哈密至将军庙铁路大风观测与研究

李锁平

(中铁第一勘察设计院集团有限公司，陕西西安 710043)

哈密至将军庙铁路(简称哈将线)地处新疆维吾尔自治区中东部哈密市境内，设计推荐方案为:由兰新铁路火石泉站右侧引出，沿北天山南麓向西北方向行进，经七角井洼地和三道岭煤矿，在天山山谷大风通道内穿行，从巴里坤山和博格达山垭口翻越天山后沿天山北麓西行，设克希郎萨站，过木垒哈萨克自治县后折向北，至在建准将铁路将军庙站，全长427.92 km［1］。线路途经百里风区和天山垭口大风通道区，百里风区大风频繁，风力强劲，既有兰新铁路曾发生多起因大风造成的列车脱轨、翻车等事故［2］。兰新铁路百里风区年大风日日平均风力大于8级以上［3］，风力强劲，出现频率高，风害极为严重［4］，哈将铁路沿线除百里风区的兰新铁路外，附近无其它在建或运营的铁路干线，缺乏可借鉴大风资料，因此，在哈将线路沿线建立大风观测点，进行观测分析，掌握大风的规律，为铁路的选线、工程设计以及安全行车提供依据。

1 大风观测点的建立

线路由南至北穿越两大盆地，中间翻越天山，岭南段为哈密盆地，岭北段为准噶尔盆地，因此，哈将线观测点将根据地形地貌及大风形成机理分3个段落建立，同时利用既有兰新线观测站和线路附近气象站资料。具体详述如下:

1)岭南段(DK0+000—DK147+000)。线路在既有兰新铁路北侧与其相向而行，其中DK108+000—DK147+000段处于百里风区，该段里程对应的兰新铁路范围有十三间房、了墩及红柳3个既有气象站，因此哈将线百里风区段借鉴兰新铁路3个观测站资料，不新建观测点。岭南段地形平坦开阔，大风经过风区后扩散，风速显著减弱，故只建一个观测点，即1号点(如图1)。

图1 哈将铁路沿线风速观测点布置示意

2)天山越岭段(DK147+000—DK213+000)。线路穿行于北天山剥蚀低中山区，处天山七角井风口区域东端，山间垭口大风通道内的冷空气受空气动力学“狭管效应”［5］影响，风速增高，越过垭口后，风速进一步增大形成大风［6］。该段地形复杂，且为风口越岭区，应重点进行观测，故在此段建立2号、3号、4号观测点，同时利用线路左侧七角井和右侧大石头气象站资料作为补充。

3)岭北段(DK213+000—DK427+921)。线路越岭后沿天山北麓西行，过木垒县进入准噶尔盆地平原区。该段地形开阔，无较大气压梯度，可利用木垒气象站资料，在其以北60 km处建立5号观测点。

2 观测结果与分析

2.1 风速观测

2.1.1 第一场系统天气各观测点风速及变化规律

既有兰新线红柳气象站距离哈将线越岭段最近，选择红柳气象站与哈将线越岭段各观测点及附近气象站大风观测资料进行对比分析，如图2。各观测点从观测周期零时起，各点风速值随时间均呈增大趋势，4日16～18点风速均达到最大，然后开始衰减，总体平缓下降，5日8点之后风速基本平稳，波动较小，5日5～8点2号、3号、4号观测点、七角井气象站4点风速值接近相等，5日13～19点2号、3号、4号观测点风速值接近，各测点极大风速值出现时间多相差约2～3 h。各观测点极大风速值相差较大，兰新线红柳气象站极值最大(38.2 m/s)，大石头气象站极值最小(16.1 m/s)，2号、3号、4号观测点极大风速值在4日16点出现，而七角井站、大石头站在4日18点、红柳站在4日20点出现。各测点风速衰减时间段相差较大，2号、3号、4号观测点风速衰减时间为4日16点～5日20点，而红柳站为4日20点～5日12点、七角井站为4日18点～5日22点，大石头站风速在5日0点～5日4点急速衰减。

