/s且出现频率大于5%而小于10%;地形起伏、地面以碎石土为主且部分胶结、少植被。部分线路高度大于20 m;大风风向与线路呈 35°～65°交角,最大风速、极大风速、2 min平均最大风速三种风速相关性差;既有线对应段易发生风害;既有铁路、公路运营受风害影响较大的段落。

Ⅴ区(大风频繁区):极大风速大于30 m/s且出现频率大于10%;地形起伏、地面以碎(块)石土为主且胶结、风蚀特征明显,少植被;部分线路高度大于20 m;大风风向与线路呈大角度相交,最大风速、极大风速、2 min平均最大风速三种风速相关性良好;既有铁路、公路相对应段出现过重大风害事故。

3 防风工程研究及研究的主要成果

3.1 路基防风工程研究主要内容

1)通过数值模拟分析及风洞试验进行路基防风结构的研究;2)通过数值模拟分析、风洞试验及室内模型实验,进行防风明洞的研究;3)通过对沿线大风环境及拟采用的防风结构研究的基础上,进行防风标准的研究。

3.2 路基防风工程研究初步成果

3.2.1 无防风设施条件下列车气动性能研究

1)动车组气动力计算结果:无防风设施条件下,动车组以不同速度运行于不同高度路基上时,动车组所受的倾覆力矩随路基高度变化规律一致,头车倾覆力矩最大,中间车其次,尾车最小;随着列车运行速度的增加,列车所受到的倾覆力矩逐渐增大;一线和二线上运行的动车组倾覆力矩相差不大,且均随着路基高度的增加而增大;相同运行条件下,倾覆力矩随着风速的增大而增大。

2)接触网位置风速计算结果:无防风设施条件下,动车组无论运行于一线或是二线,接触网高度的横向风速均随着风速的增大而增大;相同环境风速下,接触网高度的横向风速随着路基高度的增加而增大,一线和二线接触网位置横向风速相差不大,5.5 m高度的横向风速较6.9 m高度的横向风速大。

3.2.2 挡风墙合理位置

平地上横风风速为60 m/s、车速350 km/h时,5.3 m,5.7 m,6.1 m 3种位置挡风墙下,无论一线还是二线运行的动车组,其所受到的倾覆力矩均为头车最小,中间车其次,尾车最大;当挡风墙位置为5.7 m时,无论是在一线或是二线运行,动车组所受的气动力均最小,气动性能相对最好;此时,接触网位置的横风风速也相对较小。挡风墙的合理位置应为距迎风侧线路中心5.7 m。

3.2.3 挡风墙合理高度

研究动车组在350 km/h速度运行的条件下,综合动车组气动倾覆力矩和接触网处的横风风速的情况,得出下列结论:

1)路堑上挡风墙合理高度。5 m深度路堑,挡风墙高度为2.5 m(堑顶)时,在环境风不超过35 m/s条件下,动车组可以安全运行;2 m深度路堑,挡风墙高度为3.5 m(堑顶)时,在环境风不超过35 m/s条件下,动车组可以安全运营。2)平地挡风墙合理高度。平地上,挡风墙高度为2.5 m(轨面以上,下同)时,环境风速小于25 m/s条件下,动车组可以安全运营;挡风墙高度为4.5 m～5.0 m,在环境风速小于35 m/s条件下,动车组可以安全运营。3)路堤上挡风墙合理高度研究。3 m高度路堤上,挡风墙的高度在3.5 m～4.0 m范围内、在环境风速小于35 m/s条件下,动车组可以安全运营;5 m高度路堤上,挡风墙的高度在4.0 m～4.5 m时,在环境风速小于25 m/s条件下,动车组可以安全运营;7 m高度路堤上,挡风墙的高度在4.0 m时,在环境风速小于25 m/s条件下,动车组可以安全运营。

3.2.4 防风走廊风洞实验

环境风速60 m/s时,半封闭防风走廊(实验方案)开口处最大风速仅为4.08 m/s,列车安全运行没有问题。

4 防风工程标准的选择

本着“列车不停运、少限速,工程经济、合理”的原则,结合兰新铁路第二双线所经百里风区、三十里风区风速高,大风天数多的特点以及运营预期目标,同时考虑到大风区桥梁结构在高速列车引发的气动力及外侧大风作用下的结构受力的复杂性,以及接触网在不同风场环境内弓网受流关系尚需进一步试验研究,防风工程拟按照以下速度目标值进行设计。

5 路基防风工程的设计原则及防风结构

5.1 防风工程设计原则

根据防风技术研究的初步结论,结合风洞实验和动模型实验的数据,路基防风工程设计总体原则为:环境风速小于25 m/s条件下重点解决沙害隐患,建立大风预警系统;环境风速小于35 m/s且不小于25 m/s条件下采用挡风墙结构,存在沙害地段辅以挡沙措施;环境风速不小于35 m/s条件下采用半封闭防风结构,环境风速不小于35 m/s,沙害严重条件下采用封闭式防风结构。

5.2 防风工程设置范围

兰新第二双线防风工程总长约为290 km,其中路堑防风工程段落共计25 km,路堤防风工程段落共计263 km;防沙工程段落共计2 km。

5.3 路基防风结构

1)路基挡风墙。a.悬臂式挡风墙:路肩以上墙高3.5 m,2.5 m,设置于迎风侧路肩外侧。支撑力臂采用悬臂式结构,力臂间设挡风板。b.柱板式挡风墙:路肩以上墙高5.5 m,5.0 m,4.5 m,设置于迎风侧路肩外侧。支撑力臂采用埋入锚固桩结构,力臂间设挡风板。2)路基防风走廊。a.半封闭防风走廊:采用网架结构,结合多轴向复合材料为主的半封闭结构,其下为低挡墙基础。b.封闭式防风走廊:采用网架结构,结合多轴向复合材料为主的全封闭结构,采用埋入式钻孔桩基础。3)挡沙墙。挡沙栅栏高1.5 m～2.0 m,原则上采用透风式结构。

[1]中铁第一勘察设计院有限公司.新建铁路兰州至乌鲁木齐第二双线可行性研究[Z].2009.

[2]中铁第一勘察设计院有限公司.新建铁路兰州至乌鲁木齐第二双线防风工程初步设计[Z].2010.