大风区铁路挡风墙合理设置*

杨 斌，刘堂红，杨明智

(1.西南交通大学土木工程学院，四川 成都 610031;2.兰新铁路新疆有限公司，新疆 乌鲁木齐 830011;3.中南大学轨道交通安全教育部重点实验室，湖南 长沙 410075)

根据《中长期铁路网规划》，到2020年，客运专线将达到1.2万km以上。随着列车运行速度的提高，在强侧风作用下，列车空气动力性能恶化，对列车运行安全造成严重影响［1－6］。新建兰州至乌鲁木齐第二通道(简称兰新第二双线)全长1776 km，穿越大风地区总长度近500 km。风区内大风频繁，风力强劲，大风对铁路列车运行安全及运输畅通构成严重威胁［7－8］。大风风灾体现为吹翻列车、破坏站房、路基及通讯设施，甚至危及人员生命安全。既有兰新铁路曾发生过多起大风引起的列车倾覆或脱轨事故，尤其近年该铁路频遭大风袭击而中断运输，造成了巨大经济损失和社会影响。由此，根据大风环境特点及既有铁路运营经验，动车组列车及相关设施的防风安全性成为制约风区新建铁路成功的关键因素。大风作用下列车周围空气的绕流流场明显变化，空气动力显著增大;设置挡风墙及其他防风设施，是保证风区新建铁路列车安全运行的主要措施［9－13］。本文针对高速动车组在风区运行时挡风墙的优化设计进行计算研究。

1 数值计算理论及模型

横风作用下列车周围流场采用三维粘性不可压缩湍流流动处理。描述列车周围空气流动的控制方程包括连续性方程、动量方程及湍流模型方程，在此，选取工程上应用较广的k－ε双方程模型［14］。

挡风墙模型采用直立式挡风墙进行研究，挡风墙高度定义为挡风墙顶部距轨面距离，其顶面宽度为1.2 m，挡风墙位置以挡风墙内侧表面距离一线中心线的距离来定义，其横断面模型见图1。

图1 挡风墙横断面模型(单位:m)Fig.1 Cross－sectional model for wind－break wall(unit:m)

计算模型采用非结构网格来离散。挡风墙近壁面的网格要求很细，以满足附面层计算的要求，远离挡风墙的网格较稀，密网格和稀疏网格之间以一定的增长因子均匀过渡，这样既保证了精度要求，又减小计算量并加快了收敛速度。空间采用四面体网格，物面为三角形网格，空间体网格约为400万。

2 列车安全运行评定参考依据

挡风墙的作用是既要保障动车组安全，不会因为大风而导致倾覆，又要保障接触网导线的风偏量限制在一定的范围之内，不会因为风偏量太大而导致弓网不能正常接触。因此，挡风墙是否合适，必须以此为依据。

列车因大风倾覆，主要因为大风作用下，列车空气动力，主要是横向力、升力和两者引起的倾覆力矩过大，超过临界倾覆力矩引起的。临界倾覆力矩与车辆自重、重心、运行线路、车辆外形、横向加速度等诸多因素有关，目前没有可以直接参考的标准。可以用于参考的依据有以下2种:一是根据《京津城际铁路技术管理暂行办法》第170条:动车组在环境风风速不大于15 m/s时，可以按正常速度运行;风速不大于20 m/s时，限速300 km/h;风速不大于25 m/s时，限速200 km/h;风速不大于30 m/s时，限速120 km/h;风速大于30 m/s时，严禁动车组进入风区。根据此条件，由计算得到动车组在平地运行时的倾覆力矩，作为参考依据［15］。二是根据大风作用下动车组的气动特性，再做动力学计算，得到车辆的临界气动倾覆力矩。

同样，接触网的风偏量目前也没有可以参考的标准。根据《京津城际铁路技术管理暂行办法》第170条，也可以计算接触网处的横风风速作为参考的依据。

综合计算分析，将79468 N·m作为临界气动倾覆力矩，将32 m/s作为接触网处临界接触网风速。这样，在后述对挡风墙位置、高度和形式研究中，将主要考察车辆气动倾覆力矩和接触网处的风速，并由此确定合理的挡风墙位置、高度和形式。