图2 2010年12月4～5日各观测点风速随时间变化曲线

2.1.2 第二场系统天气各观测点风速及变化规律

本场将越岭段之外其余各点观测数据进行对比分析，如图3。各点相同之处仍然为风速值随时间均呈增大趋势，都经历了启动、加速、衰减3个阶段，百里风区的十三间房、了墩及红柳站风速曲线相似，极大风速值出现在12月28日7～9点。线路附近的大石头、木垒气象站风速曲线相似，极大风速值出现的时间点为5～7点，而哈将线5号观测点极大风速值出现在3点。天山岭南、越岭、岭北这三个区域极大风速值出现时间点相差2～3 h。各观测点极大风速值相差较大，兰新线十三间房极值最大(34.9 m/s)，哈将线1号点极值最小(6.2 m/s)。1号观测点风速平稳、波动不大，十三间房、红柳、了墩和七角井四个气象站高风速持续时间较长，在10点之后，风速下降比基本相近，而大石头、木垒气象站和5号观测点高风速持续时间较短，在14点之后风速基本平稳。

图3 2010年12月28日各观测点风速随时间变化曲线

2.1.3 各监测点平均极值风速分布

将哈将线2010年12月各观测点所对应的平均极值风速用平滑曲线连接起来，发现5个观测点的风速极值随各自所处的位置呈“钟形”分布，越岭段2，3，4号观测点风速极值普遍较大且数值接近，随后以此段为中心向线路起点和终点两侧呈递减的趋势，距离风口越近，风速越大，距离风口越远，风速越小，如图4。

2.2 风向观测

图4 各观测点平均极值风速随位置变化曲线

铁路风害受线路与大风的相对位置影响，线路走向与风向垂直时对列车的危害最大［4］。以下根据2010年12月4～5日和12月28日两系统天气中沿线1，2，3，4，5号观测点及木垒气象站的大风风向频率观测资料，绘制出风向玫瑰图(见图5)，对风向进行统计研究。

图5 各观测点风向频率玫瑰图

由图5可见，1，2，3号观测点风向集中在N方向，4号观测点风向集中在NW至WNW方向，5号观测点和木垒气象站风向主要集中在W方向。

2.3 大风分布规律

根据2010年12月4日～5日和12月28日两系统天气中各观测点大风资料，兰新铁路百里风区的十三间房极大风速值最大，风向集中在北或北偏东，风区对应哈将铁路DK108+000—DK147+000段，向南随着地形的平坦开阔风速逐渐减弱，1号观测点风速很小，该地处于哈密盆地倾斜平原区。越岭段(DK147+000—DK213+000)的2，3，4 号观测点极大风速值仅次于百里风区，且各观测点平均极值风速较为接近，风向先集中于北，逐渐偏西，越岭段属北天山剥蚀低中山区及南麓剥蚀丘陵区;岭北段5号观测点平均极值风速最小，风向集中在西，位于天山以北准噶尔盆地平原区。

根据大风形成机理，结合观测结果与地貌推断:冷空气经哈将线5号点南下，途经木垒，翻越天山垭口过2，3，4号观测点时，受“狭管效应”影响，风速增大;出天山大风通道后海拔降低、地形开阔，一路加速而下，风力继续增大，呈“扇形”扩散，到十三间房时达到极值;之后地形转为平坦，大风扩散，风速显著减弱。1号、5号观测点分别处于风区的两翼边缘，风速最小。

3 结论

设计选线时线路尽量与主风向平行，选择风力较小的背风侧风影区，控制路堤与桥梁高度，绕避沟口等不利地形。岭南段位于百里风区，风力强劲，需要采取防风措施;越岭段尽量以隧道或路堑形式通过，路堤段根据填方高度采取挡风墙等防风设施进行防护。利用沿线大风观测点，建立大风监测预警系统，为运营安全服务。在降雪量较大，线路走向与风向夹角＞30°的大风地段，应进行风吹雪设计。

［1］中铁第一勘察设计院集团有限公司.新建哈密至将军庙铁路可行性研究报告［R］.西安:中铁第一勘察设计院集团有限公司，2010.

［2］曾广勇.铁路工程地质实例:西北及相邻地区分册［M］.北京:中国铁道出版社，2002:279-285.

［3］李永乐，王东绪，刘树红，等.大风区铁路施工人员防风标准及措施研究［J］.铁道建筑，2011(7):152-155.

［4］盛智平.兰新铁路防风明洞结构形式设计研究［J］.铁道建筑，2011(4):80-83.

［5］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.

［6］铁道部第一勘察设计院.铁路工程设计技术手册:路基［M］.北京:中国铁道出版社，1995.