新疆铁路大风区段防沙措施风洞试验研究

谯泽诊

（乌鲁木齐铁路局 总工程师室, 新疆 乌鲁木齐 830011）

1 概述

新疆境内的兰新铁路 ( 兰州—阿拉山口 ) 和南疆铁路 ( 吐鲁番—和田 ) 2 条干线绝大部分线路地处干旱荒漠和风沙地带，寒潮气候给这里带来了特殊的大风天气，形成了举世闻名的“百里风区”和“三十里风区”[1]。风沙造成的铁路线路积沙、砾石打碎列车玻璃等情况时有发生，严重时甚至刮翻车辆造成中断行车、列车停轮，给铁路运输带来巨大的经济损失和社会影响[2-3]。

设置挡风墙及其他防风设施是保证大风区段铁路列车安全运行的主要措施，挡风墙的类型主要有土堤式、对拉式、柱板式、混凝土轨枕直插式、桥梁泄风式等[4-5]。针对挡风墙的研究，刘凤华[6]分别对加筋对拉式、“L”型、薄型和土堤式 4 种挡风墙背风侧车辆的气动力进行数值模拟计算；杨斌等[7]采用数值模拟计算的方法，对挡风墙距线路的合理位置和挡风墙的合理高度进行研究；郑晓静等[8]定量分析了单节车厢脱轨倾覆时的临界倾覆风速随挡风墙高度的变化规律，以及对路基沙粒沉积的影响；杨鑫炎等[9]通过对挡风墙的抗风效果模拟计算，分析了挡风墙的抗风性能。修建挡风墙取得了明显的防风效果，但在大风天气下，百里风区等强风地区仍然采用了一定的限速或封闭措施[10]。

为了更好地解决新疆大风地区风沙灾害对铁路线路的影响，通过数值模拟、现场观测和风洞试验等手段，研究风沙流的活动规律，提出适应大风地区沙害严重地段使用的新型防护措施：斜插板式挡沙墙和箱式挡沙墙。对不同风速下新式挡沙墙周围的流场变化情况，新式挡沙墙对风沙流的影响情况，以及新式挡沙墙的防沙效果和积沙情况等进行了风洞模拟试验，测定了斜插板式挡沙墙和箱式挡沙墙的防沙效果。

2 风沙风洞试验方法

图1 风洞示意图

风洞试验能够人为控制和模拟各种试验环境，不易受外部环境的干扰，常用作测量流场的主要设备，同时也被推广应用于风沙流的实验研究。专用的风沙风洞通常由动力段、整流段、供沙装置、试验段和扩散段 5 个部分组成，如图 1 所示[11]，该型号风洞可以测量 0～40 m/s 的风速范围。在风洞内有风洞试验专用测试工具，包括风速廓线毕托管和台阶式集沙仪，分别如图 2 和图 3 所示。毕托管是风洞专用的测量垂直分布气流速度的仪器，由 11 个探头、椭球头、横竖总压管和静压管组成，能够测出不同垂直高度的气流速度值。台阶式集沙仪是风洞专用测量输沙率的仪器，该型号集沙仪有 10 个尺寸为 2 cm × 2 cm 的入口，从地面到20 cm 高呈台阶式垂直分布，集沙仪内置 10 个集沙筒分别连接 10 个入口。风速未达到试验风速前，集沙仪入口需要被遮挡，达到试验风速时，开始计时同时挪开挡板，计时结束时再次挡上集沙仪。最后，采用高精度天平称量不同高度的集沙量从而得出风沙流的输沙情况。

图2 毕托管

图3 台阶式集沙仪

3 防沙设施及试验工况

3.1 防沙设施结构特点

斜插板式挡沙墙与箱式挡沙墙如图 4 所示。

图4 挡沙墙

3.2 实验工况

防沙设施模型按照 1∶10 的比例制作，安装于风洞试验段的中部。风速流场的测量位置为模型前后 0H、0.5H、1H、2H、5H、10H、15H和 20H处(H为模型高度 )。试验工况分为 4 种，如表 1 所示。

表1 试验工况

试验内容为斜插板式挡沙墙、箱式挡沙墙各选择 1 组，测量同一风速条件下的输沙率情况。通过风洞试验观测挡沙墙后集沙仪内集沙情况，验证新式挡沙墙能否达到目标挡沙效果。