3 挡风墙合理位置研究

在进行挡风墙合理位置的优化过程中，挡风墙高度为距离轨面2.5 m。图2和图3分别为平地上、不同位置挡风墙下、横风风速为60 m/s、车速为350 km/h时，动车组倾覆力矩和接触网位置横风风速计算结果随挡风墙位置变化曲线。

由计算结果可知，5.3，5.7，6.1 m 这 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，气动性能相对较好;此时，接触网位置的横风风速也相对较小，尤其当动车组在一线运行时，一线接触网位置5.5 m高度的横风风速相对其他2个挡风墙高度下时明显降低，说明5.7 m挡风墙位置对于减小接触网横向风速较为有效。因而，5.7 m为挡风墙距一线中心线的合理位置，在后续的挡风墙高度优化中，采用挡风墙位置为5.7 m。

图2 动车组倾覆力矩随挡风墙位置变化曲线Fig.2 Overturning moment of EMU changed with position of wind－break wall

图3 接触网风速随挡风墙位置变化曲线Fig.3 Velocity of catenary changed with position of wind－break wall

4 挡风墙合理高度研究

实际研究中，对8 m路堑，5 m路堑，2 m路堑，平地，3 m路堤，5 m路堤，7 m路堤进行了挡风墙高度优化分析，受篇幅限制，本文只选取部分路况进行分析。

4.1 2 m深度路堑上挡风墙合理高度研究

2 m深度路堑对接触网的防护作用基本为零，需要考虑增加挡风墙的高度。取挡风墙高度分别为2.5，3.0，3.5 和 4.5 m 进行分析。挡风墙高度的变化引起动车组周围流场的变化，从而使动车组的倾覆力矩和接触网处的横风风速也发生了明显的变化。

350 km/h运行速度下头车气动倾覆力矩和一线高6.9 m位置接触网风速随挡风墙高度变化曲线分别如图4和图5所示。综合各挡风墙高度和不同环境风风速下动车组各车的最大气动倾覆力矩和接触网处的最大横风风速计算结果可知，当挡风墙的高度为2.5 m和3.0 m，环境风小于45 m/s时，正常运行动车组的气动倾覆力矩小于临界气动倾覆力矩;当挡风墙的高度为3.5m，环境风小于35 m/s时，正常运行动车组的气动倾覆力矩小于临界气动倾覆力矩;当挡风墙的高度为4.5 m，环境风小于25 m/s时，正常运行动车组的气动倾覆力矩小于临界气动倾覆力矩。当挡风墙高度为2.5 m和3.0 m、环境风风速小于25 m/s时，接触网处横风风速小于临界接触网风速;挡风墙高度为3.5 m，环境风风速小于35 m/s，以及挡风墙高度为4.5 m，环境风风速小于60 m/s时，接触网处横风风速小于临界接触网风速。综合分析可知2 m路堑上，在环境风速35 m/s以下时，动车组要正常运行，需设置3.5 m高度挡风墙。

图4 2 m路堑中倾覆力矩随挡风墙高度变化曲线Fig.4 Overturning moment of EMU changed with height of wind－break wall in 2 m deep cutting

图5 2 m路堑中接触网风速随挡风墙高度变化曲线Fig.5 Velocity of catenary changed with height of wind －break wall in 2 m deep cutting

