我国高铁强风灾风险评估与区划方法研究

马淑红，马韫娟

（1.新疆气象服务中心，新疆 乌鲁木齐 830002；2.清华大学，北京 100084）

1 高铁沿线距轨面4m最大瞬时风速预测模式建立

以三维坐标轴表示要素空间分布三维结构的函数式为：

式（1）中，F为年最大风速；φ，λ，H，δ分别代表纬度、经度、高度、地形影响等地理因子。以模型（1）分析高铁沿线最大风速、大风日数空间分布。在此基础上，应用概率模式计算出沿线最大风速不同概率设计值［1］，它涵盖沿线近50年来的最大风险。将沿线最大风速不同概率设计值空间分布与线路任意里程构造物相结合，进行高速铁路任意里程最大瞬时风速时距订正［2］，路堤、桥高增速订正［3，4］，地形订正，建立沿线任意里程距轨面4m 高处100m×100m空间网格点上最大瞬时风速2年一遇设计值V4_2max预测模式［5］如下：

式（2）中，V4_2max为高速铁路任意里程距轨面4m高处100m×100m空间网格点上最大瞬时风速2年一遇设计值；V10为沿线最大风速；K1为强风或阵风系数；K2为路堤或桥高增速订正系数；K3为地形订正系数。进一步推论，建立沿线防风安全风监测点以外区间瞬时风速计算模式：

式（3）中，V4_V为沿线风监测点以外区间瞬时风速，距轨面4m高度处100m×100m空间网格点上瞬时风速预测值，K0为比值系数。

2 高铁沿线最大风速分布特征和强风区间的确定

2.1 高铁沿线最大风速垂直分布特征

通过分析高铁沿线100个铁塔梯度风和7个5层梯度风监测资料，结果表明：我国高铁沿线最大风速垂直分布遵循幂指数规律［6］（幂指数α取值如表1所示），研究结果与建筑荷载规范取值基本一致［7］，差异在于跨海大桥、沙漠、砾漠风区α在0.08～0.10之间，但α=0.10出现频率最高。建议增加0类（跨海大桥、沙漠、砾漠风区、戈壁等区间）下垫面下α系数，α取值为0.10。

表1 高铁沿线不同下垫面特征下α取值

2.2 高铁沿线最大瞬时风速水平分布特征

应用模式（1）至（3）可以计算出高铁沿线距轨面4m高处100m×100m空间网格点上，最大瞬时风速2年一遇设计值V4_2max。计算结果表明：我国高铁沿线V4_2max水平分布与地形关系密切，系随特殊风环境的不同呈现独特特征，尤以20m以上高架桥、特大桥、高路堤、垭口、峡谷、狭管效应区间瞬时风速最大，而深路堑和山谷瞬时风速最小。

2.3 特殊风环境下动车组倾覆临界风速

选择京津城际、京沪高速铁路、东南沿线高速铁路特殊风环境（特大桥、高架桥、高路堤弯道及垭口、峡谷等区间），采用近年来高铁沿线安全防灾风监测点WXT520超声波6要素风向风速传感器高密度、高精度监测数据，分析强横风天气条件下动车组特殊风环境安全运营情况，结果表明：高速铁路特殊风环境中，特大桥弯道和高路堤弯道强横风区间动车组倾覆临界风速均为25m/s，深路堑为40m/s，特大桥强横风区间为30m/s。

2.4 高铁沿线强风区间确定

应用气象模式和极值Ⅰ型概率模式计算出高速铁路距轨面4m高度处1km×1km空间网格点上最大风速设计值，再将空间分布与沿线各里程的强风系数、路堤高和桥高增速系数、不同下垫面特征下幂指数相结合，建立距轨面4m高度处100m×100m空间网格点上最大瞬时风速预测模式，结合线路走向与强风主风向之间夹角和特殊风环境下倾覆临界风速，从而确定高铁沿线强横风区间（如图1所示）。

3 强风灾风险评估与区划方法

图1 高速铁路强风区间的确定方法示意图

依据高铁沿线近800个基本气象站50年（1961～2010年）年平均大风日数，以及2000个自动气象站和100个防灾安全风监测站近10年（2001～2009年）各月大风日数、日最大瞬时风速资料，强风灾风险评估与区划采用三级区划指标体系：第一级区划指标为8级及以上年平均大风日数；第二级区划指标为最大瞬时风速2年一遇设计值（以下简称为V4_2max）；第三级区划指标为四季大风日数占年平均大风日数百分比。依据等概率分区原则［8］，我国高铁沿线风灾危险分为5个大区，分别用罗马字符Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ表示，其中，Ⅰ为特强重大危险区，Ⅱ为强重大危险区，Ⅲ为重大危险区，Ⅳ为中度危险区，Ⅴ为较轻危险区。我国高铁沿线风灾以兰新二线百里风区强横风区间特强重大危险区危害最大，建议在高铁特强重大危险区间设置明洞（防风隧道）。

4 强风灾防控措施

基于对我国高铁强风灾风险评估与区划方法的研究，我国高铁强风灾防控措施应由风灾信息管理系统与防风栅和防风隧道防护技术组成。防风栅和防风隧道防护技术是指在强风危险区间安装防风栅、建设防风隧道的防护技术，通过风灾信息管理系统、防风栅和防风隧道减小作用在列车上的气动力，防止倾覆翻车事故的发生。

5 结论

5.1 综合分析近50年历史资料与近10年大风监测站短期资料，结果表明：高铁沿线大风日数的分布特征受天气系统和地形影响的制约，以山口、垭口、峡谷、河谷、特大桥和高路基弯道区间强风与大风日数最多，其中兰新二线百里风区横风区间是我国乃至世界高铁风灾之冠。

5.2 在分析大量详实资料的基础上，建立距轨面4m高度处100m×100m空间网格点上最大瞬时风速预测模式，结合线路走向与强风主风向之间夹角和特殊风环境下动车组倾覆临界风速，从而确定高铁沿线强风区间。这与日本铁路强风对策相关研究结论基本一致，差异在于可以预测高铁沿线风监测点以外区间最大瞬时风速，使其具有空间和时间上的可比性及可操作性。

5.3 采用三级区划指标体系和等概率分区原则，将我国高铁风灾划分为5个大区，Ⅰ特强重大危险区、Ⅱ强重大危险区、Ⅲ重大危险区、Ⅳ中度危险区、Ⅴ较轻危险区；并制定各危险度等级标准。以不同级别的形式来反映瞬时最大风速在线路上的规律性，提出概率风险评估方法，为高铁动车组安全运行以及高铁风灾防控技术措施制定提供理论支撑。

［1］马淑红，马韫娟.瞬时风速对高速列车安全运行的影响及其控制［J］.铁道工程学报，2009，（1）：11-16 .

［2］中国气象局.地面气象观测规范［M］.北京：气象出版社，2003.

［3］JTG/T D60-01-2004，公路桥梁抗风设计规范［S］.

［4］TB10002.1-2005，铁路桥涵设计基本规范［S］.

［5］马志福，周晓斌，王炜，等.我国高速列车强横风防风措施及对策研究［J］.中国科技信息，2011，（4）：212-216.

［6］马韫娟，马淑红.我国高速铁路客运专线桥梁设计风速研究［J］.铁道技术监督，2009，37（10）：34-37.

［7］GB 50009—2001，建筑结构荷载规范［S］.

［8］马韫娟，马淑红，张云惠，等.新疆高速公路强横风区间安全行车对策研究［J］.干旱区地理，2012，35（2）：210-221.