4 防风设施试验结果及分析

4.1 斜插板式挡沙墙试验结果

不同工况下斜插板式挡沙墙后风沙流数据如表2 所示。由表 2 可以看出，随风速的增加，挡沙墙后积沙量越来越多；风速大于 10 m/s 后 ( 工况 B、C、D )，在同一风速下，沿着高度方向挡沙墙后积沙也在逐渐增加；在风速较低的情况 ( 工况 A：6 m/s )，积沙量沿高度方向的变化规律不明显。

4.2 箱式挡沙墙试验结果

不同工况下箱式挡沙墙风沙流数据如表 3 所示。从表 3 可以看出，与斜插板式挡沙墙试验结果相似，随风速的增加，挡沙墙后积沙量越来越多；风速大于10 m/s后，同一风速下，沿着高度方向积沙也有逐渐增加的趋势。

由于风洞模拟不可能做到与现场实际情况完全相同，因而风洞试验结果要与现场试验相互比较、相互补充，才能得出准确的结论。总体而言，该试验内容全面、数据丰富，能够为评价工程防沙措施的防沙效果提供有力支撑。

表2 不同工况下斜插板式挡沙墙风沙流数据

表3 不同工况下箱式挡沙墙风沙流数据

4.3 2 种挡沙墙比较分析

同种工况下，斜插板式挡沙墙和箱式挡沙墙的积沙情况比较柱形图如图 5 所示。

图5 同种工况下 2 种挡沙墙风沙流数据对比图

由图 5 可以看出，相比斜插板式挡沙墙，风速较小时 ( 工况 A：6 m/s )，箱式挡沙墙后超过 10 cm高度后不产生积沙 ( 如图 5 a 所示 )，当风速超过一定范围时 ( 工况 B：10 m/s )，箱式挡沙墙后积沙明显增加，而且远大于斜插板式挡沙墙后积沙 ( 如图 5 b所示 )，说明由于箱式挡沙墙两侧孔隙的作用，墙体对流场的扰动特别大，积沙效果十分明显，前、后积沙紧贴挡沙墙，而且箱墙体内、外积沙高度差别不大。

5 结论

（1）通过新式挡沙墙积沙试验可以看出，斜插板式挡沙墙和箱式挡沙墙的设置有效降低了风能，起到一定的净化风沙流效果。

（2）随着风速的增加，挡沙墙后积沙量越来越多；风速大于 10 m/s 后，在同一风速下，沿着高度方向墙后积沙量也在逐渐增加。

（3）相比斜插板式挡沙墙，风速较小时，箱式挡沙墙后不产生积沙，当风速超过一定范围时，箱式挡沙墙后积沙明显增加，而且远大于斜插板式挡沙墙后积沙，说明由于箱式挡沙墙两侧孔隙的作用，墙体对流场的扰动特别大，积沙效果十分明显，前、后积沙紧贴挡沙墙，而且箱墙体内、外积沙高度差别不大。

[1] 钱征宇. 西北地区铁路大风灾害及其防治对策[J]. 中国铁路，2009(3)：1-4.

[2] 祁延录，王怀军. 大风对新疆铁路的影响及防护[J]. 西部探矿工程，2009，21(6)：161-163.

[3] 葛盛昌，周林森. 兰新铁路沙害成因及防治对策[J]. 铁道运输与经济，2007，29(1)：33-34.

[4] 冯连昌，刘建平. 铁路防风沙技术措施及技术要点[J]. 铁道建筑，1987(10)：16-19.

[5] 董汉雄. 兰新铁路百里风区挡风墙设计[J]. 路基工程，2009(2)：95-96.

[6] 刘凤华. 不同类型挡风墙对列车运行安全防护效果的影响[J]. 中南大学学报：自然科学版，2006，37(1)：176-182.

[7] 杨 斌，刘堂红，杨明智. 大风区铁路挡风墙合理设置[J]. 铁道科学与工程学报，2011，8(3)：68-72.

[8] 郑晓静，马高生，黄 宁. 铁路挡风墙挡风效果和积沙情况分析[J]. 中国沙漠，2011，31(1)：22-27.

[9] 杨鑫炎，郑史雄. 铁路路基挡风墙抗风性能分析及方案比较[J]. 四川建筑，2004，24(3)：57-59.

[10] 葛盛昌，蒋富强. 兰新铁路强风地区风沙成因及挡风墙防风效果分析[J]. 铁道工程学报，2009(5)：1-4.

[11] 孙秋梅，李志忠，武胜利，等. 风沙环境风洞研究进展综述[J]. 新疆师范大学学报：自然科学版，2006，25(3)：107-111.