4.2 平地上挡风墙合理高度研究

平地上，在挡风墙与车体之间、车体背风面存在气流漩涡，车体气动性能得以改善;随着挡风墙高度的增加，动车组车体周围的负压和负压区域面积增大，车体周围流场变得复杂，尤其是车体背风面的漩涡随之逐渐增大。选取 2.0，2.5，3.0，3.5，4.5，5.5，6.5 和 7.5 m 几种高度挡风墙进行分析。平地上车辆气动倾覆力矩和接触网横风风速随挡风墙高度变化曲线分别如图6，图7所示。由计算结果可知，当挡风墙的高度为2.0～3.5 m，环境风小于45 m/s，以及挡风墙的高度为 4.5 ～5.5 m，环境风小于25 m/s工况下，正常运行动车组的气动倾覆力矩小于临界气动倾覆力矩;挡风墙高度为6.5 m和7.5 m，环境风小于15 m/s时，正常运行动车组的气动倾覆力矩小于临界气动倾覆力矩。综合各挡风墙高度下和不同环境风风速下的接触网处的最大横风风速，可以清楚地得出:挡风墙高度2.0 ～3.5 m，环境风风速小于 25 m/s，以及挡风墙高度为4.5～7.5 m、环境风风速小于60 m/s时，接触网处横风风速小于临界接触网风速。可见，要同时满足车辆倾覆力矩和接触网处风速要求，在平地上，挡风墙的合理高度为4.5～5.0 m。此时，环境风速小于25 m/s时，动车组可以安全运营。

图6 平地上倾覆力矩随挡风墙高度变化曲线Fig.6 Overturning moment of EMU changed with height of wind－break wall on flat ground

图7 平地上接触网风速随挡风墙高度变化曲线Fig.7 Velocity of catenary changed with height of wind －break wall on flat ground

4.3 5 m高路堤上挡风墙合理高度研究

路堤的存在使气流有一个沿路堤攀升的过程，这使得到达挡风墙的气流的方向有很大的变化。随着挡风墙高度的增大，车体周围的流场变得复杂，车体四周的漩涡变大，同时，气流流过挡风墙顶部时，气流的攻角增大。选取 2.5，3.0，3.5，4.5，5.5，6.5和7.5 m几种高度挡风墙进行分析。

5 m路堤上，车辆气动倾覆力矩和接触网横风风速随挡风墙高度变化曲线分别如图8～图9所示。由计算结果可知，挡风墙高度为2.5～3.0 m，环境风小于35 m/s，挡风墙高度为 3.5 ～4.5 m，环境风小于25 m/s时，挡风墙高度为5.0～7.5 m，环境风小于15 m/s时，车辆气动倾覆力矩小于临界气动倾覆力矩。而挡风墙高度为2.5～3.5 m，环境风风速小于15 m/s时，以及挡风墙高度为4.0～7.5 m，环境风风速小于60 m/s时，接触网处横风风速小于临界接触网风速。可见，5 m高度路堤上，挡风墙的合理高度为4.0～4.5 m，此时，环境风速小于25 m/s时，动车组可以安全运营。

图8 5 m路堤上倾覆力矩随挡风墙高度变化曲线Fig.8 Overturning moment of EMU changed with height of wind－break wall on 5 m high embankmen

图9 5 m路堤上接触网风速随挡风墙高度变化曲线Fig.9 Velocity of catenary changed with height of wind －break wall on 5 m high embankment

5 结论

(1)挡风墙距一线中心线的合理距离为5.7 m时，此时动车组的气动性能较好，接触网处的横风风速最小。

(2)挡风墙高度优化中，2 m路堑上，挡风墙的合理高度为3.5 m左右，此时环境风速小于35 m/s时，动车组可以安全运营;在平地上，挡风墙的合理高度为4.5～5.0 m，此时，环境风速小于25 m/s时，动车组可以安全运营;5 m高度路堤上，挡风墙的合理高度为4.0～4.5 m，此时，环境风速小于25 m/s时，动车组可以安全运营。

(3)既有兰新铁路在考虑挡风墙高度时，只考虑了车辆本身的受力情况，所以挡风墙的合理高度在2.0～2.5 m左右，但这种高度的挡风墙满足不了降低接触网处风速的要求。而对于高速动车组运行情况下的挡风墙高度优化，要兼顾到接触网的风速时，挡风墙势必较高，此时从车辆气动力角度来说已处于过防护状态，所以挡风墙防御的环境风风速并不高。因此，对于环境风较大的区段，建议采用防风走廊或防风明洞代替挡风墙。

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